《大象的时间，老鼠的时间》读书笔记：生命节奏背后的数学规律
By Long Luo
日本生物学家本川达雄( \(\textit{Tatsuo Motokawa}\) )写的书 《大象的时间，老鼠的时间》 几年前我曾经在书店的畅销书里看到过，是一本很有趣的书，解答了我心中很多关于生物的疑问。书不厚，在书店里就读完了几章，后来去图书馆借来看完了剩下几章。最近又重新翻阅了这本书，这次做下读书笔记。
第一章 动物的体型和时间
体型不同，动物的时间也不同
在不同体型的动物身上感觉到时间的流逝是不一样的，比如狗的寿命是 12 年。但对于他的心率、呼吸、对时间流逝的感知度的角度来看，他们仿佛也度过了漫长的一生。
哺乳动物的时间与体重的 1/4 次方成正比。
不同的动物心跳数相同吗？
每1次呼吸间隔，心跳会跳4次。
不管哪种哺乳动物，一生的心跳，大约都是20亿次，一生的呼吸则是5亿次。
第二章 动物的体型和进化
随着进化，动物会越来越大吗？
体型越大越好？
岛上的大象为何越来越小？
“岛屿法则”指的是在岛屿上，大型动物有变小的趋势，小型动物有变大的趋势，这在古生物学中被称为岛屿法则。
对于这种法则，很大的体型也需要很大的摄入量，在岛屿这种，捕食压力变小的情况下，大象就没有必要为了变大而勉强支撑。同样的，老鼠也变大了，回到了作为哺乳动物最轻松的体型。
还是先回到变大策略的好处上来吧。
柯普法则：同一物种的进化过程中，体型大的种类有晚出现的趋势。
体型大的优势：
不易受环境影响能保持独立。体型越大，越容易保持恒温。恒温有利于动物体内生化反应的稳定发生。
恒温还能确保恒时，比如鸟儿要保持一个体温，才能够快速的移动。也就是说，当体温变化时间在生物身上的流逝，也是会发生变化的。如果温度忽高忽低，在低温状态移动会减慢，就等于时间的流速也慢了。就跟看视频的时候卡了一样。
体型越大，恒温所需的能量越少。也因为表面积体积比例越小而更耐干旱。
体型越大的动物细胞数量越多，因此就能够把多余的部分用于新机能的开发。细胞代谢率也相对更低，能量更富余，所以大型动物有条件来充分的发展智能。挺新月大的动物进食，时间见个月长，也有更充裕的时间来从事其他活动。
体型小的优势:
- 越小越容易发生变异寿命，短数量多，短时间内产生变异的概率大。
- 移动能力弱，从地理上与附近的其他种群保持隔离，产生新集团而独自发展的机会就更多。
- 个体越小生存压力越大，能适应才能活下来，所以抗逆性会更高。
- 小型动物水不断被捕时，死亡率高君个体多而不断产生新物种，因此有很大概率能留下后代。
这里又开始出现辩证的哲思了。大型动物不易受微小环境变化影响，更长寿，这本来是优势，但是这种稳定性现在又成了障碍，使得这一种群很难产生新的物种，而且大型动物数量少，一旦遇到了超越承受边界的环境压力，有可能还没来得及苟活变异，直接就整灭绝了。
第三章 动物的体型和能量消耗
首先，我们都知道我们利用的大部分能源都来自于太阳能，撇开远古时期的太阳能/化石能源，现今是太阳能靠植物来囤，植物就是一种固定太阳能的电池。
储存在燃料里的能量，要是在氧气里剧烈燃烧，很快就被释放掉了；那如果这种燃烧发生在身体里，就像缓释胶囊一样温和而持久，真的是非常的高明。
然后坐着吧，消化食物后用于运动的耗氧量作为参考值，得出的结论是：
标准代谢量和体重的3/4次方成正比。
耗氧量和体重的1/4次方成反比。
也就是说，体重增加到2倍的话能量消耗只增加了1.68倍。如果体重增加到100倍能量消耗就只会增加32倍。体重增加1000倍的话能量消耗就会增加178倍，显然体重越大，单位能量耗能会减小。而体重增加的话，单位体重的耗氧量也会减少。
最后毛估估，甚至可以得出哺乳动物心脏跳动一次消耗的能量，是平均每千克0.738焦耳，一生则大约是15亿焦耳，换算成煤油的话，才相当于40升煤油。天呐，生物好节能啊！
但是！人之外的其他生物，其他生物对能源的需求主要是为了维持生命，人就不一样了，人对地球上能源的需求，除了吃到肚子里维持生命，还要出门还要驱动机动车，吹空调降温，耍手机消遣，天黑了不睡还要照明…如果从人的耗能来反过来推算人的体型，4.3吨！人才一百多斤，剩下的能源需求都是高于生存的一次性耗能，天呐，我感觉被雷劈了一样！
单位体重的代谢量如果不随体型变小而变小就麻烦了。如果老鼠和牛代谢量相同，为了维持体温，老鼠的毛皮就要20厘米厚，老鼠路都走不动。而牛牛则体温会超过100摄氏度，直接热死了。
安静却清醒的代谢称为标准代谢量。同样的体型，恒温动物是变温动物的30倍。如果升高相同体温，恒温动物比变温动物多消耗5倍。单细胞则更低，如果一个巨型单细胞生物1千克，他的耗氧量也是变温动物的1/8，是恒温动物的1/320。从单细胞到多细胞，从变温到恒温，每次进步，标准代谢量大约增加10倍。发生了质的变化。数据我直接给的结论，计算过程我没论证，我数学太糟糕了，我先给出代谢量会随着生物进化而提高这个结论。
刚刚说的是安静的，如果动起来，也是成正比的，也是10倍的增幅。
动物的体型和能量消耗有什么关系？
环境越冷，动物体型越大吗？
神奇的熟悉 3/4
人的能量消耗
第四章 动物的体型和栖息密度
体型大的动物，一般只会捕食体型和自己曾一定比例的动物；因为寻找猎物消耗的能量和从猎物那里得到的能量间需要平衡。在花费相同能量的前提下，必然要选择能量多的猎物才能活下去。
写到这里我岔开一下。我突然发现，除了很有限的动物会未雨绸缪，把自己捕捉的剩余猎物囤起来，或者储藏过冬，或者产生畜牧业（蚂蚁养蚜虫吃蚜虫分泌物），或形成农业（另一种蚂蚁用叶子养真菌食用），大部分的动物都是感觉快饿了，或者已经饿了才现去搞吃的，甚至整天都在等伙食上门，甚至除了睡觉就是在搞吃的，为什么独独人类未雨绸缪到如此程度，把自己的食谱搞得这么丰富多彩，供大于求。是智力质变配合贪婪本性的必然结果吗？动物活着就是为了吃，吃是为了活着，在无限循环。为什么人类能解放出来，但又背负了新的欲望，比如学区房，代步的车子，进口奶粉，昂贵的辅导班，美丽的外观，有趣的娱乐，细细想来，人真的解放了吗？是不是对强者的定义变化了，产生了新的游戏规则。但人类还是在追求强大的伴侣，高质量的繁衍后代，以及平和的内心来打发漫长的寿命。
猎物的大小和捕食者基本成正比，大型猎物捕食约为自己体重1/10的动物，我120斤，我吃12斤的动物？比如鸡？比如狮子，在面对比自己大3倍大食草动物时也不会轻易出手。小体型动物吃大约自己体重1/500的动物。小猎物是一口吞下去，打猎物是撕开吃。能一口吞的食物要小于体重1/500才行。我120斤，我一口能吃120克的东西，我竟然能吃这么多？
所以，吃小猎物的动物必须加大自己的捕食率，不然肯定不够吃。比如森莺二十几秒就要捉一只虫子，而美洲豹三天捕食一次就可以了。
这又出现了一个新问题，大捕猎者获得的食物经常有富余，一个人吃不完，让给鬣狗秃鹰又浪费，于是出现集体狩猎分食的社会行为。
接下来这个观点，以及推导过程，我非常喜欢：食用牛是奢侈的。这事关成长效率问题。摄食后食物则被吸收和排泄掉，还有热散失。吸收的部分用于供能和为身体添砖加瓦，以及繁殖。研究表明，恒温动物只有2%的能量成了身体的一部分，77%维持生命活动，剩下的部分就走掉了。变温动物这是21%成了身体的一部分，是恒温动物的10倍。可见恒温动物长肉的效率很低啊。
假如有10吨干草，1吨重的恒温动物吃，能长200千克新肉，拉出6吨山一样高的粪便。兔子用3个月就能吃完这些干草，牛需要14个月。两头500千克的牛和500只2千克的兔子能长出相同多的肉，但一个只需要3个月，一个需要14个月，你说谁划算？如果换成蝗虫，100万只每个1克重9个月能吃完这些干草，能产生200万只蝗虫（重2吨）和6吨便便，肉又比牛多而划算。结论：想要长肉快，就养小动物，如果想少投入，就养变温动物。牛这种个儿大的恒温动物，两头都不占。难怪牛肉这么贵。这个结论好赤裸😂。
同样大的范围内生活的同一种动物，数量基本是一定的；这是动物栖息密度的规律。
体重增加，栖息密度肯定会下降。同样是1千克动物，草食动物每平方千米有214只，肉食动物则只有13只。一般来说热带多栖息密度低，因为动物种类丰富些，但同种类还是那么多。
但人类就不符合这个规律的。人的很多方面都是不自然的。和人体重相似的动物是每平方千米1.4只，但其实有320人（这还是1985年的数据）。如果按照日本人密度反推，人其实只有14克重才对。农业革命和工业革命对人类食物的产生了多么巨大的影响，可见人类是多么不自然呐。反过来说，自然状态下，对食物的获取是多么低效，人愣是凭借自己的大脑，把地球变成了能容纳这么多人类的【乐园】。
再来看看动物活动范围的规律。
体型越大的动物，活动范围越大。范围基本和体重成正比。肉食动物的范围比草食动物大10倍。体型大的动物经常在领地里遇到自己的同类，若每次见面都产生摩擦，就会浪费能量，若能共同养育孩子，生存率反而变高。所以哺乳动物体型越大，社会活动能力就越大，体型越大，生命越长，年轻者从年老者那里学习如何生存的机会就会增多，也有利于社会性发展。
活动范围的决定因素应该是食物。动物捕食一般尽可能吃饱了再回来。胃容量除以一天的摄食量，就知道一天要捕食几次。哺乳动物除了吃以外，基本不去其他地方闲逛。其实人类也一样，如果搞吃的就占了每天的大头，自然996回来，也哪儿也不想去，就想躺尸。至少是【想】。但也有意志力坚定的人在为未来投资，健身，深造学习，这就是另一个故事了。
体型大，食量就大吗？
捕食者与猎物的体型
食用牛是很奢侈的——成长效率的问题
动物的栖息密度
动物活动范围的大小
第五章 动物的体型和行动方式
人类的运动，总是带有目的性的，人也属于陆地上的大型动物。要是没有目的，人大概不会动吧。如果运动耗能成本很低，人可能会比现在更贪婪。
动物的体型和速度
跑的成本
飞和游的成本
第六章 为什么动物不用轮子
轮子和体型的关系
鳍和螺旋桨的效率
第七章 使用纤毛和鞭毛游动的小生物
这一章很好玩，单独整理一篇书评也不是问题。这是一个关于惯性世界和粘性世界的故事。在这一章里，我总会想起宫崎骏的借物小人，里面小人的茶壶倒水时不是连续流体，而是像有粘性一样一坨一坨流出来。
我们可以说，在宏观世界有一个惯性女神，在微观世界有一个粘性女神，她俩各有各的领地，离自己的领地越远，控制力就越弱，而这个平衡的边界就是1毫米。体长1毫米以上的水生生物，生活在惯性女神支配的世界，低于1毫米的则生活在粘性女神支配的世界。那1毫米左右的生物呢，它会受到双方的影响，但也有本事自由在两个世界内切换，窍门就是改变自己的运动速度。
比如一种叫钟虫的单细胞生物，这个钟是我们寺庙里和尚撞的那种钟，它的身体就像个吊钟，顶上有一个0.2毫米的长柄，它平时是伸直的，粘附在枯枝等漂浮物上，吊钟部分长了纤毛，在水里捞吃的（细菌）。它平时过着定居生活，他这个时候就是粘性女神的臣民。当有震动是，它的柄就会像弹簧一样搜索起来，遇到捕食着，就会收缩柄里叫做肌丝的构造（比肌肉收缩速度还快10倍），飞速逃离，此时他就进入了惯性女神的管辖范围。雷诺数（惯性与粘性比）增大，就能不被环境黏住，甩掉捕食者。拥有同样装置的还有喇叭虫和旋口虫。
在流体中运动的动物体长和雷诺数的关系：
- 体型相同的飞行生物和水生生物，雷诺数非常接近；
- 体长1毫米以下，粘滞力比惯性力大；
- 速度和体长成正比；
- 体长相同的话，飞比游大速度快15倍。
鞭毛概念：细胞上较长的100微米左右数量不等的毛，像鞭子一样软一些。可以类比为橹。
纤毛概念：细胞上较短15微米左右数量很多的毛。硬一些，可以类比为桨。
小一些的细胞，用一根鞭毛游泳，稍微大一点就增加到两三根，再大就换成纤毛了。鞭毛效率更低。用纤毛游泳的无论体型大小都是每秒1毫米的速度。体型越大，相对速度就越小。如果大到一定程度，相对速度太慢了，就追不上饭了，最大的是2毫米的扁虫，它要不是体内共生了藻类，可以跟藻类汲取营养，游这么慢恐怕早饿死了。2毫米可以说是上限了。细胞大小有上限（太大氧气和营养供应跟不上），纤毛长短也有上限，所以这种构造是不能无限放大，无限增长加粗的。所以大型动物开始进化出肌肉来应对。
扩散作用的影响
小到一定程度，游动的意义就和宏观游动有区别了。
分子会由热运动四处移动，叫扩散。细菌每秒移动速度20微米左右，分子扩散速度是45微米左右，分子也是游泳高手。就像回转寿司一样，食物会自己送上门来。只有极小的生物柴油这样的待遇。比如草履虫0.1毫米长，食物扩散1毫米需要8分钟，他自己游者只需要1秒钟，所以还是他自己游过去吃比较划算。
纤毛和鞭毛
惯性世界和粘性世界
奇妙的肌丝
扩散对细菌的影响
第八章 呼吸系统和循环系统的必要性
如果生物体型很小，营养物质和氧气，靠浓度梯度差为动力扩散，就能均匀分布到全身，所以体型小的生物是不需要循环系统的，也不需要呼吸系统。如果是球体，体型上限是1毫米的半径。扁虫的策略是变扁来应对。它就能长到5厘米那么大。如果是长条形圆柱体的生物，半径最粗为0.8毫米。如果加上循环系统，半径上限就能增加到1.3厘米。比如世界上最粗的蚯蚓。如果想要变得更大，就要依靠呼吸系统。要么是往外膨胀的腮，要么是向内膨胀的肺。
骨骼肌的质量占体重的45%，体内80%的线粒体都在骨骼肌内。1毫升线粒体1分钟大约消耗5毫升氧气，若线粒体性能相同，动物体型越小，产生的线粒体越多。相同质量的肌肉里，老鼠的线粒体有很多，牛只有零星的几个。1毫升毛细血管供应3毫升线粒体的氧气。毛细血管的粗细程度与动物体型无关，都是5-10微米，每毫升线粒体的肌肉周围都有13千米的毛细血管，即使动物体型变大，肺，血管，线粒体都是最高效，最恰如其分的在运送氧气。自然环境已经用试错法筛选出了最好的组合，而这个组合此刻就长在我们身上。
没有肺和心脏的动物
扁虫为什么是扁的
蚯蚓能变得像蛇一样粗吗？
动物身体组织的效率
第九章 动物身体器官的大小
肺的质量体积与动物的体重成正比。体型越大，器官运动得越慢。
骨骼的坚硬程度与其体型无关，基本是一定的。体型越大的动物，骨骼所占比重越大。
材料能承受的最大值与日常承受值之比叫安全系数。
体型大的动物会谨慎的行动，从而弥补骨骼强度的不足。并且牺牲了敏捷性，采取了不易骨折的行动姿势。
大象生前会频繁地发生骨折。
心脏和肌肉
脑的大小由什么决定
骨骼越大，强度越低吗？
第十章 动物的时间和空间
动物因为运动才被称为动物，运动是动物最大的特征。运动方式很大程度上决定了体型。运动则要参考：时间，空间，力之间的关系。人是视觉主导生物，对空间感知力较好，但对时间感知力较弱。人的时间观念是独立于外界而存在。所以人很容易觉得时间是绝对不变的东西。但时间在每种动物身上可能是不一样的。对动物来说，时间和空间是保持着一定关系的。其实这段我没太懂。你说对时间的流逝感知来自神经传递信息的速度。如果我反应快，动作快，我就觉得时间过得慢。如果我每天多看50%书，可以说我的寿命增加了50%。小动物确实比人类新陈代谢快，但就可以说他们感觉时间流逝更慢吗？一只狗活了14年的感觉和我活了80岁一样吗？我还是真的想象不出来。那我家狗在旁边趴着还真是度秒如日啊
动物的生理时间与弹性相似模型
时间和空间的关联性
第十一章 细胞的大小和结构
身体内各种细胞的大小基本一致，直径10微米。人体大约有100亿个细胞，就有等量的细胞核，为什么需要这么多重复的信息。考虑一下扩散系数，RNA的最大扩散距离只有几十微米，整个身体需要遍布运输系统，所以不如造很多细胞核，自产自销。为什么细胞是现在这么大呢，也是试错后的最优方案。细胞资金及时增加一点，信息生产能力就赶不上消费能力，若直径小一点，则因为提供太多信息而造成浪费。很多细胞的体积大于10微米，它就要加装特殊的运送系统。比如草履虫，体内就有微管做的运送轨道，有些种类还有两个细胞核。神经细胞长得很长，他也铺设了微管构成的轨道，让神经递质颗粒在里面流动，真是妙啊。
记得迟卉有一篇叫《虫巢》的小说里，女孩是女孩生的，男孩是女孩种的，不同性别，一个是动物，一个是植物变态成动物，惊世骇俗。当然还有不少科幻奇幻作品里，也有孩子是树上结的神奇设定，乍一看只是觉得很神奇。但实际上，植物细胞和动物细胞有云泥之别，只是变个态是做不到的。植物选择了不动，扎根在地里，于是他的细胞为了不动做了很多调整。
比如1植物站在那里不能跑，捕食者来了怎么办？比如2植物不能吃东西补充营养，要利用太阳能就要抢占更多的阳光怎么办？就单说这俩都能说很久。比如第一个问题，植物细胞进化出了一个动物细胞没有的玩意，大叶泡。它看起来至少有三个功能，第一个调节细胞质浓度，第二个把植物细胞撑起来，第三个，存上有毒有害物质对付捕食者。植物细胞比动物细胞大得多，直径有50微米。长这么大也是为了快速长高长大占领阳光，酿酒产量不够，奸商就往里面掺水，妹子胸不够大，就靠隆硅胶，细胞要快速长这么大就靠大叶泡撑在里面。但细胞的体积不能无限制增大，不然容易破。另一个植物独有的构造就是细胞壁。他像大砖头一样，一块一块垒起来，里面填充着植物细胞，让植物扎扎实实地长高，追求阳光，就像金字塔一样，不需要什么特殊的建筑技巧，无脑堆叠就行。为了应对这么大的体积，植物的细胞液有细胞质的流动现象，还有细胞内的运输系统，动物细胞就没有。为了快速长大，植物还有多倍体机制，动物细胞也没有。因为动物不需要那么大，只会造成浪费。
细胞大小由什么决定
植物和动物的不同“建筑方法”
第十二章 昆虫的秘密
昆虫成功的秘诀
气管的威力与蜕壳的危险性
昆虫只吃草吗？
昆虫很小，表面积/体积比例大，遇到干燥的环境很容易脱水，于是他们进化出了密不透水的几丁质附蜡外壳。也是他们的外骨骼。这种壳子构造不适合支撑大的质量，但可以抵御拉力和扭转力，所以节肢动物外星的恐怖外星人是没法长那么大的，至少靠几丁质撑不起来。不过对昆虫来说，就够用了。
昆虫长大了还能飞，但这需要很多氧气，对于循环系统来说，体型越小，心率越快，心脏负担就会很大，那么小的昆虫，血液粘性会带来阻力，肺也会在呼吸的时候带走很多水分，所以昆虫进化出了气管。他们身体表面有很多器官口，深入体内还有很多分支，知道细胞表面，叫器官系统，也覆盖着角质层，氧气靠浓度梯度扩散，在气管里不走水路，水分也就不会丧失。微器官的粗细也有讲究，直径是0.2微米，这是空气中氧气可以自由移动的距离的2倍，这意味着更细，氧气分子扩散速度会降低，更粗空气容易被搅动，而不是静静扩散，会损失水分，这都是试错后的最佳方案。另外昆虫体内，糖浓度是哺乳动物的几十倍，循环系统差也足够给身体供能了。气管这个构造也限制了昆虫不能无限制长大，因为昆虫要长大，就要蜕壳，蜕皮，蜕壳时，气管也要蜕掉，气管是从体表一直延伸到内部，体型越大，气管就越复杂，不小心长得过大的虫子，都死在蜕皮路上了，所以可怕陆地甲壳类动物外星人，可能是看不到的，龙虾和螃蟹生活在水里，没有气管，用腮呼吸，所以体型比昆虫大得多。
昆虫变态前运动量不大，主要就是吃睡，所以吃植物也可以，变态后就能飞了，就要吃热量密度更高的食物了所以变态是他们食性变化的分水岭。当然比如蚕变态后就不吃了，交配产卵后就挂了，说明他们变态主要是为了繁衍，飞得更远，给孩子找更好的环境，不然孩子一出生行动力很差，又脆弱，没吃没喝，水深火热，种族就繁衍不下去了。另外，昆虫还很机智的为了让一棵植物能满足自己的生长需求，把自己的体型和饭量精准控制了，或者说，那些个大的能吃的都饿死了。
最后还有一个奇妙的观点，成千上万年，昆虫动物都没进化出消化纤维素的能力，如果哪一个昆虫或者动物的肠胃能分泌纤维素酶，那就是核武器一样的危险。动植物的平衡将被打破，植物最后一道防线溃破，植物将面临被吃光的境地，然后全球手牵手灭亡。
第十三章 利用光的珊瑚
石珊瑚属于腔肠动物，会制作礁石。是动物。珊瑚虫在海里产卵，和精子结合成未受精卵，分裂后成为有纤毛的浮浪幼虫，几周后沉入海底，成为珊瑚水螅体，分泌石灰质造壳。个体分裂，出芽，不断复制自己，新个体也不分家，和祖先住在一起，然后用漫长的时间长成一个巨大的珊瑚。珊瑚虫共生的藻类的光合作用那里获得营养，只靠自己伸出触手，从附近捞浮游生物，获取磷和氮。在有外骨骼的动物里，只有珊瑚不使用蜕壳和等角螺旋线生长的方法，他们制造很多个体，单独生长，避免了整体生长带来的危险。他们建造单元体用的是海水里溶解的二氧化碳，以碳酸钙的形式沉淀成壳。对于群体动物来说，如果生长环境很好，通过无性繁殖保住这个场所是个好主意，环境一直不变，自己也如鱼得水，就没必要改变自己的遗传基因，无脑复制自己就行。还有一个好处，如果被咬掉了身体的部分，失去了十个个体，就会减少十份光合作用的能量，当时只要再生了一个，就马上增加了一份，而壁虎个体失去了尾巴，在再生过程里，是没法使用自己尾巴的功能的。
珊瑚是如何生存的？
群体结构的优点
利用水流的各种珊瑚
利用水流这个主意非常具有启迪性。如果我设计的世界是没有自转和洋流的，那么海里的智慧生物就要想办法让水流动起来，运送有价值的物质。比如热量差，或者水流车，和陆地的风车比起来，前者是车让水动，后者是风让车动。
第十四章 奇妙的棘皮动物
棘皮动物有海胆，海星，海参，海蛇尾，海百合等。最后一个是最原始的棘皮动物。
贝壳的外壳类似板甲，海星的外壳类似鳞甲。后者不用蜕皮，也能让壳变大。靠着在骨片间的缝隙中填充碳酸钙，制作新的骨片。