《山人说道》系列 大与小
我们人类是自然界的绝对统治者,我们已经习惯了用我们的眼光去看这个世界;用我们的思维方式来认识这个世界;用我们的喜恶来改变这个世界……其实,这个世界丰富多彩的程度远超乎我们的想象，这使得我们在做事时往往碰壁，不得要领。究其因，是对“自然法则”的无知与漠视。一些看起来很简单的东西，其实蕴藏着深刻的道理。比如“大”和“小”。究竟什么是大？什么是小？大和小有什么区别呢？我们对于大和小往往只是个模糊的、体积上的相对比较而产生的概念，并没有从本质上认识到大与小的区别。所以才有人说“一个羊也是赶，十只羊也是放”。然而，事实上却远非随便这么一说这么简单。大和小，其实有着本质上的区别，是两个概念。下面本人将采用斯蒂芬.古尔德的一篇文章《形状与大小》来说明大与小究竟有着怎样的差别。希望大家从《形状与大小》一文中对大与小产生明确的认识，不要认为“大”只是若干个“小”的加法计算。大和小是迥异的两个概念，我们应该打破自己的惯性思维，把大和小分开来重新认识、研究。
《形状与大小》
（斯蒂芬.古尔德）
斯蒂芬.古尔德是哈弗大学教授，生物学家，著名科普作家。。从20世纪60时代末期开始，他为《自然史》杂志写了一系列名为“这样看生命”的专栏。这篇《大小与形状》，便是其中的名篇，曾选入各种文集，也是美国若干教育委员会向其学区内的学生推荐阅读的文章之一。现将这篇文章译出来，以供将观看“探索时代”之“完美的外形:昆虫大军”的读者或其他有兴趣的读者参阅——译者
正文：
谁会相信一只理论上的蚂蚁？
或蓝图中的一头长颈鹿？
一万名博士呶呶嚷嚷，
也推导不出半座丛林。
诗人约翰.齐亚尔迪的这几行诗，反映了一种对生命多样性的信仰。而生命的多样，又总使人类自诩的“全知全能”，在它的面前碰壁。然而，不论我们如何为生命的多样性唱颂歌，或怎样沉迷于动物的特殊性，我们必须承认，生物体的设计，是自有其基本“法则”的。这一规律，在大小与外形的关系中最明显。
一个动物是一件物体。在自然选择下，它们的外形往往长得有利于自己。它们的形状，必须与它们的大小最合适。地球引力对动物的作用，是以一定的方式，因动物的大小而不同的，动物则相应地改变它们的外形。
大小与外形之间所以有关系，空间几何是主要的原因。一件物体，体积若是变大，而外形却保持原样，它的表面积就得相对地减少（注意是“相对”，不是“绝对”---译注）。这是因为体积是以立方增加的（长x长x长），面积却是以平方增加（长x长），换句话说，体积的增加远快于面积的增加（举个简单的例子，边长为1米的正方体，若变大为边长为2米的正方体，那么体积增加了8倍，表面积仅增加了4倍---译注）
但这对动物有什么重要的？
动物的许多依赖于体表的功能,必须服务于身体的整个体积。消化过的食物是通过体表
(胃壁---译注)进入身体的;腿骨的力度有多大,取决于它的横截面积的大小,但动物的腿,必须得撑住以”立方”增加的重量。1638年，伽利略被宗教裁判所软禁时，写下了他不朽的名著《对话录》，书中便提出了这一原理。他推论说，一只大动物的骨头，必须比小动物的骨头粗得不成比例，才会有与小动物的细骨相应的力度（18世纪英国博物学家吉尔伯特.怀特在他的《塞耳彭自然史》中，曾说起过我国唐山皮影中的“长腿”仙鹤，认为火烈鸟的体重与腿长，比例若如仙鹤的，那一定是怪物。这么推显然不成。怀特虽晚于伽利略一个世纪，但看来并不知道伽利略书中提出的原理—译注）。
体表是有用的，不能太小，而体积若增加，势必又导致体表面积的相对减小。那么如何解决“体积增加而体表面积减小”的问题？有一个办法，这在大型而复杂的生物体的进化中，时尤其重要的：那就是内部器官的发展（目的是为解决体表面积的不足—译注）。从根本上说，胃只是一片囊状的体表；对大型的生物体来说，由于物质无法通过体表直接渗入到身体的内部，所以便有了负责输送物质的循环系统；我们的小肠上所以长绒毛，也是为了增加表面积，以吸纳食物（小型哺乳动物的小肠上没有绒毛，它们不需要）。
一些较简单的动物，则从未进化出内部的器官；而假如它们变大，它们的整个体型就得发生巨变，往往为了极端的特化，而牺牲它们进一步进化的余地。比如说一只绦虫吧，它可能有20英尺长（一英尺约合0.3米），但粗细却绝不超过一英寸的千分之一；因为食物与氧气，须直接通过它的体表渗入身体的各部分。
另一些动物则不得不小。昆虫是通过体表的凹陷来呼吸的。假如它们变大了，这些凹陷就不得不更多，不得不更蟠曲，所以昆虫的大小要有；哪怕它的个头像一只小型的哺乳动物，它身上也会全打满了“褶子”，挤得内部器官没有空间。
我们对自身大小的感觉，可称人类的囚笼，故很少意识到，在小动物的眼中，这个世
界是多么的不同。由于我们的块头大，而表面积则相对小，故引力作用于我们的体重，从而统治着我们。但那些很小的动物，却表面积大，体积小，所以引力是无足轻重的;它们生活在一个被体表力统治的世界中，它们对快乐与身边之危险的判断，方式完全不同于我们的经验。
墙面上爬，或水面上走，对一只昆虫算不得奇迹；拉它向下的引力，很容易被表面的黏附力抵消。从房顶上掼下一只昆虫，它会轻轻地飘落，因为作用于它体表的摩擦力，超过了微弱的引力之影响。
引力的相对微弱，也使昆虫的生长方式与大型动物不同。昆虫有一套外骨骼，只有脱掉它，并分泌一套新的以适应变大的身体，昆虫才可以生长。蜕掉旧骨骼、长出新股骼之前，虫体是软软的。而哺乳动物若没有支撑的骨骼，则在引力的作用下，它会瘫作一摊泥的；而小昆虫则可以保持它的张力。昆虫所以大不得，这也是一个原因。
恐怖和科幻电影的制作者们，对形状与大小的关系似乎毫无知识。《西克洛普博士》、《佛兰肯斯坦的新娘》等影片中的“小人儿”们做事，居然如正常人的翻版。他们掉下楼梯或悬崖时，竞也有“砰”的落地声；舞剑与游泳，竟有奥林匹克运动会上的本领。而影片中的大昆虫，虽然有恐龙的个头，却居然还能爬墙，还能飞。《它们》一片中那位善良的昆虫学家，当发现那些巨型蚁后们飞出去参加婚礼之后，便按一种简单的比例关系，飞快的推算起来：一直正常的蚂蚁，身长是一英寸的若干分之一，能飞行数百英尺，这些巨型蚁既有几英尺长，自然能飞1000多英里了。好嘛，它们能飞到洛杉矶了！但这么算是不对的：动物能不能飞行，取决于翅膀表面积的大小，而被翅膀托起来的体重，却以立方增加（体重增得快，翅膀表面积增得慢——译注）。所以说，这些巨型的蚂蚁，即便克服了呼吸与脱皮生长的难题，也难有飞离地面的可能性。
当身体变大时，生物体的另一些基本特征的变化，相对于“面积/体积”比，往往要快得多。比如动能，就是以高度的五次方增加的。所以说，一个孩子，假如只有你身高的一半，那么他摔倒时，头部触地的力量，便只有你摔倒时的1/32，而不是一半。孩子所以不怕摔倒，不是脑袋“软”，而是身体小。反过来说，孩子发脾气时给你两拳，并没有什么大害，因为他们用足了力气，也只有我们的1/32，而不是一半。（不解：这说明人的力气和身高成正比。实际生活中是这样的吗？--------山人）。所以我一直很同情《指环》中的小侏儒们，他们总遭受残忍的阿尔贝利西博士的鞭打。以他们的个头，以那细小的矿铲，是不可能按博士的要求挖出宝石的，不管他们多卖力气，终归是无用。
个头的增加，外形的比例随之而变化，这一简单的原则，是决定生物体之外形的最重要因素。霍尔丹写到：“比较解剖学所讲述的，其实是表面积按体积的增加的比例竭力扩张自己的故事。”这一通则，不仅适用于生命体，因为空间几何既制约着动物，也制约着船只、建筑和机器。
中世纪的大教堂，可以很好的检验形状与大小的相互影响；现代的建筑师，所以能抗拒“大小定律”原因是有了钢结构支架、内部照明和空调等的发明，但在这以前，中世纪教堂就已经建得很大了。英国的一个教区教堂，即埃塞克斯郡的小泰教堂，是一座宽宽的、简单的正方型结构，有半圆形的屋顶。光线通过外墙上的窗子进入内部（“外墙”是欧洲建筑中的术语，因为中世纪的大型教堂除了我们在建筑中常见的墙外，建筑内部还有其他种类的墙，如“扶墙”等——译注）。假如我们按他的设计放大，建一座同样模式的大型教堂，则外墙与窗子的面积将以平方增加，而需要光照的大堂，却以立方增加。换句话说，窗子面积增加的幅度，远不足以提供教堂内部所需的光照。你又不能满教堂都点蜡烛；所以这样建造的大教堂，内部将比犹大的行为还“黑”（犹大即出卖耶稣的门徒——译注）。中世纪的教堂，就像绦虫一样，由于缺少“内部器官”，便不得不改变它的外形，在规模变大的同时，尽量留出更多的外表面。
大多数中世纪的教堂的式样部分是由于大小的。英格兰埃塞克斯郡的小教堂建于12世纪，只有57英尺长，平面和顶部比较简单（上图），而同样是12世纪建造的诺里奇大教堂（下图）长达450英尺，它的耳堂和配房都是适应这种大小的建筑，光线和支撑决定了大教堂有复杂的式样。
建造于12世纪的诺里奇大教堂，它那正方形的中堂，则要狭窄的多；在半圆形的配堂中，又增加了一座小礼拜堂，此外还有一座与中轴线垂直的十字形耳堂。所有这样的“适配品”，都使外墙面与内部空间的比例关系变大了许多，这样就有了更多、更大的窗子，可吸纳光线。人们常说，所以增加十字形的耳堂，是为形成一个拉丁式样的十字架；造这样的耳堂，也许是出于神学的动机，但“大小定律”也使它不得不然。小教堂而有十字形耳堂的则寥寥无几。
大型的动物，就好比大型的教堂，可选择的余地并不多。大到一定程度，大型陆地生物的外形，基本就一样了；粗粗的腿，相对较短而壮硕的身体。大型的罗马式教堂，都是比较长的，并都有大量的“外突”（即十字形耳堂——译注）。而飞扶垛的发明，则增强了此后的哥特式教堂的结构，这样就留出了更多的墙面，可还开更多的窗子。
伽利略绘图说明的大小与形状的关系。大的圆柱必定比小的圆柱更厚。出于这样的原因，大型动物具有更加厚实的腿骨。
动物内部器官的“发明”，使它能用简单的外表，去包拢一个庞大的“内膛”，这样的外形，是异常成功的；与此同理，内部照明与钢结构的发明，则有助于现代建筑师们设计出外表简单的庞大建筑；是松了，但“大小定律”仍然有效。没有一座大型的哥特教堂，是高度超过宽度的；同样，像猎狗那样腰部塌陷的大型动物，天下也找不见。
又一次在纽约，我从运动场上偷听到了两个女孩儿间的谈话。她们在讨论狗的大小。一个问：“你说狗能不能像象那样大啊？”另一个说：“不能，跟象那么大，那不就成象了。”我当时想：她可能意识不到她说的有多么对！
（完）