編者按：童年的動(dòng)畫(huà)片里，藏著我們最初的好奇心。那些看似夸張的情節(jié)，其實(shí)常常連著真實(shí)世界的自然規(guī)律與科學(xué)原理?！锻陝?dòng)畫(huà)大科普》系列，帶你重新審視這些陪伴過(guò)我們的經(jīng)典角色：哪些設(shè)定源自真實(shí)生物學(xué)？哪些橋段背后藏著物理、生態(tài)或認(rèn)知科學(xué)？當(dāng)我們回望童年，會(huì)發(fā)現(xiàn)科學(xué)從不枯燥，它一直潛伏在動(dòng)畫(huà)的縫隙里，等你再次發(fā)現(xiàn)。

在《瘋狂動(dòng)物城》第一部中，食草動(dòng)物與食肉動(dòng)物之間的偏見(jiàn)與沖突，構(gòu)成了全片最扣人心弦的劇情。你是否還記得大反派羊副市長(zhǎng)那句煽動(dòng)性的臺(tái)詞？“雖然食肉動(dòng)物強(qiáng)壯又可怕，但我們的數(shù)量是他們的十倍。如果百分之九十的市民聯(lián)合起來(lái)對(duì)抗一個(gè)共同的敵人，我們會(huì)天下無(wú)敵的！”

實(shí)際上，電影中這個(gè) 9:1 的“人口”比例，并非編劇隨手一寫(xiě)的設(shè)定，而是基于自然界中一條基本的規(guī)律。

圖片來(lái)源：電影《瘋狂動(dòng)物城》

為什么在自然界中，像尼克這樣的食肉動(dòng)物，總是比像朱迪這樣的食草動(dòng)物少呢？為什么大自然不讓大家平分秋色？

大自然的“能量稅”

在這個(gè)“人口”比例的背后，是一雙看不見(jiàn)的大手——能量流動(dòng)。

生態(tài)學(xué)中有一個(gè)著名的“能量金字塔”模型：金字塔的底部，是大量的植物或藻類(lèi)（初級(jí)生產(chǎn)者），它們利用光合作用將太陽(yáng)能“存”了下來(lái)，構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的能量基石。

圖片來(lái)源：Wikimedia commons

隨著食物鏈向上延伸，能量像接力棒一樣，從吃草的初級(jí)消費(fèi)者，傳遞給吃肉的次級(jí)、三級(jí)消費(fèi)者，最終到達(dá)金字塔尖的頂級(jí)捕食者。

兔子的食物苜蓿屬于生產(chǎn)者。動(dòng)物城中的角色：兔、狐和猞猁分別屬于初級(jí)消費(fèi)者、次級(jí)消費(fèi)者和三級(jí)消費(fèi)者。 圖片來(lái)源：wikimedia commons

然而，熱力學(xué)第二定律告訴我們，能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中必然會(huì)有損耗?！爸斓稀背圆?、奔跑、呼吸、甚至只是維持體溫，都需要大量的能量，這些能量最終以熱能的形式散失在環(huán)境中，無(wú)法傳遞給想吃掉她的“尼克”。   

事實(shí)上，在每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)中，僅有約 10% 的能量能夠被“存”下來(lái)并傳遞給下一級(jí)。這個(gè)比例是一個(gè)典型的經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際范圍大約在5%到20%之間。這就好比大自然征收了極高的“能量稅”。層級(jí)越高，剩余的能量越少，能夠供養(yǎng)的“人口”自然也就急劇減少。

 其實(shí)，像故事中那樣，將動(dòng)物的數(shù)量比設(shè)為9：1并非完全嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)樯锏捏w形大小懸殊，每一個(gè)個(gè)體所需的能量也差距很大。因此，能量之比并不能完全等同于數(shù)量之比，但“捕食者遠(yuǎn)少于獵物”的總體趨勢(shì)是恒定的。

為什么不能大家一起吃素？

既然做食肉動(dòng)物這么“費(fèi)”能量，捕獵風(fēng)險(xiǎn)又高，為什么還會(huì)有動(dòng)物選擇吃肉？像羊副市長(zhǎng)的理想世界那樣，大家一起快樂(lè)地吃草不好嗎？

其實(shí)，大自然的演化已經(jīng)給了我們答案：因?yàn)閯?dòng)物也怕“內(nèi)卷”！

回到進(jìn)化的原點(diǎn)，起初大家可能都想吃像植物這樣簡(jiǎn)單的東西，但植物雖多，營(yíng)養(yǎng)密度卻低，而且競(jìng)爭(zhēng)者眾多。

數(shù)量眾多的兔子們 圖片來(lái)源：電影《瘋狂動(dòng)物城》

其中開(kāi)始有一些“另辟蹊徑”的先驅(qū)，演變出了消化肉類(lèi)的能力。雖然肉類(lèi)食物更難獲得，但一旦抓到，就是高蛋白、高脂肪的“能量炸彈”。更重要的是，這讓它們跳出了對(duì)植物資源的“紅海競(jìng)爭(zhēng)”，占據(jù)了全新的生態(tài)位，獲得了新的生存優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)此以往，動(dòng)物就逐漸進(jìn)化出了兩條截然不同的生存策略：食草動(dòng)物靠量取勝，雖然營(yíng)養(yǎng)低，但它們不停地吃，還進(jìn)化出復(fù)雜的消化系統(tǒng)來(lái)榨取養(yǎng)分。而食肉動(dòng)物靠質(zhì)取勝，雖然可能幾天才吃一頓，但一頓管飽，進(jìn)化出短而精的消化道。

植食性動(dòng)物的復(fù)雜消化道與肉食性動(dòng)物的精簡(jiǎn)消化道 圖片來(lái)源：love-around

永不停歇的“軍備競(jìng)賽”

 不止是消化系統(tǒng)，為了在各自的賽道上活下去，食草與食肉動(dòng)物還被迫點(diǎn)亮了不同的“技能樹(shù)”。而這，竟然少不了對(duì)方的“幫助”？

讓我們對(duì)比朱迪和尼克的身體：

圖片來(lái)源：電影《瘋狂動(dòng)物城》

朱迪有長(zhǎng)在靠頭部?jī)蓚?cè)的眼睛和長(zhǎng)長(zhǎng)的耳朵，可以敏銳地偵測(cè)危險(xiǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)周?chē)牟妒痴?。朱迪的寬寬腳掌和有力的后腿賦予她強(qiáng)大的奔跑和跳躍能力，這也是自然界中的兔子逃離捕食者的主要工具。

圖片來(lái)源：North American Nature

尼克的眼睛則靠近臉的前方，耳朵像雷達(dá)一樣可以旋轉(zhuǎn)，這樣的結(jié)構(gòu)有利于狐貍們鎖定獵物，精準(zhǔn)出擊。他還長(zhǎng)著鋒利的牙齒，有利于撕咬獵物的肌肉。

在電影中，人們對(duì)狐貍有著“狡猾”的刻板印象，但這從另一方面也體現(xiàn)出，自然界中的狐貍會(huì)運(yùn)用各種方法偽裝自己、迷惑敵人，是一類(lèi)“以智取勝”的生存大師。

圖片來(lái)源：allthingsfoxes

他們的這些特點(diǎn)并不是憑空出現(xiàn)的，而是來(lái)自于漫長(zhǎng)的生物演化過(guò)程中，捕食者與被捕食者之間的一種“協(xié)同演化”：

如果沒(méi)有食肉動(dòng)物的追捕，食草動(dòng)物可能不會(huì)跑得這么快，感官也不會(huì)這么敏銳；如果沒(méi)有食草動(dòng)物的逃跑和偽裝，食肉動(dòng)物也不會(huì)進(jìn)化出復(fù)雜的狩獵策略和強(qiáng)大的爆發(fā)力。

在自然界中，“朱迪”和“尼克”可能無(wú)法成為一對(duì)默契的斷案拍檔，但它們也不僅僅只是死對(duì)頭。在捕食與被捕食的關(guān)系中，它們也成為了彼此的“健身教練”和演化的“磨刀石”。

缺一不可的平衡

回到電影，羊副市長(zhǎng)試圖建立一個(gè)沒(méi)有捕食者威脅的世界，這聽(tīng)起來(lái)很美好，但在科學(xué)上卻是災(zāi)難性的。

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)而言，食肉動(dòng)物的捕食行為，其生態(tài)學(xué)意義遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的殺戮，而是為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

食肉動(dòng)物的存在不僅控制了獵物的數(shù)量，防止了資源的過(guò)度消耗（如植物被吃光），還能清除老弱病殘，維持獵物種群往健康的方向發(fā)展。失去了這些捕獵者，往往會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)崩潰、害獸泛濫、環(huán)境惡化等連鎖反應(yīng)。

捕食者（藍(lán)色實(shí)線）與被捕食者（綠色虛線）的數(shù)量有著互相制約、維持平衡的關(guān)系 圖片來(lái)源：the nature education

在《瘋狂動(dòng)物城》這部幻想作品中，動(dòng)物們通過(guò)文明戰(zhàn)勝了野性，才建立起這個(gè)沒(méi)有殺戮，“眾生平等”的烏托邦式社會(huì)。而在真實(shí)的自然界里，正是這種我們通常稱之為“野性”的動(dòng)態(tài)平衡與自然法則，守護(hù)著地球生生不息的活力。

圖片來(lái)源：電影《瘋狂動(dòng)物城》

捕食者與被捕食者雖然不同，但生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展正需要這些多樣化的存在。這與電影所傳達(dá)的理念，也算是“殊途同歸”了。

作者：張一凡

審核：李穎超 北京林業(yè)大學(xué)博物館科普與社會(huì)教育中心主任

本文在科普新媒體平臺(tái)“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布