Людині-мурасі насправді забракло б повітря

Мініатюрні супергерої з коміксів Marvel – Людина-мураха та Оса – зіткнулися б із великою проблемою, якби існували насправді. Адже за законами фізики вони б задихнулися, зменшившись до розміру комахи, з’ясували фізики. Одразу два ефекти зумовлювали б брак кисню у супергероїв. Проте цьому можна зарадити –  відповідною технікою, інтегрованою в костюм.



 

Залізна людина, Халк і Людина-павук – супергероям з коміксів і фільмів під силу надлюдські речі. Декому помагає неймовірна мутація, інші покладаються на високотехнологічні розробки. Останнє стосується й Людини-мурахи та його напарниці Оси – героїв зі Всесвіту Marvel. Завдяки частинці доктора Піма, інтегрованій у костюм, вони можуть зменшуватися до субмолекулярної величини, не втрачаючи типово людської сили.

 

Але чи може людина вижити за такого зменшення суто теоретично? Один з аспектів цього питання вивчили Енн Стейплс (Anne Staple) і Максвелл Мікель-Стайтс (Maxwell Mikel-Stites) з Політехнічного університету штату Вірджинія в Блексбурзі. Їх цікавило: чи легені та органи мініатюрних супергероїв отримуватимуть достатньо кисню? Це не проблема для комах приблизно такого ж розміру, але їхня дихальна система відрізняється від людської кількома суттєвими моментами, пояснили дослідники.

 

Так, людина вдихає повітря лише через один отвір – рот. «Натомість комахи як правило мають від шести до одинадцяти пар дихальних отворів – переважно по парі на сегмент», – сказали Стейплс і Мікель-Стайтс. Інша відмінність: в організмі людини кисень не розподіляється одразу, для цього потрібна допомога еритроцитів. А в комах дихальне повітря разом з киснем проникає до органів безпосередньо через трахею.

 

То що б сталося, якби Людина-мураха та Оса зменшилися? Науковці з’ясували: мініатюрні супергерої зіткнулися б одразу з двома суттєвими проблемами. Перша – доступність молекул кисню в повітрі: «Особа нормального росту, здійснюючи глибокий вдих, вбирає певну кількість молекул кисню, – пояснив Мікель-Стайтс. – Але якщо цю особу зменшити до розміру мурахи, вона зможе вдихнути значно менше». У випадку з Людиною-мурахою – 140 частину звичної людської порції.

 

Причина: для міні-супергероя ефективна щільність газів для дихання зменшується. З огляду на розмір тіла та об’єм вдиху, молекули кисню в середовищі рідше розсіяні, пояснили вчені: «Супергерої б почувалися, як на вершині Евересту – на висоті 8 000 метрів».

 

Тобто з кожним вдихом Людина-мураха отримувала б менше кисню, ніж з гірського повітря – з відповідними наслідками. «В таких умовах організм намагається працювати в звичному темпі за меншої кількості кисню, і мимовільно людина починає компенсовувати брак кисню пришвидшеним диханням», – каже Мікель-Стайтс. Проте це призводить до висотної хвороби або небезпечного легеневого набряку.

 

У комах немає цієї проблеми, оскільки вони мають кілька дихальних отворів, тобто можуть вдихнути за раз в 20 разів більше повітря, ніж людина такого ж розміру. Це помагає наситити організм необхідною кількістю кисню. Проте Людина-мураха та Оса мають лише традиційні людські дихальні шляхи – і, відповідно, малий дихальний об’єм.

 

Але, крім того, в Людини-мурахи та Оси є ще інша проблема: закон Клайбера стверджує, що обмін речовин тварини зростає зі зменшенням їхнього розміру. Тобто що меншою є тварина, то більше енергії потребуватиме – і то вищою буде її потреба в кисні. Коли Людина-мураха зменшується до розміру комахи, її обмін речовин мав би прискоритися (згідно з законом Клайбера) у 100 разів, підрахували вчені.

 

Проте існує рішення, здатне вберегти супергероїв від негативних наслідків зменшення, тобто удушення. Це – їхній костюм. «Людина-мураха та Оса могли б дихати за допомогою поєднання повітряної помпи, компресора та молекулярного фільтра», – пояснили Стейплс і Мікель-Стайтс. Відповідний прилад, що в мініатюрному масштабі працював би ще ефективніше, вже існує у мікрогідравлічній техніці.

 

Інтегрована ззаду костюма помпа могла б всмоктувати повітря, потім воно б концентрувалося у компресорі до необхідної густини. Фільтр би забезпечував, щоб стиснуте повітря було збагачене киснем. Через повітряний шланг це збагачене киснем повітря надходило б до обличчя супергероя. «Костюм вже має маску, тож постачання повітря там організувати зовсім не складно», – сказали вчені. Так, Людина-мураха та Оса принаймні теоретично могли б захиститися від нестачі повітря.

 


Warum Ant-Man ersticken müsste

American Institute of Physics (AIP), 20/11/2018

Зреферувала С. К.

21.11.2018