大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

莊子曾經説過,夏蟲不可以語於冰者,篤於時也。把這個概念用於大象和老鼠也是適用的。大象重幾噸,老鼠重幾十克,兩者相差十萬倍;大象能活將近一百年,而老鼠只能活兩年,兩者相差五十倍。從這個意義上説,大象和老鼠的大小是顯而易見的。事實上,這也是進化中的一個大和小的問題。

大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

大象與老鼠的時間異同

生物進化首先表現在時間上的差異。大型動物可能活得更長,而小型動物可能活得更短。從這個角度來看,大象和老鼠是不同的,但它們在某些時候是相同的。包括人類在內的所有哺乳動物在時間和體重上都有一定的比側關係。這裏提到的時間是生物或生理時間,如壽命、活動時間、生長時間、性成熟時間、胎兒在母體中的生長時間等。然而,哺乳動物的時間首先與體重有關。它們的基本關係是,生物時間與體重的1/4次方成正比。1/4次方即平方根的平方根,當動物的體重變為原來的16倍時,時間(壽命)就會變為原來的2倍。

從哺乳動物做事的時間來看,動物越重,做事情的時間就越多,所以大象的動作笨拙而緩慢,老鼠的動作靈敏而迅速。大象孕育胎兒的時間為18~22個月,大約是其體重的1/4次方;老鼠的孕期約為1個月,胎兒在母體內的時間大約也是其體重的1/4次方。不僅如此,動物性成熟時間和壽命也遵循1/4次方的規律。

大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

似乎我們可以找到大象和老鼠的壽命不同的原因。因為生命週期是由生物週期決定的,生物週期是由有機體的重量決定的。因此,動物越重,其生命週期(包括各種生理活動週期)就越長,壽命也就越長。老鼠,較輕的動物,則壽命較短。

由於老鼠的生命壽限較短,所以大象在老鼠面前完全有“夏蟲不可以語於冰”的優越。那麼,它們都活完一生後,在時間上有如此大的差異,在感覺上就可能有完全不同的“人生”。不過,子非魚,又焉知魚之不樂?因為,這只是大動物和小動物在時間上的差異。

然而,無論動物大或小,在時間的某些方面它們又有驚人的相似性。主要是動物器官總的運動次數。例如,如果把動物的任意兩個與時間有關的現象相除的話,這種時間就會很相似,而與動物的體重無關。如果用心跳間隔除以呼吸間隔,在每次呼吸間隔裏,心臟會跳動4次。無論是大象還是老鼠,這種器官的活動時間是相同的。此外,通過將壽命除以心跳間隔,每隻哺乳動物一生的心跳大約是20億次。然而,大象能活100年,單位時間內心率較慢;而老鼠只活2年左右,單位時間內心率較多。

細胞大小的異同

大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

眾所周知,生物的基本要素是細胞,細胞形成組織器官,器官形成系統,從而完成各種生理功能。由於大象的體重大約是老鼠的10萬倍,組成它們身體和器官的細胞可能有很大的不同。當然,大象的細胞很大,而老鼠的細胞很小。

如果我們從中推斷,我們會認為這是理所當然的。事實上,大象的細胞幾乎和老鼠的細胞一樣大,細胞的直徑一般是10微米。不僅如此,各種動物細胞的大小基本相同,即大象的心臟細胞幾乎和老鼠的一樣大,大象的腦細胞幾乎和老鼠的一樣大。這是為什麼?

大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

大象之所以大,是因為它們細胞多;老鼠之所以小,是因為它們細胞少。但這並沒有涉及到為什麼大象和老鼠有同樣大小的細胞,而所有哺乳動物都有同樣大小的細胞。因此,它也提出了一個重要的問題:什麼決定了細胞的大小?

要回答這個問題,我們需要從細胞的組成開始。人體內約有1億個細胞,就像其他動物細胞一樣,每個細胞都有一個細胞核(DNA),其中包含着最重要的遺傳信息,因為只有細胞核中的遺傳信息才能使各種生物繁殖和世代相傳。而且,每個細胞核內的遺傳信息是相同的。因此,包括人類在內的生物遺傳信息在大量細胞中被重複。那麼,為什麼動物會選擇如此複雜的方式來傳遞基因信息呢?

大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

假如換一種方式,比如,每個人就是一個大細胞,只含有一個細胞核,再由細胞核中的遺傳信息產生核糖核酸(RNA),後者是蛋白質的設計圖,再把這種設計圖運送到全身各處,各處的組織按RNA的藍圖來生產蛋白質。如果這樣,生物就需要有一個巨大的暢通的輸送系統。但是,RNA是不能靠擴散來運輸的,因為,即使是像酶那樣比RNA還小的分子通過擴散的輸送最大距離也只有1~2釐米。而像RNA這樣的大分子的擴散係數只有氧的1/100,所以最大的擴散距離也只有幾十微米。

顯而易見,要把遺傳信息和加工程序輸送到全身,生物就必須要有龐大的運輸系統,這顯然會讓生物不堪重負。於是,生物就選擇了另一種方式,通過在全身各個角落都擁有大量的DNA,再由DNA產生RNA來完成遺傳信息的複製和傳遞。但是,光有DNA是不行的,因為裸露的DNA容易受到破壞,因此還必須把DNA裝在一個類似袋子的器具中,這個器具就是細胞。

那麼,細胞為了完成各種功能,它的大小就沒有太多的選擇餘地。美國杜克大學的研究人員通過模型算出了組成細胞的各種物質的比例。細胞是由細胞膜、細胞質和細胞核組成。細胞是一個球狀,如果細胞核DNA製作的信息(RNA和其他信息)需要輸送,一般是呈放射狀擴散。因此包圍細胞核的細胞質如果不持續地接受一定量的信息,就不能存活。通過這種關係,研究人員計算出,細胞質內的總信息量要與細胞直徑的5次方成正比。

另一方面,細胞核產生信息的能力也要與核的體積成正比,也即與細胞的體積成正比。經過計算,發現細胞核信息的產生量應當與細胞直徑的3次方成正比。因此,細胞的信息生產能力和擴散速度之間就有一種供需平衡的關係。如果細胞的直徑增大了一些,細胞體積也增加了,則細胞核的信息生產能力就會供不應求;如果細胞的直徑減小了一些,細胞體積也會縮小,則細胞核生產的信息就會供大於求,造成浪費。

所以,細胞的大小是由細胞核的信息生產能力和擴散速度決定的,這就決定了細胞的直徑一般為10微米。這也就是為何大象和老鼠的細胞大小基本一致的原因。大象之所以大是因其器官大,而器官的大是由細胞的數量來決定,與細胞的數量成正比,而與細胞的大小無關。所以,這種現象也稱為“細胞體積的守恆定律”。

定向進化有爭議

動物的大與小既有優點,也有劣勢,大象和老鼠就是典型的例子;

大象和老鼠有什麼不一樣的地方,它們只是體型上的差異嗎?

一般來説,動物長得更大有許多優點,所以有人認為自然界有向大物體方向進化的趨勢,因為象這樣的大動物有許多小動物沒有的優點。例如,動物越大,就越能忍飢,因為當它們餓的時候,它們可以消耗體內儲存的脂肪。此外,大型動物可以走得很快,活動範圍也很廣,因此它們可以不斷地移動,尋找一個良好的環境。因此,大型動物具有較強的應對飢餓、寒冷、炎熱的夏季和乾旱的能力。當然,大型動物的耐旱能力也取決於它們相對較低的體表失水量。

正如上面所説,大象之所以大是因為組成其身體的細胞數量之多,其他大型動物也是如此。由於細胞數量多,大型動物就能夠把多餘的細胞用於新機能的開發。此外,大型動物的代謝率低於基準水平,能量就有富餘,可以用於充分發展智能,比如人和海豚。

此外,動物的體型大也意味着強大,這是由其奔跑的速度和力量的強大所決定的,它們在生物圈中的競爭優勢很明顯。在美國熱帶草原上,動物的喝水就是根據體型的大小來劃分先後的。先是大象喝水,然後才是犀牛、河馬、斑馬等。

如此,就有一種推論,還是大象的生存能力強,而老鼠的生存能力差。而且,如果體型大是一件好事的話,自然界的進化就會呈現定向進化——世界上將來只會剩下大型動物,如大象,不會有小動物,如老鼠。但是,現實的情況並非如此,將來的情況也並非如此。

事實上,現在地球上生活着許多小動物,它們的數量和數量是大象等大型動物無法比擬的。原因首先在於生物學的多樣性,其次是小鼠的特性。有許多小動物的壽命很短,它們更容易在短時間內變異併產生新的物種。同時,由於小動物數量眾多,它們有很大的機會離開後代。它們以對環境的靈活性和適應性而聞名,這也是它們生存的法寶。

所以,大象的大與老鼠的小既有差異,又有相似,還可以井水不犯河水。

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