Con người hoạt động như thế nào ?

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

85
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học về Con người hoạt động như thế nào ? giúp các bạn mở rộng kiến thức vật lý học của bản thân

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Con người hoạt động như thế nào ?

Con ngư i ho t ng như th nào? Roland Ennos B t ch p hàng th k nghiên c u, cơ ch ho t ng c a cơ th con ngư i v n gi trong nó m t s b t ng . V n là nêu ra nh ng câu h i thích h p, và i tr l i chúng. nh: Edward Kinsman/Science Photo Library Hãy t quy n sách xu ng bàn và th b m t vòng trong phòng nào. Trư c tiên hãy bư c i bình thư ng, hai tay ong ưa t nhiên. Sau ó, hãy th i v i hai tay khoanh trư c ng c. Cu i cùng, hãy bư c i v i tay và chân m i bên ng b v i nhau, ong ưa t i trư c và ra sau ng th i – m t chuy n ng ‘ki u tíc t c’. Hãy m c k ánh m t tr lên vì kinh ng c c a nh ng ngư i xung quanh. Xét cho cùng, b n ang làm v t lí y. N u b n ã t ng th c hi n thí nghi m nh này, thì s có kh năng b n lưu ý r ng cách i b th hai và th ba trên khó th c hi n hơn. Nhưng t i sao v y? Câu tr l i – gi ng như nhi u câu h i quan tr ng trong ngành cơ sinh v t h c – ph c t p hơn b n có th nghĩ nhi u l m. Ph n l n nghiên c u sinh lí h c t p trung vào vi c nhà v t lí h tr nhà sinh h c như th -1-
nào trong vi c nghiên c u ho t ng c a các t bào. Theo nhi u cách nghĩ, i u này không có gì l . Các kĩ thu t sinh lí ph c t p thư ng ư c òi h i kh o sát s ho t ng c a nh ng th di n ra c p micro và nano, và các quá trình trao i ch t th m chí còn b nh hư ng b i các hi u ng lư ng t . Trái l i, ngư i ta có th cho r ng chúng ta ã bi t m i i u v s ho t ng các cơ quan và toàn b cơ th c a các sinh v t – c bi t là gi ng ngư i Homo sapiens. Các chuy n ng và l c c p vĩ mô, xét cho cùng, tương i d o và ch tuân theo các nh lu t v t lí c i n. Hơn n a, gi i ph u cơ th ngư i ã ư c tìm hi u chi ti t trong hàng trăm năm so v i hàng ch c năm chúng ta có ư c s ch d n toàn di n i v i h gen con ngư i. Tuy nhiên, th t b t ng , nghiên c u c a các nhà cơ sinh v t h c – nh ng ngư i k t h p s tinh thông chuyên môn c sinh h c và v t lí h c – ti p t c hé l và làm sáng t nh ng lĩnh v c cho n nay v n không ng v s ngu d t c a chúng ta v b n thân mình. i u quan tr ng tìm hi u cách th c cơ th c a chúng ta ho t ng là thay i quan i m c a chúng ta: hãy nhìn th gi i v i nh ng con m t m i và t ó nêu lên câu h i và i tr l i nh ng câu h i m i và v ng v y. Ch ng h n, t i sao chúng ta ong ưa cánh tay t i lui khi i b ? T i sao răng c a chúng ta l i có c u trúc ch V, và t i sao b ng m i giá chúng ta ph i nhai nghi n th c ăn? T i sao móng tay c a chúng ta không ăn vào trong th t m m? Và t i sao chúng ta l i có d u vân tay chính xác? ây ch là m t vài trong s nh ng câu h i mà trong th i gian g n ây các nhà cơ sinh v t h c ã nêu ra. Câu tr l i cho nh ng câu h i này có l xu t hi n hi n nhiên ho c th m chí t m thư ng, nhưng suy nghĩ và thí nghi m sâu xa hơn ang ti t l r ng th gi i c a chúng ta quy n rũ hơn nhi u so v i chúng ta có th mơ tư ng. T i sao chúng ta ong ưa cánh tay khi i ? Quá trình cơ b n c a s i b ã ư c tìm hi u lâu r i. m i bư c i, chúng ta nh y trên chân ang ng, cơ th chúng ta chuy n ng gi ng như m t con l c ngư c v i bàn chân ng yên là tr c quay. Năng lư ng c n thi t chuy n ng là t i thi u vì có s chuy n i qua l i liên t c c a ng năng và th năng h p d n: chúng ta ch m l i khi cơ th nâng lên gi a m i bư c i, sau ó tăng t c tr l i khi cơ th h xu ng vào cu i m i bư c i. M t lư ng nh năng lư ng ch c ch n b m t thành âm và nhi t khi chúng ta t m i bàn chân xu ng n n t, nhưng v cơ b n chúng ta chuy n ng ít nhi u mang tính liên t c, ch òi h i m t cú y nh t bàn chân gi cho chuy n ng ti p t c. V y thì hai cánh tay có vai trò gì trong b c tranh trên? Ch c ch n vi c ong ưa cánh tay ch là s d ng năng lư ng m t cách không c n thi t? Có l n Steven Collins và các ng nghi p t i khoa kĩ thu t y khoa và cơ h c t i trư ng i h c Michigan Mĩ ã nêu ra câu h i này (m i ây nh t là h i năm 2009), h ã có th , khá d dàng, i t i nh ng gi thuy t khác gi i thích nó. H lí gi i, có kh năng là vi c ong ưa cánh tay giúp làm gi m chuy n ng theo phương th ng ng c a kh i tâm c a ngư i, và vì th gi m t i thi u l c t lên bàn chân. Kh năng khác là vi c ong ưa cánh tay giúp ch ng l i các tác d ng quán tính c a hai chân mà n u không có th gây ra mô men quay xung quanh tr c th ng ng c a cơ th . Vi c ki m tra hai gi thuy t này yêu c u m i ngư i i b theo ba ki u khác nhau, gi ng như tôi ã ngh u bài vi t: v i hai tay ong ưa t nhiên; gi hai tay l i ho c không cho chúng ong ưa; và v i m i cánh tay ong ưa cùng pha v i chân tương ng, i ki u ‘tíc t c’. Nhóm c a Collins ã ch p nh 10 i tư ng i b , ng th i còn o s tiêu th oxygen c a h và l c t o ra b i bàn chân c a h khi h i b trên nh ng “t m l c” ư c thi t k c bi t lún vào n n t. Nh ng t m l c này s d ng cân i n t o l c t c th i trong c ba m t ph ng, cũng như mô men quay ho c mô men xo n xung quanh tr c th ng ng. -2-
Các phép o oxygen cho th y các i tư ng s d ng nhi u hơn kho ng 10% năng lư ng i b mà không ong ưa tay so v i khi h ong ưa tay bình thư ng, còn i ki u ‘tíc t c’ tiêu th năng lư ng nhi u hơn 26%. Bư c ti p theo là gi i thích t i sao. Ghi hình cho th y không có s thay i nào chuy n ng c a hai chân ho c cơ th , nhưng các s ghi t m l c cho th y trong khi l c liên quan không thay i, thì mô men quay xung quanh tr c quán tính c a cơ th cao g p hai l n v i trư ng h p hai tay không ong ưa và g p ba l n v i trư ng h p i ki u ‘tíc t c’ so v i khi i b ong ưa tay bình thư ng. Do ó, rõ ràng vi c ong ưa tay c a chúng ta làm gi m mô men quay chúng ta c n ph i tác d ng ch ng l i quán tính c a hai chân chúng ta, và vì th làm gi m năng lư ng c n thi t i b và l c xo n tác d ng lên kh p g i. T i sao chúng ta có phi n răng hình ch V ? Cơ ch c a s ăn là m t lĩnh v c n a nơi vi c nêu ra nh ng câu h i thích h p s làm thay i cái nhìn c a chúng ta. Ngư i ta ã nói nhi u v răng c a ‘c t’, răng nanh ‘xé’ và răng hàm ‘nghi n’. Nhưng nh ng thu t ng này là mơ h và không cho chúng ta bi t i u gì v m i quan h gi a hình d ng răng và lo i th c ăn chúng có th x lí. Khi mu n c i thi n ki n th c c a chúng ta v răng, cái có ích hơn là hãy xét các tính ch t cơ gi i và t gãy c a nh ng lo i th c ăn khác nhau, như Peter Lucas thu c khoa nhân lo i h c t i trư ng i h c George Washington ã trình bày trong quy n sách c a ông Hình thái h c ch c năng răng (Dental Function Morphology, Nhà xu t b n i h c Cambridge, 2004). Răng c a, ch ng h n, s x lí t t các th c ăn m m như th t và rau c , nhưng s b cùn n u c n xương ho c h t c ng. Nh ng lo i th c ăn c ng nhưng giòn này d v hơn khi s d ng răng hàm ã b cùn nh, cho phép nh ng th c ăn lo i này b b cong và gãy v . Các ch t li u sinh h c v a c ng v a dai, ví d như g cây, s không th c n v ; th t v y, a s ng v t hi m khi s d ng chúng làm th c ăn. Nh ng lí gi i này dư ng như d hi u, nhưng t i sao nhi u răng c t, trong ó có răng ti n hàm c a chúng ta, l i có nh ng phi n hình ch V? M t l n n a, nh ng gi thuy t khác có th ư c t ra. M t phi n hình ch V có th giúp gi l y th c ăn, không cho nó b ép d t ra khi nó b c t xét, ho c có l nó giúp cho răng tác d ng c t lát xiên. C hai tác d ng có th làm gi m năng lư ng c n thi t c n xé th c ăn. ki m tra nh ng kh năng này, vào năm 2009, nhà c sinh v t h c Philip Anderson khoa Khoa h c Trái t t i trư ng i h c Bristol Anh ã th c hi n các thí nghi m trên hai lo i th c ăn: th t cá h i và măng tây. Ông ã o năng lư ng c n thi t c n th t cá h i (r t d bi n d ng) và măng tây (khó bi n d ng hơn nhi u) s d ng các phi n s c nh n gi b nc u hình khác nhau. Trong c u hình th nh t, hai phi n s c ư c gi song song nhau. Trong c u hình th hai, phi n trên nghiêng m t góc 30o, t o ra s c t lát. Trong c u hình th ba, các phi n song song nhưng th c ăn không b ép d t vì nó ư c gi bên hông b i hai “b y” th ng ng do m t sau c a các phi n t o ra. Trong c u hình th th tư, phi n trên có hình ch V, t o ra tác d ng c t lát và gi l i. Anderson nh n th y s d ng các phi n hình ch V làm gi m áng k năng lư ng c n thi t c t c hai lo i th c ăn. th t cá h i, ây m t ph n là vì th c ăn b ngăn không cho bi n d ng: các b y bên hông hi u qu gi ng như các phi n xiên vi c gi m năng lư ng c n thi t. V i măng tây, trái l i, s d ng m t phi n nghiêng làm gi m năng lư ng gi ng h t như s d ng phi n ch V, do ó cho th y s gi m năng lư ng ch do tác d ng xiên c a s c t. Cho nên l n sau b n có ăn th t cá h i và măng tây, thì hãy nh nghiên c u xem răng ti n hàm hình ch V c a b n có x lí nh ng lo i th c ăn này t t hơn răng c a c a b n không nhé. -3-
Các nhà nghiên c u ã s d ng nh ng c u hình phi n khác nhau ki m tra xem hình d ng răng nh hư ng như th nào n năng lư ng c n thi t nhai. ( nh: P S L Anderson 2009 J. Exp. Biol. 212 3627) T i sao chúng ta ph i nhai th c ăn ? Nhưng t i sao b ng m i giá chúng ta ph i nghi n nh th c ăn ra? a s sách v nói là tăng di n tích b m t và vì th tăng t c tiêu hóa, và nhai th c ăn nh nu t mà không b m c l i th c qu n. Nh ng gi thuy t này ã b nghi ng h i gi a th p niên 1990 b i Jon Prinz và Lucas, khi ó h ang làm vi c t i khoa gi i ph u c a trư ng i h c Hong Kong. H trình bày r ng, khi ng v t có vú nu t, th c ăn i qua con ư ng th vào ư ng xu ng d dày, cho nên có m t nguy cơ ti m tàng là các h t th c ăn i nh m ư ng. Vì th , h xu t, vi c nhai cho phép chúng ta nén th c ăn thành viên nh - thu t ng kĩ thu t g i là bolus - phía trên c a mi ng v i lư i. Khi ó, nó có th ư c nu t xu ng m t cách an toàn. ki m tra ý tư ng này, h ã yêu c u các tình nguy n viên ăn cà r t thái nh và u h t, m s l n các i tư ng nhai th c ăn trư c khi nu t nó. Sau ó, h l p mô hình cư ng c k t c a viên th c ăn sau nh ng s l n nhai khác nhau, b ng cách tính toán l c dính c n thi t tách các h t ra nh hơn n a. H nh n th y v i c hai lo i th c ăn, s c b n c a viên th c ăn ban u tăng theo s l n nhai, vì nh ng h t nh hơn có di n tích b m t l n hơn, nghĩa là viên th c ăn ư c gi v i nhau b i l c k t dính tăng lên. Tuy nhiên, khi s nhai ti p t c, có nhi u nư c b t b ép vào trong viên th c ăn hơn, cu i cùng làm tăng kho ng cách gi a các h t, -4-
do ó làm gi m l c k t dính và làm y u viên th c ăn. nhai th c ăn m t cách t nhiên, không b vư ng víu b i các nhà nghiên c u tò mò, ngư i ta s nu t viên th c ăn vào lúc khi nó b n nh t - ng h thêm cho lí thuy t c a Prinz và Lucas. T i sao móng tay c a chúng ta không ăn vào trong th t m m ? Nhóm nghiên c u c a tôi t i trư ng i h c Manchester Anh ã ch ng t ư c r ng m t phương pháp nêu nh ng câu h i thích h p gi ng như v y còn có th làm cách m ng hóa s hi u bi t c a chúng ta v c u t o c a u ngón tay c a mình. T t c chúng tôi u c n móng tay c a mình ho c cho chúng b xư c nhưng móng tay b xư c h u như không bao gi ăn vào trong ph n th t m m. Thay vào ó, chúng m c u ra, t c t t a l i. Nhưng t i sao th ? Khi l n u tiên tôi có câu h i này trong u cách nay 10 năm, hình như nó là m t câu h i m i; m t l n n a, ây là m t hi n tư ng mà m i ngư i ã t ng tr i qua nhưng không ai nghiên c u thêm n a. nh hi n vi c a m t b m t móng tay b rách cho th y nh ng l p s i khác nhau mang l i cho móng tay s c b n c a chúng. Tôi t v n này cho m t nhóm sinh viên sinh v t h c năm th hai – h nhanh chóng i n câu tr l i. Hóa ra là ph n chính, gi a c a móng tay có toàn b các s i keratin c a nó -5-
s p x p song song v i “n a v ng trăng” ph n g c móng tay, cho nên v t xư c di chuy n v phía g c móng tay b ch ch ra rìa móng tay. Sau ó, chúng tôi ã ti n hành các ki m tra nghiên c u xem m t bao nhiêu năng lư ng c t móng tay theo nh ng hư ng khác nhau. Nh ng phép ki m tra này, s d ng kéo và kìm b m móng tay g n theo ki u máy ki m tra cơ thông d ng, cho th y m t nhi u năng lư ng g p ôi c t móng tay hư ng vào g c c a móng tay so v i trư ng h p c t ngang xung quanh rìa c a chúng. Tuy nhiên, n u móng tay ch c u t o g m nh ng s i nh hư ng song song v i “n a v ng trăng”, thì nó s ti p t c b xư c luôn luôn. ch ng l i i u này, móng tay còn có nh ng l p m ng phía trên và phía dư i trong ó các s i nh hư ng theo m i phương. Nh ng l p này cho móng tay s c b n u n cong, và vì chúng b c xung quanh rìa c a móng, nên chúng còn giúp ngăn không cho v t xư c hình thành v trí u tiên. Ch có m t như c i m c u trúc trong s c u t o ki u sandwich khéo léo này: vì rìa bên ngoài không có l p gi a, nên các v t xư c có th i theo m i hư ng. ây là nguyên do vì sao nh ng v t xư c móng tay có th ăn sâu vào trong r t s c, làm cho sư n bên c a móng tay ch y máy – thư ng r t au n. T i sao chúng ta có d u vân tay ? Gi thì ti p t c m t câu h i khác v ngón tay c a chúng ta. Chúng ta u bi t r ng u ngón tay c a m i ngư i là khác nhau và vì th chúng có ích trong vi c truy tìm t i ph m. T lâu ngư i ta cho r ng – ít nh t là v i các tác gi c a sách giáo khoa y h c – u ngón tay giúp chúng ta n m các v t b i s tăng h s ma sát c a các ngón tay. Th t không may, ma sát h c – khoa h c c a các b m t tương tác ang trong chuy n ng tương i v i nhau - ã ch ng t r ng vi c có m t b m t g gh không làm tăng ma sát c a các ch t li u m m như cao su và da. ó là vì ma sát nh ng ch t li u gi ng cao su không b gây ra – như trong các ch t li u c ng – b i s m c k t c a nh ng c u trúc s c nh n, g gh . Thay vào ó, nh ng ch t li u m m này d dàng bi n d ng, ch y ra không theo quy t c nào h t; ma sát gi a cao su và nh ng ch t li u khác vì th là do l c hút phân t t m ng n hay các l c Van der Waals. i u này có nghĩa là ma sát tăng theo di n tích ti p xúc, ch không theo l c pháp tuy n như các ch t li u c ng. ki m tra xem các ngón tay c a chúng ta có hành x gi ng như cao sau không, nhóm c a tôi ã o l c ma gi a c a các ngón tay trên m t t m th y tinh acrylic trong khi thay i l c pháp tuy n và di n tích ti p xúc m t cách c l p. làm như v y, ngón tay ư c gi nh ng góc khác nhau và o l c ma sát trên nh ng t m có b r ng khác nhau. Chúng tôi nh n th y l c ma sát tăng theo di n tích ti p xúc, ch ng t các ngón tay c a chúng ta hành x gi ng như cao su. Vì các ngón tay th t s làm gi m di n tích ti p xúc, cho nên chúng cũng ph i làm gi m ma sát. V y thì t i sao chúng ta l i có d u vân tay? Chúng tôi hi n ang ki m tra m t vài gi thuy t thay th khác. Có th là d u vân tay th t s làm tăng ma sát trên nh ng b m t g gh - không ph i trên nh ng b m t nh n như th y tinh. Li kì hơn, chúng có th tác d ng gi ng như ta lông trên l p xe, chúng lo i b nư c vì th làm tăng ma sát dư i nh ng i u ki n m ư t. D u vân tay có th còn làm cho da linh ho t hơn và vì th giúp ngăn cho nó không b ph ng r p. Nh ng ki m tra ban u cho th y ma sát gi a các ngón tay và b m t th t s gi m khi g gh b m t tăng lên. K t qu này mang l i s nghi ng i v i gi thuy t th nh t, m c dù có kh năng là các ngón tay nh n có l còn t hơn. Công trình nghiên c u khác c a Thibault -6-
Andre thu c b môn v t lí y khoa t i trư ng i h c Công giáo Louvain B v a ch ng t r ng s c m ch t là t i a nh ng m c m da trung bình. i u này cho th y vi c lo i b nư c th t s có vai trò ây. Tuy nhiên, th c t chúng ta có xu hư ng b ph ng da ch y u nh ng ch trên bàn tay thi u d u vân tay cho th y tác d ng ch ng ph ng da cũng quan tr ng. Ch có thêm th i gian và thí nghi m n a m i cho câu tr l i tr n v n. Nh ng câu h i v ng v khác Như nh ng thí d này cho th y, v n tr nên rõ ràng i v i chúng tôi, nh ng ngư i nghiên c u trên ranh gi i gi a v t lí và sinh h c, là chúng ta có nhi u th tìm hi u v b n thân mình hơn chúng ta có th nghĩ. Nhưng còn có nhi u cái h c hơn n a t nh ng sinh v t khác: chúng ta v n ang c g ng lư m l t thêm thông tin t cách th c loài t c kè bò trên tư ng hay loài r n trư n i trên t, ch ng h n. C hai loài ng v t này u ã ư c nghiên c u r ng rãi, ph n l n vì chúng ta có th s d ng ki n th c y, thí d , ch t o “băng dính t c kè” không c n ch t k t dính hay nh ng kh p n i nhân t o trư t t do hơn. K t khi có m t c a khóa Velcro b t chư c tác d ng c m n m c a các h t gi ng th c v t hình móc câu, lĩnh v c ph ng sinh v t h c ngày càng m r ng ã và ang i tìm ngu n c m h ng m i t th gi i t nhiên. Nhưng, t t nhiên, các ng d ng không ch là nguyên do duy nh t ti n hành nh ng nghiên c u như v y: ni m vui thu n khi t c a s khám phá cái m i cũng là m t món quà áng k . Và không gi ng như nhi u lĩnh v c v t lí, lo i nghiên c u này không nh t thi t ph i t ti n hay khó khăn v m t toán h c. Th t v y, ph n nhi u nghiên c u th này có th th c hi n b i b t kì nhà v t lí nào có trí sáng t o. M i th b n c n là u óc ưa tìm hi u, m t chút khéo léo và s can m dám nêu ra nh ng câu h i v ng v . Roland Ennos (Physics World, tháng 1/2010) hiepkhachquay d ch http://thuvienvatly.com http://www.scribd.com/hkqam3639/ -7-