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為什麼生物界沒有進化出連續旋轉的運動機構?

2019年04月11日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 1 ℃ 次

【周偉的回答(107票)】:

生物界當然有連續旋轉的運動結構。

細菌的鞭毛是典型的自由旋轉的機構,也是唯一一個將這種旋轉結構用於生物體運動的的例子。

--------質子流驅動的分割線----------

評論和很多其他答案提到的了ATP合成酶,確實也是一種典型的旋轉結構。多謝諸位指正,此處添加進來。當然這個和題主描述的"運動機構"要求不一致。

--------質子流驅動的分割線--完--------

至於宏觀上沒有進化出旋轉結構的原因,請參照:

Rotating locomotion in living systems

我簡單概括一下上面網頁中提到一些東西:

1、進化約束性:

進化上任何一個改變都是要在原始藍本的基礎上。一個蛋白質要變換功能或形狀相對容易,一個鹼基突變就能使它完全變成另外一個東西。更為複雜的結構,比如上述細菌鞭毛的例子中,它的基座部分結構被認為是從原先細菌用於注射毒素到其他細胞的結構變化來的。也就是說,所有的基本組成部分都是拿原來的東西改改就能用的。

恐龍的前肢長出羽毛就可以稍作滑翔,形狀加以變化就可以進一步自主飛行;而組成輪子或者螺旋槳的各個部分進化「成本」太高,原本的生物結構中沒有,即使它們再方便,性價比太低。

2、發育和解剖上的限制:

和任何形式的、已存在的生物的關節不同,輪子作為一個單獨的零件,不可能自身發育出來,因為它與整個旋轉裝置是沒有接觸的,而沒有任何已知的多細胞生物能夠發育出與身體其他部位完全無接觸的單獨器官,因為所有活組織都需要循環系統或其他一些形式實現新陳代謝。當然可以用指甲一樣的死組織去做輪子,可是沒這個初始設計是無法從頭進化出這麼個玩意兒的,參見1。

3、能量轉換和傳動問題:

目前的人造輪子大部分由發動機驅動,而生物體的各種運動的動能基本由骨骼肌消耗食物中的化學能來轉換。而肌肉發揮作用需要它自身連接到發生相對運動的兩個結構上。這就造成了肌肉無法以有效率的方式驅動「生物輪」。

4、運動能力力問題:

這個不需要受力分析也可以感覺到,車子會陷進去的地方你自己也許就能走過去,不光是出力區別,你的四肢也不會「打滑」,而輪子會。所以比起肢體,輪子過爛路更費力,越野的能力更弱,這就決定了在沒有鋪裝路面的前提下,輪子更不好使,沒有進化優勢。如果輪子好使,現在人們發明四足兩足機器人作甚。這一點 @ 周航星也提到了。

還有一點,獨輪車之外所有的輪狀結構的運動裝置,都有所謂的轉彎半徑,這個也限制了這一方式的靈活性。

5、如果四肢變成了輪子,你如何去抓東西、製造工具和擁抱你的愛人呢?

總結一下就是,在大部分時間走爛路的情況下,咱們沒有這個條件也沒這個必要用輪子啊…

旋轉翼和翅膀之間的解釋也類似。

這裡有個類似的討論大家可以觀摩一下

biology.stackexchange.com

【陳星的回答(7票)】:

微觀層面還是有旋轉的例子的。

比較典型的是ATP合成酶。如果你能夠上Youtube的話,其中有很多關於ATP合成酶的動畫,下面是比較典型的兩個。

youtube.com/watch?

youtube.com/watch?

下面這個是ATPase(ATP合成酶)的模式圖。

六聚化的F0和Rod區域都會在氫離子濃度差驅動下旋轉起來,產生ATP,有很高的效率。六聚化的F0和Rod區域都會在氫離子濃度差驅動下旋轉起來,產生ATP,有很高的效率。

【知乎用戶的回答(4票)】:

怎麼會能量更省?用翅膀飛大多數時候都在滑翔啊而且飛的快。自然界需要的是戰鬥機而不是直升機。

【RetoYau的回答(4票)】:

你當年也有一條連續旋轉的鞭毛

【夏天的回答(3票)】:

在進化的幾億年中,是沒有路的。

【CobinZhang的回答(2票)】:

進化出輪子還得進化出一套剎車系統

【若目修遠的回答(1票)】:

小範圍內的蛋白質或者組合是由旋轉結構的

ATP synthase,鞭毛等都有旋轉結構

大範圍來說,旋轉結構的靈活性要差很多

而且進化是有限的,輪子之類的太難客服這個進化障礙

不過也說不定有一天可以出現

【輝哥的回答(1票)】:

「水泥柏油路」這條回答得很好。進化嘛,一個基本特徵就是適應環境。

原生形態的地表,四肢模式的活動能力幾乎能做到無處不達。

一個佐證就是,挖掘機這種經常工作於原生形態的地表的機械,已經「進化」出四肢了:

【九尾的回答(0票)】:

沒有平地,要輪子何用

【趙sj的回答(0票)】:

看看土摩托的生命八卦吧

【金皓的回答(0票)】:

果膠桿菌的運動方式

【知乎用戶的回答(0票)】:

人類老祖先預料到高速公路會收費

【曬太陽的魚的回答(0票)】:

某種意義上講已經進化出輪子和螺旋槳,比如蛇——輪子的變形——履帶;魚的尾巴——螺旋槳的變形。

【突圍的回答(0票)】:

【張博涵的回答(0票)】:

連續旋轉,自體轉不?

如果自體轉,那就簡單了。

給你舉一個例子:小彩旗。

連續旋轉自體不轉,我就想到一個場景:

七龍珠中的孫悟空用尾巴旋轉飛回擂台……

至於輪子:從機械的角度,轉體和自體必須是兩個零件。就是要分開……

我好不容易進化了一個輪子要是不小心掉了,我去搶別人的嗎?

還是人類生人類,輪子生輪子,然後共生成一輛車?

【鍾曉擘的回答(0票)】:

碳基生物體的蛋白質強度不夠

【韓卡女的回答(0票)】:

輪子是高效的專用工具,生物進化是普適性的泛用方向做優化的,所以不可能進化出輪子。

【林婆婆的回答(0票)】:

恐龍的前肢長出羽毛就可以稍作滑翔,形狀加以變化就可以進一步自主飛行

標籤:-生物學 -進化 -自然科學 -機械 -運動學


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