المپياد جهاني فيزيك
 پيوندهاي المپياد فيزيك
 
 وزن‌كشي زيستي! (زنگ تفريح شماره‌ي 83)
وزن‌كشي زيستي! (زنگ تفريح شماره‌ي 83)زنگ تفريح فيزيك
جرم، هندسه و انرژي در ارگانيسم‌ها

 

وزن كشي زيستي
(Biological Scaling)





اشاره

آن‌چه با عنوان «چكيده» در اول مسابقه‌ها و زنگ تفريح‌ها مشاهده مي‌كنيد صرفاً مخصوص معلمان، مربيان، كارشناسان محترم آموزشي و ساير علاقه‌مندان است.



چكيده



اهداف آموزشي
 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي – دانش
    - «دانش امور جزوي» > «دانش واقعيت‌هاي مشخص»
    - «دانش امور كلي و مسائل انتزاعي» > «دانش‌ نظريه‌ها و ساخت‌ها»
 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - توانايي‌ها و مهارت‌هاي ذهني
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تفسير»   
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «درون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «برون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل عناصر»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل اصول سازماني»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تركيب»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «ارزش‌يابي»
 طبقه‌بندي اهداف آموزشي در حوزه‌ي عاطفي
    - «آگاهي» >     
  نتايج مورد نظر 
    -  هندسه > اندازه و جرم
    -  رابطه‌ي فيزيك و زيست‌شناسي
    - انرژي
  محتواي آموزشي (سرفصل‌هاي المپياد جهاني)
    - هندسه > تقارن
    - بيوفيزيك
    - زيست‌شناسي > سوخت‌ و ‌ساز 
    - زيست‌شناسي > عروق

 

مقدمه‌
فيزيكدانان دوست دارند گستره‌ي پديد‌ه‌ها را با چند قانون ساده‌ي رياضياتي توصيف كنند. مثلاً قانون نيوتن توضيح مي‌دهد كه چگونه جسمي به زمين مي‌افتد، سيارات چگونه در منظومه‌ي شمسي در جركت هستند و ستارگان چگونه حول مركز كهكشان در حال گردش هستند. با مجهز شدن به اين دستاورد و آرايه‌ي پيچيده‌ي رياضياتي، فيزيكدانان گاهي مسائل را در حوزه‌هاي غيرمنتظره‌اي بررسي مي‌كنند (مشخصه‌هاي اُرگانيسم‌هاي كوچك و بزرگ و تنوع زيستي).

معماي طولاني‌ مدت در زيست رابطه‌‌ي بين اندازه‌ي اُرگانيسم‌ها و مشخصه‌هاي متعدد مرتبط با مصرف انرژي آن‌هاست. مثال ساده‌ي آن جدولي است كه نشان مي‌دهد كه چطور اندازه‌ي قلب اُرگانيسم‌هاي متعدد با جرم‌ آن‌ها تغيير مي‌كند.

اگر عام تر به اين مسأله نگاه كنيم، بايد ميزان سوخت و ساز را بنا به جرم (سرعت مصرف انرژي) در نظر بگيريم؛ جدول اين رابطه را نشان مي‌دهد. نوجه كنيد كه هردو محور نمودار برحست تنه‌ي درخت هستند! در اين نوع نمودار، اُرگانيسم‌هاي موش تا فيل همگي روي خط مستقيم دارند كه سريع به اين نتيجه مي‌رسيم كه بايد توضيحي وجود داشته باشد تا در مقياس‌هاي 100هزار از كوچك‌ترين تا بزرگ‌ترين در نمودار اين اتفاق مي‌افتد.

يك جوك قديمي در مورد فيزيكدانان نقل مي‌كنيم: ازفيزيكداني مي‌خواهيم كه شيرخانه (محل گرفتن شير گاو) را توصيف كند، و او خواهد گفت:«يك گاو كروي را در نظر بگير...» ايده‌ي فيزيكدان از اينجا نتيجه شده كه او ساده‌ترين مدل را در نظر گرفته است. اگر نظريه با مشاهده در توافق باشد، فيزيكدان راه را درست رفته!

فرض كنيد همه‌ي حيوانات كروي بودند. آنگاه با توجه به هندسه‌ي صُلب با شعاع،‌ حجم و مساحت معين بايد رابطه‌اي اين‌چنيني برقرار باشد:

     مساحت سطح متناسب است با مربع شعاع
    حجم متناسب است با مكعب شعاع

ميزان گرماي توليد شده توسط حيوان متناسب است با حجم آن (تعداد سلول‌ها). ميزان گرماي از دست رفته متناسب است با مساحت آن،‌ كه گرما از از سطح پوست فرار مي‌كند.

حالا حيوانات بزرگ و كوچك را با هم مقايسه مي‌كنيم. همان‌قدر كه اندازه‌‌ي حيوانات افزايش مي‌يابد، حجم آن‌ها بيش‌تر از مساحت‌شان افزايش مي‌يابد (مكعب شعاع سريع‌تر از مربع شعاع افزايش مي‌بايد). اين‌بدان معناست كه حيوان بزرگ‌تر گرماي كم‌تري را به نسبت حجم‌اش در قياس با حيوانات كوچك‌تر از دست مي‌دهد. بنابراين حيوانات بزرگ‌تر بيش‌تر در استوا عمر بيش‌تري دارند. با اين حال نمي‌توان با اين استدلال رابطه‌‌اي را كه در نمودار نشان داده شده، توضيح داد. اين رازي است كه زيست‌شناسان به جواب آن بايد دست يابند.


شكل (1) - نمودار تغيير جرم يك ارگانسيم نسبت به ميزان سوخت و ساز آن



تحقيق

«جيم براون» و «بريان انكوئيست» دو زيست‌شناس و «جفري وست» فيزيكدان اين مسأ‌له جداگانه مورد بررسي قرار دادند. اين سه محقق در مؤسسه‌ي «سانتا‌فه» هم‌ديگر را ملاقات كردند، و از ميانه‌ي دهه‌ي 90 ميلادي شروع به همكاري با هم كردند. دستاورد‌هاي اين تيم بر هندسه‌ي سيستم‌هاي مدور در اُرگانيسم‌هايي با اين فرض‌ها همراه بود:

     يك سيستم مُدور در اُرگانيسم‌ها توسط اُرگانسيم افزايش مي‌يابد.

     سيستم مُدور كاملاً امكان‌پذير است؛‌ ولي نياز به حداقل انرژي دارد تا ماده‌ي مغذي در بدن منتقل شود.

     كوچك‌ترين مجراهاي مويرگ در حيوانات و بافت چوبي در گياهان همه به يك اندازه هستند.

شكل (2) - شاخه شاخه شدن
 سياه‌رگ‌هاي برگ (John w.Kimball).

شكل (3) - مويرگ‌ها در ريه‌ي پرنده
با سلول‌هاي خون قرمز كه به وضوح
ديده مي‌شوند. فضاهاي سفيدراه گذر هوا 
است كه حلقه‌هاي بين گلبو‌ل‌ها هستند.
(Tomas Caceci- Virginia-Maryland Regional
College of Veterinary Medicine


از اين فرض‌هاي ساده، اين سه دانشمند مدلي مُدور را پايه‌گذاري كردند كه بين بقيه فرضيه‌ها رابطه‌ي بين جرم اُرگانيسم و ميزان سوخت و ساز را با ايجاد رابطه‌ بين زيست‌شناسان و فيزيكدانان اين مسأله را توضيح مي‌داد. ديگر فيزيكدانان نظريه‌ي ساده‌تري ارائه دادند، سپس «براون»، «انكوئيست» و «وست» در نظريه‌ي خود تجديد نظر كردند. باز هم مناقشه پابرجا بوده و اين حوزه‌ي تحقيقاتي همچنان فعال است.

شكل (4) - طرح شماتيك سيستم گردش خون
در اين طرح سياه‌رگ (Vein)-سرخ‌رگ (Atre)
وريد (Venule) و مويرگ‌ها (Capillary).

1387/6/6لينک مستقيم

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 
 المپياد فيزيك

 

     

 

 

صفحه‌ي اصلي

     

 

راهنماي سايت

     

 

 

آموزش

     

 

بانك سوال

     

 

 

مسابقه

     

 

 

زنگ تفريح

     

 

 

مصاحبه و گزارش

     

 

 

معرفي كتاب

     

 

 

مشاوره

     

 

 

پرسش‌و‌پاسخ‌علمي

     

 

اخبار

 

فعاليت‌هاي علمي

 سايت‌هاي المپياد فيزيك
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  1576
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  1576