[科普中國(guó)]-哥斯拉一天要吃多少才飽？

哥斯拉是日本影史上最悠久，世界影史上公認(rèn)最經(jīng)典、最有名的怪獸角色，它的起源可比奧特曼悠久得多。它的體型巨大，堪比摩天大廈，但你也許不知道哥斯拉的體型一直都在變。

哥斯拉 圖片來(lái)源：imdb

從1954年初代哥斯拉誕生以來(lái)，哥斯拉的體型也發(fā)生這變化，一、二代哥斯拉的身高為50米，三代身高為80米，四、五代為100米，之后的六、七、八、九、十代又回到了初始設(shè)定50米左右，到了最新的幾代又變大到110米左右。

歷代哥斯拉高度對(duì)比 圖片來(lái)源：Science雜志

這幾天上映的《哥斯拉》的“紅蓮狀態(tài)”體型更是達(dá)到了119.8米，也就是40層樓高，相當(dāng)于中央電視臺(tái)總部大樓的一半高，而體重為99634噸。

如果現(xiàn)實(shí)中真的存在哥斯拉這樣體型巨大的生物，那么它要吃多少才吃得飽？接下來(lái)我們來(lái)科學(xué)分析一下。

想要計(jì)算哥斯拉的食量你得知道什么是異速增長(zhǎng)關(guān)系

生物的行為、形態(tài)以及所需能量等生理特征與體型之間存在著一種定量關(guān)系，也就是說(shuō)這些生物學(xué)特征會(huì)隨著生物體型的變化而產(chǎn)生定量的變化，而且這個(gè)變化不是成比例的，也就是異速增長(zhǎng)關(guān)系。這一概念最早由朱利安·赫胥黎(Julian Huxley)于1932年提出。

這種關(guān)系可以用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：E = aMb。

E 為生物學(xué)變量（如動(dòng)物的代謝率，可以理解為動(dòng)物單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量）；

M 為體型（一般用體重表示）；

a 為常數(shù)

b 為函數(shù)冪（也稱尺度因子）。

那么b值到底是多少呢？

生物的行為、形態(tài)和生理等特征與體型不是等比例增長(zhǎng)先假設(shè)生物學(xué)變量與體型是線性關(guān)系，也就是生物的體型越大，生物學(xué)變量值也就越大，則：b=1；

這種情況在自然界是存在的，但是有前提的。舉個(gè)例子，青蛙除了在蛻變后的幾周的短暫時(shí)期外都是線性生長(zhǎng)的，是等比例的。但這種線性生長(zhǎng)并不是長(zhǎng)期的，為什么？

蝌蚪的變化 圖片來(lái)源：giphy

線性增長(zhǎng)的關(guān)系是由平方-立方定律決定的。當(dāng)一個(gè)生物體的長(zhǎng)度翻倍時(shí)，那么它的表面積將是原來(lái)的4倍，而它的體積和質(zhì)量將是原來(lái)的8倍。

但在現(xiàn)實(shí)中這樣的生物會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。

先假設(shè)動(dòng)物體型翻了一倍，現(xiàn)在有8倍的生物組織來(lái)支持它的生存，但是如果按照前面的說(shuō)法，它的呼吸器官表面積應(yīng)該變成原來(lái)4倍，那么它的身體供需關(guān)系就會(huì)出現(xiàn)不匹配的情況，原有的呼吸器官提供的氧氣就不足以維持現(xiàn)有的體型能量消耗。

同樣，當(dāng)我們翻倍動(dòng)物的體型時(shí)，骨頭的面積是原來(lái)2倍，而質(zhì)量卻變成了8倍，這是完全不合適的。

如下圖所示，拿大象的照片和斑尾袋鼬的照片放大到同等大小去比較，很容易發(fā)現(xiàn)大象的腿要粗得多。如果真的把斑尾袋鼬按照自身的比例放大到大象那么大，按照上一段中的分析，它一定站不起來(lái)，而大象為了能站立，它的腿必須很粗才行。

上圖為大象骨架，下圖為斑尾袋鼬骨架，兩者體型大小不一，骨骼大小也不一樣，圖片來(lái)源：Wikipedia

所以生物的行為、形態(tài)和生理等特征與體型之間的關(guān)系不會(huì)是完全等比例的，也就是異速增長(zhǎng)，而非等速增長(zhǎng)，所以這個(gè)b值是1以外的數(shù)值。

關(guān)于這個(gè)b值究竟是多少，不同科學(xué)家都提出了自己的想法。

生物學(xué)家Robert Henry Peters 在他的著作《體型的生態(tài)學(xué)意義》中，列出了1000多個(gè)異速增長(zhǎng)公式以描述不同的動(dòng)物特征與體重的關(guān)系。這些異速增長(zhǎng)方程的尺度指數(shù) b = 3/4 或 b=2/3。

《體型的生態(tài)學(xué)意義》 圖片來(lái)源：Amazon.com

不同生物類群（包括單細(xì)胞生物）的代謝率與體重的關(guān)系 圖片來(lái)源：Hemmingsen A M 1969, Rep Steno Mem Hosp Nordisk Insulinlaboratorium 9:1-110。

后來(lái)科學(xué)家通過(guò)各種途徑驗(yàn)證異速增長(zhǎng)規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)b=2/3或3/4都得到了理論和實(shí)驗(yàn)研究的支持。但由于b=2/3的物理基礎(chǔ)的限制，學(xué)者們近年來(lái)更傾向于b=3/4。

而這一觀點(diǎn)最早提出者是動(dòng)物能量和營(yíng)養(yǎng)學(xué)家Max Kleiber，所以這一結(jié)論也被稱為Kleiber規(guī)律。公式表示為：E= 70 M3/4

按照此結(jié)論，一只貓的重量是一只老鼠的100倍，它的代謝量比老鼠約大31倍。

不同物種的身體大小與代謝率之間的關(guān)系 Kleiber (1947). 圖片來(lái)源：Wikipedia

99634****噸重的哥斯拉一天得吃多少才管飽？

哥斯拉設(shè)定海報(bào) 圖片來(lái)源：twitter

所以按照上面的理論，哥斯拉應(yīng)該按照E= 70 M2/3來(lái)算，因?yàn)楦缢估⒉皇遣溉閯?dòng)物，它的原型是一只蜥蜴。

根據(jù)哥斯拉99634噸的重量來(lái)算，它每天需要約9972537千卡的熱量來(lái)維持生命，一個(gè)成年男性也就是2200左右千卡的熱量，換言之哥斯拉一天所需的能量是一個(gè)成年男性的4532倍左右。

為了“吃飽”，它必須以鯨魚(yú)和大白鯊為食，但這么做實(shí)在太費(fèi)勁了，所以大家也不難理解這種骨骼奇異、身體強(qiáng)健的怪獸為什么會(huì)選擇吃核彈頭了，畢竟想吃到這些方便多了……

參考文獻(xiàn)

1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%93%A5%E5%90%89%E6%8B%89_II_%E6%80%AA%E7%8D%B8%E4%B9%8B%E7%8E%8B

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Allometry

3. https://en.wikipedia.org/wiki/Max_Kleiber

4. https://www.cambridge.org/core/books/ecological-implications-of-body-size/animal-abundance/1DB0FEA79142771A0E9D3FCE2B9FC7DC

5. https://www.cambridge.org/core/books/ecological-implications-of-body-size/animal-abundance/1DB0FEA79142771A0E9D3FCE2B9FC7DC