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若200公斤的「螳螂」,和200公斤的「老虎」打一場,哪方會更厲害呢?

花樱 2022/05/20

無脊椎動物中的昆蟲幾乎貢獻了世界上一半的物種數量,在這龐大的昆蟲家族中,許多形態各異的昆蟲令人印象深刻。除此之外還有它們獨特的捕獵技巧,以及強大的生存能力,僅是這些就足以讓昆蟲在多次滅絕的事件中幸存, 成為地球上最龐大的物種。

各種各樣的昆蟲

比起大多數 脊椎動物來講,昆蟲雖然可以在自己的世界里成為強者, 但放至更大的生態圈來看,捕食者就成了獵物,這是為什麼?因為昆蟲都太小了,它們很難超越自身,成長為更大的物種。

假設這些昆蟲可以長得更大,甚至超過它們在石炭紀時的祖先, 以螳螂這樣的肉食性昆蟲為例,如果200公斤的螳螂和200公斤的老虎碰面打上一場,誰會更厲害一些?為什麼昆蟲無法成為大型生物?脊椎動物和昆蟲的差異到底在哪里?昆蟲有哪些弱點?

本文接下來將會從昆蟲的 生理構造、進化演變,以及生物學構造這幾個方面來敘述并解答這些問題。

出乎意料的結局

既然是讓 螳螂和老虎一決高下,那我們先來看看它們之間有哪些制勝的秘密,如果生長至同體重會怎樣?

螳螂有著強勁有力的前肢

螳螂最令人印象深刻的一點在于它那雙強勁有力的前肢,特化后的前肢成為了捕食的武器,每段關節相比其他肢體有更長的比例, 并且前肢表面布滿了許多幾丁質尖刺

據科學家記錄,螳螂出招捕獵的速度能夠達到0.04秒,比眨眼的時間還要快。一旦獵物被捕獲, 螳螂的前肢會緊緊地把獵物鉗制住,尖刺使得獵物沒有任何逃脫的機會,只有等待 螳螂的直接啃食,過程異常痛苦。

捕食的螳螂

由于 螳螂沒有上下顎結構,嘴部由多個附肢組成,每個附肢獨立運作,用來撕咬獵物。因此,螳螂也不存在有所謂的咬合力,過程更接近撕扯。盡管只是簡單的撕扯,也不妨礙 螳螂把其他昆蟲的 復合幾丁質外骨骼給破壞掉。

最堅硬的外骨骼昆蟲是「鐵錠甲蟲」, 其自身能夠承受15千克左右的壓力,以此類比,我們姑且把螳螂的撕咬能力提升到合金材料的強度上面。

萬獸之王:老虎

讓我們再來看看老虎, 老虎攻擊迅猛,力求一擊斃命攻擊速度也能達到零點幾秒,但速度和螳螂比起來還是稍慢一些。與其他貓科動物一樣,老虎主要會攻擊獵物的頭顱和氣管,數厘米長的牙齒配合強大的咬合力能夠輕松咬碎獵物的頭骨。

以體型最大的東北虎為例,成年東北虎體重最大能夠達到350公斤,咬合力490公斤左右。這得益于它們的面部結構設計,老虎的顳颥孔比多數動物都要大,顳肌可以穿過顳颥孔,能夠生長出更多的肌肉, 這使得它們的咬肌十分健壯。

老虎構造

當我們把兩者的體型放大至在同等大小, 也就是200公斤的比例,這時神奇的事情出現了。老虎并沒有因為體型減小變得失去攻擊性,反而有著更為靈活強健的身軀,咬合力也并沒有損失太多。反倒是螳螂因為身軀變得太過龐大,整體行動變得異常緩慢,身子也開始搖搖晃晃, 捕食機器成為了移動活靶。

螳螂在被放大之后為什麼沒有想象中那樣強大,反而還變弱了,這是為什麼?

變大等于變弱

首先我們先來說一說 螳螂變得行動遲緩這一問題吧,歸根結底這要說到昆蟲的神經結構。

螳螂結構

昆蟲的神經結構和其他脊椎動物不同, 昆蟲沒有髓鞘。這是一種富含脂質的物質,圍繞著神經細胞軸突生長,以使它們絕緣,并增加電脈沖沿軸突傳遞的速度。這種生長并不是完全覆蓋神經通路的, 而是一節一節的生長覆蓋。

可愛的螳螂

這些組織結構遍布在脊椎動物的各個神經節點處,在中樞神經系統中, 軸突將電信號從一個神經細胞體傳遞到另一個神經細胞體時,髓鞘中的髓磷脂會降低生物電容的軸突膜。在分子水平上, 節間增加了細胞外和細胞內離子之間的距離,減少了電荷的積累。

髓鞘

髓鞘的不連續性結構導致生物電信號能以跳躍式傳導,具體表現為由一個節點跳躍至另一個節點,直到信號到達軸突終端。這些節點非常短,只有1微米長,高效的傳遞機制使得 脊椎動物的反應非常迅速。

昆蟲大腦

而昆蟲的神經結構并沒有進化出這樣的傳遞方式,而是非常原始的直接傳遞,無髓神經元的電信號傳遞需要完全經過整個神經通路。如果昆蟲體型小,這對它們來講是好事,然而一旦體型異常龐大, 神經通路便會跟著身子一起增長。路徑變長,還沒有快速的傳遞方式,昆蟲自然而然就變得慢吞吞了。

移動緩慢的問題我們解決了,接下來我們來看看 超大號昆蟲為什麼在搖晃著身子。

數學定律決定出的差異

對于身形比例這個問題, 就必須提到平方-立方定律。簡單地來看,這是一個 數學問題。該定律表明,隨著物體形狀尺寸的增長,其體積的增長速度將會超過表面積。具體增長為,體積三次冪增加,表面積二次冪增加。

在這里我們不需要去計算該公式的具體結果,只需要知道這條定律幾乎適用于所有地方, 即便是生物生長也不例外。如果生物被等距放大,也就是像文中所描述的那樣,那麼它們的肌肉力量會被嚴重降低。

因為肌肉的橫截面在該定律下會增加一定比例的平方,質量則會增加一定比例的立方。這就導致 心血管和呼吸功能會嚴重下降。螳螂作為昆蟲,其呼吸系統并不像哺乳動物或者鳥類,昆蟲的呼吸方式是通過氣孔交換完成的。

昆蟲的換氣運動

我們都知道大部分脊椎動物,特別是哺乳類, 它們的呼吸系統是通過肺部空氣循環提升血液中的含氧量,增加體內循環的交互;鳥類的肺部是完整的 空氣循環通路,可以最大化利用空氣中的氧氣,血氧平衡決定了我們的行動能力。

鳥的結構

昆蟲的血氧平衡必須經由身體周圍的氣孔吸入空氣,然后氧氣再由血液吸收,最后再運送至全身各處。這 看起來和人類的呼吸循環很相似,但別忘了我們的 肺部充滿大量肺泡,這會極大地增加吸氧器官的表面積,從而增加氧氣吸入量。同時人類還有幫助呼吸的橫膈肌,光是呼吸本身就比昆蟲更高效。

呼吸系統

還是那句話,昆蟲要是小一點還沒什麼問題,這種傳遞很快就完成了。但一旦 昆蟲體型太大,那麼它們每一次呼吸就要等待一小會兒才能完成 血氧循環,一旦活動起來,氧氣還沒來得及傳遞,可能就因氧氣不足而倒下。

所以這時的昆蟲根本動不起來, 稍微活動一下就會出現缺氧,因此也會出現行動不便,看起來搖搖晃晃。另外,昆蟲的幾丁質外骨骼在它們變態發育之后幾乎就不會增長了,由平方-立方定律帶來的問題還有異速生長比例縮放的問題。

大象的各部位的骨骼

簡而言之就是,動物想要長得更大,相應的肌肉骨骼強度也必須有提升, 例如大象擁有更粗壯的骨骼,因為它們必須按照比例來乘載更高的重量。但這個也是有極限的,超過本身的骨骼肌肉強度,龐大的身軀會直接壓垮它們。

老虎和螳螂的200公斤對決賽剛一開始,螳螂可能就自己倒下了;又或者是老虎在反復多次的進攻中,破壞了螳螂的外骨骼,然后螳螂又倒下了。以 螳螂這時的反應能力和運動能力根本不是老虎的對手。

所以說,昆蟲變成今天這樣,完全是生物演化的最佳結果。強行給它們增長不會讓它們變得更強,只會更弱。這也是為什麼今天站在 生物鏈上層的是脊椎動物,而不是無脊椎動物,更不用說像人類這樣還有智力的高等生物。


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