摘要: 螞蟻負(fù)重能力驚人，能拖動(dòng)比其體重多1千4百倍的物品。印尼一名17歲少年近日就拍攝到一只小螞蟻，竟只用下巴就舉起比其體型長(zhǎng)5倍的毛蟲(chóng)，力量極大。 法蘭基表示他是從家中的后園拍下該只編織蟻。當(dāng)時(shí)該編織蟻于樹(shù)枝上遇到一只毛蟲(chóng)，它就像是要展示出自己強(qiáng)大力量，竟然咬著...
螞蟻負(fù)重能力驚人，能拖動(dòng)比其體重多1千4百倍的物品。印尼一名17歲少年近日就拍攝到一只小螞蟻，竟只用下巴就舉起比其體型長(zhǎng)5倍的毛蟲(chóng)，力量極大。
法蘭基表示他是從家中的后園拍下該只編織蟻。當(dāng)時(shí)該編織蟻于樹(shù)枝上遇到一只毛蟲(chóng)，它就像是要展示出自己強(qiáng)大力量，竟然咬著毛毛蟲(chóng)，將之舉起來(lái)。
這個(gè)大力士的力量是從哪里來(lái)的呢?
看來(lái)，這似乎是一個(gè)有趣的“謎”。科學(xué)家進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究后，終于揭穿了這個(gè)“謎”。原來(lái)，螞蟻腳爪里的肌肉是一個(gè)效率非常高的“原動(dòng)機(jī)”，比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率還要高好幾倍，因此能產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。我們知道，任何一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要有一定的燃料，如汽油、柴油、煤油或其他重油。但是，供給“肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”的是一種特殊的燃料。這種“燃料”并不燃燒，卻同樣能夠把潛藏的能量釋放出來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。不燃燒也就沒(méi)有熱損失，效率自然就大大提高。化學(xué)家們已經(jīng)知道了這種特殊“燃料”的成分，它是一種十分復(fù)雜的磷的化合物。
這就是說(shuō)，在螞蟻的腳爪里，藏有幾十億臺(tái)微妙的小電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)，激起了科學(xué)家們的一個(gè)強(qiáng)烈愿望——制造類(lèi)似的“人造肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”。
從發(fā)展前途來(lái)看，如果把螞蟻腳爪那樣有力而靈巧的自動(dòng)設(shè)備用到技術(shù)上，那將會(huì)引起技術(shù)的根本變革，那時(shí)電梯、起重機(jī)和其他機(jī)器的面貌將煥然一新。
現(xiàn)在我們用的起重機(jī)一般也是靠電動(dòng)機(jī)工作的，但是作功的效率比起螞蟻來(lái)可差遠(yuǎn)了。為什么呢?因?yàn)榛鹆Πl(fā)電要靠燒煤，使水變成蒸汽，蒸汽推動(dòng)葉輪，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這中間經(jīng)過(guò)了將化學(xué)能變?yōu)闊崮埽瑹崮茏兂蓹C(jī)械能，機(jī)械能變成電能這么幾個(gè)過(guò)程。在這些過(guò)程中，燃燒所產(chǎn)生的熱能，有一部分白白地跑掉了，有一部分因?yàn)橐朔C(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力而消耗掉了，所以這種發(fā)動(dòng)機(jī)效率很低，只有30~40%。而螞蟻“發(fā)動(dòng)機(jī)”利用肌肉里的特殊“燃料”直接變成電能，損耗很少，所以效率很高。
人們從螞蟻“發(fā)動(dòng)機(jī)”中得到啟發(fā)，制造出了一種將化學(xué)能直接變成電能的燃料電池。這種電池利用燃料進(jìn)行氧化還原反應(yīng)直接發(fā)電。它沒(méi)有燃燒過(guò)程，所以效率很高，達(dá)到70~90%。
為什么我們覺(jué)得螞蟻是“大力士”?
昆蟲(chóng)肌肉的力量常常讓我們驚異。比如亞洲織葉蟻可以“口銜”超過(guò)自己體重100倍的物件;跳蚤能夠跳到超過(guò)自己身高100倍的高度;蜣螂(俗稱(chēng)“屎殼郎”)更能推動(dòng)自己體重1140倍的糞球!
這些昆蟲(chóng)的“力氣”為什么這么大呢?是不是它們擁有特殊的肌肉呢?為了弄清這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們觀察了昆蟲(chóng)的肌肉(比如昆蟲(chóng)用于飛翔的飛翔肌和用于爬行的腿肌)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些肌肉和人的骨骼肌一樣，都是“橫紋肌”，其基本結(jié)構(gòu)單位(肌節(jié)sarcomere)和里面的橫紋，也和人類(lèi)的非常相似。如果只看電子顯微鏡的照片，不加說(shuō)明，很難判斷這是人的橫紋肌，還是昆蟲(chóng)的橫紋肌。
是不是昆蟲(chóng)的肌肉只是看上去和人類(lèi)的肌肉相似，而成分不同呢?為了回答這個(gè)問(wèn)題，奧地利和德國(guó)的科學(xué)家合作，檢查了這些昆蟲(chóng)的基因，發(fā)現(xiàn)他們含有和人類(lèi)肌肉一樣的“核心成分”，包括第II型肌球蛋白(myosin II)、肌動(dòng)蛋白(actin)、肌球蛋白輕鏈(myosin light chain，包括“必需輕鏈”和“調(diào)節(jié)輕鏈”)、原肌球蛋白(tropomyosin)和鈣調(diào)蛋白(calmodulin)，說(shuō)明昆蟲(chóng)肌肉的核心成分和人類(lèi)并無(wú)不同。
昆蟲(chóng)橫紋肌的結(jié)構(gòu)和成分與人的相同，那么測(cè)量昆蟲(chóng)肌肉的力量(每單位面積產(chǎn)生的拉力)，再和嵴椎動(dòng)物的橫紋肌相比較，結(jié)果又如何呢?實(shí)測(cè)結(jié)果表明，嵴椎動(dòng)物的橫紋肌，每平方厘米的橫切面可以產(chǎn)生約25牛頓，也就是約2.5公斤的拉力。昆蟲(chóng)肌肉的力量與此相似，或者稍小。比如蟑螂翻身時(shí)主要用后腿蹬，單根后腿可以產(chǎn)生0.14牛頓，也就是約14克的力量。蟑螂后腿肌肉的橫切面大約是0.6平方毫米，換算成每平方厘米就是2.3公斤的力量。
既然昆蟲(chóng)的肌肉和人類(lèi)的肌肉并沒(méi)有根本的不同，為什么人的相對(duì)力量會(huì)顯得那么小呢?比如男子62公斤級(jí)的抓舉世界紀(jì)錄是中國(guó)的石智勇在2002年創(chuàng)造的，為153公斤，還不到自己的體重的2.5倍。為什么人不能像昆蟲(chóng)那樣，舉起比自己重100倍的重物呢?這個(gè)問(wèn)題你可以自己先想想，我們?cè)谖恼碌淖詈笤賮?lái)討論?，F(xiàn)在我們先來(lái)談?wù)勁c肌肉有關(guān)的話題。原來(lái)人類(lèi)和昆蟲(chóng)的肌肉所使用的收縮原理，早在動(dòng)物出現(xiàn)之前就已經(jīng)有了。這個(gè)原理不僅被用于肌肉收縮，還被用在細(xì)胞里面多種需要?jiǎng)恿Φ倪^(guò)程中。
單細(xì)胞的真核生物就已經(jīng)有“肌肉”
一說(shuō)到肌肉，好像只和動(dòng)物有關(guān)，其實(shí)單細(xì)胞的真核生物(比如酵母菌和變形蟲(chóng))就已經(jīng)有嵴椎動(dòng)物橫紋肌里面最關(guān)鍵的兩個(gè)成分，肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白。肌動(dòng)蛋白可以聚合起來(lái)，形成長(zhǎng)絲，并且具有“正端”和“負(fù)端”;而肌球蛋白可以用ATP水解釋放的能量為動(dòng)力，沿著肌動(dòng)蛋白絲向正端“行走”。這是細(xì)胞里面的“微型動(dòng)力火車(chē)”中的一種，可以做許多事情。
為什么單細(xì)胞的真核生物就需要這樣的“動(dòng)力火車(chē)”呢?這是因?yàn)檎婧松锏募?xì)胞(一般幾十個(gè)微米)比原核生物(如細(xì)菌)的細(xì)胞(一般約1微米)體積要大數(shù)千倍，還有各種細(xì)胞器，如線粒體、溶酶體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，分泌泡等等。小分子(比如氧分子、葡萄糖分子)可以靠擴(kuò)散來(lái)達(dá)到細(xì)胞里所需要的位置，但是細(xì)胞器靠擴(kuò)散移動(dòng)就太沒(méi)有效率了，而需要“搬運(yùn)夫”來(lái)移動(dòng)它們。除此以外，細(xì)胞移動(dòng)(前端伸出，后端收縮)，細(xì)胞分裂(細(xì)胞中部收縮，再一分為二)，也都需要機(jī)械力。
肌球蛋白就有這樣的“本事”。肌球蛋白由“頭”、“頸”、“尾”三部分組成，形狀像一根高爾夫球的球桿?！邦^部”膨大，可以結(jié)合在肌動(dòng)蛋白的長(zhǎng)絲上。它有一個(gè)ATP結(jié)合點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)分子的ATP結(jié)合到“頭部”時(shí)，頭部變形，從肌動(dòng)蛋白上脫開(kāi)。ATP水解時(shí)釋放出能量，使得頭部從“脖子”處“偏轉(zhuǎn)”，結(jié)合到肌動(dòng)蛋白長(zhǎng)絲上更遠(yuǎn)的位置上。偏轉(zhuǎn)了的“頭部”就像被壓彎的彈簧一樣，要恢復(fù)到原來(lái)的位置，這樣就在肌動(dòng)蛋白的長(zhǎng)絲上產(chǎn)生一個(gè)拉力。如果肌動(dòng)蛋白鏈的位置是固定的，肌球蛋白的“頭部”就能夠沿著這根絲向正端的方向“走”。如果肌球蛋白的位置是固定的，它就可以拉動(dòng)肌動(dòng)蛋白長(zhǎng)絲向負(fù)端方向移動(dòng)。ATP不斷結(jié)合和水解，這個(gè)移動(dòng)過(guò)程就能夠一直持續(xù)下去。
這個(gè)精巧的機(jī)制是何時(shí)出現(xiàn)的，現(xiàn)在已經(jīng)不可考，因?yàn)楝F(xiàn)在地球上所有真核生物的細(xì)胞里都有肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白，所以必然是真核細(xì)胞出現(xiàn)后的某個(gè)時(shí)間發(fā)展出來(lái)的。而且就在單細(xì)胞真核生物的階段里，這個(gè)產(chǎn)生拉力的機(jī)制就已經(jīng)發(fā)展到非常完美的程度，以致在隨后的億萬(wàn)年中極少改變。兔子肌肉上的肌球蛋白甚至可以和變形蟲(chóng)的肌動(dòng)蛋白結(jié)合;植物和動(dòng)物的肌動(dòng)蛋白“軌道”也非常相似，以致動(dòng)物肌球蛋白的“頭部”在植物的軌道上滑行的速度和在動(dòng)物的軌道上滑行的速度幾乎一樣。
這種產(chǎn)生拉力的機(jī)制是如此寶貴，所以在進(jìn)化過(guò)程中，生物也不斷復(fù)制這兩種蛋白的基因，并且加以修飾，在不改變拉力形成機(jī)制和效率的情況下，讓它們做各種需要拉力的工作。比如酵母菌就已經(jīng)有5個(gè)肌球蛋白的基因。它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)“頭部”相似，但是“尾巴”不同，就可以做不同的事情。而人類(lèi)則有40個(gè)以上的肌球蛋白基因。
I形肌球蛋白和V型肌球蛋白的“尾巴”都能夠和生物膜結(jié)合，所以能夠“背”著由生物膜包裹的細(xì)胞器(比如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、分泌泡)沿著肌動(dòng)蛋白的“軌道”運(yùn)動(dòng)，起到運(yùn)輸?shù)淖饔?。I型肌球蛋白以單體起作用，V型肌球蛋白以雙體起作用。
在動(dòng)物的肌肉中，II型肌球蛋白先形成雙體，兩個(gè)肌球蛋白的“尾巴”緊繞在一起，兩個(gè)“頭”在雙體的同一端。多根這樣的雙體再聚合在一起，其中一半雙體的方向和另一半相反，形成“雙頭狼牙棒”那樣的結(jié)構(gòu)。肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲以正端整齊地“插”在一個(gè)圓盤(pán)上，細(xì)絲之間彼此平行。兩個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)彼此相對(duì)，就像兩只電動(dòng)牙刷的頭部毛對(duì)毛地彼此相對(duì)，中間有一段距離。肌球蛋白的“雙頭狼牙棒”插到這些肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲中間，“頭部”和細(xì)絲結(jié)合。在ATP結(jié)合于肌球蛋白的“頭部”并且水解后，“頭部”就拉動(dòng)肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲向負(fù)端方向運(yùn)動(dòng)。由于肌球蛋白“雙頭狼牙棒”的兩頭拉動(dòng)肌動(dòng)蛋白細(xì)絲的方向相反，兩個(gè)“牙刷頭”就都向“狼牙棒”的中間運(yùn)動(dòng)(即兩個(gè)“牙刷頭”彼此靠近)，肌肉就收縮了。
變形蟲(chóng)前進(jìn)時(shí)，在伸出的“偽腳”中形成肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲，方向與前進(jìn)方向平行，正端朝外，形成“軌道”。I型肌球蛋白“尾巴”結(jié)合在細(xì)胞膜上，“頭部”沿著肌動(dòng)蛋白的“軌道”滑行，就可以把細(xì)胞膜往前拉。在細(xì)胞后部，由II型肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白組成的“收縮鏈”(類(lèi)似于橫紋肌中的收縮單位)把附著在固體表面的細(xì)胞膜“拉”離，細(xì)胞后部就可以縮回來(lái)了。
在酵母細(xì)胞分裂時(shí)，由II型肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白組成的“收縮環(huán)”在細(xì)胞中央形成。這個(gè)“收縮環(huán)”不斷收緊，就使得細(xì)胞一分為二了。缺乏II型肌球蛋白的細(xì)胞不能分裂，而形成含有許多細(xì)胞核的巨型細(xì)胞。
所以即使在單細(xì)胞的真核生物中，“肌肉蛋白”就已經(jīng)開(kāi)始起重要作用了。多細(xì)胞生物的肌肉，不過(guò)是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)而已。
植物細(xì)胞也有“肌肉蛋白”?
植物一般不運(yùn)動(dòng)，似乎不需要肌肉。但是植物細(xì)胞也含有肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白，而且不止一種。比如VIII型、XI型和XIII型肌球蛋白就是植物特有的。它們和植物細(xì)胞內(nèi)各種“貨物”的運(yùn)輸有關(guān)，比如XIII型肌球蛋白可以把葉綠體運(yùn)輸?shù)叫律M織的頂端去。
植物肌球蛋白的另一個(gè)作用是引起植物細(xì)胞的“胞質(zhì)流動(dòng)”。如果在顯微鏡下觀察綠藻(Nitella)，可以看見(jiàn)細(xì)胞質(zhì)繞著中央的液泡流動(dòng)，而且流動(dòng)的速度在靠近細(xì)胞膜的地方比較快，在靠近液泡的地方比較慢。研究表明，綠藻細(xì)胞在細(xì)胞膜下面形成平行的肌動(dòng)蛋白“軌道”。XI型肌球蛋白的“尾巴”結(jié)合在植物的細(xì)胞器(如葉綠體)上，“頭部”則沿著肌動(dòng)蛋白的“軌道”滑行，就帶動(dòng)細(xì)胞質(zhì)一起流動(dòng)了。在綠藻中，胞質(zhì)流動(dòng)的速度可以達(dá)到每秒7微米。
所以在細(xì)胞水平上，植物和動(dòng)物有更多的相似之處，因?yàn)樗鼈兌夹枰?lái)進(jìn)行某些活動(dòng)，特別是細(xì)胞內(nèi)“貨物”的運(yùn)輸。
細(xì)胞里面的“動(dòng)力火車(chē)”不止肌動(dòng)蛋白–肌球蛋白這一類(lèi)
細(xì)胞里面的運(yùn)輸任務(wù)很多，比如細(xì)胞分裂時(shí)，兩份染色體要分配到兩個(gè)細(xì)胞里面去，需要有力量來(lái)“拉”它們。神經(jīng)細(xì)胞的“軸突”(傳出神經(jīng)信號(hào)的神經(jīng)纖維)可以有1米多長(zhǎng)，但是神經(jīng)細(xì)胞的蛋白質(zhì)主要是在細(xì)胞體(含細(xì)胞核的膨大部分)中合成的。其中作為“神經(jīng)遞質(zhì)”(在神經(jīng)細(xì)胞之間傳遞信息的分子)在合成后，被膜包裹成分泌泡，再被運(yùn)輸?shù)缴窠?jīng)末端去。這些運(yùn)輸任務(wù)就不再由肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白來(lái)完成，而是由另一類(lèi)“動(dòng)力火車(chē)”來(lái)執(zhí)行的。
這一類(lèi)“動(dòng)力火車(chē)”的“軌道”不是由肌動(dòng)蛋白聚合成的絲，而是由“微管蛋白”(tubulin)聚合成的中空的微管，而且像肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲一樣，有正端和負(fù)端。有兩種蛋白質(zhì)能夠帶著“貨物”沿著這個(gè)“軌道”移動(dòng)。它們都用ATP水解時(shí)釋放出來(lái)的能量作為動(dòng)力，但是移動(dòng)方向不同。“動(dòng)力蛋白”(Dynein)向微管的負(fù)端移動(dòng)，把“貨物”從細(xì)胞遠(yuǎn)端運(yùn)到細(xì)胞中央。另一個(gè)蛋白叫“驅(qū)動(dòng)蛋白”(kinesin)，把“貨物”運(yùn)向微管的正端，即從細(xì)胞中心運(yùn)向遠(yuǎn)端。
除了“貨物運(yùn)輸”，這類(lèi)蛋白還和細(xì)胞分裂時(shí)染色體的分離有關(guān)。復(fù)制后的兩套染色體分別通過(guò)“微管”和位于細(xì)胞兩極的“中心?！毕噙B，看來(lái)再被“動(dòng)力蛋白”拉到兩個(gè)子細(xì)胞里面去。
像肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白一樣，微管蛋白、動(dòng)力蛋白和驅(qū)動(dòng)蛋白在單細(xì)胞的真核生物(如酵母菌)中就已經(jīng)存在了，所以這種類(lèi)型的“動(dòng)力火車(chē)”也已經(jīng)有很長(zhǎng)的進(jìn)化歷史。這說(shuō)明在真核生物出現(xiàn)時(shí)，就已經(jīng)有了各種需要拉力的細(xì)胞活動(dòng)，而肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白系統(tǒng)則在后來(lái)發(fā)展成為肌肉。
真核生物可能是21億年前出現(xiàn)的。在那個(gè)時(shí)候形成化石的“卷曲藻”(Grypania)看來(lái)已經(jīng)是大小為數(shù)厘米的多細(xì)胞生物。我們現(xiàn)在能夠有心跳和唿吸，能夠走路、做飯、吃飯、運(yùn)動(dòng)、開(kāi)車(chē)、寫(xiě)字、作畫(huà)、繡花、跳舞、唱歌、演奏樂(lè)器等等，都要感謝當(dāng)年發(fā)明了肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白系統(tǒng)的單細(xì)胞老祖宗。
螞蟻肌肉的相對(duì)“強(qiáng)大”，其實(shí)是由于簡(jiǎn)單的幾何因素
寫(xiě)到這里，我們已經(jīng)可以看出，所有的真核生物，包括螞蟻和人，都能夠使用同樣的肌球蛋白-肌動(dòng)蛋白之間的相互作用來(lái)產(chǎn)生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)所需要的拉力，而且這種機(jī)制已經(jīng)相當(dāng)完善，效率非常高。每克分子ATP水解成ADP和磷酸時(shí)可以釋放出38.5千焦的能量，相當(dāng)于每個(gè)ATP分子水解時(shí)釋放出6.4 x 10-13爾格的能量，可以用4 pN(微微牛頓)的力量拉動(dòng)16 nm的距離。而實(shí)測(cè)的單個(gè)ATP被肌球蛋白水解產(chǎn)生的能量，可以用3至4 pN的力量拉動(dòng)肌動(dòng)蛋白細(xì)絲11到15 nm!既然螞蟻和人使用同樣的肌球蛋白-肌動(dòng)蛋白系統(tǒng)，螞蟻也就不可能有什么“神奇肌肉”。
既然如此，為什么螞蟻可以舉起比自己重100倍的物體而人不能呢?這簡(jiǎn)單地是由于螞蟻的身體小。如果把螞蟻原樣“放大”到人的尺寸，肌肉構(gòu)造不變，螞蟻就舉不起比自己重100倍的物體了，甚至連頭都抬不起來(lái)(多數(shù)螞蟻頭部和身體的比例遠(yuǎn)高于人)。反過(guò)來(lái)，如果把人縮小到螞蟻那么大，身體構(gòu)造不變，人一樣會(huì)變成“大力士”。
也許你有點(diǎn)困惑，這是為什么呢?這是因?yàn)槲矬w的尺寸變化時(shí)，長(zhǎng)度呈線性變化，面積按平方變化，而體積按立方變化。比如同樣形狀的物體，線度縮小10倍時(shí)，面積會(huì)縮小100倍，而體積會(huì)縮小1000倍。對(duì)于小的動(dòng)物來(lái)說(shuō)，同樣比例的物體，重量就要輕得多。
假設(shè)人的身長(zhǎng)為1.6米，螞蟻的身長(zhǎng)為6.4毫米，螞蟻的身長(zhǎng)是人的250分之一。再假設(shè)螞蟻的身體結(jié)構(gòu)和人一樣，那么螞蟻腿部肌肉的橫切面的面積就會(huì)是人的62500分之一(250分之一的平方)，而體重是人的15，625，000分之一(250分之一的立方)。假設(shè)人的體重是60公斤，螞蟻的體重就應(yīng)該是3.84毫克。
由于螞蟻腿肌的橫切面是人的62500分之一，而肌肉的力量大約和橫切面成正比，而人一般可以舉起相當(dāng)于自己體重的重量，理論上螞蟻可以舉起人體重62500分之一的重量，那就是960毫克，是螞蟻體重的250倍!所以螞蟻用相對(duì)比較細(xì)的腿，就可以舉起比自己重100倍的物體。
這就可以解釋為什么許多昆蟲(chóng)如螞蟻和蚊子可以有比較細(xì)的腿，而大型的動(dòng)物如大象卻需要很粗的腿，因?yàn)閯?dòng)物的尺寸增加時(shí)，重量的增加要快得多。大象如果沒(méi)有那么粗的腿，就承載不了那么大的重量，也無(wú)法移動(dòng)。電影《人猿泰山》里面的巨型猿猴，有數(shù)層樓房那么高，行動(dòng)卻和真實(shí)的猿猴一樣敏捷。其實(shí)這是不可能的，要是把大猩猩按比例放大到10層樓高，它不僅不能跳躍，恐怕連走路都困難。
簡(jiǎn)單幾何原理的深遠(yuǎn)影響
其實(shí)不僅是生物，這個(gè)幾何原理對(duì)許多事物都有深遠(yuǎn)的影響。
比如灰塵是我們生活中的麻煩。不僅我們需要經(jīng)?！白銮鍧崱保肴プ郎系幕覊m，PM2.5還會(huì)深入肺部，影響我們身體的健康。這些灰塵顆粒能夠隨風(fēng)飄揚(yáng)，好像很“輕”，其實(shí)每個(gè)灰塵顆粒都比同體積的空氣重得多。比如一個(gè)大氣壓下空氣的比重大約是每立方米1.21-1.25公斤，也就是每立方厘米1.21-1.25毫克。而一般灰塵的密度都在每立方厘米2至3克，從衣服上脫落下來(lái)的棉纖維也有每立方厘米1.5克，都比同體積的空氣重1000多倍。之所以它們能夠漂浮在空中，就是因?yàn)樗鼈兊某叽绾苄。砻娣e和體積的比例變得很大，所以空氣流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的磨擦力就足以把它們帶到空中。
物體小到一定程度就可以在空氣里“飛”起來(lái)，如果大到一定程度呢?那就會(huì)逐漸變成球形，就像地球(平均半徑6364公里)和月亮(平均半徑1737公里)一樣。這個(gè)球形不是誰(shuí)“做”出來(lái)的，而是簡(jiǎn)單幾何關(guān)系的后果。因?yàn)楫?dāng)物體大到一定程度時(shí)，體積(和重量成正比)和表面積的比例變得極大，單位表面積所受的重力也會(huì)變得非常大，而巖石的強(qiáng)度并不變化，所以任何過(guò)高的凸起都會(huì)坍塌下來(lái)。比如地球上就只能有幾千米高的山，而不可能有幾十公里高的凸起。對(duì)于比較小的行星，幾十公里高的凸起就是可能的。比如小行星“愛(ài)神星”(Eros)，雖然重達(dá)7萬(wàn)億噸，形狀還是不規(guī)則的(13 x 13 x 33公里)。而“谷神星”(Ceres)是太陽(yáng)系內(nèi)已知的最大的小行星，平均半徑471公里，重9萬(wàn)億億噸，形狀就已經(jīng)非常接近球形。
小結(jié)
真核細(xì)胞相對(duì)于原核細(xì)胞的大尺寸和各種細(xì)胞器的形成，都需要細(xì)胞里面有“動(dòng)力系統(tǒng)”來(lái)完成運(yùn)輸任務(wù)和其它需要機(jī)械力的工作。肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白系統(tǒng)在真核的單細(xì)胞生物階段就發(fā)展出來(lái)了，其基本原理和成分一直使用到現(xiàn)在，所以昆蟲(chóng)和哺乳動(dòng)物的肌肉高度相似。由于物體尺寸變化時(shí)，長(zhǎng)度、面積和體積以不同的速度變化，按比例放大或縮小的物體，其物理性質(zhì)不再和原來(lái)的物體相同。在肌肉強(qiáng)度不變的情況下，生物體尺寸的變小可以使螞蟻成為“大力士”。在密度和強(qiáng)度不變的情況下，巖石既變成可以在空氣中“飛揚(yáng)”的灰塵(尺寸很小時(shí))，也可以“自動(dòng)”變?yōu)榍蛐?尺寸極大時(shí))。所以一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何原理，卻可以對(duì)物體的“行為表現(xiàn)”有非常深遠(yuǎn)的影響。
據(jù)力學(xué)家測(cè)定，一只螞蟻能夠舉起超過(guò)自身體重400倍的東西，還能夠拖運(yùn)超過(guò)自身體重1700倍的物體。美國(guó)哈佛大學(xué)的昆蟲(chóng)學(xué)家馬克莫費(fèi)特，是一位對(duì)亞洲蟻頗有研究的學(xué)者。根據(jù)他的觀察，10多只團(tuán)結(jié)一致的螞蟻，能夠搬走超過(guò)它們自身體重5000倍的蛆或者別的食物，這相當(dāng)于10個(gè)平均體重70公斤的彪形大漢搬運(yùn)3500噸的重物，即平均每人搬運(yùn)350噸，從相對(duì)力氣這個(gè)角度來(lái)看，螞蟻是當(dāng)之無(wú)愧的大力士。小小的螞蟻為什么能有如此神力?科學(xué)家們作了大量的研究、分析，證明螞蟻體內(nèi)是一座微型動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)寶庫(kù)，每100克螞蟻能產(chǎn)生2929千焦(700千卡)的熱量?？茖W(xué)工作者發(fā)現(xiàn)，螞蟻腿部肌肉是一部高效率的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，這個(gè)“肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”又由幾十億臺(tái)微妙的“小發(fā)動(dòng)機(jī)”組成。所以，螞蟻能產(chǎn)生如此非凡超常的力量。螞蟻的“肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”使用的是一種特殊的“燃料”，是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的含磷化合物，稱(chēng)為三磷酸腺苷，即ATP。在許多場(chǎng)合下，只要肌肉在活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一點(diǎn)兒酸性物質(zhì)(這種感覺(jué)就是我們平常說(shuō)的“胳膊酸了”)就能引起這種“燃料”的劇烈變化，這種變化能使肌肉蛋白的長(zhǎng)形分子在霎那間收縮起來(lái)，產(chǎn)生巨大的力量。這種特殊的“燃料”不經(jīng)過(guò)燃燒就能把潛藏的能量直接釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，加之不存在機(jī)械摩擦，所以幾乎沒(méi)有能量的損失。正因?yàn)槿绱?，螞蟻的“肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)”的效率非常高，可高達(dá)80%以上，這就是“螞蟻大力士”的奧秘。
