- 1 - Con người hoạt động như thế nào? Roland Ennos Bất chấp hàng thế kỉ nghiên cứu, cơ chế hoạt động của cơ thể con người vẫn giữ trong nó một số bất ngờ. Vấn đề là nêu ra những câu hỏi thích hợp, và đi trả lời chúng. Ảnh: Edward Kinsman/Science Photo Library Hãy đặt quyển sách xuống bàn và thả bộ một vòng trong phòng nào. Trước tiên hãy bước đi bình thường, hai tay đong đưa tự nhiên. Sau đó, hãy thử đi với hai tay khoanh trước ngực. Cuối cùng, hãy bước đi với tay và chân mỗi bên đồng bộ với nhau, đong đưa tới trước và ra sau đồng thời – một chuyển động ‘kiểu tíc tắc’. Hãy mặc kệ ánh mắt trố lên vì kinh ngạc của những người xung quanh. Xét cho cùng, bạn đang làm vật lí đấy. Nếu bạn đã từng thực hiện thí nghiệm nhỏ này, thì sẽ có khả năng bạn lưu ý rằng cách đi bộ thứ hai và thứ ba ở trên khó thực hiện hơn. Nhưng tại sao vậy? Câu trả lời – giống như nhiều câu hỏi quan trọng trong ngành cơ sinh vật học – phức tạp hơn bạn có thể nghĩ nhiều lắm. Phần lớn nghiên cứu sinh lí học tập trung vào việc nhà vật lí hỗ trợ nhà sinh học như thế - 2 - nào trong việc nghiên cứu hoạt động của các tế bào. Theo nhiều cách nghĩ, điều này không có gì lạ. Các kĩ thuật sinh lí phức tạp thường được đòi hỏi để khảo sát sự hoạt động của những thứ diễn ra ở cấp độ micro và nano, và các quá trình trao đổi chất thậm chí còn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng lượng tử. Trái lại, người ta có thể cho rằng chúng ta đã biết mọi điều về sự hoạt động các cơ quan và toàn bộ cơ thể của các sinh vật – đặc biệt là giống người Homo sapiens. Các chuyển động và lực ở cấp độ vĩ mô, xét cho cùng, tương đối dễ đo và chỉ tuân theo các định luật vật lí cổ điển. Hơn nữa, giải phẫu cơ thể người đã được tìm hiểu chi tiết trong hàng trăm năm so với hàng chục năm chúng ta có được sự chỉ dẫn toàn diện đối với hệ gen con người. Tuy nhiên, thật bất ngờ, nghiên cứu của các nhà cơ sinh vật học – những người kết hợp sự tinh thông chuyên môn cả sinh học và vật lí học – tiếp tục hé lộ và làm sáng tỏ những lĩnh vực cho đến nay vẫn không ngờ về sự ngu dốt của chúng ta về bản thân mình. Điều quan trọng để tìm hiểu cách thức cơ thể của chúng ta hoạt động là thay đổi quan điểm của chúng ta: hãy nhìn thế giới với những con mắt mới và từ đó nêu lên câu hỏi và đi trả lời những câu hỏi mới và vụng về ấy. Chẳng hạn, tại sao chúng ta đong đưa cánh tay tới lui khi đi bộ? Tại sao răng của chúng ta lại có cấu trúc chữ V, và tại sao bằng mọi giá chúng ta phải nhai nghiền thức ăn? Tại sao móng tay của chúng ta không ăn vào trong thịt mềm? Và tại sao chúng ta lại có dấu vân tay chính xác? Đây chỉ là một vài trong số những câu hỏi mà trong thời gian gần đây các nhà cơ sinh vật học đã nêu ra. Câu trả lời cho những câu hỏi này có lẽ xuất hiện hiển nhiên hoặc thậm chí tầm thường, nhưng suy nghĩ và thí nghiệm sâu xa hơn đang tiết lộ rằng thế giới của chúng ta quyến rũ hơn nhiều so với chúng ta có thể mơ tưởng. Tại sao chúng ta đong đưa cánh tay khi đi ? Quá trình cơ bản của sự đi bộ đã được tìm hiểu lâu rồi. Ở mỗi bước đi, chúng ta nhảy trên chân đang đứng, cơ thể chúng ta chuyển động giống như một con lắc ngược với bàn chân đứng yên là trục quay. Năng lượng cần thiết để chuyển động là tối thiểu vì có sự chuyển đổi qua lại liên tục của động năng và thế năng hấp dẫn: chúng ta chậm lại khi cơ thể nâng lên ở giữa mỗi bước đi, sau đó tăng tốc trở lại khi cơ thể hạ xuống vào cuối mỗi bước đi. Một lượng nhỏ năng lượng chắc chắn bị mất thành âm và nhiệt khi chúng ta đặt mỗi bàn chân xuống nền đất, nhưng về cơ bản chúng ta chuyển động ít nhiều mang tính liên tục, chỉ đòi hỏi một cú đẩy nhỏ từ bàn chân để giữ cho chuyển động tiếp tục. Vậy thì hai cánh tay có vai trò gì trong bức tranh trên? Chắc chắn việc đong đưa cánh tay chỉ là sử dụng năng lượng một cách không cần thiết? Có lần Steven Collins và các đồng nghiệp tại khoa kĩ thuật y khoa và cơ học tại trường đại học Michigan ở Mĩ đã nêu ra câu hỏi này (mới đây nhất là hồi năm 2009), họ đã có thể, khá dễ dàng, đi tới những giả thuyết khác để giải thích nó. Họ lí giải, có khả năng là việc đong đưa cánh tay giúp làm giảm chuyển động theo phương thẳng đứng của khối tâm của người, và vì thế giảm tối thiểu lực đặt lên bàn chân. Khả năng khác là việc đong đưa cánh tay giúp chống lại các tác dụng quán tính của hai chân mà nếu không có thể gây ra mô men quay xung quanh trục thẳng đứng của cơ thể. Việc kiểm tra hai giả thuyết này yêu cầu mọi người đi bộ theo ba kiểu khác nhau, giống như tôi đã đề nghị ở đầu bài viết: với hai tay đong đưa tự nhiên; giữ hai tay lại hoặc không cho chúng đong đưa; và với mỗi cánh tay đong đưa cùng pha với chân tương ứng, đi kiểu ‘tíc tắc’. Nhóm của Collins đã chụp ảnh 10 đối tượng đi bộ, đồng thời còn đo sự tiêu thụ oxygen của họ và lực tạo ra bởi bàn chân của họ khi họ đi bộ trên những “tấm lực” được thiết kế đặc biệt lún vào nền đất. Những tấm lực này sử dụng cân điện tử để đo lực tức thời trong cả ba mặt phẳng, cũng như mô men quay hoặc mô men xoắn xung quanh trục thẳng đứng. - 3 - Các phép đo oxygen cho thấy các đối tượng sử dụng nhiều hơn khoảng 10% năng lượng để đi bộ mà không đong đưa tay so với khi họ đong đưa tay bình thường, còn đi kiểu ‘tíc tắc’ tiêu thụ năng lượng nhiều hơn 26%. Bước tiếp theo là giải thích tại sao. Ghi hình cho thấy không có sự thay đổi nào ở chuyển động của hai chân hoặc cơ thể, nhưng các số ghi tấm lực cho thấy trong khi lực liên quan không thay đổi, thì mô men quay xung quanh trục quán tính của cơ thể cao gấp hai lần với trường hợp hai tay không đong đưa và gấp ba lần với trường hợp đi kiểu ‘tíc tắc’ so với khi đi bộ đong đưa tay bình thường. Do đó, rõ ràng việc đong đưa tay của chúng ta làm giảm mô men quay chúng ta cần phải tác dụng để chống lại quán tính của hai chân chúng ta, và vì thế làm giảm năng lượng cần thiết để đi bộ và lực xoắn tác dụng lên khớp gối. Tại sao chúng ta có phiến răng hình chữ V ? Cơ chế của sự ăn là một lĩnh vực nữa nơi việc nêu ra những câu hỏi thích hợp sẽ làm thay đổi cái nhìn của chúng ta. Người ta đã nói nhiều về răng cửa ‘cắt’, răng nanh ‘xé’ và răng hàm ‘nghiền’. Nhưng những thuật ngữ này là mơ hồ và không cho chúng ta biết điều gì về mối quan hệ giữa hình dạng răng và loại thức ăn chúng có thể xử lí. Khi muốn cải thiện kiến thức của chúng ta về răng, cái có ích hơn là hãy xét các tính chất cơ giới và đứt gãy của những loại thức ăn khác nhau, như Peter Lucas thuộc khoa nhân loại học tại trường đại học George Washington đã trình bày trong quyển sách của ông Hình thái học chức năng răng (Dental Function Morphology, Nhà xuất bản Đại học Cambridge, 2004). Răng cửa, chẳng hạn, sẽ xử lí tốt các thức ăn mềm như thịt và rau củ, nhưng sẽ bị cùn nếu cắn xương hoặc hạt cứng. Những loại thức ăn cứng nhưng giòn này dễ vỡ hơn khi sử dụng răng hàm đã bị cùn đỉnh, cho phép những thức ăn loại này bị bẻ cong và gãy vỡ. Các chất liệu sinh học vừa cứng vừa dai, ví dụ như gỗ cây, sẽ không thể cắn vỡ; thật vậy, đa số động vật hiếm khi sử dụng chúng làm thức ăn. Những lí giải này dường như dễ hiểu, nhưng tại sao nhiều răng cắt, trong đó có răng tiền hàm của chúng ta, lại có những phiến hình chữ V? Một lần nữa, những giả thuyết khác có thể được đặt ra. Một phiến hình chữ V có thể giúp giữ lấy thức ăn, không cho nó bị ép dẹt ra khi nó bị cắt xét, hoặc có lẽ nó giúp cho răng tác dụng cắt lát xiên. Cả hai tác dụng có thể làm giảm năng lượng cần thiết để cắn xé thức ăn. Để kiểm tra những khả năng này, vào năm 2009, nhà cổ sinh vật học Philip Anderson ở khoa Khoa học Trái đất tại trường đại học Bristol ở Anh đã thực hiện các thí nghiệm trên hai loại thức ăn: thịt cá hồi và măng tây. Ông đã đo năng lượng cần thiết để cắn thịt cá hồi (rất dễ biến dạng) và măng tây (khó biến dạng hơn nhiều) sử dụng các phiến sắc nhọn giữ ở bốn cấu hình khác nhau. Trong cấu hình thứ nhất, hai phiến sắc được giữ song song nhau. Trong cấu hình thứ hai, phiến ở trên nghiêng một góc 30 o , tạo ra sự cắt lát. Trong cấu hình thứ ba, các phiến song song nhưng thức ăn không bị ép dẹt vì nó được giữ ở bên hông bởi hai “bẫy” thẳng đứng do mặt sau của các phiến tạo ra. Trong cấu hình thử thứ tư, phiến ở trên có hình chữ V, tạo ra tác dụng cắt lát và giữ lại. Anderson nhận thấy sử dụng các phiến hình chữ V làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết để cắt cả hai loại thức ăn. Ở thịt cá hồi, đây một phần là vì thức ăn bị ngăn không cho biến dạng: các bẫy bên hông hiệu quả giống như các phiến xiên ở việc giảm năng lượng cần thiết. Với măng tây, trái lại, sử dụng một phiến nghiêng làm giảm năng lượng giống hệt như sử dụng phiến chữ V, do đó cho thấy sự giảm năng lượng chỉ do tác dụng xiên của sự cắt. Cho nên lần sau bạn có ăn thịt cá hồi và măng tây, thì hãy nhớ nghiên cứu xem răng tiền hàm hình chữ V của bạn có xử lí những loại thức ăn này tốt hơn răng cửa của bạn không nhé. - 4 - Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những cấu hình phiến khác nhau để kiểm tra xem hình dạng răng ảnh hưởng như thế nào đến năng lượng cần thiết để nhai. (Ảnh: P S L Anderson 2009 J. Exp. Biol. 212 3627) Tại sao chúng ta phải nhai thức ăn ? Nhưng tại sao bằng mọi giá chúng ta phải nghiền nhỏ thức ăn ra? Đa số sách vở nói là để tăng diện tích bề mặt và vì thế tăng tốc độ tiêu hóa, và nhai thức ăn đủ nhỏ để nuốt mà không bị mắc lại ở thực quản. Những giả thuyết này đã bị nghi ngờ hồi giữa thập niên 1990 bởi Jon Prinz và Lucas, khi đó họ đang làm việc tại khoa giải phẫu của trường đại học Hong Kong. Họ trình bày rằng, khi động vật có vú nuốt, thức ăn đi qua con đường thở vào đường xuống dạ dày, cho nên có một nguy cơ tiềm tàng là các hạt thức ăn đi nhầm đường. Vì thế, họ đề xuất, việc nhai cho phép chúng ta nén thức ăn thành viên nhỏ - thuật ngữ kĩ thuật gọi là bolus - ở phía trên của miệng với lưỡi. Khi đó, nó có thể được nuốt xuống một cách an toàn. Để kiểm tra ý tưởng này, họ đã yêu cầu các tình nguyện viên ăn cà rốt thái nhỏ và đậu hạt, đếm số lần các đối tượng nhai thức ăn trước khi nuốt nó. Sau đó, họ lập mô hình cường độ cố kết của viên thức ăn sau những số lần nhai khác nhau, bằng cách tính toán lực dính cần thiết để tách các hạt ra nhỏ hơn nữa. Họ nhận thấy với cả hai loại thức ăn, sức bền của viên thức ăn ban đầu tăng theo số lần nhai, vì những hạt nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn, nghĩa là viên thức ăn được giữ với nhau bởi lực kết dính tăng lên. Tuy nhiên, khi sự nhai tiếp tục, có nhiều nước bọt bị ép vào trong viên thức ăn hơn, cuối cùng làm tăng khoảng cách giữa các hạt, - 5 - do đó làm giảm lực kết dính và làm yếu viên thức ăn. Để nhai thức ăn một cách tự nhiên, không bị vướng víu bởi các nhà nghiên cứu tò mò, người ta sẽ nuốt viên thức ăn vào lúc khi nó bền nhất - ủng hộ thêm cho lí thuyết của Prinz và Lucas. Tại sao móng tay của chúng ta không ăn vào trong thịt mềm ? Nhóm nghiên cứu của tôi tại trường đại học Manchester ở Anh đã chứng tỏ được rằng một phương pháp nêu những câu hỏi thích hợp giống như vậy còn có thể làm cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về cấu tạo của đầu ngón tay của mình. Tất cả chúng tôi đều cắn móng tay của mình hoặc cho chúng bị xước nhưng móng tay bị xước hầu như không bao giờ ăn vào trong phần thịt mềm. Thay vào đó, chúng mọc đều ra, tự cắt tỉa lại. Nhưng tại sao thế? Khi lần đầu tiên tôi có câu hỏi này trong đầu cách nay 10 năm, hình như nó là một câu hỏi mới; một lần nữa, đây là một hiện tượng mà mọi người đã từng trải qua nhưng không ai nghiên cứu thêm nữa. Ảnh hiển vi của một bề mặt móng tay bị rách cho thấy những lớp sợi khác nhau mang lại cho móng tay sức bền của chúng. Tôi đặt vấn đề này cho một nhóm sinh viên sinh vật học năm thứ hai – họ nhanh chóng đi đến câu trả lời. Hóa ra là phần chính, ở giữa của móng tay có toàn bộ các sợi keratin của nó - 6 - sắp xếp song song với “nửa vầng trăng” ở phần gốc móng tay, cho nên vết xước di chuyển về phía gốc móng tay bị chệch ra rìa móng tay. Sau đó, chúng tôi đã tiến hành các kiểm tra để nghiên cứu xem mất bao nhiêu năng lượng để cắt móng tay theo những hướng khác nhau. Những phép kiểm tra này, sử dụng kéo và kìm bấm móng tay gắn theo kiểu máy kiểm tra cơ thông dụng, cho thấy mất nhiều năng lượng gấp đôi để cắt móng tay hướng vào gốc của móng tay so với trường hợp cắt ngang xung quanh rìa của chúng. Tuy nhiên, nếu móng tay chỉ cấu tạo gồm những sợi định hướng song song với “nửa vầng trăng”, thì nó sẽ tiếp tục bị xước luôn luôn. Để chống lại điều này, móng tay còn có những lớp mỏng ở phía trên và phía dưới trong đó các sợi định hướng theo mọi phương. Những lớp này cho móng tay sức bền uốn cong, và vì chúng bọc xung quanh rìa của móng, nên chúng còn giúp ngăn không cho vết xước hình thành ở vị trí đầu tiên. Chỉ có một nhược điểm cấu trúc trong sự cấu tạo kiểu sandwich khéo léo này: vì rìa bên ngoài không có lớp ở giữa, nên các vết xước có thể đi theo mọi hướng. Đây là nguyên do vì sao những vết xước móng tay có thể ăn sâu vào trong rất sắc, làm cho sườn bên của móng tay chảy máy – thường rất đau đớn. Tại sao chúng ta có dấu vân tay ? Giờ thì tiếp tục một câu hỏi khác về ngón tay của chúng ta. Chúng ta đều biết rằng đầu ngón tay của mỗi người là khác nhau và vì thế chúng có ích trong việc truy tìm tội phạm. Từ lâu người ta cho rằng – ít nhất là với các tác giả của sách giáo khoa y học – đầu ngón tay giúp chúng ta nắm các vật bởi sự tăng hệ số ma sát của các ngón tay. Thật không may, ma sát học – khoa học của các bề mặt tương tác đang trong chuyển động tương đối với nhau - đã chứng tỏ rằng việc có một bề mặt gồ ghề không làm tăng ma sát của các chất liệu mềm như cao su và da. Đó là vì ma sát ở những chất liệu giống cao su không bị gây ra – như trong các chất liệu cứng – bởi sự mắc kẹt của những cấu trúc sắc nhọn, gồ ghề. Thay vào đó, những chất liệu mềm này dễ dàng biến dạng, chảy ra không theo quy tắc nào hết; ma sát giữa cao su và những chất liệu khác vì thế là do lực hút phân tử tầm ngắn hay các lực Van der Waals. Điều này có nghĩa là ma sát tăng theo diện tích tiếp xúc, chứ không theo lực pháp tuyến như ở các chất liệu cứng. Để kiểm tra xem các ngón tay của chúng ta có hành xử giống như cao sau không, nhóm của tôi đã đo lực ma giữa của các ngón tay trên một tấm thủy tinh acrylic trong khi thay đổi lực pháp tuyến và diện tích tiếp xúc một cách độc lập. Để làm như vậy, ngón tay được giữ ở những góc khác nhau và đo lực ma sát trên những tấm có bề rộng khác nhau. Chúng tôi nhận thấy lực ma sát tăng theo diện tích tiếp xúc, chứng tỏ các ngón tay của chúng ta hành xử giống như cao su. Vì các ngón tay thật sự làm giảm diện tích tiếp xúc, cho nên chúng cũng phải làm giảm ma sát. Vậy thì tại sao chúng ta lại có dấu vân tay? Chúng tôi hiện đang kiểm tra một vài giả thuyết thay thế khác. Có thể là dấu vân tay thật sự làm tăng ma sát trên những bề mặt gồ ghề - không phải trên những bề mặt nhẵn như thủy tinh. Li kì hơn, chúng có thể tác dụng giống như ta lông trên lốp xe, chúng loại bỏ nước vì thế làm tăng ma sát dưới những điều kiện ẩm ướt. Dấu vân tay có thể còn làm cho da linh hoạt hơn và vì thế giúp ngăn cho nó không bị phồng rộp. Những kiểm tra ban đầu cho thấy ma sát giữa các ngón tay và bề mặt thật sự giảm khi độ gồ ghề bề mặt tăng lên. Kết quả này mang lại sự nghi ngờ đối với giả thuyết thứ nhất, mặc dù có khả năng là các ngón tay nhẵn có lẽ còn tệ hơn. Công trình nghiên cứu khác của Thibault - 7 - Andre thuộc bộ môn vật lí y khoa tại trường đại học Công giáo Louvain ở Bỉ vừa chứng tỏ rằng sự cầm chặt là tối đa ở những mức độ ẩm da trung bình. Điều này cho thấy việc loại bỏ nước thật sự có vai trò ở đây. Tuy nhiên, thực tế chúng ta có xu hướng bị phồng da chủ yếu ở những chỗ trên bàn tay thiếu dấu vân tay cho thấy tác dụng chống phồng da cũng quan trọng. Chỉ có thêm thời gian và thí nghiệm nữa mới cho câu trả lời trọn vẹn. Những câu hỏi vụng về khác Như những thí dụ này cho thấy, vấn đề trở nên rõ ràng đối với chúng tôi, những người nghiên cứu trên ranh giới giữa vật lí và sinh học, là chúng ta có nhiều thứ để tìm hiểu về bản thân mình hơn chúng ta có thể nghĩ. Nhưng còn có nhiều cái để học hơn nữa từ những sinh vật khác: chúng ta vẫn đang cố gắng lượm lặt thêm thông tin từ cách thức loài tắc kè bò trên tường hay loài rắn trườn đi trên đất, chẳng hạn. Cả hai loài động vật này đều đã được nghiên cứu rộng rãi, phần lớn vì chúng ta có thể sử dụng kiến thức ấy, thí dụ, để chế tạo “băng dính tắc kè” không cần chất kết dính hay những khớp nối nhân tạo trượt tự do hơn. Kể từ khi có mặt của khóa Velcro bắt chước tác dụng cầm nắm của các hạt giống thực vật hình móc câu, lĩnh vực phỏng sinh vật học ngày càng mở rộng đã và đang đi tìm nguồn cảm hứng mới từ thế giới tự nhiên. Nhưng, tất nhiên, các ứng dụng không chỉ là nguyên do duy nhất để tiến hành những nghiên cứu như vậy: niềm vui thuần khiết của sự khám phá cái mới cũng là một món quà đáng kể. Và không giống như nhiều lĩnh vực vật lí, loại nghiên cứu này không nhất thiết phải đắt tiền hay khó khăn về mặt toán học. Thật vậy, phần nhiều nghiên cứu thế này có thể thực hiện bởi bất kì nhà vật lí nào có trí sáng tạo. Mọi thứ bạn cần là đầu óc ưa tìm hiểu, một chút khéo léo và sự can đảm dám nêu ra những câu hỏi vụng về. Roland Ennos (Physics World, tháng 1/2010) hiepkhachquay dịch http://thuvienvatly.com http://www.scribd.com/hkqam3639/ . - 1 - Con người hoạt động như thế nào? Roland Ennos Bất chấp hàng thế kỉ nghiên cứu, cơ chế hoạt động của cơ thể con người vẫn giữ trong nó một số bất ngờ học như thế - 2 - nào trong việc nghiên cứu hoạt động của các tế bào. Theo nhiều cách nghĩ, điều này không có gì lạ. Các kĩ thuật sinh lí phức tạp thường được đòi hỏi để khảo sát sự hoạt động. ta chuyển động giống như một con lắc ngược với bàn chân đứng yên là trục quay. Năng lượng cần thiết để chuyển động là tối thiểu vì có sự chuyển đổi qua lại liên tục của động năng và thế năng