2022年02月23日 09:53
新浪科技
來源：sciencealert
撰文：SCIENCEALERT STAFF
翻譯：任天
好萊塢電影中金剛大戰哥斯拉的畫面
生命已經在地球這顆藍色行星上已經演化了大約35億年。在這段漫長的時間裏，大自然推出來的最大塊頭的生物是藍鯨。但坦率地說，這有些令人失望。
當然，請不要誤解；與我們人類相比，一頭180噸、30米長的哺乳動物顯然已經是不得了的龐然大物。但在流行文化中，無論是爬上紐約帝國大廈的金剛，還是在日本東京肆虐的開菊獸，都不禁讓人好奇——宇宙中是否存在諸如此類的超大型生命？它們究竟需要怎樣才能長這麼大？
盡管杉葉蕨藻的外觀和水生蕨類植物差不多，其葉長可達80厘米，但它實際上可以看作一個巨大的細胞
一個單細胞生物能有多大？
好吧，我們先從小的生命形式開始。再大的生物也是從微小的細胞開始成長起來的，那麼，那些超大型的生物是否可能也具有更大的細胞？
除了少數例外，生物圈中大多數自我複制的細胞是肉眼看不見的，只能借助顯微鏡進行觀察。事實上，這是很合理的，基於化學和幾何學的原理，造就了絕大多數生物細胞微小的體積。例如，物體的表面積與體積之比就非常重要。當三維物體（如細胞）的體積變大時，這一比例就會縮小，意味著其內部的黏性物質比外層的黏性物質膨脹得更快。對於每立方微米細胞而言，表面積的減少，就像嘴巴跟不上快速生長的身體一樣——限制了重要營養物質和氣體通過邊界進入擴張區域的速度。
這不是唯一的限制因素。細胞還存在結構上的問題。即使是大細胞，如果它們要複制的話，就需要在某些時候撬開它們的細胞膜和DNA。對於大多數生物來說，實現這一過程依賴於一種像絲線一樣的結構——微管。這種結構就像一個骨架，賦予細胞結構和運動方式，也有助於限制細胞的大小。
當然，生物在演化中可能會偶然發展出突破生物工程極限的解決方案。以杉葉蕨藻為例，這種常見的入侵海藻生長迅速，並且拋棄了整個細胞理論的規則，走上了一條與常規多細胞生物不一樣的道路。
盡管杉葉蕨藻的外觀和水生蕨類植物差不多，其葉長可達80厘米，但它實際上可以看作一個巨大的細胞——如果你對細胞的定義不是那麼嚴格的話。舉例來說，杉葉蕨藻仍然有多個細胞核，並擁有一群內共生細菌來幫助它吸收營養。僅就單細胞生物而言，這的確是一個如假包換的「巨怪」。
說到巨怪，球法囊藻（Valonia ventricosa）也很值得一提。這種藻類又被稱為「水手的眼球」，是最大的單細胞生物之一。當然，球法囊藻並非完全是一個單細胞，而是具有多細胞核和葉綠體的共同細胞結構，具有巨大的中央液泡。
還有傘藻屬（Acetabularia）。這是綠藻的一個屬，所有種都屬於單細胞生物，外表呈傘形。盡管只有10厘米長，但它們被認為是只有單一細胞核的最大單細胞生物之一。
所以，細胞確實可以變得很大，但我們可能需要重新思考一下細胞的真正定義。
球法囊藻並非完全是一個單細胞，而是具有多細胞核和葉綠體的共同細胞結構，具有巨大的中央液泡
一株植物能長到多大？
大約2500年前，在如今的美國某地，一顆種子發芽了。這個地方後來被稱為加利福尼亞州圖萊裏縣。如今，這棵樹苗已經長到80多米高，由近1500立方米的木材組成。
巨杉（Sequoiadendron giganteum）之雄偉是如此令人印象深刻，以至於被俗稱為「世界爺」，甚至還有了另一個名字——謝爾曼將軍樹。這是地球上現存體積最大的樹，也常被認為是最大的生物。
然而，與被稱為「林賽溪法國樹」的龐然大物相比，即使是謝爾曼將軍樹也不過是一根小樹枝。這是一棵紅杉（Sequoia sempervirens），一種可以追溯到恐龍誕生初期的古老物種。它的體積高達2550立方米，高118.87米，是曆史上有記錄的最大的樹。可悲的是，1905年的一場風暴把它刮倒了，否則它今天可能仍然是植物之王。
為了支撐如此可觀的體積和令人目眩的高度，紅杉演化出了一些克服限制的技巧。樹木體積的限制因素之一，是如何將水從地下輸送到樹冠。幸運的是，紅杉非常適合北美西海岸涼爽潮濕的棲息地，它們一半以上的水分都是通過樹葉從翻滾的霧氣中吸收的。
而且，盡管紅衫的根部通常很淺，但底很寬，形成了類似「仙女環」的根部結構，為它們提供了更寬、更堅實的支撐。此外，紅衫具有複雜的基因組，能夠在幾個世紀裏不斷地向更高的地方推進，並相對容易地抵抗疾病和偶發的火災。像這樣的紅杉是真正的幸存者，它們可以慢慢地向天空伸展。
也許有一天，大自然會造就出更高的生物體，但這一天可能要等待很久。即使是古老的紅杉，可能也來到了不屬於它們的時代；氣候變化使水分減少，火災的頻發也讓森林倍受威脅。
要在地球上演化出更高的生物，它就必須克服一些工程問題，這也是我們在建造摩天大樓時所面臨的問題。目前，迪拜828米高的哈利法塔是世界上最高的建築。我們有可能建得更高，突破1000米，但這需要更寬的底部支撐。
巨杉（Sequoiadendron giganteum）之雄偉是如此令人印象深刻，以至於被俗稱為「世界爺」，甚至還有了另一個名字——謝爾曼將軍樹
長成一棵更高的樹，不僅需要克服類似的地面支撐方面的挑戰，還要保證水分和養分的運輸，以及幸運地擁有較長的壽命。
如果我們拋開高度不論，並願意重新思考一株植物的定義，那麼與真正的神級實體「潘多」（Pando）相比，紅杉就只是一根牙簽。
美國猶他州的魚湖國家森林占地43公頃，是一個由數萬根顫楊（Populus tremuloides）的樹幹組成的自然奇觀。這些樹幹的基因都一模一樣，而且樹齡都不超過150年。在大多數情況下，這片由相同樹幹組成的森林被認為是單一生物體，本質上是一棵被親切稱為「潘多」（Pando在拉丁文中意為「我伸展」）的雄性白楊。
潘多巨大的樹根、樹幹和樹枝總重量達6000噸，基本上就是地球上最大的生物之一。與紅杉一樣，潘多的時代也可能即將結束。盡管它已經存在了8萬年，但最近似乎沒怎麼生長，這讓研究人員懷疑它的時日已經不多了。
植物並不是地球上最大生物的唯一競爭者。奧氏蜜環菌（Armillaria ostoyae）會生長出龐大的菌絲網，足以躋身世界體積最大的生物之列。在美國密歇根州，一株奧氏蜜環菌的生長範圍超過36公頃，重約40萬公斤。雖然沒有潘多那麼大，但它展示了真菌令人印象深刻的生長潛力。這也不禁讓人猜測，地下是否還隱藏著其他超大型的生命形式。
棘龍屬的大小比較
巨型動物與哥斯拉
與演化出如山巨獸的挑戰相比，像摩天大樓一樣高的植物和巨型真菌就都很簡單了。對於地球上的動物能長到多大，我們可能多多少少都有概念。已知的最大陸地動物屬於恐龍家族中的蜥腳類動物分支，這類巨大的四足動物擁有長長的脖子，用一條長尾巴來保持平衡，體長可以超過40米，重達70噸……甚至更多。
對這些動物來說，體積增加一倍，其質量就增加8倍。它們的骨骼需要演化出某種方式（比如增加密度），使這些額外的重量保持在地面以上，然後要有足以拉動這些骨骼的肌肉。這不僅需要更多的能量，還會給心髒和肺帶來額外的壓力。
蜥腳類恐龍演化出了行之有效的身體結構，還很好地利用以植物為主的食物——通過可以旋轉的頭部，它們在攝食的同時能保持身體原地不動。
不過，我們印象中的怪獸並不是食草動物，而是會進行捕獵的頂級掠食者。最大的肉食恐龍可能比棘龍（Spinosaurus）大不了多少，大約有15到16米長，這些捕食者似乎更傾向於在河流中漂浮著，等待大魚遊過。
不過，棘龍的確很符合我們對終極超大型掠食者的想象。研究人員認為，棘龍四腳著地、尾部扁平的骨骼構造顯示了它們對水棲生活的形態演化。它們可能會將身體浸泡在水中，頭部半露出水面，並感應周圍的獵物動靜，伺機進行捕食。
在過去的幾千萬年間，須鯨已經完善了這種策略，它們的長度和圍長都顯著增加，基本上變成了吞噬浮遊生物的圓筒。有了海水的浮力，它們的骨頭就不用承受那麼大的重量，它們的肌肉也可以將能量集中起來，用於吞進一大團營養豐富的甲殼類動物。
體型越大，可能會輸出更多的熱量，但前提是要攝入足夠的熱量。磷蝦的高密度和可獲得性也是有極限的，這限制了須鯨的巨大體型。即使有了更多的食物，我們可能也已經看到了地球動物生長所能達到的極限（至少基於現有的生理學）——藍鯨的心髒在它們的覓食過程中已經超時工作了。
要想得到一個像哥斯拉一樣驚人規模的巨獸，我們可能需要一個重力較低、海洋較深或大氣較厚的星球，使其能夠近距離地滿足高熱量需求。我們甚至可能需要一種全新的方式，來想象重要的生命物質是如何在這樣的巨獸內部和周圍運輸的。
換句話說，根據我們對地球生命的了解，像哥斯拉同等量級的生命形式很可能與影視作品中的哥斯拉截然不同。
