Banner được lưu thành công.: Chuyên mục: Sao - Tinh vân - Thiên hà; By Ngọc Trương; 20.Jul

Đọc tiếp

Chúng ta sẽ bắt đầu bằng việc mô tả những hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp của việc thay đổi môi trường trọng lực với các cơ quan sinh học của động vật, đặc biệt là hệ tuần hoàn, hệ thống cơ xương.Ngoài ra chúng ta cũng sẽ xem xét một số nhân tố khác ảnh hưởng tới cơ thể sinh học, chẳng hạn như sự thay đổi của áp suất khí quyển.Trong toàn bộ bài viết này, ta giả sử rằng động vật tiến hóa để thích nghi với điều kiện sống mới này có những chức năng giống như động vật trên Trái Đất. Do vậy, ở phần dưới tôi sẽ đưa ra những mô hình toán học để xem xét sự ảnh hưởng của từng nhân tố tới cơ thể sinh học, trước khi kết hợp lại để đưa ra kết quả cuối chẳng hạn như hình dáng, kích thước, hay chuyển động của sinh vật mới sẽ linh hoạt thay đổi như thế nào.

Vật lý Thiên văn - vatlythienvan.com
Ảnh về Gliese 581 c, hành tinh ngoài hệ mặt trời đầu tiên được khám phá là có tồn tại không khí cần thiết cho sự sống. Credit: Wikipedia.

I. Mô hình

Mở đầu và giả thiết

Trong bài viết này, tôi sẽ giả sử hành tinh là một hình cầu với một lớp mỏng không khí bao quanh.Từ định luật hấp dẫn của Newton, ta dễ thấy rằng:

${g\sim \frac{M}{r^2}}$

Do vậy, trên hành tinh này gia tốc trọng trường có độ lớn gấp đôi trên Trái Đất.

Một nhân tố khác đó là gia tốc hướng tâm gây ra bởi chuyển động tự quay của hành tinh.Nó được cho bởi công thức:

${dpi{150} a=\frac{v^{2}}{r}=\omega ^{2}r}$

Từ những tính toán tỉ số của gia tốc hướng tâm và gia tốc trọng trường, ta rút ra được kết luật hành tinh cần phải có tốc độ quay tối thiểu gấp 10 lần tốc độ quay của Trái Đất để gia tốc hướng tâm đóng góp một phần đáng kể vào lực tác dụng lên sinh vật trên bề mặt hành tinh.Do vậy, tôi sẽ bỏ qua ảnh hưởng do sự tự quay của hành tinh tới sinh vật.

Trong một môi trường mà gia tốc trọng trường gấp đôi trên Trái Đất, sự khác biệt này sẽ làm ảnh hưởng nhiều nhất tới một số nhân tố của sinh vật dưới đây:

1) Hệ thống tuần hoàn: trong cơ thể, hệ thống tuần hoàn có nhiệm vụ trung chuyển máu đi khắp cơ thể và loại bỏ chất thải ra ngoài môi trường.Do vậy, hệ thống tim mạch cần phải hoạt động căng thẳng để bơm máu tới các bộ phận chống lại chiều trọng lực.

2) Hệ thống cơ-xương: chức năng cơ bản nhất của hệ thống cơ-xương là nâng đỡ khối lượng cơ thể của sinh vật.Khi trọng lượng của chính cơ thể sinh vật vượt quá sức chịu đựng của bộ xương, cấu trúc này sẽ bị phá vỡ.Do vậy, khi trọng lượng tăng lên do sự gia tăng của gia tốc trọng trường, bộ xương cần phải gia tăng sức chịu đựng để chống chịu.Một hiện tượng thường thấy trên Trái Đất, với những loài động vật to lớn như voi, hà mã diện tích mặt cắt của xương thường được mở rộng ra lớn so với các loài kích thước nhỏ hơn.Trong bài này, tôi sẽ mô tả một mô hình để dự đoán sự mở rộng của hệ thống xương để tăng khả năng chịu đựng trọng lượng.

3) Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất khí quyển trên bề mặt và nhiệt độ bề mặt hành tinh.

Về hệ thống tuần hoàn

Để tìm hiểu hệ thống tuần hoàn thay đổi như thế nào, tôi sẽ mô hình hóa máu trong mạch chảy thành từng lớp và sử dụng phương trình Navier-Stokes để nghiên cứu sự thay đổi của áp suất máu khi gia tốc trọng trường thay đổi.

Khi gia tốc trọng trường tăng lên, áp suất máu giữa hai điểm bất kì tăng lên.Điều đó dẫn tới những hệ quả sau (do phần tính toán khá phức tạp nên tôi tạm bỏ qua)

Trường hợp 1: Giả sử rằng hệ thống tuần hoàn của sinh vật trên hành tinh có những chức năng tương tự trên trái đất.Với sự gia tăng của áp suất máu, cơ thể cần tốn nhiều năng lượng hơn vì lúc này tim cần một áp suất lớn hơn để bơm máu.Chúng ta biết rằng công thực hiện W = F.s, do vậy nếu ta giảm khoảng cách mà máu được bơm qua thì năng lượng sinh ra để bơm máu sẽ được giảm xuống gần giống như điều kiện ở trên Trái Đất.Tóm lại, trong điều kiện của hành tinh nơi có gia tốc trọng trường tăng gấp đôi, cơ thể sinh học sẽ được thu gọn so với khi ở trên Trái Đất.

Trường hợp 2: Sự tăng của áp suất máu giữa 2 điểm bất kì đồng nghĩa với việc cơ thể cần sản sinh ra nhiều năng lượng hơn để vận chuyển oxy trong máu.Nếu như quãng đường máu vận chuyển giữ nguyên, để giảm tối thiểu năng lượng sinh ra, tim cần phải hoạt động hiệu quả hơn.Điều này được thực hiện qua việc tim cần tăng kích thước và do vậy tăng khả năng co bóp.Tóm lại, với những sinh vật này, quả tim của chúng sẽ to hơn so với sinh vật sống trên Trái Đất.

Thể tích mạch máu phụ thuộc vào trọng lượng như thế nào?

Bán kính, chiều dài, và số lượng mạch máu được tìm ra nhờ cả thực nghiệm và lí thuyết tỉ lệ thuận với gia tốc trọng trường.Những con số dưới đây được đưa ra bởi T.H.Dawson:

${dpi{150} r\sim g^{\frac{1}{12}}}$

${dpi{150} l\sim g^{\frac{5}{24}}}$

${dpi{150} n\sim g^{\frac{5}{8}}}$

Do vậy khi gia tốc trọng trường tăng lên, mạch máu tăng cả về bán kính, chiều dài, và số lượng.Bởi vậy, một cách gần đúng, kích thước cơ quan trong cơ thể tỉ lệ với g.Hơn nữa, ta sẽ quan tâm chủ yếu sự thay đổi của tổng thể tích máu trong mao mạch.Giả sử rằng mao mạch là những ống hình trụ với bán kính r và chiều dài l, tổng thể tích máu trong mao mạch sẽ là:

${dpi{150} V =\pi nlr^{2}}$

Hiển nhiên là, mao mạch còn bao gồm cả những vùng cong hay gấp nếp, nên chúng ta có thể kết luận,

${dpi{150} V\sim nlr^{2}}$

Do vậy, thể tích mạch máu tăng lên tỉ lệ thuận với gia tốc trọng trường.

Kết luận về sự thay đổi hệ thống tuần hoàn

Sự tăng của áp suất máu trong mạch đòi hỏi động vật sống trong môi trường siêu trọng lực có thân hình nhỏ gọn hơn.Đồng thời lúc này, tim phải hoạt động mạnh mẽ hơn để đưa máu qua các bộ phận trong cơ thể, do vậy kích thước của tim cũng lớn hơn và cơ tim cũng hoạt động khỏe hơn.Hơn nữa, kích thước mao mạch tăng lên dẫn tới việc thể tích mạch máu sẽ tăng lên khoảng gấp đôi so với khi ở Trái Đất.Không chỉ vậy, dưới điều kiện trọng lực tăng gấp đôi, áp suất khí quyển gần bề mặt đất tăng lên, do vậy để thực hiện chức năng tương tự như trên Trái Đất, lượng oxi tan trong máu cần phải được giảm.Điều này sẽ được bàn tiếp trong phần tiếp theo.