En un mundo que estoy construyendo, tengo una especie de criaturas que evolucionaron a partir de crustáceos. El problema es que si bien tienen un exoesqueleto, también viven en un mundo con la misma gravedad que la Tierra. He pensado en algunas soluciones, desde un esqueleto interno adicional hasta particiones internas de exoesqueleto para mantener los órganos críticos en su lugar, pero todas parecen excusas y no características.
¿Cuál es el tamaño máximo de una criatura exoesquelética en un mundo con una gravedad similar a la de la Tierra? ¿Qué se puede hacer a su biología para aumentar este tamaño? ¿Qué (además de la gravedad) se le puede hacer al planeta para aumentar su tamaño máximo?
La respuesta es alrededor de 2 a 3 metros en la Tierra antigua cuando el clima de la Tierra era más cálido y había mucho más oxígeno.
No puedo encontrar la referencia, pero por lo que recuerdo, las limitaciones de las criaturas exoesqueléticas, como se muestra en otras respuestas, no se correlacionaron con la fuerza necesaria para soportar el peso. La realidad es que tiene que ver con que los sistemas cardiovasculares de las criaturas exoesqueléticas son bastante inferiores y solo permiten estructuras más grandes cuando viven en ambientes ricos en oxígeno. Algo que ver con el área de superficie y la eficiencia respiratoria.
Lo básico de lo que puedo decir y reconstruir es que los animales exoesqueléticos se desarrollaron en los océanos y comenzaron a llegar a la tierra. Casi al mismo tiempo, las plantas se desarrollaron en la tierra y limpiaron la atmósfera, enriqueciéndola con oxígeno, lo que permitió que los animales con exoesqueleto crecieran a tamaños relativamente grandes en comparación con lo que son hoy. Luego, debido a que las plantas dominaron el paisaje, ataron su fuente de combustible y contaminaron su mundo, llegaron a un punto en el que comenzaron a morir. Las criaturas exoesqueléticas no producían suficiente CO2 y empezaron a surgir animales que eran mucho más eficientes. Esto provocó que las criaturas y plantas del exoesqueleto murieran hasta que la estabilidad con los nuevos animales productores de CO2 estabilizó el sistema, que terminó siendo mucho más bajo de lo que se necesitaba para los cuerpos de 2-3 metros de las criaturas del exoesqueleto.
No hay ninguna razón por la que una criatura con un exoesqueleto no pueda desarrollar un sistema respiratorio más eficiente que yo sepa, lo que les permitiría continuar evolucionando y dominar su mundo en tamaños más grandes.
Una vez que entiendes eso, entran en juego las limitaciones del peso del exoesqueleto...
Una idea interesante es que, hipotéticamente, estas criaturas podrían ser masivas y continuar creciendo a lo largo de sus vidas, solo se detendrían cuando se vuelvan demasiado grandes para mudar y desarrollar un nuevo exoesqueleto. Esto significa que sus cerebros también podrían crecer mucho en comparación con los nuestros, porque no están limitados por el problema del canal de parto.
Existen varias limitaciones en el tamaño de los artrópodos, en parte relacionadas con la ley del cubo cuadrado y en parte relacionadas con la mecánica. Todas estas limitaciones tienen solución, pero el resultado puede no calificar como verdaderos artrópodos. En este artículo se puede leer una descripción general .
Según este artículo (cita de wikipedia):
El artrópodo más grande que se sabe que ha existido es el euriptérido (escorpión marino) Jaekelopterus, que alcanza hasta 2,5 m (8,2 pies) de longitud corporal, seguido por el pariente milpiés Arthropleura con alrededor de 2,1 m (6,9 pies) de longitud.
Según este artículo :
Los artrópodos tienen un sistema circulatorio abierto: en lugar de tener arterias y venas para canalizar la sangre, los artrópodos poseen senos abiertos donde la sangre baña los órganos directamente. ¿De qué manera esto implica una restricción para un insecto gigante? Si bien no existe un mecanismo activo que bombee la sangre por todo el cuerpo, sería muy difícil para un insecto gigante oxigenar y nutrir todas sus células por el efecto de la gravedad.
Por otro lado, la mayoría de los insectos respiran pasivamente a través de sus espiráculos, los cuales se conectan con un sistema interno de conductos ramificados llamado “tráquea”. Así, no desarrollan ningún sistema activo para forzar la entrada de aire al interior de sus cuerpos, sino que entra pasivamente a través de estas “tráqueas” y llega al interior del cuerpo de los artrópodos para oxigenar todas las células.
La difusión de gases es efectiva en distancias pequeñas pero no en distancias más grandes. Así, los insectos gigantes tendrían serios problemas para oxigenar sus tejidos si alcanzan tamaños grandes. Además, la concentración atmosférica actual de oxígeno (21%) no sería suficiente para oxigenar un organismo tan grande con un mecanismo de respiración tan simple.
Hay que decir que todas estas limitaciones se atenúan en los ecosistemas acuáticos, donde el peso de la cutícula y la difusión del oxígeno no suponían un problema para el crecimiento. Eso explica por qué los artrópodos (y otros invertebrados) más grandes del mundo se encuentran principalmente en ecosistemas acuáticos.
Según este artículo :
Tal vez el animal tiene pulmones de libro como una araña, o tal vez los espiráculos de un insecto se han ramificado hacia adentro, convirtiéndose en un sistema traqueal lleno de aire entrelazado con el sistema cardiovascular de sangre lleno de líquido. Cada pata tiene su propio “complejo cardiopulmonar” asociado, además de uno grande en el vientre para alimentar los órganos.
En lugar de inhalar y exhalar, estos animales respiran A TRAVÉS, con aire entrando al sistema a través de espiráculos cerca de la cabeza y saliendo cerca del ano. El aire es bombeado por la acción de los vasos sanguíneos musculares que envuelven los tubos traqueales, o por la contracción muscular de todo el abdomen (como un globo que se infla y se desinfla). Correr también genera más fluidez.
Según este artículo :
En términos de fuerza, las vainas de quitina alrededor de las piernas (que ya tienen los insectos) funcionan bien. Haga los cálculos y verá que una pata de escarabajo ampliada a las dimensiones de una de mis patas (100 cm de largo por 20 cm de diámetro) tendrá un exoesqueleto de unos 0,6 cm de grosor, que tiene aproximadamente la misma masa y un cuarto del grosor de los huesos de mi pierna. Eso no está mal, especialmente considerando la diversión que podría tener con las bolsas de aire, los diferentes materiales y la forma exacta del hueso en cuestión. Estoy seguro de que las patas exoesqueléticas funcionarán, al menos para un animal de mi tamaño.
El problema real es que un exoesqueleto debe ser eliminado a medida que crece el animal dentro de él. Imagina un artrópodo del tamaño de un león mudando y pasando de ser un demonio de batalla acorazado a un bulto rosa blando. Es posible que no pueda soportar el peso de sus propios órganos, y mucho menos correr y perseguir a sus presas.
Según este artículo :
Hay maneras de resolver el problema. Cava un hoyo y escóndete en él mientras esté blando. Sumérgete en agua de apoyo. Construya un "capullo móvil" con el viejo exoesqueleto y la seda desechados. O simplemente haz que el esqueleto crezca contigo.
Los erizos de mar también tienen exoesqueletos, pero los suyos están hechos de placas hexagonales que se pueden separar y los intersticios se rellenan con un material intermedio (en este caso colágeno) que luego se endurece hasta alcanzar la dureza y rigidez necesarias (en este caso carbonato de calcio). Los huesos de nuestro cráneo (que son exoesqueletos, en cierto modo) funcionan de la misma manera. La diferencia es que también tenemos células especializadas (osteoclastos) que pueden destruir hueso viejo y crearlo (osteoblastos), por lo que incluso una vez que las placas se han unido para formar un cráneo, todo puede seguir creciendo a medida que se sustrae el hueso viejo. desde el interior y añadido al exterior.
¿No te gusta esa idea? Puede dividir el exoesqueleto en escamas, que se bloquean de borde a borde como piezas de rompecabezas, y se pueden perder y volver a crecer uno a la vez como dientes de tiburón sin sacrificar la integridad estructural (bonificación: videojuego-jefe débil ¡lugares!). Los músculos que están anclados a áreas sin escamas de caparazón no tendrán ningún efecto de palanca y serán inútiles hasta que se endurezca la nueva caparazón. El animal tendrá que cambiar su comportamiento, ya sea obteniendo ayuda de sus congéneres o construyendo una muleta temporal para sí mismo con materiales encontrados (¿madera? ¿Escamas viejas hiladas en seda?). O eso, o las escamas de anclaje de los músculos permanecen sin mudar, construidas en grandes estructuras muertas a medida que el animal crece, como el cascabel de una serpiente de cascabel.
Según este artículo :
La forma en que funcionan las articulaciones que soportan carga (como las rodillas y las caderas) en las criaturas grandes es distribuyendo la carga en un área lo más grande posible y amortiguando y lubricando la articulación rodeándola con tejido vivo.
Obviamente, las criaturas con exoesqueletos no pueden rodear una articulación con tejido vivo o no tendrían un exoesqueleto. Y sin esa amortiguación y lubricación, están algo limitados en cuanto a los tipos de articulaciones que pueden tener. Por ejemplo, los humanos tienen articulaciones de bisagra (codo), articulaciones esféricas (del muslo a la pelvis), articulaciones deslizantes (muñeca) y algunas otras. Las criaturas con exoesqueletos tienen, principalmente, la articulación del pasador.
La articulación de pasador, esencialmente, tiene un par de protuberancias en una extremidad de la articulación que encajan en un par de depresiones en la otra extremidad de la articulación. Puede ver esto fácilmente la próxima vez que coma langosta si examina de cerca dónde se conecta el "pulgar" de la garra con la "mano" de la garra.
Las articulaciones de pasador son un problema a medida que las criaturas aumentan de tamaño porque colocan toda la fuerza de la articulación en un área relativamente pequeña. Quiero que te pongas de pie, ahora mismo, y te pares sobre las puntas de los pies con los talones levantados del suelo. Luego, con la espalda recta, ponte en cuclillas lentamente. ¿Sientes la presión en tus rodillas? Imagina eso por treinta y tendrás una idea de lo que tendrían que resistir las articulaciones del exoesqueleto a tu tamaño.
Según este artículo :
cualquier otro tipo de articulación (por ejemplo, la articulación esférica del pulgar) requeriría una superficie dura en el interior, que es algo así como lo opuesto a un exoesqueleto.
Los artrópodos gigantes no pueden existir sin grandes cantidades de oxígeno atmosférico. Incluso entonces, sus exoesqueletos no pueden competir con los endoesqueletos. Superar estas limitaciones requeriría la evolución de un nuevo clado de pseudo-artrópodos con una variedad de estrategias únicas.
Sin huesos internos, podrían tener tendones estructurales que trabajan en tensión , no en compresión. Imagínese ensartando cables fuertes a través de la carcasa rígida que lo rodea, como una raqueta de tenis. Esto se puede utilizar para soporte interno.
Considere usar músculos para formar formas rígidas y fuertes. Olvidé cómo se llama, pero si el tejido muscular está en ángulo recto y alineado con el tubo, tiene una forma inflexible (a diferencia de una hélice de 45 grados, que permite doblarse sin retorcerse). El canal de ciencia especial sobre la posible vida futura describió a los cefalópodos moviéndose hacia la tierra de esta manera.
A algunos animales les ha crecido una concha en el interior. Entonces, si no pueden evolucionar fácilmente el hueso desde cero, es posible que crezcan más fácilmente las mismas cosas que han sido, pero en el interior.
Una gran explicación del problema de escalamiento de las criaturas exoesqueléticas.
En resumen:
Los exoesqueletos tienen opciones articulares realmente terribles, que no son buenas para soportar peso. Esencialmente, puede tener una articulación de alfiler (piense en una garra de cangrejo), o simplemente ablandar un poco su esqueleto y esperar que se mantenga unido. Mientras que los invertebrados tienen muchas opciones de articulaciones, muchas de las cuales soportan cargas espectaculares (piense en las rodillas y las caderas). Simplemente no hay forma de replicar esto con un exoesqueleto.
Los exoesqueletos son realmente pesados. Constituyen una mayor proporción del peso corporal de un animal que los endoesqueletos, y esto empeora a medida que aumenta la escala (problema del cubo cuadrado; elevar al cubo un número mayor). Esto también significa que tener una criatura con un endoesqueleto y un exoesqueleto no funcionará bien. Pesarían tanto que apenas podrían moverse.
Hablando de moverse, no podrán correr sin fracturarse los exoesqueletos de las piernas.
Los exoesqueletos son caros. La mayoría de las criaturas grandes con exoesqueletos viven en el mar. Una de las principales razones de esto es que utilizan la biomineralización para "extraer" el agua en busca de minerales para endurecer su exoesqueleto. Dado que su exoesqueleto debe mudarse y volver a crecer, esto es mucho más costoso que un endoesqueleto que puede crecer continuamente y no desperdiciarse.
Hablando de muda, la muda es extremadamente peligrosa para las pequeñas criaturas con exoesqueleto. Los exoesqueletos no crecen, por lo que tienen que dejar su exoesqueleto y vivir como una gota blanda mientras se expanden y crece un nuevo exoesqueleto. Para animales muy pequeños, esto no es demasiado problema; acaban de perder su armadura, lo que significa que son más sabrosos para los depredadores. Para los artrópodos más grandes, tienen que encontrar un lugar seguro para hacer esto, ya que ni siquiera podrán moverse (sin soporte para su cuerpo significa que sus músculos no pueden mover sus extremidades de manera confiable, y mucho menos soportar el peso de su cuerpo ). Para las gigantescas criaturas exoesqueléticas, la muda es un factor decisivo. Imagina un ser humano sin esqueleto. No serías capaz de respirar o bombear tu sangre.
Entonces... ¿cuál es el tamaño máximo de una criatura exoesquelética?
Bajo el agua: la langosta americana más grande pesó 44,4 libras.
En tierra: el cangrejo cocotero más grande pesó 9 libras.
Esos son sus límites superiores.
El gran problema es volumen vs área:
Toma humanos:
Eso significa que 100 cm ^ 2 necesitan manejar alrededor de 80 kg. Si divides, son 0,8 kg por centímetro cuadrado.
Tome un animal del doble de tamaño hecho con morfología/materiales similares:
Eso significa que ahora tienes 640/400 = 1,6 kg/cm^2
Resumiendo: cada vez que duplicas tamaño, necesitas materiales 2 veces más fuertes. Es por eso que podrías tener insectos con pies muy delgados y un Elefante requiere pies muy cortos/fuertes.
Los músculos y los huesos tienen una resistencia material específica, por lo que está limitado a un tamaño máximo. Yo diría que en torno a lo Dinosaurios o equivalente. Básicamente, Gozilla o KingKong están totalmente fuera de las posibilidades "reales".
Si quieres criaturas más grandes, podrías imaginar materiales más fuertes (metal o exoesqueleto de fibra de carbono), pero eso solo aumentará el tamaño máximo por un factor de varias veces (decenas de veces para la fibra de carbono).
La otra alternativa es hacer que la criatura viva en otro entorno que compense la gravedad (¿agua?), por lo que no podrá moverse rápido, pero puede manejar tamaños más grandes (ballenas).
¿Cuál es el tamaño máximo? ¡Mucho más grande de lo que piensas!
Como se ha descrito en las respuestas anteriores, el problema es, en primer lugar, cómo el exoesqueleto puede soportar el interior de su habitante y, en segundo lugar, cómo puede moverse sobre las piernas. Si mueves la acción bajo el agua, básicamente resuelves ambos problemas porque su interior tiene una flotabilidad neutra.
Si se trata de un escenario de ciencia ficción y su raza exoesquelética es inteligente y dirige una sociedad industrial, pueden descubrir fácilmente alguna forma de sobrevivir en tierra. Ya sea que se trate de un traje individual (¿armadura motorizada?) o más como un tanque de agua sobre ruedas (estilo sumergible, excepto que soporta la presión en el interior en lugar de en el exterior), es un problema solucionable.
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