加入书架 | 推荐本书 | 返回书页
今书网 -> 其他类型 -> 猫头鹰的万花筒 第106夜 波与循环系统
- 哺乳动物、植物的代谢率和循环系统。
正如前文所述，氧气对维持ATP分子的持续供给而言十分重要，这是我们必须持续呼吸的原因。
ATP是使得我们存活下去的代谢能量的“基本货币”。
吸入的氧气被输送到我们布满毛细血管的肺部的表面膜上，并被我们的血液吸收，继而通过心血管系统输送到我们的细胞中。
氧分子和血液细胞中充当氧气载体的富含铁元素的血红蛋白结合在一起。这个氧化过程使我们的血液呈红色，正如铁在空气中氧化成铁锈一样。
在血液将氧气输送到细胞中后，红色就变成了浅蓝色，这是静脉呈蓝色的原因。静脉是将血液输送回心脏和肺部的血管。
因此，氧气输送到细胞的速度及血液通过循环系统传输的速度也就成了我们代谢率的指标。
同样地，氧气吸入我们口中的速度及其进入呼吸系统的速度也是代谢率的指标。
这两个系统紧密相连，血流速度、呼吸速度和代谢率都彼此互成比例，存在简单的线性关系。
因此，无论哺乳动物的体形有多大，每呼吸一次，均心跳四次。
氧气运输系统的紧密相连就是心血管网络与呼吸网络的特点在决定和约束代谢率中起重要作用的原因。
利用能量将血液输送到循环系统的脉管系统内的速度被称作心脏输出功率。
所消耗的这一能量被用于克服血液流经不断变窄的血管时产生的黏滞力或摩擦力。
在整个旅程中，血液首先从主动脉出发，这是距离心脏最近的动脉，其次流经多重网络，最后到达为细胞供给养分的毛细血管。
人类的主动脉类似一个圆柱形的管道，长约18英寸（约45厘米），直径约为1英寸（约2.5厘米），而我们的毛细血管只有5微米（约0.01英寸）粗，比一根头发丝还要细。
尽管一头**的主动脉的直径几乎达到1英尺（30厘米），但它的毛细血管的粗细和你我的相同。这就是这些网络的终端单元恒定性的例子。
将液体输送到狭窄的管道中要比输送到更宽的管道中困难得多，因此，你的心脏支出的几乎所有能量都被用于推动血液通过网络末端最细的血管。
这有点儿像把果汁压过筛子，而且是由大约100亿个小洞组成的筛子。
另外，你使用相对较小的能量将血液运输通过动脉或者网络中其他更粗的血管，即使那里是你大部分血液的储存场所。
我们理论的一个基本假设是，网络结构已经进化到可以使心脏输出最小化，即输送血液至系统所需的能量最小化。
对像我们的心脏这样的由脉动驱动流动的任意网络而言，除了血液流经毛细血管和小血管时的黏滞力外，还有另一个潜在的能量损失来源。
这是来自其脉动性质的微妙影响，恰好表明了我们因优化性能而产生的心血管系统设计的美妙之处。
当血液离开心脏时，它会通过由心脏跳动引发的波动沿着主动脉流动。这一波动的频率与心率一致，大约为每分钟60次。
主动脉又分为两个动脉，当血液抵达第一个分支点时，一些血液流向其中一个通道，另一些血液则流向另一个通道，都是以波动的形式流动的。
波动的特点是，当遭遇障碍时会产生反射，镜子是最明显的例子。光线是一种电磁波，因此，你所看到的图像只是镜子表面对源自你身体的光波的反射。
其他常见的例子还包括水波在遇到障碍时的反射或者声波遭遇硬表面时反射的回声。
相类似的是，在主动脉中传输的血液波在遭遇到分支点时会部分反射，剩余的血液会继续传输至子动脉。
这些反射可能会带来很糟糕的后果，因为它们意味着你的心脏其实是在对自己泵血。
此外，随着血液沿着不同层级的血管流动，在网络的每一个分支点都会产生相同的现象，上述效应会大大增强，你的心脏需要支出大量能量来克服这些多重反射。
这是一个极端低效的设计，为心脏带来了巨大的负担，也浪费了很多能量。
为了避免这一潜在的问题，并尽量减少我们心脏必须承担的工作，我们的循环系统的几何结构不断进化，使得网络中的任何分支点都不存在反射现象。
有关这一点如何实现的数学原理和物理学原理有些复杂，但结果是简单明了的：
该理论预测认为，如果从分支点出发的子血管的横截面面积总和与抵达分支点的母血管的横截面面积总和相等，那么在任何分支点都不会出现反射。
举一个例子，两根一样的子血管，有着相同的横截面面积（在真实的循环系统中近似正确），假设母血管的横截面面积为2平方英寸，为了确保没有反射，那么每一个子血管的横截面面积就必须都是1平方英寸。
由于任何血管的横截面面积都与其半径的平方呈比例关系，另一种表述这个结果的方式便是，母血管半径的平方必须是每一根子血管半径平方的两倍。
因此，为了确保不会有能量因反射而损失，连续的血管的半径都必须以规律的自相似方式按比例变化，每一个分支的半径都是其分支半径的（2开平方）倍。
所谓的等面积分支其实就是我们的循环系统构建的方式，这已经由对许多哺乳动物、植物的详细测量数据证实。
植物虽然没有心跳，通过维管系统的流动是稳定的、非搏动性的，但它们的维管就像搏动性的循环系统一样按比例变化，这乍看上去有些令人吃惊。
然而，如果你把树木看作一捆紧紧捆绑在一起的纤维，从树干开始，继而延伸至它的枝杈，整个分级结构的横截面面积就必须保持一致。
等面积分支的有趣结果便是，树干的横截面面积与网络末端（叶柄）所有小枝杈的横截面面积总和相当。
令人吃惊的是，达·芬奇知道这一点。
我复制了他的笔记本中重要的一页，他在这一页中呈现了这个事实。
尽管这个简单的几何图形显示出了树木遵循等面积分支的原因，但它还是过于简单了。
然而，利用此前提及的空间填充和优化网络通用原则，再加上生物力学的限制要求枝杈有足够的韧性以抵御风的扰动，使其能够弯曲不受到损害，可以通过更加现实的树木模型推导出等面积分支法则。
这一分析表明，植物同哺乳动物一样按比例变化，无论在个体内部还是在不同的物种之间，包括代谢率的3/4幂律，即使它们的物理结构完全不同。
尼古拉·特斯拉、阻抗匹配、交流电/直流电。
我们自身循环系统的优化设计遵循与植物相同的等面积分支法则，这是一个美妙的想法。
同样令人感到满意的是，脉动网络分支点波动的非反射性条件本质上与全国电网一致，后者的设计旨在提高电力的远距离传输效率。
这一非反射性条件被称作阻抗匹配。它不仅应用于人体的运转，而且应用于许多在日常生活中扮演重要角色的技术之中。
例如，电话网络系统利用阻抗匹配使得远距离线路的回声最小化；大多数扬声器系统和音乐器材都包含阻抗匹配机制；中耳里面的骨头为鼓膜和内耳提供了阻抗匹配。
如果你曾亲眼见到或亲身经历超声波检查，你就会很熟悉，护士或技师在你的皮肤上滑动超声波探头之前，会在你的皮肤上涂抹一层黏稠的凝胶。
你或许会认为这是出于润滑的目的，但事实上是为了阻抗匹配。缺少了这层凝胶，超声波检测中的阻抗失配便会导致几乎所有的能量都从皮肤处反射回来，很少有能量进入身体内部，到达被检测的器官或胎儿身上再反射回来。
对“阻抗匹配”的一个非常有用的比喻就是社会中的交往活动。
例如，无论是在一个社会、一家公司，还是一次群体活动中，尤其是在婚姻关系和朋友关系中，社会网络的平稳、高效运转都需要良好的通信，信息要如实地在集体和个体之间传输。
当信息被驱散或“反射”时，例如有一方不在听，它就不可能得到如实或高效的处理，并不可避免地会造成误解，这个过程类似阻抗失配带来的能量损失。
随着19世纪的发展，当我们越来越依赖电力作为主要能量来源时，远距离传输电力的必要性就成为紧迫的问题。
不足为奇，爱迪生是考虑如何实现这一点的主要人物。他随后大力提倡直流传输。
你或许熟知，电能分为直流电和交流电。爱迪生钟爱的直流电是指电荷像河流一样沿着不变的方向流动；而交流电是指电荷像海浪或动脉中的血液一样以波动的形式流动。
直到19世纪80年代，所有商业电流还都是直流电，部分原因是交流电动机尚未发明，大多数电流传输的距离也相对较短。
然而，支持交流电传输有着很好的科学理由，尤其是远距离传输。此外人们还可以利用其波动的性质，通过在电网分支节点的阻抗匹配实现电量损失最小化，就像我们在循环系统中所做的那样。
1886年，天才发明家和未来学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）发明了交流感应电机和变压器，这是一个转折点，标志着“电流战争”的开端。
在美国，这演变成了托马斯·爱迪生公司（即后来的通用电气公司）和乔治·西屋公司之间的混战。
具有讽刺意味的是，特斯拉从他的家乡塞尔维亚来到美国为爱迪生工作，进一步完善直流电传输。
尽管他在这一领域取得了成功，但他转而研发更加高级的交流电系统，最终将他的专利卖给了乔治·西屋公司。
尽管交流电最终获得了胜利，在全球的电力传输市场占据主导地位，但直流电仍一直坚持到了20世纪。
我在英国长大，当时住的房子里面使用的就是直流电，我还记得我的邻居在20世纪转而使用交流电，我们也加入其中。
你肯定听说过尼古拉·特斯拉，主要原因是他的名字被广为人知的某汽车公司借鉴，这家公司生产时髦的高端电动汽车。此前他几乎已经被除了物理学家和电气工程师外的所有人遗忘了。
在他的一生中，他不仅因在电气工程技术领域的重大成就而闻名，而且因疯狂的想法和反常的演技而出名，他也因此登上了《时代周刊》（Time）的封面。