Арифметические проблемы эволюции

Гигантские рептилии, обезьяны и прочие чудища на экранах - это, конечно, вымысел. Но могли бы они в принципе существовать? А если могли, то почему природа не создала существ произвольных размеров?

Простой расчет показывает, что пути у природы весьма ограничены. Оставим в стороне великанов из сказок и тех же фильмов в десятки раз выше человека и рассмотрим более скромную пропорцию: два к одному. Каково было бы человеку ростом чуть более трех метров и с пропорциями тела, как у обычного индивида? Тогда его вес будет в 8 раз больше, скажем 640 кг, однако поперечные сечения костей и мышц только в 4 раза больше.

Чтобы заиметь силу мышц и прочность скелета, соответствующие весу, нашему великану придется раздаться вширь в полтора раза (точнее, в корень из двух раз). Тогда площади сечений удвоятся и организм легко потянет 640 кг. Ба! Да только после накачки мышц вес великана не останется прежним, а удвоится: 1280 кг. Придется ему раздаться еще раз, после чего получится 2560 кг опять при той же половине от мощности мышц, необходимой для бодрости и ловкости.

Наш великан уже превратился в колобок, но ни капли не продвинулся к цели. И никогда не продвинется. Такова элементарная арифметика. А если бы она была иной, то слоны, бегемоты, носороги и медведи поражали бы нас своей элегантностью и тонкими талиями.

Лишний рост порождает такие проблемы, которые принципиально не могут быть решены, потому что одни характеристики растут по квадратичной кривой, а другие - по кубической.

Это не значит, что трехметровый человек вообще не мог бы существовать. Но большинство его систем жизнеобеспечения будут давать половину нужной мощности. Так, мышцы сердца учетверили бы силу, но крови-то надо гонять в 8 раз больше. Избыточного тепла выделяется в 8 раз больше, но поверхность тела увеличилась непропорционально и не может эффективно отдавать все лишнее тепло. Аналогично полным людям чаще бывает жарко, они больше потеют.

Чтобы как-то понять настроение великана, обычному человеку надо взвалить на себя мешок весом 80кг и таскать его всюду: на работу, в постель, в туалет. Впрочем, граждане, располневшие до 160 кг, хорошо знают, что это такое, и какие болезни наваливаются чуть ли не на каждую часть тела.

Впрочем, и 10 кг жира - это приговор многим достоинствам тела. Компенсировать их ничем нельзя.

Есть и другие проблемы у великанов. Нервные сигналы быстрее не стали, но путь их увеличился. Значит, все реакции замедлились. Умнее от роста тоже не становятся. Зато еды понадобится уйма, на которую трудно будет заработать немощным телом.

И это все при скромной пропорции два к одному. При десятикратном отношении великан просто упал бы и никогда не смог подняться на ноги. Самое большее, он сумел бы слегка подрыгать конечностями.

Проблемы размера хорошо известны строителям. Вдвое более высокое здание - это не два прежних, поставленных друг на друга, оно всегда требует новых конструкторских решений.

И тем не менее, в дикой природе большой рост и вес организма может иметь свои преимущества. На слона никто случайно не наступит, а медведь и без всякой ловкости подомнет под себя любого хищника. Поэтому природа наряду с прочими инструментами взяла на вооружение большие размеры животных.

Самым крупным животным является голубой кит: до 100 тонн. Самое крупное наземное животное: 5-тонный слон.

Из вымерших крупнейшие динозавры (брахиозавры) весили 80 тонн. По одной версии они вели полуводный образ жизни, плавая в мелких водоемах. Так что им, как и китам, не нужно было много мышц для передвижения. Однако, обнаружены четкие отпечатки ног, которые вряд ли можно оставить в воде. К тому же, дыхание на глубине 5 м требовало бы от грудной клетки непомерно большой работы. Загадка остается нерешенной.

Есть великан, который точно жил на суше. Это балухитериум - родственник современного носорога из олигоцена. Вес 30 тонн, рост 5 метров. Как же он не упал, если даже трехметровый человек был бы на грани существования? Прежде всего, четыре ноги качественно меняют картину. Пара обнявшихся рядовых граждан имеет вес вдвое больше, чем у одного, но не испытывает никаких новых проблем в борьбе с земной гравитацией. При четырех точках опоры организм намного устойчивее и не требует массы мышц, как у человека, работающих на поддержание равновесия при прямохождении. Не нужно носорогу прыгать по деревьям, да и вегетарианская пища никуда не убегает.

При сравнении с парой обнявшихся граждан у древнего носорога получается 3-кратное превосходство в росте. Исходя из кубической зависимости, можно было ожидать 27-кратное превосходство носорога в весе, т.е. около 4 тонн, при котором он тем не менее вряд ли мог бы существовать. На деле природа добавила ему еще около 20 тонн мышц, чтобы бедняга мог хотя бы передвигаться. Однако, судя по результату (вымиранию), этот эксперимент оказался неудачным.

Если не утруждать читателей длинными расчетами ученых, то в первом приближении природа обеспечивает только 1/4 от того прироста скелета, который обеспечивал бы прежнюю прочность. Т.е. с увеличением размеров животных скелет растет, причем он занимает все большую относительную часть тела (стремясь в пределе сравняться по весу со всем организмом), но природа осуществляет разумную экономию на скелете. На мышцах труднее экономить, так как все равно надо предусмотреть, чтобы упавшее животное могло само встать. Однако многие крупные животные проводят всю жизнь на ногах, так и спят, так и умирают.

Мышцы развивают силу 3-4 кг на кв.см поперечного сечения. Эта величина не зависит от размеров тела, она одинакова и для мыши, и для слона.

Г.Галилей в 1637г. в своих "Диалогах" впервые обратил внимание на необходимость непропорционального увеличения размеров костей, выполняющих опорную функцию. Он прекрасно понимал, что должен быть предел увеличения, поскольку не может животное быть одним скелетом. Галилей предположил, что гигантские животные должны быть водными.

Мелкие организмы показали большую жизнеспособность. И это не удивительно, поскольку та же арифметика показывает огромные преимущества малого тела. При уменьшении вдвое линейных размеров понадобится еды ориентировочно в 8 раз меньше. Реально выходит не совсем так, поскольку малый размер позволяет резко ускорить жизненный цикл и все жизненные процессы, что имеет огромное значение для воспроизводства вида. Половина мышц оказывается необязательной, но ее можно использовать для невиданной ловкости, которую демонстрируют, например, насекомые.

Однако и малые размеры имею свой минус. Не видно никаких вариантов существенно уменьшить объем человеческого мозга без потери его качеств. По-видимому, человек оказался на весьма узкой грани, где в приемлемые сроки (относительно возраста наблюдаемой Вселенной) мог развиться разум. Все другие размеры тела резко снижают вероятность его появления.

В принципе есть путь совершенствования организмов через более прочные и легкие материалы. Встречаются ли таковые в природе?

Костная ткань выдерживает нагрузку 1.7 тонн на кв.см, чугун - 2.5, гранит - 3, кварц и сталь - 5, дуб - 0.5, бетон - 0.7.

Много это или мало? Гранит слагает горы до 10 км. Больше на Земле не бывает, так как они просто расплывутся. А вот на Марсе при вдвое меньшей силе тяжести возможны и есть горы до 20 км высотой. Значит, из костного материала можно построить на Земле сооружение высотой в 5 км.

На растяжение кость потянет 1.2 т на кв.см, как у чугуна. Немногие материалы могут похвастать большим: нейлон - 5, проволока из из высокоуглеродистой стали - 42 тонны на кв.см.

Правда, кроме сжатия и растяжения есть другие виды деформации, которые перенести не проще: сдвиг, изгиб, кручение, ползучесть. Так, стекло очень прочно, но разбить окно не составляет труда. Поэтому километровые дубы не вырастают. Даже небольшой порыв ветра в лесу вызывает огромную изгибающую нагрузку. В этом случае ствол действует как рычаг, где, как мы знаем, выигрывают в силе, проигрывая в расстоянии. Поэтому боковое усилие всего лишь в одну тонну на крону 20-метрового дерева от легкого ветерка обернется 80 тоннами сжатия на одну половину полуметрового ствола и столькими же тоннами растяжения на другую (без учета собственного веса дерева). Правда, на один кв.см придется только 80 кг, но это уже 15-20% от предела. Хороший порыв ветра запросто сломал бы любое дерево, если бы оно торчало неподвижно, как скала. Но дерево сгибается и размазывает удар во времени, многократно снижая его воздействие. Так же деревянные изделия обычно не ломаются при падении, а гораздо более прочное стекло бьется.

Древние египтяне при строительстве пирамид, явно не дотягивающих до 10 км в высоту, столкнулись с тем, что рассыпается и гранит. Одно дело, если бы пирамида высекалась из цельной глыбы. И совсем другое, когда надо точно сложить отдельные блоки. Малейшая неровность может привести к таким локальным перегрузкам, что не выдержит и расколется любой камень.

Бедренная кость человека рассчитана на 5 тонн, но прыжок с трехметровой высоты на твердую поверхность гарантирует перелом конечностей. Переломать руки и ноги можно, просто поскользнувшись на тротуаре. Кости человека имеют 10-кратный запас прочности (такой же принят за основу в технике), но и он не является лишним в экстремальных ситуациях, в которых нередко оказываются люди.

Сравнение с природными материалами показывает, что предел прочности практически достигнут. И здесь природа прошла на грани возможного. Если бы сила гравитации на Земле была немного больше, то жизнь развивалась бы преимущественно в мелких формах, недостаточных для зарождения разума, а организмы покрупнее отличались неуклюжестью и со слоновьими ногами занимались бы главным образом борьбой с гравитацией.

При чуть меньшей гравитации показателен другой пример: Марс, где уже давно утеряны внутреннее тепло, геологическая активность, магнитное поле и атмосфера.

Все это говорит о том, что зарождение разума весьма проблематично и может быть нечастым явлением во Вселенной.

Если же человек слеплен по божественному или иному проекту, то конструктору пришлось провести немалые расчеты. Нельзя просто нарисовать человеческий профиль и решить, что это хорошо. Под этот профиль пришлось бы подгонять планету и целую звездную систему. Н.В.Невесенко
Нажми «Нравится» и читай нас в Facebook!

Обсуждения Арифметические проблемы эволюции

  • Галия, спасибо, Вы меня обнадежили.
    Я еще подумаю. Но, наверное, и вправду ничего лучше не найти. Раз еще и без очереди, то о чем еще можно мечтать! Н.В.Невесенко
     
  • Вот не зря-таки говорят, что в каждой шутке лишь доля шутки!) По-существу, Вы озвучили (т.е. описали) эволюционную цель разума, а именно, > стать (всезнающим, всемогущим и т.д.) богом и соответственно исполнителем (воли Создателя и) любых чужих заказов Что ж сомневаться, если только этот "заказ" и принимается? Причём, без очереди?))
     
  • Галия, как Вам любопытно, так и мне любопытно. Вот и весь мотив. Это естественная жажда познания. Можно сказать, что она выкована эволюцией (или Богом, кому как нравится). Раз любопытно, что там за дверью, то ее открывают и, возможно, находят что-то полезное. А если бы среди интересов осталось только влечение к противоположному полу, то из пещер люди не вышли бы. Разве лишь за едой. А зачем иначе выходить, если не любопытно, и все удовольствия прямо на каменном ложе?
    Вы меня сильно озадачили, предложив хоть ненадолго представить себя в роли заказчика. Разрешите мне подумать. А пока шутя могу сказать, что попросил бы систему, в которой сам мог бы стать богом и соответственно исполнителем любых чужих заказов. Но, наверное, такие заказы не принимаются. Н.В.Невесенко
     
  • Ещё могу понять каких-нибудь расистов, фашистов или коммунистов - там люди волнуются за что-то конкретное, даже достижимое, чтоб можно было им погордиться. Но каковы мотивы у Вашего "эпохизма"? И ещё любопытно, вот если бы Вы были заказчиком системы, то какую бы заказали?)
     
  • Галия, Вы так спрашиваете, как будто я был среди заказчиков системы. Наверное, прежде всего нам надо благодарить Главного Конструктора, кем бы он ни был, за предоставленную возможность изучать все созданное и в том числе себя, сидеть за компьютером и философствовать.
    Можно гадать, как было бы хорошо, если какие-то проблемы были решены. Но порой мне кажется самым лучшим оказаться не среди решений, а в самой гуще нерешенных проблем. Возможно, наша эпоха именно такова, и другой с такими горами интереснейших загадок уже не будет. Н.В.Невесенко
     
  • Николай, в Ваших рассуждениях, с одной стороны, я вижу в Вашей большое восхищение возможностями нашего Главного Конструктора, а с другой, как бы некоторый упрек в сторону богословов, которые не берут на себя труда объяснять более подробно тему происхождения человека и разума. Но скажите, Вы сами вполне довольны тем, как подогнана эта планета и вся звездная система под Вас?)
     

По теме Арифметические проблемы эволюции

Методологические основы, решение проблемы эволюции человека

Уровни воздействия, которые существуют в этом огромном мире, позволяют через...
Журнал

Шкала эволюции человека

Наши древнейшие предки перешли от охоты и собирательства к оседлой жизни на 400...
Журнал

Успех человеческой эволюции

Генетическое исследование выявило, что у обезьян меньше, чем у человека, копий...
Журнал

Теория эволюции планет

Исследовательский коллектив под руководством Элис Квиллин (Alice Quillen...
Журнал

Марафонец - венец эволюции

К такому парадоксальному выводу пришли ученые из Университета Колорадо (США). В...
Журнал

Топливо эволюции

Коренным отличием человека от других приматов и иных животных на Земле является...
Журнал

Опубликовать сон

Гадать онлайн

Пройти тесты

Популярное

Суд. Раскодирование
Что такое центрирование присутствия