#为什么生物大体上都是对称的#

看赵泠他们都在探讨是否对称的问题,我这里说说为什么会进化出对称。
虽然进化属于生物学范畴,但造成普遍对称趋势的却是物理现象。
先说动物。
自动物起源开始,就是生活在海洋里。所以它们每移动一步,就受到阻力和粘性力的影响。
不过,海绵一年也就移动几厘米,所以受力几乎可以忽略不计。因而,它们从宏观上的大结构来说,没有形成长得对称的动力。
但是,海绵生活在水里,海水动荡,对它们的影响也不能忽略不计。
所以,它们在一些局部上,尽量减少水冲击力的影响。于是长成了球状或者圆柱状的结构。
那为什么会长成球状或者柱状结构呢?
根据阻力公式:
[公式]
C为水的阻力系数;ρ为空气密度;S为迎风面积;V为水流速度。
当水的密度ρ和海绵结构的横截面S,以及水流速度相对固定时,阻力系数越低,那么受到的阻力也就越低,越有利于生存。
那什么样的阻力系数最低呢?
虽然不同的形状和状态影响阻力系数的计算,但对于形状相对固定的物体来说,它的阻力系数和夹角是正比关系的。
理论来说,海绵某一方向的夹角足够小,那么受到的阻力也就最小。
例如,旗鱼通过长长的“鼻尖”,来降低在水中的阻力。
那为什么海绵没有长得尖尖的呢?
主要原因在于水的流动是不固定的,来自四面八方。
就说像旗鱼这样,虽然前方受到的阻力是小了,但一个湍流从侧面而来,直接就被掀翻了。
所以就必须有一个形状,把四面八方阻力的上限降到最低。
在不考虑粘度的情况下,垂直平面的阻力系数是1,柱状(弧面)是0.5。
也就是说柱状或者球状,在应对四面八方来的水流时,可以降低一半的阻力,这是一个很大的优势。这同样是树干进化成柱状的根本原因。
随着生物的进化,动物有了更多的运动需求,出现了刺胞动物(水母等等)。
一开始进化出来的刺胞动物会是一些体型很小的动物,它们不仅受到水阻力的影响,也会受到粘度的影响。
根据牛顿粘性定律,粘性力 [公式]
η为动力粘度系数,A为接触面积,括号中间的是速度梯度。
从公式来看,在相同的温度,以及水流环境下,水的动力粘度系数和流速梯度都相对固定。
粘性力与接触面积A成正比,而对于形状不变的物体来说,物体的表面积又和接触面积成正比,与物体尺度的平方成正比。而物体的质量(惯性)与物体尺度的三次方成正比。
所以,对于尺度越小的物体来说,会受到粘性力的明显影响。
1883年,英国物理学家雷诺观察到了这一现象,首先总结出它们的关系:
[公式]
Re便是雷诺数,与流体密度ρ、流速v,以及物体的特征长度L(尺度大小)成正比,而与粘度μ成反比。
所以,在外界条件限定的情况下,雷诺数和尺度反比。
当雷诺数足够小时,粘性力的影响会大于惯性,严重影响生物的自主运动。而当雷诺数足够大时,惯性的影响会明显强过粘性力,生物自主运动的受到的影响就会较低。
所以我们也能观察到这样的现象,对于足够大的生物掉落在水中,没有明显的粘滞感。而对于蠓这样的小型动物来说,掉落水中就会有明显的粘滞感。
所以,一开始进化出来的小型刺胞动物,运动能力相当有限。
头部也只能往圆面的方向发展,来降低阻力。
头部形成了圆面,运动受力要均衡,自然也就形成了辐射对称,只能以涌动的方式进行运动。
后来,有一批水母的浮浪幼虫逐渐进化成了另外一种生物——扁形虫(浮浪幼虫起源说)。由于扁形虫干细胞比例高,再生能力强,100多年来,经常被人类切着玩。
例如涡虫,经常被碎尸万段,然后观察它们化整为零的表演。
那么,扁形虫这样扁扁的形状,是怎么进化出来的。
主要原因在于,它们起源的时候,是海洋底栖的。
在海洋底部的时候,你圆滚滚的状态,自然不利于运动的。反而变成扁形的,贴于海底,更有利于降低水的阻力。
一开始的扁形虫并不需要多大的运动需求,且随着生物提醒的增大,粘性力的影响也就越来越低了。后来的大体型生物,在进化的过程中,更多的受到阻力的影响。
正是因为这样的因素,所以底栖的海星和比目鱼都是扁形的。
但刺胞动物的浮浪幼虫,本身属于偏柱状的形态。
所以,随着底栖扁化之后,自然而然也就成了两侧对称的生物。
也差不多从扁形虫开始,动物逐渐分化成了后口和原口两大类。我们知道,生物进化其实就是一个模板再套一个模板的过程,已经写好的“代码”无法再抹除(当然,可以通过变成内含子来隐藏,但一些基本的框架已经无法改变)。
所以后来的原口和后口动物,自然就只能是以两侧对称为主了。
至于海星这样的棘皮动物来说,先天都是两侧对称,它们的辐射对称是次生出来的。
但为什么只有海星次生出辐射对称,在其它动物之中没有流行呢?
其实这主要和海星复杂的生活史有关。早期的生物,为了适应海洋环境,从进化出了比较复杂的生活史。例如,海鞘为首的尾索动物,甚至成年体还退化了“大脑”,直接营固着生活。
乃至于它们的形态,也带着那么一点的辐射状:
海胆甚至还长得给个球样。
决定这一切的,又得回归到物理上来。
无论这些动物怎样千姿百态,它们之所以长得这样的与众生不同,有一个很大的特点,就是成年体速度很慢,甚至直接营固着生活。它们自然需要根据环境的不同,变化自己的形态,以在保证生活所需的状态下,尽量的降低水流的影响。
而对于越有速度需求的生物,形态则更加的往流线型的方向发展。
寒武纪爆发时,节肢动物出现,但节肢动物很依赖几丁质外壳,它们的运动速度相对来说,也并不是很快,而且不少也是底栖生物。
所以整体形态,依旧是扁状的。
但同时期进化出来的脊索动物就不一样了,它们在节肢动物的早期制霸下,必须快速逃跑,所以进化出了发达的肌肉和流线型的体态。
所以,进化成今天鱼类这样扁形的形态,才是最有利生存的。
这样既能降低阻力面积,又能方便肌肉源源不断地提供进行的动力。甚至进化出了各种鱼鳍,方面驱动和协调。
先前已经说了,生物在后天的进化过程中,无论生理功能随着环境再怎么变化,也离不开祖辈的遗传模板。
所以,后来进化出来的哺乳动物,在陆地上哪怕进化出了厚实的身板,对于那些重返海洋的哺乳动物来说,在没有遇到特殊生境压力的情况下,它们也无法再变成鱼的体态。
它们主要改造身体的流线型结构,但厚实的身板依旧和一半鱼类有着极大的差别。
当然,对于大体型的鱼类来说(例如鲨鱼),只要不是底栖的,都会有更大的演化动力往厚实的体型发展,毕竟体型足够大之后,过扁的竖状的体型,会受到阻力的过大影响,不利于生存。
但无论怎么发展,都不会怎么失去对称性。过于不对称,代表着左右两边受力不均匀,会大大影响生存能力。尤其是对于飞行的鸟和昆虫来说。
最后简单说说植物。
由于植物,几乎完全不动,所以它们的形态,更是受到环境的影响。
例如,风决定了树干的圆柱状,对光的竞争,决定了叶片的两侧对称。繁殖需求,决定了花朵的对称性。
但是,植物的宏观形态,通常不存在什么对称性。
总的来说,生物大体上都是对称的,主要原因在于,受到生物力学长达数亿年的影响。
根据对不同环境的不同适应,它们的对称,自然也有各种各样的差异。
更何况,绝对的对称,只存在于数学之中。

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