几何学与动物

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  世间一切事物都要受到客观规律的支配,生物也不例外。为什么陆地上没有比非洲象更大的动物?为什么有许多小动物要冬眠?动物的体型和一些生理习性,可以从几何学的角度加以解释。
  世界著名物理学家伽利略在1638年就注意到,当一个物体增大时,它的表面积与它的线性度的平方成正比,它的体积与它的线性度的立方成正比。通俗点说,就是体型如果变大,那么它的表面积和体积自然也会随之增大。但是并不依照相同的比例增大,而是按表面积的平方、体積的立方增大。
  同类物质,体积越大,质量自然也越大。因此,依其骨肉的体积而定的动物体的质量,要比支撑动物体的表面积增加得快。动物的形体越大,施加在它腿上的压力也越大。所以,它的支撑腿必须长得很粗,否则便难立其身,更不要谈自由地跑动了。如果动物的生长是不受限制的,可以长得很大很大,由此而形成的重力及其对腿部的压力就会最终使动物垮下。
  陆地上最大的动物算是非洲象,有记录的最大一头成年非洲象重量超过了10吨。大象的身子既是如此沉重,也就难怪它的四条腿像是几根大圆柱子了。试想,如果还有什么比象更大的家伙,那么它的腿岂不是要有箩筐那么粗吗?如此,它又怎么能够自由地运动呢?中生代的恐龙倒是比象大,但它一生中大部分时间是在水里度过的。由于行动不便等原因,这种动物很容易被淘汰。
  水中的动物,又是另外一番情形了。它们占了浮力的便宜,故而可以比大象长得再大一些。海洋中的蓝鲸是地球上现存的最大动物,它的体长可达32米,重达150吨。蓝鲸的幼体一出娘胎就有2吨重,6米来长。
  重力对生物体来说,是一种束缚。重力减小,有利于飞翔,但却不利于行走和跑动。会飞的昆虫重量很轻,可是要想站稳脚跟就颇不容易,有时得靠其他器官来增强稳定性。否则,一股小风就可将它掀翻。
  动物的体表面积与其体积的比例关系,也影响到动物体的新陈代谢和热量散失。动物形体越小,它的体表面积越大,身体暴露在外的部分也越多。这样,它的代谢和热量散失也就比较快。正是这个道理,一些生活在寒带或温带地区的小动物,在面临严冬酷寒之时,有翅膀的,远走高飞了;能生羽毛的,换上了御寒的新装了;没有好办法的,只得以停食而静止的冬眠方式来保存体内的能量。动物冬眠时,体内的一切反应几乎完全停止,体温下降至接近外界的气温,代谢率极低。
  对于大动物来说,它们产热较多,而散失的热比较少,所以尚能对付寒冷。研究人员已经注意到,平均来说,寒冷地方的哺乳动物要比沙漠地带的哺乳动物大一些。
  动物的内部构造,也同样受到上述比例关系的支配。动物体的基本结构是细胞,而细胞是很小的。与细胞的整个体积比起来,细胞膜就很大了。因而就细胞的大小来说,还是小一些的细胞在获取氧气、排出二氧化碳方面更为迅速有效。
  无论是亚洲象还是非洲象,它们都是长期生活在热带或亚热带地区。那里气候炎热,环境干燥,散热问题显得十分重要。细胞代谢会产生热量,细胞多,产热就多。散热主要靠皮肤,也就是说与表面积有很大关系。恒温动物要保持体温的稳定,产热与散热就必须保持平衡。而毛发是利于保温,而不利于散热,所以大象的体表毛发甚少,这是应对表面积与体积不相应的一种措施,是客观法则使然。编辑/梁宇清
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