【doc】关于科氏力导致哺乳动物左右不对称发展的假说

【doc】关于科氏力导致哺乳动物左右不对称发展的假说 关于科氏力导致哺乳动物左右不对称发展 的假说 土,一一 功,针彳'【动扬再f厂. 关于科氏力导致哺乳动物左右不对称发展的假说 V 于青牵家欣( 本文提出假说,旨在说明脊椎动物单侧优势化是受科氏力诱导,通过动物的反馈而 形 成的对假说进行了求证.并与可得到的资料比较.尚未发现矛盾,继而为证实假说. 提出了 有关的实验设想. 1,问题的提出与探索 从比较解剖学和胚胎学不难看出脊椎动物的单侧优势 开始于哺乳类和鸟类.这种结构上的巨大变革,现在中轴对 称性的破坏和脏器的定向移位心指向左.肝移到右侧,其它 脏器也发生相应的变化,血循系统的演变更加使人惊异.如果 不是胚胎学和比较解剖学铁硬的事实很难相信今天的大动 脉竟是古老的鱼类左侧第四腮弓动脉进化的结果,传统的主 静脉退化为今天的奇静脉左半身的静脉血管奇迹般地向右 靠拢,吻合于新生的腔静脉,一个主动脉居左腔静脉居右的 新格局出现了,我们不禁要问:是什么力量导致哺乳类的内部 格局发生了这样巨大的变化?我们的假说认为,由于地球自 转动物在球面上运动受到科氏力,血液在血管中流动也受到 科氏力,这两种科氏力叠加在一起,引起体内左右应力之不对 称.通过动物自身反馈在新陈代谢中淘汰了落后的结构发 展了适应外力的新结构,遵照变异遗传选择的规律累代发 展而来. 以下我们以北半球在球面上运动的动物为例分析受到科 氏力作用的情况: 参看图1,OA为地球半径,OB为地球自转轴.口是地理纬 度,ON为地球表面C点的法线,瓦挺地球自转的角速度.是动 物在c点运动的速度,苟有两个分量,蔬的量值是向Bin,方向 北京大峪中学.本世纪500名杰出贡 献的科研带头人(1023001 北京协和医院中医科大夫 …北京纺织科学院 是沿法线ON.量值是同cos方向是垂直ON科氏力等于 一 2m×,科氏力的一个分量一2In赢×.沿着ON与重力在 相同或相反方向,这个分量对作用于动物的重力加了一个很 小的量值,另一个分量一2rn苟×谨值是2ml商lBin指向 移动动物的右侧,这个右侧指向的力用F表示它作用于动物 的一生,当然也作用于他们所有祖先的一生从胎儿到成人阶 段作用于身体的每一部分 由于地球自转的角速度甚小.相应的科氏力也很小.不可 避免地要提出问题这样的小力是否足够引起显着不对称的 大形态学现象,目前在推理上可以得到,小力可以在受力系统 中引起大力然而对本假说的定量验证只是提出了实验设想. 图1 究,使离子束生物学为造福人类作出更3 大贡献1 4 参考文献 5 1第二届离子注入生物学国际学术研讨 告论文集中国科学院等离子体物理6 研究所编.1993 2采增亮等Nuc1.Instr.andMeth7 B59/691991 邵春林Radiat.PhysChem 1994,43(4). 卫增泉辐射研究与辐射工艺 199311f2):90 卫增泉生物物理1996.12 ?:315,320 邵春林核技术199619f6):321 , 325 泉增亮安徽农业大学1994. 21f3):260,264 8D.T.Ooodhead.eta1.RBdiat ProtDosiml990.31(1—41:343 9Stmngenberg,G.…//p】antSci 1995,108(2):209~217 10Rochange,F.…//plantCellRep 1995,14(10):674~678 11Wan.Y.…//planta1995,196(1): 7,14 12Livingstone,DM//Aust.J. Plantphysio1.1995,22(4):585~591 SA 囤2 2,科氏力对腿肌肉骨骼系统的作用 以人为例考虑身体用腱在地球上滑动:匿2中,O为质心, 矢量表重力,矢量代表科氏惯性力,对和的反应将 有切向力,氐和赢及法向力和用在脚A和B上,平衡公 式得出: Gc吉+F{ ;G专一一Fc导…………c 这里LHX在图2标出.L是两脚中心问距离,H是质心的高 度.X是左右不对称引起质心侧移的距离,对GF和X取正 值,力N作用在右腱上比作用在左腱上的力大.图2彳尼明显不 适台于奔跑的哺乳动物模型.奔跑时大多数时问一只脚触地, 复杂的肌肉,骨骼关节筋腱系统将调动起来对抗科氏力.众所 周知,肌力引起的作用在骨关节上的应力远超过重力单独引 起的应力,地面的弹力N和T目的变化将影响身体每一部分的 姿势步态,肌力和应力. 例如:60公斤的动物在北伟45.上,以l0米/秒的速度奔 跑,科氏加强度是10m/sz科氏力大约为0.06牛顿,如果动物 质心高度H=l米脚问距离为20厘米,质心侧移的距离X=1 厘米两足的弹力差N一N=60N……(2)60N是不容忽视 的量,它比动物的重量小,但动物重量不能引起左右脚的不对 称.这点说明彻底研究两足或四足动物胎儿成年到老年左右 不对称是很有趣的. 3科氏力对体内液体的作用 图2的盒子可代表体腔,体腔内含有液体.科氏惯性力作 用其上,液体中密度大的颗粒在科氏力作用下将向右侧沉淀, 沉淀过程受对瘟分子和胶体弥散影响.体液的缓慢移动密度 分布可依照层流理论分析. 血液内台有红细胞,红细胞的密度比血浆大,因此在整个 血液内,红细胞的密度即血球比计必然服从层流理论,其中包 含重力科氏力细胞和血管的机制速度压力,分布的切应 力的影响. 下列事实是知道的:血液从动脉流向静脉.动脉血等于静 脉血液加淋巴瘴.血管内的血细胞变形.他们在高速切沉时变 长低速切流时更圆些,红细胞的平均循环时间较血浆平均循 环时间短.沿着血管的内壁有一层血浆而投有红细胞当血瘟 程度小时.这一低密度层更薄些.但ung1981.Beo,3A,3.5) 又知道红细胞在流速下降时趋于互相粘连成缗钱状(Fung, 1981.P.811缗钱状增加了血球比积和血密度.进一步的在 太多数器官动静脉血管形成树,一般的血管形态可以用级来 描述(Fung,1984)在某一级中动脉的直径比同一级中静脉 的直径小,某一级中动脉的总横截面积比同一级静脉的小同 一 级中静脉的瘴速一般地比动脉里的流速慢.这些观察台在 一 起导致理论上的结论:血球比积即整个血液的密度在同一 级中静脉的比动脉的高. 各种动物整个血液的密度数据可在A1t~nanandDitt met(1971)中找到,但只有静脉血测量了.人类红细胞的密度 由HamPs0n和Naizels(1927)用重力方法测定是 1.098.(1.0942~11069).由VanSlyke等(195o)用硫酸铜方法 在25?下测出为1.098(1095~1.101)^类血浆的密度由重力 法和硫酸铜法测出为1.0284f1.0260,10308)和 l_0273(1:024~1.030),见AltmanandDittman(1971, p25,26)因此红细胞比血浆重是明显的,用离心况淀试验很窖 易观察到. 在各种器官中血球比积和血液密度的宴验测定是容易做 到的,但我们尚未发现任何资料,Chien等f1965)在研究内毒 素休克的狗血球比积的变化,他在图2中表示出正常情况下. 门静脉的血球比积(96)比动脉高出(1,2),在内毒索休克情 况下,经瞬变通过的方法发现门静脉的血球比积比动脉的高 出20,Chien等(1965)也了血浆蛋白的密度在内毒素 分布下狗门静脉血浆蛋白是比动脉的高出1,2m,易见 龙-蔡翘(1936)指出进食5小时内猫肝静脉血糖水平大约比动 脉高出10rag/100ml,高的血浆蛋白和糖暗指高血浆密度.理 论上血液密度的不同将得出下列结论: .(1)肝是含有静脉血的太器官(Wu1957)在肝中血比其它 器官稍重因此肝内的血在科氏力作用下有向右移的趋势这 个趋势持续所有的时间特别是进食后,是否这一趋势己形成 器官结构的安排还不知道,但在人和其它哺乳类肝确宴位于 腹腔的右边 ' (2)血液由于心脏泵的作用在血管内瘴动当科氏力破估 计到时,血流速度应矢量地加在动物的运动速度上 血液在狗升主动脉的最高速度平均为120厘 米/秒(40~290厘米/秒)中间速度是20(10,401厘米,秒.相关 的降主动脉内速度最高值105(25,250)厘米/秒,中间速度 20(10~4o1厘米/秒,腔静脉内值是25f16,40)厘米/秒.参看 Caroetal(1978),Fung(1984,p79),无论动物跑或不跑科氏 力均有作用,腔静脉的血向前流向心,科氏力将使腔静脉移向 身体右侧,降主动脉的血向后流,科氏力指向离开心的血流的 右侧,即当人看起来朝向心时却指向左,因此降主动脉被科氏 力推到左侧.这些效果叠加在前面提到的高密度的肝引起的 沉淀效果上.哺乳动物血管的位置与预料的吻台fPav1ov 1957). 肝主动脉,腔静脉的位置说明身体主要的形态不对称. 4.左右不对称是遗传的还是发展的? 动物获得左右不对称,可以是基因的指挥,或是因为服从 了对物理应力增长的自然法则和其它化学生物因索.也许依 据选尔文进化论是二者结合的结果.作者认为遗传与外力的 作用两者是内外因的统一与对立,诸如:波粒二象性一样阴阳 是互根的.提出对该问题的探讨,不仅对于弄清单倒优势的成 因有益,更会从哲学的角度认识生物界遗传与外界作用两者 辩证关系 然而现代生物学欲把每一种责任都加在基因上,物理应 力的效果陈矫形学和动脉粥样硬化研究外,基本都被忽视矫 形学有众所周知的Woll理(1870)它认为在应力增加时骨 将肥大,当作用在一定长度上的应力增加时.骨密度和长度将 增加观egCowin1986,在粥样形成的研究中,很大的注意力 集中在作用于内壁的切向应力上(Nerem1989),尽管切应力 千倍地小于正常血压下管壁周围的张力应力.最近对应力增 加的反应,心肺血管内发生深刻变化的进速已被注意 到.『FungandLiu.1989).作用在地球上的运动的动物和动 物体内流动的血液上的科氏力加速度是重力加速度的10一咧 10,,但重力是指向地心的.对水平方向左右不对称没有影 响.重力不会使动物发生水平侧移,然而科氏力是水平的将使 质心右移造成右足受力大.通过人的反馈活动建立了右腿比 左腿主动有力的习性. 5研究本假说的意义 我们相信对我们假说的结论进行详细研究,将会提醒人 们不可忽视各种惯性力场,引力场对生物的影响,哪怕是十分 微小的作用,但是它是体力,它将在生物内部造成应力不对 称,或是破坏原有平衡状态.这些讨论似乎已为木星大冲常造 成心血管瘸发病率激增,女子月事近于月周期超到了张目的 作用.假如我们相信冥王星绕13之向心加速度只有3.7×10 米/秒:,月对地水平引潮力产生的加速度只有7.5X10. 米/秒:,日对地引潮力产生的加速度的最大水平分量只有3.3 ×10米/秒,均会产生不可忽视的效应,我们有什么理由否 认千倍地大于此加速度的科氏加速产生的影响呢?何况非生 命界大量的科氏力效应已被公认,而独于生物排斥科氏效应, 是使^难以理解的因此在研究心血管疾患血液流变学的理 论中应关注诸种力场的客观影响,可见否定星象排布对生命 的影响是轻率的 我们的假说如果得不到有力的冲击,似乎就可以承认生 物体内的变革无异于社会的进化,一个微不足道的诱因会造 成整体内部的失衡,乃至主干结构退化或消失.而某枝节结构 竞发展为主干结构,如大动脉之由来,主静脉之退化此种认 识对研究生命演化理论应给予足够的重视.有人提出经络是 否是原始神经系统的退化?我们认为是不无道理的,因为生 命是在斗争中发展的,内部的结构功能受自然选择的制约. 此外,我们假说可以从容地解释,动物捕猎何以常常使用 左爪,为什么95~98%的人右手得力,右足成为主动型.左足 成为从动支撑型,笆蕾舞演员用右脚做复杂动作. 6,科氏力和动物的进化 为什么左右不对称只存在哺乳类?鱼类,两栖类和爬行 类却不明显固为鱼类受科氏力作用后在水中发生偏航,爬 行类是因为他们的质心的高度与宽度比太小fH/L见公式1). 地对他们两腿的作用力的差别小.而哺乳类质心升高,运动速 增大.血速提高,故科氏力起了太的作用 7南半球的动物 如果科氏力使北半球上移动的哺乳类的质心右移,那么 南半球上哺乳类的质心移向左侧吗?如果动物起源并发展在 南半球.回答应为"是,如果理论上相信垒北区是古老的适应 辐射中心中生代末期低等哺乳类爬行类向澳洲,南美洲和 非洲南部迁移.次级辐射中心只有在澳洲太陆漂移后才出 现(BodrinskyandmatveeL1955).回答是"不. 这方面的论据很有趣,但我们还不能确定其参考价值. 8,结束语 尽管上面提到的形态学和生理学的事实支持假说.为进 一 步发展需要收集有关的更多数据,设计试验给这一原因 数量上的验证.例如,转动的圆盘叠加在地球自转上,可用来 增加角速度,从而增加了圆盘上运动的动物身上的科氏力,圆 盘以lrpm速度转动.将获得比地球自转大1440~的角速度. 由NASA~他的ANES实验室MountainViewCallforn!a, 所做的宇航研究中,旋转圆盘可用来试验小动物在明显的 科氏力场中怀胎,出生和生长(HubbaraandHarfe12S 1989.我们可观察到动物形态上不对称的形成,但这些还 没有做.有些宇宙飞船用旋转为宇航员产生重力环境,将是上 面提出的太空动物试验理想场数量试验可说明动静脉血的 密度分布,其它体液在身体不同部位的密度.在短时问和长时 间内应力,生长和变化的关系必然被说明.用数量结果可预 测不同物种的动物将发生怎样的变化.我们感到我们的假说 引来了值得花时间去做的实验.我们希望有一天进化理论也 被带人实验的王国 9,附文补白 为了证实科氏力生物教应的存在佐此文论点,特引 下两倒: f1)北半球球面上,凡向某一中心汇聚的运动均会形成逆 时针旋转现象,如漏斗流体旋转现象,旋风等,而生命中DNA 的双螺旋结构攀援植物的逆时针缠绕当属此倒. (2)北半球球面上,凡由某中心发散的运动,均会形成顺时 针旋转现象.如退潮时水顺时针旋转,村干加粗生长时必多顺 时针旋转.毛发的旋亦多为顺时针旋转.明此理后不可谓针灸 朴泻为臆造. 生命之螺旋生长规律与科氏力不无关联. 致谢 现代着名力学家——敬爱的冯元桢教授为本文拟了题 目,安排了顺序结构,提供了重要的论据,花费了走量的时问 和0血冯老循循善诗,诲人不倦,热切关怀后人的精神极走 地鼓舞着我们,增生了继续探索的勇气.我们将努力奋斗,争 取为祖国为人类做点有益的事于此谨向冯老致以由衷的敬 意} 本文论点在问世之前曾得到着名科学家钱学森教授和着 名医晕家顾方舟教授的关怀,在此谨向二老致以由衷的敬 意}