梅乐芝经理的科普文章（九）

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    第9节二维-三维

    地球上存在的物体，总是有表面积和体积，即便是一张纸。现在我们测量某物体的表面积和体积。对于长宽高都为1米的立方体对象，比如说铁。其表面积为6平方米。体积为1立方米。当长宽高都为2米时，表面积为24平方米，体积为8立方米。我们可看到当对象变化尺寸（1：2）时，面积变化快（6：24）=（1：4）体积变化更快（1：8）。现在换一个铁棒，长度是2米，直径是05米，表面积是9π/8平方米，体积是π/8立方米。当尺寸增加一倍时，长度为4米，直径为1米。表面积9π/2平方米，体积是π立方米。尺寸变化（1：2），表面积（1：4）=（1：2*2），体积（1：8）=（1：2*2*2）。也就是说，尺寸增加时，表面积的增加等于尺寸两重增加，体积的增加等于尺寸三重增加。

    现在我们定义：长度（尺寸）是一维，面积是二维，体积是三维。注意看，刚才的尺寸增加时，物体是按比例都增加。如果不按比例增加（比如长增加1米，宽和高不变），那么面积和体积的增加就不满足二重和三重关系。

    前面曾讨论过人体的散热，是从人体内部和皮肤表面建立稳定的温度差来分析。这里我们换一个角度，从传递的热量和温度差之间的关系来重新分析这个问题。首先做以下假设，目的是方便直观分析。

    1人体50%以上都是水，所以假设身体全部是水。

    2人是恒温动物，在内部和表面有稳定的温度分布。现在假设人体温度均匀，散热导致整体温度下降。

    3假设外界温度恒定为0c，并假设在体温37c时，皮肤丧失热量是按照每一秒每平方厘米（00001平方米）皮肤向外散发1卡的热量来计算。

    4不考虑人体的热补充机制，分析体温下降速度。

    身高（米）皮肤面积（平方米）体重（公斤）每秒散热量（千卡）每秒降温（c）

    1718570185026

    17*11185*11*1170*11*11*11185*11*11026/11

    假设人身高h=17米，体重=70公斤（体积v=007立方米）。皮肤面积大约是s=185平方米。那么人体每秒散热q=185*10000卡=185千卡。人体每秒降温就是185/70=026c。身高增加到187米（增加到11倍），按照前面维数的定义，那么体积增加到11*11*11=1331倍。皮肤面积增加到11*11=121倍。每秒散热185千卡*121=22385千卡。而体重增加到70公斤*1331=9317公斤。人体每秒降温就是22385/9317=（185*121）/（70*1331）=185/（70*11）=026/11=024c

    按照以上分析，身体按比例放大，身体降温速度按比例变慢！

    按照人体的实际情况来分析，从身体内部到体表，再到外界，存在稳定的温度差分布，那么每秒依然向外界散热。散热依然是和皮肤面积相关。在散热时，整体降温和内部温差变大等效。降温变慢和温差增加速度变慢是等效关系。同时皮肤散热的具体数值并不影响我们的结论。因此结论可以推广到实际恒温动物。

    当环境温度较高时，体温和外界温差下，则热量散失本身就少。所以体型不需要大，就能维持住体温。当环境温度很低时，体温和外界温差太大，热量散失很大，必须保持非常大体型，才不至于体温失调。

    思考：

    1北极熊是目前世界最大的食肉动物，体长33米，体重800公斤。生活在北极圈附近地区。棕熊体型稍小，体重150-700公斤。生活范围非常广，寒带、温带、亚热带都有。黑熊更小些，体重120-200公斤，生活在亚寒带、温带、热带。马来熊，体重30-60公斤，生活在热带。熊的生存环境和体型大致符合我们的推论。事实上影响体型的因素很多，但在平均意义上，结论是可以接受的。

    2粗略估计体重是否偏胖，有个简单公式：男性体重（公斤）=身高（厘米）-100。女性体重=身高-105。自己大致估算一下，体重的增加是否为身高增加的三重关系。以女子身高15米-165米，男子身高16米-176米来验证。

    3地质上的时间第四纪，大量巨型动物灭绝。造成这一结果的因素可能有两个：气候变化和人类猎杀。冰河在18万年前达到极盛，随后全球气温回升。以北美为例，人类大约2万年前进入北美，有15属动物灭绝于1万年前，18属灭绝于5万年前至2万年前这段时间。我们不讨论人类的影响。气候变暖，对巨型动物而言是个灾难。为什么？现在全球气候变暖，北极熊已经岌岌可危。估计坚持不了多久就要灭绝。

    4在地中海的岛屿上，曾经生活着一些河马和大象。但这些动物统统侏儒化了，比如塞浦路斯侏儒河马、侏儒象，西西里马耳他侏儒河马和侏儒象。食物匮乏因素、缺乏天敌都可能是侏儒化的原因。气温升高，海平面上升，岛屿面积下降，人类的猎杀，综合因素下，在1万年前灭绝。猛犸象也在同时期灭绝。但在北冰洋的弗兰格尔岛上，生活的侏儒化的猛犸象（高度2米左右，比非洲象矮），没有人类猎杀，经受住了气温升高，一直坚持到4000年前灭绝。

    5前面我们分析中，指出身体比例不变，体型增加来抗寒。实际上生物常常改变体型。人体中四肢的散失热量相对不容易得到补充，因此躯干变长，四肢变短，也是一种适应寒冷的方式。增加脂肪厚度，体表长出长毛，也是对寒冷的适应手段。世界上最矮小的人种（不讨论侏儒），是生活在非洲热带雨林中的俾格米人，身高不足15米。在雨林中狩猎，身材矮小更方便、缺乏紫外线照射、环境温度较高，这些都可能是身材矮小的原因。同样在非洲，苏丹南部，有着世界上最高的人种，丁卡人，成年男子身高2米。这里是热带草原，温度很高。所以身材精瘦，显得纤细。在这里，身材并不是按比例增加，仅仅是身高增加很多。狮子生活在热带草原，2000年前在北非和中东也大量存在，后灭绝。目前仅在非洲撒哈拉以南和印度存在。而最大体型的狮子是北非狮子，与古罗马角斗士进行死亡竞赛的就是这种最大的狮子。同样北非西部，摩洛哥的阿特拉斯山脉曾生活着世界上最大的熊，或许熊和主人同样累了，已灭绝200年。所以例外总是很多，虽然温度因素很重要，但其他环境因素差别太大时，常常出现各种变故。

    变温动物，我们熟悉的一般是爬行动物。自身不能维持体温，依靠太阳照射升温。太阳辐射给地球带来热量，赤道上一年的辐射总热量是3147千卡/平方厘米。假设一天太阳晒12小时，平均每分钟辐射的热量就是12千卡/平方米。事实上太阳的辐射在白天并不平均，早上6点和下午6点都比较弱，中午最强。粗略估计在早上9点的时候，太阳辐射带来的热量就是每平方米12千卡。以热带生活的鳄鱼为例，最大的鳄鱼是澳大利亚北部的湾鳄，一般体长5米，大的可到7米，最大10米，通常体重600-1000公斤。按体长5米，体重600公斤计算。鳄鱼身体扁平，只有上半部分才能晒太阳，按照鳄鱼体型，估计直晒太阳的皮肤面积为3平方米。每分钟接受热量大约35千卡，一小时2100千卡。假设鳄鱼全部吸收这些热量，每小时体温上升35c。湾鳄生活的环境是热带海洋气候，最冷月气温可能低于25c。那么鳄鱼晒3小时太阳就可以开始行动。假设鳄鱼体型减小一半。同等条件下，每小时体温上**到7c。事实上，到达北纬30度时，冬天（11月-3月）太阳的辐射热是赤道同时期的60%。并且气温下降，鳄鱼只有减小体型，才能满足生存需求。在北纬30度生活的鳄鱼有扬子鳄，密西西比鳄。扬子鳄（古称鼍）体长15米，体重40公斤。密西西比鳄体长4米，因为它生活在墨西哥湾北部，气候温暖，所以体型接近湾鳄。

    体型大的优势是恒温动物容易保温，热量存储=体积，散热=面积。体型增加意味着（热储量/散热量）在增加。对变温动物而言，体积=待加热水的重量，面积=加热。体型增加意味着（加热量/水重量）在减小。

    所以，变温动物在热带的体型大，随着纬度增加，太阳辐射热的减小，体型越来越小，再冷的地方就不会有变温动物生存了。

    思考：

    1科莫多巨蜥，又名科莫多龙，体长2-3米，体重大约70公斤。最大体重150公斤以上。生活中赤道附近的岛屿上。猎杀鹿、羊，并且食腐。是世界上最大的蜥蜴。在中国南方还有较大的蜥蜴在丛林奔跑，到北方就剩下壁虎了。在亚马逊雨林中生活着森蚺，体长5米，体重100公斤。亚洲东南亚生活着网纹蟒，体长更长，近10米，但稍瘦，体重150公斤。亚热带至温带，蛇体型减小。在四季分明的地区，蛇在冬天已经无法捕食，就进入冬眠状态。海洋中也生活着蛇类，同样在寒带海域无法生存。地球在三亿年前至一亿八千万年前，陆地连成一片，称为盘古大陆。内陆沙漠分布广泛。在沙漠中的最热季节。大量季节湖干涸，这些生活中水中的大型变温动物如何度过这炎热食物匮乏的时段？

    2卤肉，经常是一大块肉丢进卤锅内煮。很多凉拌菜也需要煮大块肉，比如蒜泥白肉、姜汁鸡丝。煮一只4斤重的鸡大约1小时40分，那么8斤重的鸡需要多长时间？

    3恐龙，统治地球长达2亿年。化石记录表明种类繁多，超过500个属，1000个种，随着化石记录的更新，数量继续增加。和恐龙同时期生存的是大量爬行动物，已知爬行动物是变温的，那么恐龙是恒温还是变温？大量影视描述了各种恐龙，体重最大的是梁龙超科的动物，这类型恐龙脖子和尾部很长，尾部是防御武器，长脖子便于采食植物。梁龙体长27米，重50吨以上。地震龙体长33米，重量可达100吨。由恐龙时代生活的巨大爬行动物鳄鱼的体型可判断当时气温，化石表明当时有12米长的鳄鱼，说明鳄鱼生活的环境气温比现在热带海洋气温高。现在假设这些巨龙是变温动物，我们计算晒太阳的时间。这些恐龙的体型都是细长纺锤型，大约和鳄鱼类似，太阳在2亿年间辐射变动不大，可以按照现在的数据计算。那么以5米长的鳄鱼和27米长的梁龙比较，可知梁龙晒太阳一小时升温不到07c。若梁龙真是变温动物，太阳下山，梁龙才能开始行动。所以这些巨型恐龙应当是恒温的。恐龙生存的持续时间长，在漫长的时间里，地球的地形气候发生过多次剧烈变化。大型和巨型恒温可能性大，小型则不确定。即便现在同一地区也生活着恒温动物和变温动物。

    现代最大的鸟类是鸵鸟，但不能飞行。前面我们讨论了翅膀的效果（伯努利效应），就是制造上下空气压力差。当翅膀构造固定后，决定翅膀上面和下面压强差的因素是飞行速度（飞行速度起二重作用）。当速度一定后，决定压力差的大小因素就是翅膀面积。

    鸟的身材等比例放大，则体重增加速度快，翅膀面积增加速度慢。那么比较速度增加才能飞起来。体重->体积=三维，翅膀面积=二维，速度*速度*翅膀面积=体重，当体型增加后，速度二重增加等于体型增加的比例，才能飞起来。现在我们还能见到麻雀或其他类似的小鸟。这些鸟蹦蹦跳跳地地面行走，需要飞翔的时候一跳就可以起飞。说明这些鸟一跳对应的速度，在翅膀上产生的压力差就大于鸟的重力。鸽子，飞行速度大约48公里/小时。鸵鸟体型比鸽子大5倍以上，想要起飞，速度至少100公里/小时。

    为了降低速度要求，大型鸟类的体型做了变化，翅膀面积增加的更多。即便这样，体型大的鸟还要借助滑翔起飞，筑巢之悬崖边上。电视节目里面有天鹅、火烈鸟起飞的场景，可以看到大量鸟就像飞机起飞一样，在水面上加速，只有速度达到一定程度时，才进入空中。猫头鹰捕猎，为了实现无声效果，都是停在树上，直接滑翔起飞。如果像天鹅起飞的效果，猎物早惊跑了。

    思考：

    1鸟类为了减轻体重，骨骼都是空心，大量采用筋腱组织以降低肌肉数量。当然小鸟不用这样做。中国人好吃，鸟类也是目标之一。麻雀这样的肉尚可以，老鹰这类型的肉里面筋就多。很多人爱吃鸡爪子，啃的都是皮和筋。不能飞行的鸟则不需要如此，肌肉强健，可以充当肉用。鸵鸟现在有很多人饲养，完全可以看作是畜牧也的延续。类似的鸟还有澳大利亚的鸸鹋，食火鸡（鹤鸵），这些比鸵鸟略小。

    2被人类吃绝种的鸟类。恐鸟，产于新西兰，身高3米，体重250公斤，无法飞行。当毛利人公元1500年发现新西兰后，就开始吃这种鸟。后来只吃鸟大腿，短短50年，就吃光了岛上的恐鸟。导致以恐鸟为食的哈斯特鹰也灭绝了。旅鸽，社会性动物，大规模迁徙，在途中巢穴都集中在一起。方便了人类的大规模捕猎。最后二十世纪初灭绝。渡渡鸟，生活在毛里求斯，也不能飞行。大航海时代被发现，在人类的捕猎和栖息地破坏双重打击下，与十七世纪末灭绝。人类抵达海岛后，经常带来外来物种，比如老鼠、猫、狗、猪。这些动物很轻易就把岛上的穴居鸟灭绝了。甚至还来不及被命名。马达加斯加的象鸟，比恐鸟还大，在马来人抵达后的两千年内尚未灭绝。产卵于海边，在大航海时代来临后，就只出现在旅行笔记中了。

    3在恐龙时代，天空的主人是翼手龙目的动物。不过翼手龙不属于恐龙，是飞行爬行动物类。种类多，大小不一。小的如同现在的小鸟，大的翼展超过10米。目前最大的飞行鸟是信天翁（灰颈鹭鸨与此类似），体重10公斤，翼展超过3米。这些大型信天翁，需要逆风起飞，或者悬崖上起飞。由于要求起飞速度高，大型信天翁（漂流信天翁）生活在南纬40度的西风漂流带。这里经常起高速西风。而信天翁最擅长的就是滑翔。由此反推那些翼展过10米的翼手龙，可以想象，它们也是滑翔类型，起飞依赖逆风或悬崖。并且翅膀和躯干比例更高。

    4家禽经过人类饲养和选

    （本章未完，请翻页）种，身材肥胖，翅膀窄小。和麻雀这样的小鸟比，体型都过于肥胖，更不能和野外的同类相比。正是这一点保证了饲养的安全性。当然现代化的养鸡场，鸡从小就在笼子里生长，已不存在飞走的可能性了。动物园里面放养的天鹅，为了防止飞走，一般将翅膀上的初级飞羽拔掉。翅膀面积减小虽然不多，但初列飞羽却是产生向前动力的唯一因素。虽然翼展的升力还够，却无法飞行。（上世纪动物园曾出现过野生公天鹅和放养母天鹅在一起，它们是一夫一妻制，最后爱情的力量使得母天鹅经过锻炼飞走了。）

    俗语说身大力不亏，说明身材高大，即使不刻意锻炼增加力量，力量也很大。一个人锻炼前后，肌肉的差别在于其橫截面积。我们常说膀大腰圆，也是肌肉橫截面大，显得皮肤涨鼓鼓的。那些瘦弱的人，皮肤紧贴骨骼，麻杆一样的身材。和强壮的人相比，肌肉长度区别不大，但是横截面相差甚远。由此可决定肌肉力量的就是肌肉的橫截面。体型不变，身高增加，那么相应的肌肉横截面增加，并且是二重身高增加比例。因此力量增加的速度更快，显得身大力不亏。

    但是，身体的重量增加是三重身高增加比例。力量相对体重的比例，反而下降了！也就是说对身体的控制能力下降。我们常说敏捷，就是指身体反应迅速，易于改变身体运动状态。当身材增加时，可以说人体的敏捷按同比例下降。在群体竞价场上，那些身材相对矮小的，动作更加灵活。比如足球的球王，无论贝利还是马拉多纳，身材都矮小。例外情况是荷兰人，身材高却又是技术性打法。荷兰选手身材基本都是麻杆型，不是粗壮型。这样力量相对体重，和矮小选手相比下降不多。在篮球场上，黑人身高又灵活，这是人种特点。在同一人种内，身材高大的也显得不灵活。那些当后卫的选手，身高都相对比较矮。当中锋是傻大个站桩要求时，就来个身高粗壮型。总之，身材矮小，及身材瘦长型，敏捷程度都高于身材高大和身材粗壮型。

    思考：

    1跳蚤，跳的高度可达身体长度的百倍以上。假如跳蚤如《跳蚤之歌》里的情况，可以长大，设跳蚤原始长度3毫米，长到1000毫米，体型不变。那跳蚤可以跳身体长度的多少倍？*

    2举重比赛，按照选手的体重分级进行。类型分为抓举和挺举。尝试计算各个级别冠军选手比赛时的功率，并把功率和体重进行比较。*

    3拳击也按照体重分级。最轻的是48公斤级别，最重的是86公斤以上级。虽然重量级选手敏捷低于迷你轻量级，但是绝对力量差异太大。并且重量级攻击范围大，纯粹是虐待。所以公平竞争就设置在同一层面进行，不是死亡竞赛。

    4现在动物的尾巴一般是起平衡作用，在运动时，尾巴的移动可以让身体在快速奔跑中转向。恐龙时代的大型草食动物，经常有个大尾巴，除了平衡身体外，是对付肉食恐龙的有力武器。虽然动作迟缓，但尾巴会对较小肉食的恐龙造成致命打击。可以说挨一下就离死不远。

    5在直径细小的管道中，水分子和管壁之间有吸引力（成为附着力），而水分子之间有吸引力（称为内聚力）。如果附着力大于内聚力，那么水就自动在管道内上升，当表面张力和上升形成的重力达到平衡时，上升停止。管道越细，则管道的侧面积相比管道的体积越大！而表面张力和管道内径同尺度下降，但水的重量则是二重尺度下降。因此水上升更高的高度。这一现象称为毛细现象。当树木的高度超过10米后，可以想象，树叶的水分全凭毛细管道输送水。

    人体的支撑是骨骼。当外在力量过大时，骨骼无法承受，发生断裂。断裂有2种情况，骨折和线性骨折，分别是横向断裂和纵向断裂。一般横向断裂比较普遍，那么骨骼的承受力就和骨骼的橫截面相关。如同肌肉情况，骨骼在人体身高增加时，承受力增加速度赶不上体重的增加速度，相比以前承受能力下降！

    老鼠上窜下跳，下落高度是身体长度的若干倍，不需要缓冲，直接就跑了。猫的体型比老鼠大4倍以上，但也可经受高空下坠。小孩子经常摔跤，哇哇大哭，但是不容易受伤。相对骨骼和体重，体型越小，越不容易受伤。英国小说《格列佛游记》，里面有大人国和小人国。按照上述分析，大人国的人都不能咳嗽，一咳嗽就骨折。而小说里面小人国的人摔伤了，这个不应该。现在有很多电脑动画技术包装出来的所谓大片，经常出现一些巨大无比的神奇动物。比如说大猩猩，手掌里面可以坐个成年人，快赶上乐山大佛了。在电影里面，大猩猩金刚呼风唤雨，挥斥方遒，动作敏捷的像只猫。先不说基因能不能让金刚长这么大，就它的动作，保准浑身粉碎性骨折，摔倒在地，进一步将骨骼细小化。而且头不能着地，不然马上头骨破裂。但控制头部的颈椎无法阻止头部的惯性，立刻脖子折了。结局只有一个：死亡。地球上出现最大的陆行动物是梁龙科恐龙，除去那些脖子和尾部，躯干最长也就10多米。缓慢地行走在侏罗纪森林草原边缘。

    思考：

    1篮球运动员经常脚踝受伤，足球运动员经常膝盖受伤。观察那些易受伤运动员的体型和人种差异。当然技术因素很重要，技术好了就不容易受伤。换而言之，可以将受力缓冲下来或用更结实的部位承受。

    2陆地上的动物，个头最大、体重最重的动物都是草食动物。目前最大的是非洲象，肉食动物最大的是北极熊。但非洲象比北极熊大得多，为什么？恐龙时代的肉食恐龙最大的是棘龙，体长17米，体重8吨。根本无法和100吨以上的草食恐龙比较。目前地球上最大的动物是海中的鲸鱼，在恐龙灭绝后1000万年开始进入水中。其祖先是偶蹄动物，和河马关系比较近。蓝鲸可以长到30米，体重150吨以上。并且不像30米长的恐龙，依靠脖子和尾部凑数。蓝鲸可是实打实的从头到尾都流线型，都是肉。和通常的白色鱼肉不同，鲸肉和牛肉差不多。巨大的鲸鱼张大嘴，滤食浮游生物，或对着磷虾群肆虐。虎鲸是最大的海豚，常常捕食其他海洋哺乳动物。体长8米，体重5吨。同样在海洋中，最大体型的也是类似于草食行为，而肉食类型的体型相对小。为什么海中动物可以长得如此庞大？

    3眼睛。草食动物的眼睛都长在头部的两侧。而肉食动物的眼睛都长在头部的前方。双眼在前方，方便定位方向、距离，利于安排捕食方案。眼睛长在两侧，方便观察四周，同时这些动物的耳朵还可以转动，进行被动声音侦测。在视线不佳的情况下，某些肉食动物可进行主动声音侦测，比如蝙蝠、海豚。如同探照灯的效果。另外一些可夜行的肉食动物，视网膜后面有反光层，增强视力。在晚上看起来眼睛发亮，像个小灯泡似的。如果动物生存环境中没有太大威胁存在，那么眼睛也趋向前方，便于搜索食物。考古发现动物头骨，眼睛的位置，结合其他部位的骨骼化石，就可以大致确定动物究竟是草食还是肉食。（极端情况，野兔逃跑时，不必回头，双眼就可以聚集在身体后方，观察捕食者。）

    4支撑身体的骨骼，基本都是圆柱形，为什么不是扁的？事实上，圆柱形的骨骼抗弯折能力最强。扁的骨骼有一个方向抗弯折能力强，一个方向弱。身体的支撑框架，并不确定意外受力的方向，因此需要保持各个方向都有相同的抗弯能力。在身体某些部位，因为结构的关系，可以保证受力一定是特定方向时，骨骼就可以长成扁的、或其他形状。

    5骨折中线性骨折很少，因为骨折承受纵向能力很强。棒状的物体，最易横向折断。我们身体的支撑框架，都是让骨骼纵向受力。就如同楼房，上下方向没有问题，但是横向相对脆弱。同样树木生长也是这样，刮大风，树木被刮倒，经常是半腰折断，或者连根拔起。除非树木中心的木质全部腐朽，无法承重，导致树木自然死亡。树木的长高过程中，直径的增长速度大于高度的增长速度。不需要做材料力学分析，仅仅是纵向承受能力大于横向承受能力。当树越高时，树冠越大，横向的风力就越大，加上树木上部分的重量，腰围就要更粗才能抗得住。并且大风在树冠上的作用力，对树木而言就是一根杠杆，离树冠越远，受横向力越大，因此树木是树根最粗，越靠近树冠越细。世界上年龄最大的树，西非一颗8000岁的龙血树，死于一场风暴。美国太平洋杉树可长百米以上，地面上树径可以开辟铁道，容纳火车通过。

    6动物采用的策略。现在所有的动物，无论大小，其体型都可类比为圆柱形，至多是圆柱的直径和长度比例有区别而已。我们的四肢，躯干，虽然不完全是圆柱形，但也相差不远。这样的体型，在体长增加后，加在骨骼上的横向重量增加比例和骨骼的承受能力是同步增加。理论上骨骼效能完全不变。但动物毕竟不是烟囱，体型是介于圆柱和立方体之间，更像圆柱。这样就降低了骨骼受损的风险。

    恒温动物都要进行代谢，产生热量维持体温，提供能量来行动，或逃跑或追逐。那么动物要吃多少东西才能满足基本要求：保持体温呢？假设体型不变，体长增加，胃部容量和体积同步增加。那么胃部摄入食物量和体重同比例增加，而散热是皮肤面积，增加速度比食物摄入量小。因此体型大的动物可以摄入相对少的食物维持体温（不用吃饱）或者胃容量减小。体型增加后，体重增加，运动能力可以换算成能量关系，即维持同等速度情况下，能量消耗和体重同比例增加。假设动物有2个胃，一个维持体温，一个维持运动能力。那么维持体温的胃就可以不用吃饱，而维持运动能力的胃就要吃饱。整体下来，体型增加后，食物量比体重增加的要少些。少多少呢？要看动物的运动情况。大量的巨型动物，比如大象、犀牛、长颈鹿，对运动能力要求不高。因为基本不受到攻击。所以这些动物主要是维持热量，那么吃草量增加不需要太高就足以维持生命了。而像狮子老虎这些动物，维持运动能力非常重要，因此食量和体型增加快同步了。当然多数时间它们也休息。

    小动物的悲惨命运。当体型减小，散热带来大问题，小动物的食物量补充必须满足热平衡。不然就是死亡。相比大动物，食量不足，就必须质量补充。小动物吃的食物热值都很高。小鸟食谱：昆虫（蛋白含量50%以上、基本没什么浪费的成份），种子（淀粉含量高，某些种子油脂含量高，热值更大），以前说麻雀是四害之一，吃谷物。但麻雀除非专门喂食谷物，依靠自然条件下获取的谷物会饿死。昆虫才是麻雀的主食。蜂鸟，更小的鸟，吃花粉花蜜（蜂蜜的原材料，热值应该更高，不然蜂鸟就饿死）。鸵鸟个头大得多，吃植物就可以了，偶尔补充点昆虫，植物？热值很低，唯一的好处就是不会乱跑。哺乳动物的幼体都必须喂奶，奶的营养价值很高，但热量不足，所以一会就要吃，每天开饭的次数比成年体高的多。现代人类的哺乳能力下降，替代品很多，只是要小心三聚氰胺。另外免疫能力也是值得注意的问题。松鼠，寒温带都可以生活，冬天存储大量松子。松子里面含大量油脂，热值是面包的四倍以上。饲料小动物要注意，忘了喂食很容易饿死。但老虎一周吃一次，一次管一周。

    思考：生存的代价

    1巨型草食动物：运动能力弱，力量足，没有天敌，植物为食。但植物普遍热量低，营养差。好处就是随处可吃，不必埋伏追逐。为了维持生命，大象一天16小时在进食。因为食物相对充裕，生存环境相对好，其食物利用率仅40%。生活在北极苔原的猛犸，气温太低，食量更大，整天都在寻找食物，每天进食时间超过20小时。最后幸存在弗兰格尔岛上，因食物匮乏而侏儒化，但侏儒化不利于保温。最后在冻死与饿死之间做选择！现在生活中同一区域的麝牛、驯鹿不得不在食物丰富季节积攒大量脂肪来防荒，棕熊北极熊攒脂肪则是食用大马哈鱼及鱼子、花蜜等热值高的食物。大中型食草动物：运动能力强，天敌多，采食时的防备猎手攻击，所以食物利用率必须高。我们用羊肠小道来形容道路曲折漫长。羊生活的环境不如大象优裕，食物不能浪费，漫长的肠道对营养细细进行吸收。牛、骆驼等动物采用反刍来强化分解，增强吸收。马、袋鼠、兔利用肠道细菌帮忙分解植物，榨尽植物最后一点价值。冷兵器时代，骑兵是快速机动部队，马就不能仅仅吃草，需要豆类、大麦等高质量食物做补充。

    2大型肉食动物，运动能力强，食物都是肉类，易于消化分解，所以肠道较短。根据肠道的长度，就可以区分出食谱究竟是草食、杂食或肉食。但是获取食物必须进行运动战、埋伏战或化学战。运动战，要求速度快，力量足够，敏捷或韧性。猎豹，速度快，力量敏捷都足够，就这样捕食成功率10%。鬣狗，群体作战，还可以打劫猎豹，成功率高很多。狼，群体作战，韧性很强，战术灵活多变，环境恶劣的地区也能生存。狮子，也是群体捕猎，可以有效防止被打劫。埋伏战，要有足够的耐心，争取做到一击必杀。蟒蛇的埋伏，吃一次要管一年的生活。鳄鱼，一年才能遇到一次动物迁徙饕餮大餐。化学战，无论是科莫多龙的毒液、蝰蛇的毒液或蜘蛛的毒液，都为降低本身的风险。（非洲猎人烘烤有毒树皮，取汁液涂满足箭头上。南美猎人烘烤有毒青蛙皮肤，将分泌物涂满在箭头，以提高效率。箭毒木，箭毒蛙，名称就是这么来的。）多数情况下，猎物不反击，失败带不来伤害，只是饥饿。但猎手之间存在竞争，猎手的威胁来自同类划分地盘的竞争、配偶的抢夺，其他类型猎手的攻击。肉食动物整体数量远少于草食动物，疾病的威胁也非常大。在竞争中，群体捕猎团队逐渐取得优势，通讯方式、战术组合、目标选择、指挥等因素使得智商提高非常快。当占据猎手阵营顶端时，威胁就来自内部。非洲黑猩猩可以设计战术陷阱，有组织地消灭敌对群落。虽然是猎手角色，但没有高枕无忧的存在。

    3小动物的食物热值高，消耗大。因为散热快，身体的供给也要快。造成小动物代谢速度快，心跳快，呼吸也快，寿命短。并且小动物多数情况都是猎物，为了可以生存下去，小动物的繁殖早，生殖数量多，不求活得长，但求生的多。以量取胜，比如啮齿动物。

    4哺乳动物的一生心跳次数基本为常数。心跳慢的寿命长，心跳快的寿命短。寿命和母体的怀孕时间成比例，怀孕期越长，寿命越长。大象孕期1年半。人类的孕期近2年。但是由于头部发育

    （本章未完，请翻页）太快，10个月不生产就生产不出来了。出生后1年，才能开始走路。自然出生的幼体，除了一些早熟体，都是出生后就可以行动。由此可见人类的寿命很长。（龟不是胎生。象龟个头大，寿命长，长期不进食也可以生存。早期航海缺乏新鲜肉，象龟就是天然的鲜肉罐头。所以快绝种了）巨型草食动物的平均寿命也都比较长。寿命长的风险是性成熟晚，幼年和少年时期太长。而幼年和少年时期总是危险的，各种猎手目标都可以对准这些没有反抗能力，但报酬却很丰富的猎物。另外孕期长，生育周期长，出生率就低。总之，没有医疗和武装，寿命长的物种也不具有优势。

    人们进行各种运动竞赛，比较不同的运动能力。比如力量、速度、耐力、技巧、灵活等等。对哺乳动物肌肉研究发现，单位面积的肌肉力量相同（肌细胞直径1毫米，长数厘米，内部有肌原纤维，直径1微米，以25微米为一节，内部是肌球蛋白和肌动蛋白微丝交错，肌肉收缩时是肌动蛋白滑动，引起肌原纤维节缩短造成。那么力量就是肌动蛋白滑动力的总和，因此肌肉的橫截面大小就意味着肌原纤维的数量多寡，就决定着力量的大小。肌动蛋白滑动需要消耗atp，大约60%的能量转为做功，效率很高。），那么力量大小决定于肌肉横截面。肌肉做功的长度取决肌肉收缩的长度，和肌肉长度本身成比例。举重比赛，体重越大，举起的重量也越大。身材越大，优势越大。

    在速度比赛中，力量大并不意味着速度快，前面分析指出，身材越大，力量和体重比值反而减小。那是否意味着速度快需要身材小？身材小，意味着腿短，可能跑两步才相对于腿长选手跑一步。因此速度最快的选手身材不是最大，也不是最小，而是中间某个值。100米短跑完全是极限速度的比赛，肌肉的瞬时功率越高越好。世界纪录保持者是牙买加选手博尔特，身高达196米，创纪录时体重86公斤。按照他的身高，体重偏轻，体型是瘦长型，风阻力相应小些。牙买加还有著名的女子短跑选手奥蒂，看来牙买加黑人的快肌比例高。类似比赛：跳远，跳高，都是在力量、体重、身高之间进行平衡。

    耐力比赛最著名的就是马拉松比赛，这个明显是体重越轻越好，当然极限减肥人员不在此列。经常跑的人存储的肌酸磷酸多，供给充分。世界纪录基本都是非洲选手囊括。把他们的比赛服装去掉，手里塞一根标枪，马上就是史前猎人形象。

    技巧和灵活，明显是身材小的优势大。敏捷是这类型运动的要求。无论是体操还是跳水，选手都相对身材矮小。投掷类的比赛，力量和技巧都重要，因此这些选手也是身材适中（链球不算，基本是力量比赛）。

    真正考验人的各项平衡能力的比赛是十项全能。力量、速度、技巧、耐力全部都要很高，但不能达到最高，否则严重影响其他属性。这些选手的身材基本一致，身材高挑、没有脂肪、肌肉类型比例适中。

    至于铁人三项，纯粹是耐力和意志力的竞技。和马拉松不同，游泳要求有一定的脂肪，不然体温下降太快。

    思考：

    1长期在平原生活的人，爬山非常吃力。长期在山区或丘陵生活的人，则如履平地。观察普遍身材的差异，另外因肌肉受的锻炼不同，肌肉类型有差异。

    2长期不锻炼的人，稍稍用力，就累了，浑身发酸。原因体内的供给不足，肌肉内没有什么能量储备，所以累了，而供氧不足，导致体内分解养料进行能量补充时是无氧呼吸。产生大量乳酸，身体酸痛无比，无法继续。

    3肌肉运动，做功=肌肉力量*肌肉收缩距离。在身体能量供应方面，60%转为肌肉做功，40%发热。因此运动时间长了体温增高，需要出汗来降温。猎豹是陆地短跑冠军，由于功率太大，体温迅速升高。猎豹捕猎中，快速奔跑超过4分钟就丧命。实际奔跑时间就一分钟左右，捕猎成功后还要留有体力应付意外。耐力型猎手狼可以持续奔跑二十公里，在团队合作捕猎大型猎物时，主要是驱赶，从中分离出耐力较差或身体有疾病的个体，事实上大型动物静态防御更加有效。由于狼体型相对猎物小，耐力更好。所以驱赶式捕猎是较好的选择。狮子，鬣狗也采用同样策略。

    4各项运动对身体体型要求不同，不同人种因自身特点，形成了各自的优势项目。爆发力，耐力，黑色人种优势明显。在短跑和马拉松上独领风骚。混合要求的中长跑则是各色人种都有。灵巧和技术要求体型小，各种热带和温带人种都有。次轻量级拳击冠军是菲律宾人，占据小球项目和体操优势则是人种混杂的斯拉夫人以及黄种人，主要因素是传统。游泳比较特别，水的浮力使得身体重量不必考虑，力量和技巧以及身高要求使得白种人优势明显。团体运动则是文化特征很明显，但像篮球这种身高、爆发力、技巧要求，黑人优势明显。

    5身体做功时，需要大量氧气。在氧气供应充足情况下，体内的能源转换能量的效率达到最高。所以大功率运动下，氧气的要求迫使呼吸加快。100米短跑，时间太短，以至于职业选手不需要呼吸，依赖肌肉内部储能。跑步时存在呼吸节奏的要求。通常情况下呼吸氧气的交换率很低。跑步时提高氧气的利用率，就要深呼吸，保持身体的氧气供应，呼吸节奏就要和跑步的节奏相配合。比如两步一吸，三步一呼等等。缺乏训练的人在骤然猛跑，呼吸不能保持深度，氧气利用率低，不得不加快呼吸节奏，很快就喘不过气来。

    百米竞赛中，运动员起跑时间和发令枪枪响时间差距在01秒以内，算作抢跑，取消竞赛资格。我们来计算一下运动员的极限反应时间。人的神经通过钠离子和钾离子通道调节细胞内外浓度，改变电位，来实现信号传递。速度大约30米/秒-120米/秒，多数人的传递速度位于下限附近。以博尔特为例，发令枪离他的头部越5米距离，声速按340米/秒计算，传到他的耳朵约16毫秒。不同跑道的运动员距离不同，从1米到10米，那么带来的时间差为30毫秒。声音在耳膜上产生振动，导致电信号产生，传输到大脑，大脑经过处理，对腿部发出信号，腿部肌肉收到信号，释放钙离子，触发肌肉收缩，开始起跑。听觉神经细胞的电压改变大约需1毫秒时间，从耳部传到大脑中央沟后方的听觉野，距离大约10cm左右，耗时1-3毫秒。神经信号从大脑传递（运动区、脊髓、腿）到腿部，最后到脚前掌，距离约18米，耗时15-60毫秒。不同人的耗时差别体现在大脑的处理部分。天赋或训练程度的差别，这部分的处理时间最短情况是：条件反射，信号直接脊髓传递，不经过大脑。来自听觉野的信号进入大脑，再触发动作命令，这部分时间不好确定。而钙离子浓度的改变大约几毫秒时间。那么固定消耗时间的变动范围就是，大约是毫秒。对于多数人而言，固定的信号传递时间80毫秒是可以接受的。那么，如何估计大脑处理时间呢？

    在电子竞技领域内，星际争霸曾经是风靡一时的游戏。顶级职业选手的操作可以在300apm以上，也就是一秒内手要操作5次以上。屏幕画面进入眼睛，传递到视觉野，距离大约20cm，大脑信号进入脊髓，传递到手上，距离大约是人身高的一半（正常人双手平举，长度基本等于身高），考虑到脖子长度、选手的身高，全部距离按照020208=12米计算。则固定消耗时间，约为毫秒，按40毫秒计算。一次手操作时间为200毫秒，手指按键或点击鼠标消耗时间大约60毫秒（手指的按下和复位一般消耗120毫秒，极限70毫秒），手指移动或鼠标移动，消耗时间不少于点击时间，则大脑处理时间至多为40毫秒。在游戏中，选手对局势的战略战术判断、定位敌方单位，都是相当消耗时间的。而赛跑中，对专业选手而言大脑仅仅起到一个信号中继的作用，其消耗时间可按几毫秒来估计。那么选手的神经反应时间大约就是90毫秒，考虑身体从静止到体现出状态变化消耗时间，100毫秒以内的抢跑判断标准相对合理。

    思考：

    1在电子竞技中，第一人称射击类游戏（fps）也很考验人的反应速度。按照上述分析，人的神经传递时间是40毫秒左右，点击鼠标约60毫秒。目标出现在鼠标图标中到点击命中目标，时间约01秒以上，和视觉暂留长度差不多。当然某些人的天赋异禀，传递信息仅需要20毫秒，其对手就需要战术弥补。当目标出现在视野中，需要滑动鼠标去射击，则时间更长。

    2大型恐龙，比如梁龙，在臀部都有一个辅助的神经处理系统。神经传递方式在动物中相似，可以认为速度也接近。考虑到近30米的长度，神经传递时间接近1秒。因此辅助系统很有必要。

    3动物的敏捷和体型相关，神经的传递距离远近也轻微地参与影响。动物的局部速度远超神经反应时间时，躲避这个词就不存在了。比如鮟鱇和黑曼巴蛇。

    正常情况下，身体要消耗一定的能量维持体温和其他器官的基本运作，这部分能量消耗成为基础代谢率。在平均状态下，运动带来一定的消耗，整个能量消耗就是全部代谢率。热带人体型小，体重低，并且环境温度高，整体消耗很小，即代谢率很低。在摄入食物后，大量食物都可以转为身体的组织，促进身体的发育。温度及寒带人体型大，体重高，环境温度低，代谢率很高。大量食物都转为热量。需要摄入更多的食物来促进身体发育。由于热带人体型不大，身体发育很容易达到目标，因此热带人的性成熟较早。同样，热带妇女绝育也早，比如拿破仑的皇后。现代营养普遍改善，因此现代青少年的发育也较以前早。同时食谱也是重要因素，肉食含的激素量大，更容易刺激性发育。

    思考：

    1利润的诱惑使得大家提高饲料中的各种激素。养猪场的猪3个月就出栏。自然状态下的猪寿命是20年！这样的猪还完全是幼年状态的猪，但体内的激素促进猪的身体进入少年时期。现代养鸡场，若为了促进鸡下蛋，在饲料中大量加入雌性激、素。那么鸡蛋会提前促进女孩性发育。

    2自然状态下的动物体内激素含量不均衡，按照中医的观点就是某些肉性热，性燥。自然状态下的猪肉性平（微寒），本身是好东西。

    3现代污染严重，水里面的重金属成份会通过植物、浮游生物代谢而聚集起来。小鱼虾、甲壳类动物因摄入这些聚集了金属的生物而大幅度提高体内的重金属浓度。大型鱼类采食这些小动物，最终浓度达到非常高的程度。人类如果食用这些污染水域的鱼，很容易因重金属而产生各种疾病。

    4二恶英，分子结构和雄性激素比较接近，进入人体后会可能会参与到激素作用中，越战中落叶剂大批量使用，导致大量胎儿畸形。

    某一定体积的物体，切割成两部分。则整体体积不变，而全部表面积增加了两倍的切面面积。反复进行切割，则面积持续增加。我们身体的肺部进行氧气交换，肺部容量因人而异，成年人基本保持2-6升之间。也就是说我们一次吸气，可以得到2-6升空气，进行氧气交换时，是空气与肺泡表面进行，也就是说肺泡面积越大，我们能交换到的氧气越多。而所有肺泡的体积总和是2-6升，那么如何才能增加交换面积呢？只有一个办法，让肺泡的体积非常小。我们的肺泡数量大约是3亿多个，直径约02毫米左右。肺泡的总体表面积大约是40-100平方米。因此增强心肺功能，可有效抵抗氧气含量减少引起的高原反应。

    思考：

    1汽车尾气是一大污染源，不过现在汽车都增加了汽车尾气的净化装置，主要是金属铂来分解那些氮氧化合物。金属铂价格昂贵，如何才能有效利用呢？在汽车尾气通道中，一块直径约15厘米的长条陶瓷上开有大量细长的空隙，空隙上布满直径约1-10纳米的耐高温耐腐蚀氧化物小球，在小球上放置金属铂颗粒。经过这些步骤，铂的表面积极其庞大，完全可以净化尾气至环保标准。

    2人呼吸时，大量空气灰尘进入鼻孔，为了防止这些灰尘进入肺中，鼻孔中生长着许多鼻毛。可以有效吸附灰尘，在城市生活的人们都可以验证这点。鼻毛不可拔掉，每拔一次，新生鼻毛就变粗，降低了鼻孔通道灰尘吸附能力。

    3壁虎可以随意爬行，其脚趾上长有近10亿微细的毛。这些毛和接触面之间的吸引力总和完全可以让壁虎随意爬行。

    4炒菜时，肉类都被加工成肉丝、肉片，很少有方块的肉（花椒肉丁、宫保鸡丁，这些肉丁都是小方块，红烧肉是较大方块，但是烧的时间长）。这样肉总量不变，但是和热油的接触面大大增加，很容易一起熟。肉上面附着的调料也很足，味道好。

    5原子、弹的核心是铀235或钚239，质量超过一定界限就发生核反应。引爆原子、弹就是让若干个低于临界质量的铀块，突然集中在一起，突破界限，发生链式反应。如图所示，枪式的效率低下。收聚式的效率很高，迅速让核料的表面积降到最低，最大程度地引爆核料。

    6川菜中有道雪魔芋烧鸭，其中的雪魔芋味道鲜美。菜里面的雪魔芋形状类似海绵，中间多孔，吸附了大量汁液。类似的食材有冻豆腐、面筋、竹荪。

    7丝瓜瓤多孔容易吸附油，洗锅刷碗干净。硅藻土同样多孔，只不过孔细微得多。可以吸附悬浮微粒、杂质、大分子有害物质。可以做水和空气的过滤材料。由于表面积大，还可以做稳定剂。诺贝尔发明的硝化、甘油**，就使用硅藻土做稳定剂。新型的硅藻土装修材料可发挥多孔吸附能力，降低污染。类似材料有活性炭（木炭），可以过滤空气和水，甚至做防毒面具的滤芯。

    8我们吃饭，牙齿的研磨作用会将食物粉碎，这样食物的表面积大大增加，进入胃部后，消化液可以充分对食物进行消化，这样消化速度快，胃部的负担轻。另外快速吃饭，大脑会对胃部的饱食信号会滞后，导致摄入食物过多。因此平常细嚼慢咽，可以有效利用食物，减少多余热量摄入。

    9考古发现，奴隶时代，奴隶大约20岁就已经把牙齿磨光了。因为食物非常粗糙，这些奴隶即便没有劳作累死，寿命也不会长。牙齿失去作用后，获取食物能量的代价增加。在进行马匹交易时，买方通常都要观察马的牙齿，可以判断健康状况。

    （本章完）

    ...

    梅乐芝经理的科普文章（九）在线阅读

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