Vì sao muỗi lại là loài động vật máu lạnh

Vật lý & Đời sống Vì sao muỗi lại là loài động vật máu lạnh Đỗ Quốc Hùng Dòng năng lượng đang được hàng ngày hàng giờ phát ra từ Mặt Trời là vô cùng khổng lồ. Các phép đo đạc địa vật lí cho thấy: ngay ở tầng trên của khí quyển Trái Đất, tức là ở cách xa Mặt Trời 150 triệu kilômét, mỗi mét vuông diện tích đặt vuông góc với các tia sáng Mặt Trời mỗi giây nhận được từ Mặt Trời một năng lượng bằng 1,4 kJ. Con số này được gọi là hằng số Mặt Trời và được kí hiệu bằng chữ I. Biết hằng số Mặt Trời I = 1,4 kW/m2, dễ dàng tính được công suất bức xạ tổng cộng P1 của Mặt Trời bằng cách nhân hằng số Mặt Trời với diện tích của mặt cầu khổng lồ có tâm là Mặt Trời và bán kính bằng 150 triệu kilômét, và ta thu được kết quả là P1 = I. 4pR2 ằ 4. 1026W. Khả năng của con người về năng lượng đương nhiên là nhỏ bé hơn rất nhiều so với Mặt Trời. Ta có thể ước tính dễ dàng công suất trung bình mà con người có thể sản ra dựa trên năng lượng của thức ăn mà con người tiêu thụ trong một ngày đêm. Ta biết rằng những người không lao động nặng nhọc hàng ngày phải tiêu thụ một lượng thức ăn có năng lượng khoảng 12 MJ. Hầu hết năng lượng này được tiêu tốn để duy trì thân nhiệt ổn định của con người, và suy cho cùng thì được con người truyền cho môi trường xung quanh. Con người chỉ tiêu tốn một phần rất nhỏ trong 12MJ để thực hiện các công cơ học mà thôi. Nếu chia 12 MJ cho khoảng thời gian một ngày đêm, ta tính được công suất trung bình của con người là P2 ằ 140 W. Như vậy nếu xét về góc độ sản sinh năng lượng thì Mặt trời có công suất lớn hơn 3.1024 lần (3 triệu tỉ tỉ lần). Tuy nhiên nếu so sánh công suất riêng (tức là công suất ứng với một đơn vị khối lượng) thì ta lại thu được một kết quả thật bất ngờ. Ta biết rằng khối lượng của Mặt Trời xấp xỉ bằng 2. 1030 kg, còn khối lượng của con người trung bình là 80 kg. Từ đó suy ra công suất riêng của Mặt Trời bằng 2.10-4 W/ kg, còn công suất riêng của người là 1,75W/ kg, có nghĩa là công suất riêng của con người lớn hơn công suất riêng của Mặt Trời tới một vạn lần! Thoạt nhìn ta có cảm giác kết quả vừa nhận được là khó tin, song trên thực tế thì kết quả đó lại hoàn toàn chính xác. Làm thế nào để có thể lí giải được “nghịch lí” đó? Vì lẽ gì Mặt Trời – một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ lại chịu thua về công suất riêng so với con người, một sinh vật mà nguồn năng lượng được cung cấp bởi các phản ứng hoá học, một loại phản ứng yếu hơn không biết bao nhiêu lần so với các phản ứng hạt nhân? Sẽ không khó trả lời cho câu hỏi trên, nếu ta cho rằng năng lượng được sản sinh một cách tương đối đồng đều theo toàn bộ thể tích bên trong cơ thể con người và bên trong Mặt Trời. Do đó, tốc độ sản sinh năng lượng tỉ lệ thuận với thể tích, tức là tỉ lệ với luỹ thừa bậc ba của kích thước dài. Trong khi đó, tốc độ mất mát nhiệt năng thì lại tỉ lệ với diện tích bề mặt, tức là tỉ lệ với luỹ thừa bậc hai của kích thước. Từ đó suy ra vật có kích thước càng lớn thì tỉ lệ năng lượng cần tiêu tốn để duy trì một nhiệt độ cho trước lại càng nhỏ. Thể tích của Mặt Trời khoảng 1027 m3, diện tích bề mặt của nó cỡ bằng 1018 m2. Các chỉ số tương ứng của con người là ~10—1m3 và ~ 1m2. Như vậy, tỉ số giữa các thể tích của Mặt Trời và của con người bằng ~ 1028, còn tỉ số giữa các diện tích bề mặt là ~ 1018. Nói một cách hình tượng, đối với Mặt Trời, diện tích bề mặt ứng với mỗi đơn vị thể tích nhỏ hơn mười tỉ lần so với đại lượng tương ứng của con người. Vì thế không có gì đáng ngạc nhiên khi nhiệt độ trên bề mặt của Mặt Trời đạt tới 60000C mà tốc độ trao đổi năng lượng riêng (tính cho một đơn vị khối lượng) của nó chỉ có bằng 0,2 mW/ kg. Dưới đây là một số ví dụ minh hoạ về sự liên hệ giữa kích thước, nhịp độ tiêu tốn năng lượng và thân nhiệt trong thế giới động vật. Thân nhiệt của các loài thú hầu như không khác biệt nhau lắm. Chẳng hạn, thân nhiệt của một chú voi và một chú chuột đồng gần như bằng nhau. Tuy vậy, tốc độ tiêu tốn nhiệt lượng trong cơ thể một con voi lại nhỏ hơn tốc độ tương ứng của con chuột tới 30 lần. Nếu như trong cơ thể con voi và con chuột tốc độ sản sinh năng lượng là như nhau, thì nhiệt lượng sinh ra trong con voi sẽ không kịp tiêu tán đủ nhanh qua lớp da để duy trì thân nhiệt bình thường của nó. Kết quả là con voi sẽ bị “nướng chín” ngay bên trong bộ da của chính nó. Một con vật máu nóng càng có kích thước nhỏ thì tốc độ sản sinh nhiệt riêng (tức là tính cho một đơn vị khối lượng của nó) càng phải lớn, để bù trừ những tổn hao nhiệt cần thiết cho việc duy trì thân nhiệt bình thường của nó. Do đó, lượng thức ăn mà nó phải tiêu thụ (cũng tính ra một đơn vị khối lượng cơ thể) càng phải lớn. Cậu bé tí hon bằng ngón tay trong câu chuyện cổ tích nổi tiếng giành cho trẻ em phải là một cậu bé cực kỳ phàm ăn, bởi vì so với người bình thường, nó cần một lượng thức ăn tính trên một đơn vị khối lượng cơ thể nhiều hơn gấp 20 lần. Chuột etrus là loài thú nhỏ nhất trên thế giới, khối lượng cơ thể của nó chỉ vẻn vẹn có 1,5 gam. Trong một ngày đêm nó ngốn một khối lượng thức ăn lớn hơn gấp hai lần khối lượng của chính bản thân nó. Nó sẽ bị chết ngay nếu bị bỏ đói chỉ trong vài giờ đồng hồ. Chim colibri chuyên hút mật hoa ở Nam Mỹ là một loài chim nhỏ xíu với khối lượng cơ thể chỉ có 2 gam. Hầu như trong suốt thời gian mà chúng thức, chúng chỉ làm mỗi một việc là tìm kiếm và nuốt thức ăn. Chúng có thê( ngủ đêm kéo dài là nhờ lúc đó thân nhiệt của chúng hạ xuống một cách đột ngột. Có thể chứng minh rằng những sinh vật rất nhỏ, như muỗi chẳng hạn, không thể là loài máu nóng. Thật vậy, ta hãy thử ước lượng công suất nhiệt do một chú muỗi sản ra. Để đơn giản ta coi cơ thể con muỗi có dạng hình trụ, với đường kính 0,5 mm và chiều dài 4 mm. Khi đó diện tích bề mặt và thể tích của nó lần lượt bằng: S = ằ m2, m3. Ta biết rằng một vật có nhiệt độ T sẽ truyền cho môi trường xung quanh với nhiệt độ T0 (T0 < T) công suất nhiệt bằng P = a S. (T- T0 ) = a S. DT Nếu nhiệt được truyền thông qua bức xạ và DT nhỏ so với nhiệt độ T thì hệ số a tỉ lệ với T3. ở nhiệt độ bằng nhiệt độ phòng, a ằ 2 á 5 W/ (m2.độ), tuỳ thuộc vào khả năng phản xạ của vật. Nếu giả thiết thân nhiệt của con muỗi bằng 30oC và chọn a = 4 W/ (m2.độ), ta tính được rằng khi nhiệt độ môi trường xung quanh bằng 17oC thì con muỗi bức xạ một công suất P ằ 10-3 W. Nếu cho khối lượng riêng của con muỗi bằng khối lượng riêng của nước, ta tìm được khối lượng của con muỗi m ằ 10-6 kg. Suy ra công suất riêng của con muỗi khi đó phải bằng 103 W/ kg, tức là lớn hơn công suất riêng của người khoảng 600 lần (và lớn hơn công suất riêng của Mặt Trời 6 triệu lần!). Nếu như con người mỗi ngày tiêu thụ khoảng 1 kg thức ăn, tức là 1/80 khối lượng cơ thể, thì con muỗi sẽ phải tiêu thụ trong một ngày đêm một lượng thức ăn bằng 600/80 = 7,5 lần khối lượng của bản thân nó. Trên thực tế con số này sẽ phải cao hơn, vì trong quá trình tính toán ta đã bỏ qua sự truyền nhiệt bằng đối lưu. Khi nhiệt độ môi trường bằng 7oC (ở nhiệt độ này loài muỗi vẫn hoạt động khá tích cực), con muỗi sẽ phải nuốt mỗi ngày một lượng thức ăn bằng 15 lần khối lượng của bản thân nó. Từ đây ta thấy rõ ràng rằng con muỗi không thể nào duy trì được thân nhiệt của nó ổn định, nghĩa là nó không thể là một động vật máu nóng. Bằng cách phân tích mối liên hệ giữa kích thước dài của một vật và cường độ trao đổi nhiệt của vật đó với môi trường xung quanh ta có thể tìm ra câu trả lời cho một câu hỏi rất thú vị sau : Vì sao ta có thể dễ dàng dùng ngọn lửa của một que diêm để làm nóng chảy một dây kim loại mảnh, trong khi đó một dây kim loại to thì khó có thể nung đỏ được ngay cả khi dùng ngọn lửa của một chiếc bếp ga? Dòng nhiệt lượng mà dây kim loại nhận được từ ngọn lửa tỉ lệ thuận với diện tích xung quanh S = 2pRl của nó (trong đó R là bán kính tiết diện thẳng và l là chiều dài của đoạn dây nằm trong ngọn lửa). Trong khi đó, tốc độ tản nhiệt dọc theo trục dây để truyền nhiệt cho đầu dây lạnh (là đầu dây không nằm trong ngọn lửa) lại tỉ lệ thuận với diện tích tiết diện S=pR2 của dây. Nếu bán kính của hai dây kim loại trên chênh lệch nhau 10 lần thì ở những điều kiện như nhau dây kim loại dày hơn sẽ nhận được lượng nhiệt lớn hơn gấp 10 lần so với dây kim loại mảnh, nhưng cũng chính dây kim loại dày hơn đó lại mất mát một lượng nhiệt lớn hơn gấp 100 lần so với dây kim loại mảnh. Rõ ràng là ở điều kiện cân bằng, khi mà dòng nhiệt cấp cho dây kim loại và dòng nhiệt bị mất mát của dây đó bằng nhau, nhiệt độ của dây kim loại dày sẽ nhỏ hơn đáng kể.g