kan drakar existera? – Pt. 1
hur skulle de verkliga drakarna vara?
paleontologer och flygtekniker har bestämt att dessa djur kunde flyga under egen kraft med några mycket smarta anpassningar. Deras ben var ihåliga som fågelben för att hjälpa dem att ta mer syre för andning och flygkraft, men de hade en stor omkrets för att stödja köttets vikt. Och till skillnad från fåglar lanserade dessa pterosaurier från marken med hjälp av musklerna i sina vingar istället för de i benen. Fladdermöss tar faktiskt av på ett liknande sätt. Quetzalcoatlas Northopi misstänktes för att nå hastigheter på 80 miles per timme, eller 130 kilometer per timme, och nå en kryssningshöjd på 2,8 miles eller 4,5 kilometer i luften. De kan troligen stanna i luften i sju dagar åt gången.
så vi känner redan till enorma varelser som kan flyga fenomenalt. Om våra drakar hade liknande ben och vingar, kunde de sannolikt komma till samma storlek och vikt som dessa gamla pterosaurier. Quetzalcoatlas stod 5 meter hög, eller cirka 16 fot, och hade vingspets på 11 meter, eller cirka 36 fot. Även om deras proportioner skulle vara väldigt olika, sätter det våra hypotetiska drakar i samma skala som de flesta Från How To Train Your Dragon-filmerna.
They’d also be comparable in height to some of the smaller dragons from Harry Potter and Game of Thrones.
There are a few caveats I should mention. Vissa paleontologer misstänker att stora pterosaurier som Quetzalcoatlas flög mer under sina yngre år för att undvika rovdjur och flög mindre och mindre när de växte. Vuxna Quetzalcoatlas kan bara ha flugit korta sträckor. Dessutom har forskare anledning att tro att atmosfären var rikare på syre under den mesozoiska eran. Då kunde pterosaurier ha fått mer energi från maten och utmatat mer kraft med sina muskler. Våra drakar kan kräva liknande förhållanden. Stora pterosaurier utvecklades också för att ha luftsäckar i sina kroppar som lagrade extra syre, vilket våra hypotetiska drakar förmodligen också skulle behöva. Slutligen kommer vikten våra hypotetiska drakar sannolikt att öka när vi inkluderar organ och bränsle för eldandning, isbrytning och belysningsgenerering. Jag ska ta upp om dessa drakar fortfarande kan flyga när vi går.
kan en drake verkligen andas eld?
för att en drake ska andas eld behöver den något organ eller organ som kan producera och lagra något brandfarligt ämne, ett sätt att mata ut det ämnet i mycket höga hastigheter och ett sätt att antända ämnet när det lämnar drakens kropp. Draken skulle också behöva vara brandsäker på utsidan och insidan för att överleva sina egna lågor.
låt oss börja med bränslekällan. Det finns redan en brandfarlig förening som produceras av många djur när de smälter mat: metan. Metan produceras av mikrober i djurens tarmar när de bryter ner delvis smält mat. Vi har fastställt att de sannolikt skulle utveckla luftsäckar för att lagra det syre som behövs för att driva sina muskler, så kanske några av dessa säckar kan utvecklas för att samla metan istället. Vi kan bestämma hur mycket metan en Drake skulle behöva lagra genom att jämföra dess effekt med en flamthrower.
x15 Flamethrower kan skjuta eld upp till 45 fot, eller ca 14 meter, för en hel minut på en full tank av bränsle. Det kan göra detta med praktiskt taget alla brandfarliga vätskor, men det blir det bästa intervallet med en blandning av 75% bensin och 25% fotogen. Bränsletanken rymmer 13,25 liter eller 3,5 US gallon. Det motsvarar cirka 9,9 liter bensin och 3,3 liter fotogen. Bensin släpper omkring 33.867 megajoule energi per liter när den brinner. Kerosin släpper ut cirka 38.346 megajoule per liter bränd. Sammantaget matar X15 ut cirka 460 megajoule på en minut. För att få en motsvarande energiproduktion skulle vår hypotetiska drake behöva bränna cirka 8, 3 kg metan för varje minut som den utvisar eld.
om vi antar att vår drake kan lagra tillräckligt med bränsle vid en tidpunkt för att andas eld i 10 minuter, skulle det behöva hålla 83 kilo metan. Tätheten av gasformig metan varierar beroende på temperatur och tryck, men det är osannolikt att vår drake skulle ha en kroppstemperatur högre än 100 grader Fahrenheit. Därför skulle metan som den lagrar ta upp 130 000 liter volym vid normalt atmosfärstryck. Definitivt för mycket. Låt oss istället föreställa oss att draken kan komprimera metan. Metan komprimeras vanligtvis vid 200 pund per kvadrattum. Med det trycket kunde draken lagra all sin metan med bara 74 liter. Det handlar om volymen av människokroppen. Om vi antar att draken komprimerar metan i en sfär, skulle den behöva utöva minst 132 amerikanska ton kraft. Det är ungefär 13 gånger styrkan hos en elefant.
inte särskilt praktiskt. Dessutom skulle metangas snabbt sprida sig i atmosfären när den släpptes, vilket gör drakens eld svår att sikta. En effektivare metod för bränslelagring skulle vara att omvandla metan till metanol.
metanol är en vätska vid 100 grader Fahrenheit och tar upp mycket mindre volym. Att ha en flytande bränslekälla skulle dessutom tillåta en drake att utvisa flammor på samma kontrollerade sätt som en flamthrower gör. Men är det möjligt för en levande sak att omvandla metan till metanol i sig själv?
den kemiska ekvationen för att skapa metanol från metan är ganska enkel. Att kombinera två mol metan med en mol syrgas skapar två mol metanol för 5% av alla försök till reaktioner. Denna reaktion kan inträffa vid 100 grader Fahrenheit, men kräver upp till 50 jordatmosfärer av tryck. Det bör också frigöra cirka 110 kilojoule energi per mol metanol som produceras under dessa förhållanden. Tillsammans ger dessa faktorer oss en minimal tid det skulle ta en drake att producera tillräckligt med metanol för en minut lång eldbrott som den som produceras av x15-flamthroweren. (Jag sänkte tidsgränsen för eldandning eftersom 10 minuters värde av metanol skulle vara över 200 kilo och väga vår drake ner betydligt. Det kan dock fortfarande andas eld i 10 minuter om det släppte bara en tiondel av x15: s effekt, och det skulle fortfarande vara ganska hotande.)
en eldandningsdrake skulle behöva otrolig isolering i kroppen, så vi kan anta att värmen som frigörs när metanol produceras lämnar kroppen via konvektion. Det betyder att luft från insidan av draken släpps och bär värme med den. Värmen som förloras via konvektion måste vara större än eller lika med värmen som produceras vid bildandet av metanol. Båda dessa värden beror på ytan på säcken som håller kemikalierna, som vi antar vara sfäriska. Ytan är också direkt proportionell mot den mängd kraft draken behöver utöva för att ge de nödvändiga 50 atmosfärerna av tryck för metanolproduktion.
Using all the information above, we can derive a formula that directly relates the dragon’s strength to its methanol production time:
metanol släpper ut 22,7 megajoule per kilo när det brinner, så vi skulle behöva cirka 20,3 kilo för att bränna vår drakens eldandning. Det är cirka 632 mol flytande metanol, som kan lagras i ett utrymme på cirka 25,8 liter. Låt oss säga att vår drake tar en dag att bränna upp. Då skulle det behöva tillämpa över 240 000 Newtons kraft. Det skulle göra det ungefär 2,8 gånger starkare än en elefant. Vår firebreathing dragon skulle fortfarande vara oproportionerligt stark för sin massa, men vi kan anta att den har anpassningar som ger den exceptionellt starka muskler. Muskler som starka skulle också hjälpa draken att flyga medan du bär den extra vikten från sitt bränsle.
jag bör också nämna att 24-timmars metanolproduktionstid är den minsta tid draken kan ta för att producera sin metanol utan överhettning, inte nödvändigtvis hur lång tid det skulle ta draken att producera så mycket metan. De gassiest djuren är kor, som högst producerar cirka 0,3 kg metan per dag. Det skulle ta en enda ko om 40 dagar att producera tillräckligt med metan för att bränna vår drakens eld, med tanke på 5% framgångsgrad för att omvandla metan till metanol. Så vår drake skulle behöva producera 40 gånger så mycket metan som en ko. Ett alternativ skulle vara att vår drake bor någonstans med en hög koncentration av metan som en myr. Det skulle dock vara i ständig fara att sätta sin livsmiljö i brand. En övertygande ide skulle vara att en drake faktiskt håller boskap runt i en sluten miljö som en grotta. Om en drake kunde fånga 40 kor varje månad eller så och låta dem passera gas tills de dör av svält, skulle det kunna andas in tillräckligt med metan för att bränna sin eldandning. Då kan det äta korna när de dör. Att ha en diet som denna skulle också ge vår drake något annat den behöver: järn.
det sista vi behöver för vår drake att bränna upp metanol är en katalysator. Katalysatorer är ämnen som tillåter kemiska reaktioner att ske i snabbare takt eller under olika förhållanden då de normalt skulle. Det händer bara att järn inbäddat i grafen är en katalysator för reaktionen av metan och syre för att bilda metanol. Det tillåter även denna reaktion att ske vid rumstemperatur. Köttet är rikt på järn, så en drake med en mycket köttig diet skulle kunna använda en del av hemjärnet som den absorberar för att skapa sin grafenkatalysator. Den enda andra ingrediensen skulle vara kol, som vår drake kunde få från ganska mycket organiskt ämne. Grafen är det starkaste materialet som är känt för vetenskapen, så att använda grafen för att fodra drakens gassäck skulle göra det möjligt att motstå det enorma trycket som läggs på det av drakens muskler. Grafen är också bra för att leda värme, så det kommer inte att förhindra att gassäcken kyls.
naturligtvis är det inte användbart att kunna producera metanol om inte vår drake har ett sätt att antända det och utvisa den flammande vätskan. En möjlighet är att drakar har en typ av naturlig flint i halsen eller munnen som de kan skrapa för att gnista flamman. De kan också äta små stenar som fåglar gör och skrapa dem tillsammans. Alternativt kan vår drake utvisa metanolen så snabbt att statisk tändning uppstår. Det är då friktion mellan en behållare och dess bränsle skapar statisk elektricitet som tänder bränslet. Men hur skulle vår drake utvisa sitt bränsle?
eldkastare driver ut sitt bränsle genom att släppa ut komprimerade gaser. X15 vi har jämfört vår drake med använder en 20 ounce tank koldioxid komprimerad vid 800 pund per kvadrattum. Koldioxid används eftersom det inte är brandfarligt. Om vår drake hade en andra sfärisk gassäck för att lagra koldioxid, kunde den använda sina exceptionella muskler för att ge samma tryck. Därför kan den utvisa metanol med samma 45-fots intervall som X15.
det sista hindret som vår firebreathing Dragon behöver övervinna är elden själv. Det är varmt, och levande saker vill vanligtvis inte vara runt det. Så hur kunde en drake stå med den inuti dem? Tja, det finns en del av levande saker som är chockerande brandsäkra: DNA! Enligt en artikel från WIRED(som jag dubbelkontrollerade med andra källor):
DNA: s kemiska struktur gör den idealisk för flamstoppande jobb. Vid uppvärmning producerar dess fosfatinnehållande ryggrad fosforsyra, som kemiskt avlägsnar vatten från bomullsfibrer samtidigt som den lämnar en flambeständig, kolrik Rest. De kvävehaltiga baserna släpper ut ammoniak-som spädar ut brandfarliga gaser och hämmar förbränningsreaktioner — och kan fungera som ”jäsmedel”, vilket hjälper till att förvandla de kolrika avlagringarna till ett långsamt brinnande skyddsskikt. I slutändan stoppar dessa ingredienser förbränning genom att bilda antingen ett kolrikt skum eller en skyddande, glasaktig kolbeläggning som kallas char.
materialforskare i Italien fann att beläggning av ett bomullstyg med DNA som tagits från sillsperma hindrade det från att brinna. Organismer är redan bra på att göra DNA-det är typ av hela saken — så en drake borde kunna producera tillräckligt med DNA för att belägga åtminstone det inre av halsen, munnen och gassäcken. Det är problemet att beläggningen som skapades av italienarna inte var vattentät, men det kan vara möjligt att komma runt denna fråga genom att tvärbinda DNA i en stor matris. Vår drake kan också använda all värme som produceras eftersom den gör metanol för att förånga allt vatten som kan lösa upp sin DNA-beläggning.
att vara brandsäker stoppar dock inte värmeflödet. Vår drake behöver också tillräcklig värmeisolering. För det vänder vi oss till aerogels. Aerogels är porösa material som gör ett otroligt jobb med att begränsa värmeflödet. Om vår drake kan producera naturlig aerogelbeläggning, kan den skydda sig från värmen från sina egna flammor. Det finns även organismer som redan producerar aerogel: sländor!
dragonfly vingar har en struktur som är mycket lik den hos Tillverkad aerogel. Forskare studerar även sin tillväxt för att göra aerogels för isolerande hus. Vem skulle ha trott att sländor skulle vara nyckeln till biologin hos en verklig drake?
slutsats
så låt oss göra en lista över alla anpassningar som en drake skulle behöva ha:
- vingar, ben och kroppsvikt jämförbar med den gamla quetzalcoatlas northopi.
- Säckar utformade för att hålla och komprimera gaser som syre, koldioxid och metan.
- utomordentligt effektiva muskler som kan utöva 2.8 gånger kraften hos en elefant utan att öka djurets vikt förbi en grizzlybjörn.
- förmågan att producera metan 40 gånger snabbare än en ko eller en överlevnadsstrategi som gör det möjligt att andas in metan hos stora grupper av djur.
- en diet rik på järn.
- förmågan att göra järn inbäddad grafen i sin kropp.
- ett system för konvektiv kylning som gör det möjligt att snabbt utvisa värme som frigörs vid framställning av metanol.
- en kammare som släpper ut komprimerad gas för att utvisa metanol och sannolikt något hårt ämne att klicka ihop och antända det.
- förmågan att producera DNA-beläggning för att brandsäkra sig.
- och förmågan att göra aerogelliknande beläggning för värmeisolering.
Jag skulle säga att det största evolutionära hindret skulle vara de förbättrade musklerna. Kanske drakar kan producera mer styrkaförbättrande hormoner och färre styrkahämmare än andra djur, eller de kan ha muskler som är mer besläktade med en Leddjur eller blötdjur än ett ryggradsdjur. Dessa organismers muskelfibrer kan utöva mer kraft med samma tvärsnittsarea. Det finns också material som drakar skulle behöva producera-som grafen och DNA — beläggning-som inte finns i djurriket. Så medan jag inte kan säga att dragons utveckling är trolig, tror jag inte att det är helt omöjligt. Kanske framsteg inom genteknik kan en dag producera en drake (så fylld med etiska konsekvenser som det skulle vara). Jag tror personligen att ha en vetenskaplig bild av hur drakar skulle ha utvecklats gör dem allt mer fantastiska.
det här inlägget är det första i en tredelad serie jag gör på drakens biologi. I nästa ska jag titta på genomförbarheten av drakar som attackerar med belysning, is och till och med kall plasma. I inlägget efter det använder jag fysiologin och biokemi som jag etablerade i de två första inläggen för att förutsäga var varje typ av Drake skulle leva, vad den skulle äta och hur den skulle jaga. Jag hoppas att se dig där!
arbeten citerade
naturalish. (2017, 26 juni). Hur Drakar Flyger: När Biologi Trumfar Fysik. Hämtad från https://medium.com/applaudience/how-dragons-fly-when-biology-trumps-physics-ca1f3036ed7c
Gabbatiss, Josh. ”Jorden – hur evolutionen kan ge upphov till verkliga drakar.”BBC, BBC, 30 September. 2016, www.bbc.com/earth/story/20160929-how-evolution-could-give-rise-to-real-life-dragons.
Stromberg, Joseph. ”Var Kom Drakar Från?”Smithsonian.med, Smithsonian Institution, 23 Jan. 2012, www.smithsonianmag.com/science-nature/where-did-dragons-come-from-23969126/.
Hill, Kyle. Hur man bekämpar en drake med vetenskap. Eftersom Vetenskap, Nerdist, 22 Aug. 2019, www.youtube.com/watch?v=UTNF3gKw7FI& t = 0m00s.
” hur andas drakar eld?”Varför-Sci, varför-Sci, 2013, why-sci.com/dragons/.
Hill, Kyle. Hur Andas Drakar Eld? (Eftersom vetenskap w / Kyle Hill). Eftersom Vetenskap, Nerdist, 11 Dec. 2014, www.youtube.com/watch?v=vuFPB7wNL2k.
Radford, Benjamin. ”Drakar: En kort historia av de mytiska, eldsprutande djuren.”LiveScience, Purch, 11 April. 2019, www.livescience.com/25559-dragons.html.
Hill, Kyle. Är Godzillas flygande monster tillräckligt stora? Eftersom vetenskap, Nerdist, 30 maj 2019, www.youtube.com/watch?v=faBguu_6LBI&lista=LLy0dKYu_pYu_ySc1mPRa4Ug&index=1536.
Davies, Ella. ”Jorden-det största odjuret som någonsin flög hade vingar längre än en buss.”BBC, BBC, 9 maj 2016, www.bbc.com/earth/story/20160506-the-biggest-animals-that-ever-flew-are-long-extinct.
Esker, David. ”Beräkning av Djurkraften som är tillgänglig för flygning.”Dinosaurieteori, Dinosaurieteori, dinosaurtheory.com/flight_animals.html.
Cramer, John G.” dinosaurie andetag.”Alternativ vy kolumn AV-27, Science Fiction and Fact Magazine, 12 juli 1996, www.npl.washington.edu/AV/altvw27.html.
Hanson, Joe. Hur Flög Jätte Pterosaurier? Det är okej att vara Smart, PBS Digital Studios, 9 juni 2020, www.youtube.com/watch?v=-b4kAycprQg&t=1s.
de Pastino, Blake. Det Största Som Någonsin Flög. PBS Eons, PBS digitala studior, 14 Aug. 2017, www.youtube.com/watch?v=scAp-fncp64.
Ronson, Jacqueline. ”Pterosaurier Förändrar Vad Vi Vet Om Flygning.”Omvänd, Omvänd, 30 Aug. 2017, www.inverse.com/article/33199-biggest-flying-animal-ever-pterosaur-azhdarchid-quetzalcoatlus.
Fågelanpassningar. (2018, 5 April). Hämtad 07 December 2020 från https://www.montananaturalist.org/blog-post/avian-adaptations/
Ghose, Tia. ”Mesozoisk Era: Dinosauriernas ålder.”LiveScience, Purch, 8 Jan. 2015, www.livescience.com/38596-mesozoic-era.html.
Martin-Silverstone doktorand i paleontologi, Elizabeth. ”Pterosaurier borde ha varit för stora för att flyga — så hur hanterade de det?”Konversationen, Konversationen, 17 September. 2018, theconversation.com/pterosaurs-should-have-been-too-big-to-fly-so-how-did-they-manage-it-60892.
”vanliga frågor.”FlamethrowerPlans.com, FlamethrowerPlans.com, flamethrowerplans.com/faqs/.
”X15 eldkastare.”Professionell Brandutrustning, Professionell Brandutrustning, 20 Dec. 2018, professionalfiregear.com/product/x15-flamethrower/.
”specifik energi och energitäthet för bränslen.”Neutrium, Neutrium, 26 Mar. 2014, neutrium.netto / egenskaper / specifik-energi-och-energi-densitet-av-bränslen/.
Meisner, Gary, et al. ”Gyllene förhållanden i kroppstemperaturer.”Det Gyllene Snittet, Det Gyllene Snittet, 26 April. 2016, www.goldennumber.net/body-temperatures/.
Kent. ”Ideal Gas Lag.”Kents Kemisida, Kents Kemisida, www.kentchemistry.com/links/GasLaws/idealGas.htm.
Shallenberger, Bodie P. Hur man säkert komprimerar metangas. 10 januari. 2019, itstillruns.com/safely-compress-methane-gas-12043908.html.
topp 10 starkaste djur i världen: OneKindPlanet Animal Education. (nd). Hämtad 04 oktober 2020 från https://onekindplanet.org/top-10/top-10-list-of-the-worlds-strongest-animals/
Ravi, M., Sushkevich, V., Knorpp, A., Newton, M., Palagin, D., Pinar, A.,. . . Bokhoven, J. (2019, 20 Maj). Missuppfattningar och utmaningar i metan-till-metanol över övergångsmetallbytta zeoliter. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.nature.com/articles/s41929-019-0273-z
Khirsariya, P., & Mewada, R. (2013, 25 April). Enstegs Oxidation av metan till metanol – mot bättre förståelse. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705813000581
Khirsariya, P., & Mewada, R. (2013, 25 April). Enstegs Oxidation av metan till metanol – mot bättre förståelse. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705813000581
Engineering ToolBox, (2003). Konvektiv Värmeöverföring. Finns på: https://www.engineeringtoolbox.com/convective-heat-transfer-d_430.html .
Skepp, R. (nd). Idealisk Gas Lag. Hämtad 04 oktober 2020 från http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/idegas.html
Bradley2018–06–28t13:52:00+01:00, D. (2018, 28 juni). Katalysator omvandlar metan till metanol vid rumstemperatur. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.chemistryworld.com/news/catalyst-converts-methane-to-methanol-at-room-temperature/3009212.article
maj, K. (2018, 27 September). Metan är inte bara kofarts; det är också ko burps (och andra konstiga fakta som du inte visste om denna potenta växthusgas). Hämtad 04 oktober 2020 från https://ideas.ted.com/methane-isnt-just-cow-farts-its-also-cow-burps-and-other-weird-facts-you-didnt-know-about-this-potent-greenhouse-gas/
personal, S. (2019, 05 juli). Studien visar potential för minskad metan från kor. Hämtad 04 oktober 2020 från https://phys.org/news/2019-07-potential-methane-cows.html
katalysator. (2020). Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.merriam-webster.com/dictionary/catalyst
järnrika livsmedel. (2020). Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.redcrossblood.org/donate-blood/blood-donation-process/before-during-after/iron-blood-donation/iron-rich-foods.html
Glor, M. (nd). Elektrostatiska antändningsrisker förknippade med brandfarliga ämnen i form av gaser, ångor, dimma och damm. Hämtad 03 oktober 2020 från http://www.appstate.edu/~clementsjs/journalarticles/glor.pdf
Harris, T. (2020, 30 juni). Hur Flamthrowers Fungerar. Hämtad 04 oktober 2020 från https://science.howstuffworks.com/flamethrower.htm
Woodford, C. (2020, 21 mars). Grafen-en enkel introduktion. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.explainthatstuff.com/graphene.html
Drake, N. (2013, 11 mars). Kan inte bränna detta: DNA visar överraskande flamskyddsmedel. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.wired.com/2013/03/fireproof-dna/
Längsi, J., Carletto, R., Blasio, A., Carosio, F., Bosco, F., & Malucelli, G. (2013, 12 februari). DNA: en ny, grön, naturlig flamskyddsmedel och suppressant för bomull. Hämtad 04 oktober 2020 från https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ta/c3ta00107e
Newcastle University. (2018, 25 April). Världens äldsta insekt inspirerar en ny generation av aerogels. Hämtad 04 oktober 2020 från https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180425195629.htm
Muller, D. (producent). (2019, 31 augusti). Eldkastare vs Aerogel . Hämtad 3 oktober 2020 från https://www.youtube.com/watch?v=qnOoDE9rj6w
mstn-gen: MedlinePlus Genetics. (2020, 18 augusti). Hämtad 04 oktober 2020 från https://medlineplus.gov/genetics/gene/mstn/
Hill, K. (producent). (2019, 12 December). Hur man gör verkliga superhjälte Serum . Hämtad 15 mars 2021 från https://www.youtube.com/watch?v=txVaF4-Xt1M
Rospars, J., & Meyer-Vernet, N. (2016, 20 juli). Kraft per tvärsnittsarea från molekyler till muskler: en allmän egenskap hos biologiska motorer. Hämtad 11 mars 2021 från https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4968477/