像哥斯拉一样大小的生物真的存在吗?

日本惊现“哥斯拉”排队行进 专家:云朵状似怪兽 属自然现象

来源:sciencealert

撰文:SCIENCEALERT STAFF

翻译:任天

▲好莱坞电影中金刚大战哥斯拉的画面

生命已经在地球这颗蓝色行星上已经演化了大约 35 亿年。在这段漫长的时间里,大自然推出来的最大块头的生物是蓝鲸。但坦率地说,这有些令人失望。

当然,请不要误解;与我们人类相比,一头 180 吨、30 米长的哺乳动物显然已经是不得了的庞然大物。但在流行文化中,无论是爬上纽约帝国大厦的金刚,还是在日本东京肆虐的开菊兽,都不禁让人好奇 —— 宇宙中是否存在诸如此类的超大型生命?它们究竟需要怎样才能长这么大?

尽管杉叶蕨藻的外观和水生蕨类植物差不多,其叶长可达 80 厘米,但它实际上可以看作一个巨大的细胞

一个单细胞生物能有多大?

好吧,我们先从小的生命形式开始。再大的生物也是从微小的细胞开始成长起来的,那么,那些超大型的生物是否可能也具有更大的细胞?

除了少数例外,生物圈中大多数自我复制的细胞是肉眼看不见的,只能借助显微镜进行观察。事实上,这是很合理的,基于化学和几何学的原理,造就了绝大多数生物细胞微小的体积。例如,物体的表面积与体积之比就非常重要。当三维物体(如细胞)的体积变大时,这一比例就会缩小,意味着其内部的黏性物质比外层的黏性物质膨胀得更快。对于每立方微米细胞而言,表面积的减少,就像嘴巴跟不上快速生长的身体一样 —— 限制了重要营养物质和气体通过边界进入扩张区域的速度。

这不是唯一的限制因素。细胞还存在结构上的问题。即使是大细胞,如果它们要复制的话,就需要在某些时候撬开它们的细胞膜和 DNA。对于大多数生物来说,实现这一过程依赖于一种像丝线一样的结构 —— 微管。这种结构就像一个骨架,赋予细胞结构和运动方式,也有助于限制细胞的大小。

当然,生物在演化中可能会偶然发展出突破生物工程极限的解决方案。以杉叶蕨藻为例,这种常见的入侵海藻生长迅速,并且抛弃了整个细胞理论的规则,走上了一条与常规多细胞生物不一样的道路。

尽管杉叶蕨藻的外观和水生蕨类植物差不多,其叶长可达 80 厘米,但它实际上可以看作一个巨大的细胞 —— 如果你对细胞的定义不是那么严格的话。举例来说,杉叶蕨藻仍然有多个细胞核,并拥有一群内共生细菌来帮助它吸收营养。仅就单细胞生物而言,这的确是一个如假包换的“巨怪”。

说到巨怪,球法囊藻(Valonia ventricosa)也很值得一提。这种藻类又被称为“水手的眼球”,是最大的单细胞生物之一。当然,球法囊藻并非完全是一个单细胞,而是具有多细胞核和叶绿体的共同细胞结构,具有巨大的中央液泡。

还有伞藻属(Acetabularia)。这是绿藻的一个属,所有种都属于单细胞生物,外表呈伞形。尽管只有 10 厘米长,但它们被认为是只有单一细胞核的最大单细胞生物之一。

所以,细胞确实可以变得很大,但我们可能需要重新思考一下细胞的真正定义。

球法囊藻并非完全是一个单细胞,而是具有多细胞核和叶绿体的共同细胞结构,具有巨大的中央液泡

一株植物能长到多大?

大约 2500 年前,在如今的美国某地,一颗种子发芽了。这个地方后来被称为加利福尼亚州图莱里县。如今,这棵树苗已经长到 80 多米高,由近 1500 立方米的木材组成。

巨杉(Sequoiadendron giganteum)之雄伟是如此令人印象深刻,以至于被俗称为“世界爷”,甚至还有了另一个名字 —— 谢尔曼将军树。这是地球上现存体积最大的树,也常被认为是最大的生物。

然而,与被称为“林赛溪法国树”的庞然大物相比,即使是谢尔曼将军树也不过是一根小树枝。这是一棵红杉(Sequoia sempervirens),一种可以追溯到恐龙诞生初期的古老物种。它的体积高达 2550 立方米,高 118.87 米,是历史上有记录的最大的树。可悲的是,1905 年的一场风暴把它刮倒了,否则它今天可能仍然是植物之王。

为了支撑如此可观的体积和令人目眩的高度,红杉演化出了一些克服限制的技巧。树木体积的限制因素之一,是如何将水从地下输送到树冠。幸运的是,红杉非常适合北美西海岸凉爽潮湿的栖息地,它们一半以上的水分都是通过树叶从翻滚的雾气中吸收的。

而且,尽管红衫的根部通常很浅,但底很宽,形成了类似“仙女环”的根部结构,为它们提供了更宽、更坚实的支撑。此外,红衫具有复杂的基因组,能够在几个世纪里不断地向更高的地方推进,并相对容易地抵抗疾病和偶发的火灾。像这样的红杉是真正的幸存者,它们可以慢慢地向天空伸展。

也许有一天,大自然会造就出更高的生物体,但这一天可能要等待很久。即使是古老的红杉,可能也来到了不属于它们的时代;气候变化使水分减少,火灾的频发也让森林倍受威胁。

要在地球上演化出更高的生物,它就必须克服一些工程问题,这也是我们在建造摩天大楼时所面临的问题。目前,迪拜 828 米高的哈利法塔是世界上最高的建筑。我们有可能建得更高,突破 1000 米,但这需要更宽的底部支撑。

▲巨杉(Sequoiadendron giganteum)之雄伟是如此令人印象深刻,以至于被俗称为“世界爷”,甚至还有了另一个名字 —— 谢尔曼将军树

长成一棵更高的树,不仅需要克服类似的地面支撑方面的挑战,还要保证水分和养分的运输,以及幸运地拥有较长的寿命。

如果我们抛开高度不论,并愿意重新思考一株植物的定义,那么与真正的神级实体“潘多”(Pando)相比,红杉就只是一根牙签。

美国犹他州的鱼湖国家森林占地 43 公顷,是一个由数万根颤杨(Populus tremuloides)的树干组成的自然奇观。这些树干的基因都一模一样,而且树龄都不超过 150 年。在大多数情况下,这片由相同树干组成的森林被认为是单一生物体,本质上是一棵被亲切称为“潘多”(Pando 在拉丁文中意为“我伸展”)的雄性白杨。

潘多巨大的树根、树干和树枝总重量达 6000 吨,基本上就是地球上最大的生物之一。与红杉一样,潘多的时代也可能即将结束。尽管它已经存在了 8 万年,但最近似乎没怎么生长,这让研究人员怀疑它的时日已经不多了。

植物并不是地球上最大生物的唯一竞争者。奥氏蜜环菌(Armillaria ostoyae)会生长出庞大的菌丝网,足以跻身世界体积最大的生物之列。在美国密歇根州,一株奥氏蜜环菌的生长范围超过 36 公顷,重约 40 万公斤。虽然没有潘多那么大,但它展示了真菌令人印象深刻的生长潜力。这也不禁让人猜测,地下是否还隐藏着其他超大型的生命形式。

▲棘龙属的大小比较

巨型动物与哥斯拉

与演化出如山巨兽的挑战相比,像摩天大楼一样高的植物和巨型真菌就都很简单了。对于地球上的动物能长到多大,我们可能多多少少都有概念。已知的最大陆地动物属于恐龙家族中的蜥脚类动物分支,这类巨大的四足动物拥有长长的脖子,用一条长尾巴来保持平衡,体长可以超过 40 米,重达 70 吨 …… 甚至更多。

对这些动物来说,体积增加一倍,其质量就增加 8 倍。它们的骨骼需要演化出某种方式(比如增加密度),使这些额外的重量保持在地面以上,然后要有足以拉动这些骨骼的肌肉。这不仅需要更多的能量,还会给心脏和肺带来额外的压力。

蜥脚类恐龙演化出了行之有效的身体结构,还很好地利用以植物为主的食物 —— 通过可以旋转的头部,它们在摄食的同时能保持身体原地不动。

不过,我们印象中的怪兽并不是食草动物,而是会进行捕猎的顶级掠食者。最大的肉食恐龙可能比棘龙(Spinosaurus)大不了多少,大约有 15 到 16 米长,这些捕食者似乎更倾向于在河流中漂浮着,等待大鱼游过。

不过,棘龙的确很符合我们对终极超大型掠食者的想象。研究人员认为,棘龙四脚着地、尾部扁平的骨骼构造显示了它们对水栖生活的形态演化。它们可能会将身体浸泡在水中,头部半露出水面,并感应周围的猎物动静,伺机进行捕食。

在过去的几千万年间,须鲸已经完善了这种策略,它们的长度和围长都显著增加,基本上变成了吞噬浮游生物的圆筒。有了海水的浮力,它们的骨头就不用承受那么大的重量,它们的肌肉也可以将能量集中起来,用于吞进一大团营养丰富的甲壳类动物。

体型越大,可能会输出更多的热量,但前提是要摄入足够的热量。磷虾的高密度和可获得性也是有极限的,这限制了须鲸的巨大体型。即使有了更多的食物,我们可能也已经看到了地球动物生长所能达到的极限(至少基于现有的生理学)—— 蓝鲸的心脏在它们的觅食过程中已经超时工作了。

要想得到一个像哥斯拉一样惊人规模的巨兽,我们可能需要一个重力较低、海洋较深或大气较厚的星球,使其能够近距离地满足高热量需求。我们甚至可能需要一种全新的方式,来想象重要的生命物质是如何在这样的巨兽内部和周围运输的。

换句话说,根据我们对地球生命的了解,像哥斯拉同等量级的生命形式很可能与影视作品中的哥斯拉截然不同。

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