梅乐芝经理的科普文章（九）（2 / 2）

4支撑身体的骨骼，基本都是圆柱形，为什么不是扁的？事实上，圆柱形的骨骼抗弯折能力最强。扁的骨骼有一个方向抗弯折能力强，一个方向弱。身体的支撑框架，并不确定意外受力的方向，因此需要保持各个方向都有相同的抗弯能力。在身体某些部位，因为结构的关系，可以保证受力一定是特定方向时，骨骼就可以长成扁的、或其他形状。

5骨折中线性骨折很少，因为骨折承受纵向能力很强。棒状的物体，最易横向折断。我们身体的支撑框架，都是让骨骼纵向受力。就如同楼房，上下方向没有问题，但是横向相对脆弱。同样树木生长也是这样，刮大风，树木被刮倒，经常是半腰折断，或者连根拔起。除非树木中心的木质全部腐朽，无法承重，导致树木自然死亡。树木的长高过程中，直径的增长速度大于高度的增长速度。不需要做材料力学分析，仅仅是纵向承受能力大于横向承受能力。当树越高时，树冠越大，横向的风力就越大，加上树木上部分的重量，腰围就要更粗才能抗得住。并且大风在树冠上的作用力，对树木而言就是一根杠杆，离树冠越远，受横向力越大，因此树木是树根最粗，越靠近树冠越细。世界上年龄最大的树，西非一颗8000岁的龙血树，死于一场风暴。美国太平洋杉树可长百米以上，地面上树径可以开辟铁道，容纳火车通过。

6动物采用的策略。现在所有的动物，无论大小，其体型都可类比为圆柱形，至多是圆柱的直径和长度比例有区别而已。我们的四肢，躯干，虽然不完全是圆柱形，但也相差不远。这样的体型，在体长增加后，加在骨骼上的横向重量增加比例和骨骼的承受能力是同步增加。理论上骨骼效能完全不变。但动物毕竟不是烟囱，体型是介于圆柱和立方体之间，更像圆柱。这样就降低了骨骼受损的风险。

恒温动物都要进行代谢，产生热量维持体温，提供能量来行动，或逃跑或追逐。那么动物要吃多少东西才能满足基本要求：保持体温呢？假设体型不变，体长增加，胃部容量和体积同步增加。那么胃部摄入食物量和体重同比例增加，而散热是皮肤面积，增加速度比食物摄入量小。因此体型大的动物可以摄入相对少的食物维持体温（不用吃饱）或者胃容量减小。体型增加后，体重增加，运动能力可以换算成能量关系，即维持同等速度情况下，能量消耗和体重同比例增加。假设动物有2个胃，一个维持体温，一个维持运动能力。那么维持体温的胃就可以不用吃饱，而维持运动能力的胃就要吃饱。整体下来，体型增加后，食物量比体重增加的要少些。少多少呢？要看动物的运动情况。大量的巨型动物，比如大象、犀牛、长颈鹿，对运动能力要求不高。因为基本不受到攻击。所以这些动物主要是维持热量，那么吃草量增加不需要太高就足以维持生命了。而像狮子老虎这些动物，维持运动能力非常重要，因此食量和体型增加快同步了。当然多数时间它们也休息。

小动物的悲惨命运。当体型减小，散热带来大问题，小动物的食物量补充必须满足热平衡。不然就是死亡。相比大动物，食量不足，就必须质量补充。小动物吃的食物热值都很高。小鸟食谱：昆虫（蛋白含量50%以上、基本没什么浪费的成份），种子（淀粉含量高，某些种子油脂含量高，热值更大），以前说麻雀是四害之一，吃谷物。但麻雀除非专门喂食谷物，依靠自然条件下获取的谷物会饿死。昆虫才是麻雀的主食。蜂鸟，更小的鸟，吃花粉花蜜（蜂蜜的原材料，热值应该更高，不然蜂鸟就饿死）。鸵鸟个头大得多，吃植物就可以了，偶尔补充点昆虫，植物？热值很低，唯一的好处就是不会乱跑。哺乳动物的幼体都必须喂奶，奶的营养价值很高，但热量不足，所以一会就要吃，每天开饭的次数比成年体高的多。现代人类的哺乳能力下降，替代品很多，只是要小心三聚氰胺。另外免疫能力也是值得注意的问题。松鼠，寒温带都可以生活，冬天存储大量松子。松子里面含大量油脂，热值是面包的四倍以上。饲料小动物要注意，忘了喂食很容易饿死。但老虎一周吃一次，一次管一周。

思考：生存的代价

1巨型草食动物：运动能力弱，力量足，没有天敌，植物为食。但植物普遍热量低，营养差。好处就是随处可吃，不必埋伏追逐。为了维持生命，大象一天16小时在进食。因为食物相对充裕，生存环境相对好，其食物利用率仅40%。生活在北极苔原的猛犸，气温太低，食量更大，整天都在寻找食物，每天进食时间超过20小时。最后幸存在弗兰格尔岛上，因食物匮乏而侏儒化，但侏儒化不利于保温。最后在冻死与饿死之间做选择！现在生活中同一区域的麝牛、驯鹿不得不在食物丰富季节积攒大量脂肪来防荒，棕熊北极熊攒脂肪则是食用大马哈鱼及鱼子、花蜜等热值高的食物。大中型食草动物：运动能力强，天敌多，采食时的防备猎手攻击，所以食物利用率必须高。我们用羊肠小道来形容道路曲折漫长。羊生活的环境不如大象优裕，食物不能浪费，漫长的肠道对营养细细进行吸收。牛、骆驼等动物采用反刍来强化分解，增强吸收。马、袋鼠、兔利用肠道细菌帮忙分解植物，榨尽植物最后一点价值。冷兵器时代，骑兵是快速机动部队，马就不能仅仅吃草，需要豆类、大麦等高质量食物做补充。

2大型肉食动物，运动能力强，食物都是肉类，易于消化分解，所以肠道较短。根据肠道的长度，就可以区分出食谱究竟是草食、杂食或肉食。但是获取食物必须进行运动战、埋伏战或化学战。运动战，要求速度快，力量足够，敏捷或韧性。猎豹，速度快，力量敏捷都足够，就这样捕食成功率10%。鬣狗，群体作战，还可以打劫猎豹，成功率高很多。狼，群体作战，韧性很强，战术灵活多变，环境恶劣的地区也能生存。狮子，也是群体捕猎，可以有效防止被打劫。埋伏战，要有足够的耐心，争取做到一击必杀。蟒蛇的埋伏，吃一次要管一年的生活。鳄鱼，一年才能遇到一次动物迁徙饕餮大餐。化学战，无论是科莫多龙的毒液、蝰蛇的毒液或蜘蛛的毒液，都为降低本身的风险。（非洲猎人烘烤有毒树皮，取汁液涂满足箭头上。南美猎人烘烤有毒青蛙皮肤，将分泌物涂满在箭头，以提高效率。箭毒木，箭毒蛙，名称就是这么来的。）多数情况下，猎物不反击，失败带不来伤害，只是饥饿。但猎手之间存在竞争，猎手的威胁来自同类划分地盘的竞争、配偶的抢夺，其他类型猎手的攻击。肉食动物整体数量远少于草食动物，疾病的威胁也非常大。在竞争中，群体捕猎团队逐渐取得优势，通讯方式、战术组合、目标选择、指挥等因素使得智商提高非常快。当占据猎手阵营顶端时，威胁就来自内部。非洲黑猩猩可以设计战术陷阱，有组织地消灭敌对群落。虽然是猎手角色，但没有高枕无忧的存在。

3小动物的食物热值高，消耗大。因为散热快，身体的供给也要快。造成小动物代谢速度快，心跳快，呼吸也快，寿命短。并且小动物多数情况都是猎物，为了可以生存下去，小动物的繁殖早，生殖数量多，不求活得长，但求生的多。以量取胜，比如啮齿动物。

4哺乳动物的一生心跳次数基本为常数。心跳慢的寿命长，心跳快的寿命短。寿命和母体的怀孕时间成比例，怀孕期越长，寿命越长。大象孕期1年半。人类的孕期近2年。但是由于头部发育

（本章未完，请翻页）太快，10个月不生产就生产不出来了。出生后1年，才能开始走路。自然出生的幼体，除了一些早熟体，都是出生后就可以行动。由此可见人类的寿命很长。（龟不是胎生。象龟个头大，寿命长，长期不进食也可以生存。早期航海缺乏新鲜肉，象龟就是天然的鲜肉罐头。所以快绝种了）巨型草食动物的平均寿命也都比较长。寿命长的风险是性成熟晚，幼年和少年时期太长。而幼年和少年时期总是危险的，各种猎手目标都可以对准这些没有反抗能力，但报酬却很丰富的猎物。另外孕期长，生育周期长，出生率就低。总之，没有医疗和武装，寿命长的物种也不具有优势。

人们进行各种运动竞赛，比较不同的运动能力。比如力量、速度、耐力、技巧、灵活等等。对哺乳动物肌肉研究发现，单位面积的肌肉力量相同（肌细胞直径1毫米，长数厘米，内部有肌原纤维，直径1微米，以25微米为一节，内部是肌球蛋白和肌动蛋白微丝交错，肌肉收缩时是肌动蛋白滑动，引起肌原纤维节缩短造成。那么力量就是肌动蛋白滑动力的总和，因此肌肉的橫截面大小就意味着肌原纤维的数量多寡，就决定着力量的大小。肌动蛋白滑动需要消耗atp，大约60%的能量转为做功，效率很高。），那么力量大小决定于肌肉横截面。肌肉做功的长度取决肌肉收缩的长度，和肌肉长度本身成比例。举重比赛，体重越大，举起的重量也越大。身材越大，优势越大。

在速度比赛中，力量大并不意味着速度快，前面分析指出，身材越大，力量和体重比值反而减小。那是否意味着速度快需要身材小？身材小，意味着腿短，可能跑两步才相对于腿长选手跑一步。因此速度最快的选手身材不是最大，也不是最小，而是中间某个值。100米短跑完全是极限速度的比赛，肌肉的瞬时功率越高越好。世界纪录保持者是牙买加选手博尔特，身高达196米，创纪录时体重86公斤。按照他的身高，体重偏轻，体型是瘦长型，风阻力相应小些。牙买加还有著名的女子短跑选手奥蒂，看来牙买加黑人的快肌比例高。类似比赛：跳远，跳高，都是在力量、体重、身高之间进行平衡。

耐力比赛最著名的就是马拉松比赛，这个明显是体重越轻越好，当然极限减肥人员不在此列。经常跑的人存储的肌酸磷酸多，供给充分。世界纪录基本都是非洲选手囊括。把他们的比赛服装去掉，手里塞一根标枪，马上就是史前猎人形象。

技巧和灵活，明显是身材小的优势大。敏捷是这类型运动的要求。无论是体操还是跳水，选手都相对身材矮小。投掷类的比赛，力量和技巧都重要，因此这些选手也是身材适中（链球不算，基本是力量比赛）。

真正考验人的各项平衡能力的比赛是十项全能。力量、速度、技巧、耐力全部都要很高，但不能达到最高，否则严重影响其他属性。这些选手的身材基本一致，身材高挑、没有脂肪、肌肉类型比例适中。

至于铁人三项，纯粹是耐力和意志力的竞技。和马拉松不同，游泳要求有一定的脂肪，不然体温下降太快。

思考：

1长期在平原生活的人，爬山非常吃力。长期在山区或丘陵生活的人，则如履平地。观察普遍身材的差异，另外因肌肉受的锻炼不同，肌肉类型有差异。

2长期不锻炼的人，稍稍用力，就累了，浑身发酸。原因体内的供给不足，肌肉内没有什么能量储备，所以累了，而供氧不足，导致体内分解养料进行能量补充时是无氧呼吸。产生大量乳酸，身体酸痛无比，无法继续。

3肌肉运动，做功=肌肉力量*肌肉收缩距离。在身体能量供应方面，60%转为肌肉做功，40%发热。因此运动时间长了体温增高，需要出汗来降温。猎豹是陆地短跑冠军，由于功率太大，体温迅速升高。猎豹捕猎中，快速奔跑超过4分钟就丧命。实际奔跑时间就一分钟左右，捕猎成功后还要留有体力应付意外。耐力型猎手狼可以持续奔跑二十公里，在团队合作捕猎大型猎物时，主要是驱赶，从中分离出耐力较差或身体有疾病的个体，事实上大型动物静态防御更加有效。由于狼体型相对猎物小，耐力更好。所以驱赶式捕猎是较好的选择。狮子，鬣狗也采用同样策略。

4各项运动对身体体型要求不同，不同人种因自身特点，形成了各自的优势项目。爆发力，耐力，黑色人种优势明显。在短跑和马拉松上独领风骚。混合要求的中长跑则是各色人种都有。灵巧和技术要求体型小，各种热带和温带人种都有。次轻量级拳击冠军是菲律宾人，占据小球项目和体操优势则是人种混杂的斯拉夫人以及黄种人，主要因素是传统。游泳比较特别，水的浮力使得身体重量不必考虑，力量和技巧以及身高要求使得白种人优势明显。团体运动则是文化特征很明显，但像篮球这种身高、爆发力、技巧要求，黑人优势明显。

5身体做功时，需要大量氧气。在氧气供应充足情况下，体内的能源转换能量的效率达到最高。所以大功率运动下，氧气的要求迫使呼吸加快。100米短跑，时间太短，以至于职业选手不需要呼吸，依赖肌肉内部储能。跑步时存在呼吸节奏的要求。通常情况下呼吸氧气的交换率很低。跑步时提高氧气的利用率，就要深呼吸，保持身体的氧气供应，呼吸节奏就要和跑步的节奏相配合。比如两步一吸，三步一呼等等。缺乏训练的人在骤然猛跑，呼吸不能保持深度，氧气利用率低，不得不加快呼吸节奏，很快就喘不过气来。

百米竞赛中，运动员起跑时间和发令枪枪响时间差距在01秒以内，算作抢跑，取消竞赛资格。我们来计算一下运动员的极限反应时间。人的神经通过钠离子和钾离子通道调节细胞内外浓度，改变电位，来实现信号传递。速度大约30米/秒-120米/秒，多数人的传递速度位于下限附近。以博尔特为例，发令枪离他的头部越5米距离，声速按340米/秒计算，传到他的耳朵约16毫秒。不同跑道的运动员距离不同，从1米到10米，那么带来的时间差为30毫秒。声音在耳膜上产生振动，导致电信号产生，传输到大脑，大脑经过处理，对腿部发出信号，腿部肌肉收到信号，释放钙离子，触发肌肉收缩，开始起跑。听觉神经细胞的电压改变大约需1毫秒时间，从耳部传到大脑中央沟后方的听觉野，距离大约10cm左右，耗时1-3毫秒。神经信号从大脑传递（运动区、脊髓、腿）到腿部，最后到脚前掌，距离约18米，耗时15-60毫秒。不同人的耗时差别体现在大脑的处理部分。天赋或训练程度的差别，这部分的处理时间最短情况是：条件反射，信号直接脊髓传递，不经过大脑。来自听觉野的信号进入大脑，再触发动作命令，这部分时间不好确定。而钙离子浓度的改变大约几毫秒时间。那么固定消耗时间的变动范围就是，大约是毫秒。对于多数人而言，固定的信号传递时间80毫秒是可以接受的。那么，如何估计大脑处理时间呢？

在电子竞技领域内，星际争霸曾经是风靡一时的游戏。顶级职业选手的操作可以在300apm以上，也就是一秒内手要操作5次以上。屏幕画面进入眼睛，传递到视觉野，距离大约20cm，大脑信号进入脊髓，传递到手上，距离大约是人身高的一半（正常人双手平举，长度基本等于身高），考虑到脖子长度、选手的身高，全部距离按照020208=12米计算。则固定消耗时间，约为毫秒，按40毫秒计算。一次手操作时间为200毫秒，手指按键或点击鼠标消耗时间大约60毫秒（手指的按下和复位一般消耗120毫秒，极限70毫秒），手指移动或鼠标移动，消耗时间不少于点击时间，则大脑处理时间至多为40毫秒。在游戏中，选手对局势的战略战术判断、定位敌方单位，都是相当消耗时间的。而赛跑中，对专业选手而言大脑仅仅起到一个信号中继的作用，其消耗时间可按几毫秒来估计。那么选手的神经反应时间大约就是90毫秒，考虑身体从静止到体现出状态变化消耗时间，100毫秒以内的抢跑判断标准相对合理。

思考：

1在电子竞技中，第一人称射击类游戏（fps）也很考验人的反应速度。按照上述分析，人的神经传递时间是40毫秒左右，点击鼠标约60毫秒。目标出现在鼠标图标中到点击命中目标，时间约01秒以上，和视觉暂留长度差不多。当然某些人的天赋异禀，传递信息仅需要20毫秒，其对手就需要战术弥补。当目标出现在视野中，需要滑动鼠标去射击，则时间更长。

2大型恐龙，比如梁龙，在臀部都有一个辅助的神经处理系统。神经传递方式在动物中相似，可以认为速度也接近。考虑到近30米的长度，神经传递时间接近1秒。因此辅助系统很有必要。

3动物的敏捷和体型相关，神经的传递距离远近也轻微地参与影响。动物的局部速度远超神经反应时间时，躲避这个词就不存在了。比如鮟鱇和黑曼巴蛇。

正常情况下，身体要消耗一定的能量维持体温和其他器官的基本运作，这部分能量消耗成为基础代谢率。在平均状态下，运动带来一定的消耗，整个能量消耗就是全部代谢率。热带人体型小，体重低，并且环境温度高，整体消耗很小，即代谢率很低。在摄入食物后，大量食物都可以转为身体的组织，促进身体的发育。温度及寒带人体型大，体重高，环境温度低，代谢率很高。大量食物都转为热量。需要摄入更多的食物来促进身体发育。由于热带人体型不大，身体发育很容易达到目标，因此热带人的性成熟较早。同样，热带妇女绝育也早，比如拿破仑的皇后。现代营养普遍改善，因此现代青少年的发育也较以前早。同时食谱也是重要因素，肉食含的激素量大，更容易刺激性发育。

思考：

1利润的诱惑使得大家提高饲料中的各种激素。养猪场的猪3个月就出栏。自然状态下的猪寿命是20年！这样的猪还完全是幼年状态的猪，但体内的激素促进猪的身体进入少年时期。现代养鸡场，若为了促进鸡下蛋，在饲料中大量加入雌性激、素。那么鸡蛋会提前促进女孩性发育。

2自然状态下的动物体内激素含量不均衡，按照中医的观点就是某些肉性热，性燥。自然状态下的猪肉性平（微寒），本身是好东西。

3现代污染严重，水里面的重金属成份会通过植物、浮游生物代谢而聚集起来。小鱼虾、甲壳类动物因摄入这些聚集了金属的生物而大幅度提高体内的重金属浓度。大型鱼类采食这些小动物，最终浓度达到非常高的程度。人类如果食用这些污染水域的鱼，很容易因重金属而产生各种疾病。

4二恶英，分子结构和雄性激素比较接近，进入人体后会可能会参与到激素作用中，越战中落叶剂大批量使用，导致大量胎儿畸形。

某一定体积的物体，切割成两部分。则整体体积不变，而全部表面积增加了两倍的切面面积。反复进行切割，则面积持续增加。我们身体的肺部进行氧气交换，肺部容量因人而异，成年人基本保持2-6升之间。也就是说我们一次吸气，可以得到2-6升空气，进行氧气交换时，是空气与肺泡表面进行，也就是说肺泡面积越大，我们能交换到的氧气越多。而所有肺泡的体积总和是2-6升，那么如何才能增加交换面积呢？只有一个办法，让肺泡的体积非常小。我们的肺泡数量大约是3亿多个，直径约02毫米左右。肺泡的总体表面积大约是40-100平方米。因此增强心肺功能，可有效抵抗氧气含量减少引起的高原反应。

思考：

1汽车尾气是一大污染源，不过现在汽车都增加了汽车尾气的净化装置，主要是金属铂来分解那些氮氧化合物。金属铂价格昂贵，如何才能有效利用呢？在汽车尾气通道中，一块直径约15厘米的长条陶瓷上开有大量细长的空隙，空隙上布满直径约1-10纳米的耐高温耐腐蚀氧化物小球，在小球上放置金属铂颗粒。经过这些步骤，铂的表面积极其庞大，完全可以净化尾气至环保标准。

2人呼吸时，大量空气灰尘进入鼻孔，为了防止这些灰尘进入肺中，鼻孔中生长着许多鼻毛。可以有效吸附灰尘，在城市生活的人们都可以验证这点。鼻毛不可拔掉，每拔一次，新生鼻毛就变粗，降低了鼻孔通道灰尘吸附能力。

3壁虎可以随意爬行，其脚趾上长有近10亿微细的毛。这些毛和接触面之间的吸引力总和完全可以让壁虎随意爬行。

4炒菜时，肉类都被加工成肉丝、肉片，很少有方块的肉（花椒肉丁、宫保鸡丁，这些肉丁都是小方块，红烧肉是较大方块，但是烧的时间长）。这样肉总量不变，但是和热油的接触面大大增加，很容易一起熟。肉上面附着的调料也很足，味道好。

5原子、弹的核心是铀235或钚239，质量超过一定界限就发生核反应。引爆原子、弹就是让若干个低于临界质量的铀块，突然集中在一起，突破界限，发生链式反应。如图所示，枪式的效率低下。收聚式的效率很高，迅速让核料的表面积降到最低，最大程度地引爆核料。

6川菜中有道雪魔芋烧鸭，其中的雪魔芋味道鲜美。菜里面的雪魔芋形状类似海绵，中间多孔，吸附了大量汁液。类似的食材有冻豆腐、面筋、竹荪。

7丝瓜瓤多孔容易吸附油，洗锅刷碗干净。硅藻土同样多孔，只不过孔细微得多。可以吸附悬浮微粒、杂质、大分子有害物质。可以做水和空气的过滤材料。由于表面积大，还可以做稳定剂。诺贝尔发明的硝化、甘油**，就使用硅藻土做稳定剂。新型的硅藻土装修材料可发挥多孔吸附能力，降低污染。类似材料有活性炭（木炭），可以过滤空气和水，甚至做防毒面具的滤芯。

8我们吃饭，牙齿的研磨作用会将食物粉碎，这样食物的表面积大大增加，进入胃部后，消化液可以充分对食物进行消化，这样消化速度快，胃部的负担轻。另外快速吃饭，大脑会对胃部的饱食信号会滞后，导致摄入食物过多。因此平常细嚼慢咽，可以有效利用食物，减少多余热量摄入。

9考古发现，奴隶时代，奴隶大约20岁就已经把牙齿磨光了。因为食物非常粗糙，这些奴隶即便没有劳作累死，寿命也不会长。牙齿失去作用后，获取食物能量的代价增加。在进行马匹交易时，买方通常都要观察马的牙齿，可以判断健康状况。

（本章完）

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