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原文 Sonia,缪瑾   校对:桔子  小红花等级:3.5

对于人体构造这一问题的研究已历时数个世纪,然而到目前为止仍有为数不少尚未解开之谜。Roland Ennos说,想要揭开这些未解之谜的神秘面纱,关键在于是否问对了问题,并能觉察到那些常规答案背后的东西。

看完这一段后,请放下你手中的杂志,四处走动一下。首先,像平常那样行走,手臂自然地挥动就行。接着,试着在行走的时候把手臂固定不动。最后,同手同脚地行走,手和脚同时往前或是朝后,犹如钟摆摇动那样。不用理会过路人会向你投来怎样异样的眼光,毕竟,你是为了探索运动力学才这么做的。

如果你进行了上面这个小小的实验的话,你可能会发现,按照第二种和第三种方式去行走会非常困难。为什么呢?正如生物力学中的许多重要问题的答案那样,这一问题的答案也远比你想象中的复杂得多。大多数生物物理学的研究往往着眼于如何借助物理学家的参与,来推动生物学家们对细胞运动的理解(详见2009年7月《物理世界》特刊)。从许多方面来看,这也并不足为奇。探究微观及纳米层面上微粒的运动形式时,精湛的生物物理学技术常常是必不可少的,一些代谢过程甚至可能受到量子效应的影响。

较这些微观层面上的东西而言,人们可能自认为已经对各个器官以及整个生物有机体,尤其是人体,是如何行动的这一问题有了全然的了解。毕竟在宏观层面上的运动和力,相对而言还是比较容易直接进行测量的,它们符合的是经典物理学的规律。而且,人体解剖已有成百上千年的历史,并一直沿用至今,而广受关注的人类基因组测序项目不过只有十年的历史。然而使人感到惊奇的是,生物力学研究——这个汇聚了生物学和物理学专家们的领域——不断揭示出有关我们自身的许多秘密,填补了迄今为止我们甚至不曾料想到的一些问题的空白。

想要了解我们的身体究竟是怎样行动的,关键在于转变我们的思路:要用新的眼光来看待这个世界,敢于提出并解答新出现的奇怪问题。例如,我们在行走的时候,手臂为什么是一前一后挥舞着的呢?我们的牙齿上表面又为什么是锯齿状的?我们为什么要咀嚼食物呢?指甲断裂时,为何不是纵向的?我们又为什么会有指纹?这些只是生物力学研究人员近年来提出的一系列问题中的一部分。这些问题的答案看似显而易见,甚至无足轻重,但进一步深入的思考并加以实验验证后显示,我们的世界要远比我们之前以为的精彩得多。

 

我们为何要挥舞手臂?

行走的基本过程已被公众所了解。每走一步,我们都会以那条相对固定的直立腿为支点,另一条腿向前跨出一步,整个行走过程犹如钟摆摇晃那样,身体亦跟着上下移动。行走所需的能量被减到最低,因为在行走的过程中,不断进行着动能和重力势能的转化:开始迈开一步的时候,身体先往上提升,此时脚步减速,完成了前半步,而后,身体又下沉,此时脚步加速,一步才算完整地完成了。在脚步与地面发生碰擦的时候,有一小部分能量不可避免地会以热量以及声音的形式流失,但基本上说来,我们还是可以确保行走过程的连续进行,只需要脚稍稍推离地面,行走就可以自如地进行。

关手臂什么事呢?如此看来,挥动手臂不是白白地消耗能量吗?美国密歇根大学医用工程力学系的Steven Collins和他的同事曾提出了这个问题(就在离今不久的2009年)。他们轻而易举地提出了两种假设。一种假设是这样的,手臂的挥舞有助于减少行走过程中人体重心垂直方向的移动,进而减小脚尖处的动力作用。另一种假设是,手臂的挥动可以帮助抑制腿部的惯性作用,以防身体在垂直轴方向上产生力矩。

要想检验上述两种假设的准确性,就要用到我在本文开头部分提出的那三种行走方式:手臂自然地挥动;手臂保持固定不动,阻止其前后摆动;同手同脚地行走。Collins团队的研究人员对十个对象的行走过程进行了拍摄,并同时测算了每一种行走方式的耗氧量,还有为此特别设计的,安装在地板下方的三维测力板系统(force plates)则可用来测量在脚尖处产生的动力作用。这套系统通过使用电子变形测量器来测量各个维度下产生的瞬间作用力,并能捕捉到身体在垂直轴方向上发生偏转的时刻。

三维测力板

对耗氧量的测试结果显示,行走时不挥动手臂要比正常行走自然地挥动手臂多消耗10%的能量,而同手同脚地行走则要多消耗26%的能量。下一步轮到解释其中的原因了。对行走过程的拍摄没有显示出三种行走方式下身体和腿部运动的任何差异,但测力板记录的数据则显示,当三种行走方式中受力一致时,不挥动手臂行走时在身体惯性轴方向上产生的力矩是正常行走时的两倍大,而同手同脚行走则将产生三倍大的力矩。因此很明显,走路时挥动手臂可以降低产生的力矩,并可抵消腿部的惯性作用力,从而减少行走过程中消耗的能量和膝盖处受到的扭转力。

 

我们的牙齿上表面为何崎岖不平?

关于吃东西过程中的力学原理,则是另一个需要我们转变思维的领域,问对问题显然有助于我们做到这一点。人们经常会说起锋利的门牙、伤人的虎牙以及那麻烦的臼齿。但这些说法都很模糊,我们也无从获知牙齿的形状和它们所能分解的食物种类之间究竟有何关系。要想对牙齿有更深入的了解,就要象乔治华盛顿大学人类学系的Peter Lucas在他的著作《牙齿功能形态学》(Dental Function Morphology)(2004,剑桥大学出版社)中陈述的那样,我们绝对有必要对不同食物的力学构造和断裂机制有一定的了解。例如,门牙比较适合分解肉类和蔬菜类那样柔软而韧性十足的食物,但骨头或者坚果类的东西则会使门牙变钝,而这类硬而易碎的食物比较容易由臼齿来分解,它们先受到臼齿的挤压而变弯,而后突然断裂。还有一些坚硬并且韧性良好的生物材料,比方说木材,就不太可能由牙齿进行分解,事实上,大多数动物也很少把它们当作食物。

这些解释听上去似乎很有道理,可为什么大多数切割牙齿,包括我们自己的前臼齿在内,上表面是锯齿形的呢?这里又可以提出两种假设。凹凸的表面或许有利于衔住食物,或者防止食物在遭到牙齿切割后被压平,也有可能是这种结构便于牙齿将食物进行斜向切片。这两种假设所产生的效果都是为了减少切割食物所需的能量。

为了检验上述两种假设,英国布里斯托大学地球科学系的古生物学家Philip Anderson以鲑鱼和芦笋这两种食物为对象进行了试验。他拿来两把锋利的刀具,以四种不同的方式对容易变形的鲑鱼和相对而言不易变形的芦笋进行切割,并测量了切割这两种食物所需的能量(如图)。在第一种方式中,两把刀的刀刃相互平行;在第二种方式中,位于上方的那把刀倾斜成与地面成30度角,以便于对食物进行斜向切割。在第三种方式中,两把刀仍然互相平行,但此时食物不会被切扁,因为这时,食物两边被两把刀之间两片直立刀背固定住了。第四种方式则是把上面的那把刀截断码成倒V形,这样就既能斜向切割,也能垂直切割。

四种切割食物的方式

图 牙齿的四种切割食物的方式

第一种 第二种

 第三种 第四种

通过上述试验,Anderson发现,用倒V形切口的刀切割两种食物中的任一种,都会大大地降低切割所需的能量。对于鲑鱼而言,部分原因是这种切割方式避免鲑鱼的变形:第三种固定住食物的切割法同斜向放刀一样节省切割能量。而对于芦笋而言,斜向切割降低的能量与用倒V形切口的刀进行切割效果是一样的,这也进一步说明了只要在切割过程中有一个倾斜面,就足以降低所需的能量。下次当你面对美味的鲑鱼和芦笋时,可以事先琢磨一下究竟是臼齿还是门牙比较善于处理这些食物。

我们为何要咀嚼食物?

那么我们吞咽之前又为什么要把食物碾细剁碎呢?大多数教科书是这样解释的,这么做是为了增加食物的表面积,从而加速消化过程的进行。同时,剁碎的食物也便于人体的吞咽而不至于造成食物在食管口的堵塞。但这种说法却在20世纪90年代中期遭到了质疑,当时供职于香港大学解剖系的Jon Prinz和Lucas就对前面的这种说法提出了挑战。他们指出,哺乳动物在吞咽时,食物一路径直到了胃里,如果食物的碎颗粒没能沿正确的路径进入人体的话,那么很有可能会有窒息的危险。因此,他们认为,咀嚼的过程就是在舌头的帮助下,在嘴巴上方将食物碾压成一小块一小块的,即我们平时所吃的丸子类的形状物,此时食物就可以被安全地吞咽下去了。

为了验证这种新的观点,Jon Prinz和Lucas召集了一些志愿者,并让他们吃下切成丁的胡萝卜以及果仁,并记录下这些志愿者在吞咽下两种食物之前咀嚼的次数。随即,他们又通过测算为分解更小的食物颗粒所需的粘稠力,来模拟经过不同的咀嚼次数之后食物碎末之间的黏着力。他们发现,对于胡萝卜和果仁这两种食物而言,起初随着咀嚼次数的增加,食物丸内部的黏着力变大,这是由于越小的食物颗粒往往具有更大的表面积,这意味着正是由于逐渐增大的黏着力的作用,才使得食物丸的小颗粒之间的相互作用更为紧密。然而随着咀嚼次数的继续增加,更多的唾液进入了这些食物丸中,最终加大了这些小颗粒之间的距离,进而削弱了彼此之间的黏着作用,直至最终破坏食物丸内部的黏着力。如果这些志愿者是在不受那些爱刨根问底的研究人员的干扰下,象平常一样咀嚼食物的话,很多人很可能就在食物丸黏着作用最强的时候,就一口气吞下去了,也许这将给Prinz和Lucas的理论以更有力的支持。

我们的指甲断裂时为何不是纵向的?

问对问题确实是一种重要的研究方法,这一点也在我位于英国曼彻斯特大学的研究中得到了印证,类似地,用这种研究方法同样可以使我们对于指甲构型的理解发生革命性的转变。我们所有的人要么曾经咬过指甲,要么有过指甲发生断裂的经历,然而指甲却几乎从不会纵向朝着肉里的方向断裂,相反,指甲横向折断,然后自己就掉下来了。这是为什么呢?十年前当我第一次提出这一问题的时候,这似乎完全是一个全新的事物,然而今天在这里,当我再一次说起这个问题时,它已是一个人人都曾经历过的普遍现象,只不过还没有人对此进行过深入的研究。

我把这个问题抛给了一群生物系二年级的本科生,他们很快给出了答案。事实上,指甲中央大部位的角蛋白纤维,是与指甲基部那块半月形平行排列的,因此原本指向指甲基部的断裂则会沿着偏向指甲边缘方向发生偏斜。为了弄清楚沿着不同的方向剪指甲各需要消耗多少能量,我们随后又进行了一系列试验。在这些实验中,所用到的剪刀和指甲刀被连接在一台多用机械测量仪上,实验结果显示,正对着指甲基部半月形向下剪所花费的能量,是剪侧面所需能量的两倍多。

然而,如果指甲仅由与半月板弧线平行的纤维组成的话,那么指甲就会经常发生断裂。为了防止这种情况发生,指甲上下还有一些薄层,这些薄层上的纤维是沿着各个不同的方向排列着的。这些沿指甲边缘处包裹着的薄层纤维,赋予了指甲一定的曲张力,这在一定程度上起到了第一时间保护指甲免受断裂的作用。指甲的这一三明治式的精巧构造只有一处结构上的缺陷:由于最外层的边缘没有纤维层,因此在最外层处发生的断裂可以沿着各个方向进行。这就是为什么最外侧的指甲容易纵向劈开,导致指甲边缘处流血,并常伴有疼痛。

我们为何会有指纹?

现在来谈一谈手指的另一面。众所周知,每个人的指纹各不相同,这一特性在犯罪侦察时显得非常管用。还有一点目前也已取得了长久的共识,至少在编写医学教科书的作者中已获得了普遍的认同,那就是指纹有助于我们抓紧物体,它增大了手指与物体间的摩擦系数。

然而,研究相对运动中相互作用表面的科学——摩擦学却告诉我们,粗糙的接触面并不会增加如橡胶、皮肤这种柔软材质的物体的摩擦力。这是因为,橡胶类材料的物体与接触面之间产生的摩擦力的大小,并非象硬质材料的物体那样,取决于接触面的粗糙程度。相反,这些柔软的材质易于变形,成为某种不规则的形状,因此,橡胶与其他材料的物体之间发生的摩擦作用,是由于两者分子之间近距离的相互吸引或是范德华作用力而产生的。这意味着对于这些柔软材质的物体而言,摩擦力的大小是与接触面的大小成正比的,而不是与接触面上受到的法向力成正比,这一点与硬质材料的物体不同。(译者注:在经典物理学中,摩擦力的大小等于接触面的摩擦系数与物体对接触面施加的作用力的乘积。)

为了验证手指与其他物体接触时是否如橡胶那样,我们的研究人员运用了控制变量的方法,通过分别改变物体在接触面上的受力,以及接触面面积的大小,来测定指尖与丙烯酸质的玻璃纸之间摩擦力的大小。在此过程中,手指握住玻璃纸时,与玻璃纸平面所成角度各不相同,由此产生的摩擦力大小也不尽相同。我们发现,摩擦力的大小随着接触面面积的增大而增大,这表明手指的确如橡胶那样,摩擦力的大小取决于接触面面积的大小。而指纹的存在实际上是减小了接触面的面积,显然也将减小摩擦力咯。

那我们为什么还要有指纹呢?目前我们正对好几种假设进行了验证。结果可能是这样的,即指纹确实可以增加手指与粗糙表面的摩擦作用,但不能增加其与如玻璃那样光滑表面的摩擦力。更有趣的是,指纹会象轮胎的胎面那样,自行赶走上面的水滴以增大在潮湿环境下与地面的摩擦力。此外,指纹还增加了皮肤组织的柔韧性,因而有助于预防皮肤上起水泡。

起初的一些实验已表明,手指与接触面之间的摩擦力实际上是随着接触面粗糙程度的增加而减小的。这不由使人对第一种假设产生了怀疑,当然,手指越光滑,产生的摩擦作用可能会更小。比利时鲁汶天主教大学从事人体医学研究工作的Thibault Andre也对这一问题进行了研究,其研究结果显示,适当的皮肤润泽度是最有利于手指紧握住物体的,这说明去除手指上的水分确实可以增大摩擦力。然而,手上没有指纹的地方往往更容易起水泡,这又说明指纹的抗水泡功效也很重要。也许只有经过一定的时间以及从事更多的试验研究,才能帮助我们了解更多的真相。

更多奇怪的问题

以上这些实例很清楚地告戒了那些从事物理学和生物学跨学科研究的科学家们,对于我们人类自身,尚有很多值得进行深入挖掘的东西。我们也有必要从其他生物体中汲取一些知识:壁虎是怎样爬上墙的?蛇是如何在地面上滑动的?我们还在收集这些问题的更多相关信息。人们正在对这些动物进行广泛的研究,有很大一部分原因在于我们可以利用这些研究成果,进行更多仿生学应用。例如,我们可以制作无需粘胶的“壁虎胶带”,还有可自由滑行的人工关节。自从人们模仿钩住动物的种子发明了尼龙搭扣,仿生学的研究领域还在不断拓宽,并已从自然界中汲取了不少新的灵感。

当然,进行仿生学应用也并非开展此类研究的唯一原因:在研究过程中获得的纯粹的快乐享受,亦是一种巨大的收获。与物理学中的其他领域不同,这类研究无需昂贵的花销,也无需高深的数学功底。事实上,任何思想足够开明的物理学家都可以进行此类研究。只要你有那么一点好奇心,一些独创性,并敢于提出一堆奇怪的问题,就足矣。

作者Roland Ennos是英国曼彻斯特大学生命科学院生物力学教授

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6 Responses to “[小红猪]人们是如何行动的?”

  1. 刘冲说道:

    原来人类这么笨啊,到现在连摆臂问题还不能明确.

  2. laoma说道:

    都可以提名Ig诺贝尔奖

  3. Alpha说道:

    以前老想这些问题·~原来还真有人在研究·~~~

  4. 窗敲雨说道:

    我看到预览的那张图时还以为是折纸。。。= =

  5. lalunasun说道:

    那以后减肥就顺拐走路好啦

  6. ladanseur2010说道:

    似乎这几个问题都和能量有关系。

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