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下呼吸道是什么,为什么说它体现了大自然的智慧?

SF中文 2023/12/23 12:50:06 责编:梦泽

本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

在自然界中,分形图案很常见,特征是图案的每个部分的形状都一样。最常见的就是树枝了,还有其他许多类似树形的结构,如人类的呼吸道、潮汐树等。除此之外,雪花、罗马花椰菜、菊石、重复镜像等也都是分形图案。

下呼吸道是一个分形图案

在人体中,鼻、咽、喉合称上呼吸道。气管、支气管(包括初级支气管、次级支气管和第三级支气管)和肺部器官,合称为下呼吸道。

人类下呼吸道的结构。(图片来源:Wikipedia)

对于下呼吸道,初级支气管由气管分出,分左右两支,分别为左右两侧的肺输送气体。我们的左肺分上、下两个肺叶,右肺分上、中、下三个肺叶。初级支气管分出的次级支气管,则分别为各个肺叶输送气体。次级支气管分出了第三级支气管,其负责的区域叫做肺段。左右两肺通常都有 10 个肺段。

我们知道,在肺部,进行物质交换的基本单位是肺泡。那么,从第三级支气管到肺泡,通常需要分支 23~25 次。

肺部的气管像生长的树一样,一级级地长出分叉。之所以是这样的结构,是因为我们的肺部空间有限,但是我们需要较大的呼吸面积,以满足物质交换的需求,而这样的分形图案恰好满足了这个需求。

分形图案可能就是大自然为了解决一些复杂问题,提出的美丽、简洁的解决方案。

分形原理在其他器官上的体现

分形其实就是一种自相似性。在人体中,类似的结构还出现在大脑、神经系统、血管、消化系统中。

例如,血管只占人体总体积的 5%,但是却将血液运输到了身体的各个部位,运用的也是分形的原理。动脉分主动脉、大动脉、小动脉和微动脉;静脉分大静脉、中静脉、小静脉、微静脉以及一些不典型静脉;此外,还有众多连接着微动脉和微静脉的毛细血管。

又比如小肠。小肠在腹腔中反复盘曲,每一段看起来都像一个凸起。而在小肠内部,黏膜会向内形成许多褶皱,褶皱上还会伸出许多指状突起,即绒毛。这一层层的结构也形成了分形图案,形成这样的结构同样是为了增加表面积。

有科学家认为,分形是生物生长发育的必然选择,将简单的机制在不同尺度上反复运用,就可以产生复杂的结构,进而完成复杂的生命活动。

潮汐树:大自然在潮滩上栽下的“树”

在自然界中,潮汐也会产生分形图案。水流在潮滩上勾勒出一条条潮沟,在高空俯瞰,一条条潮沟就像生长在海滩上的参天大树。在海边,潮汐树的主干朝向大海,枝杈朝向陆地。

除了海边,在内陆地区,河流也可以形成潮汐树。甚至,雪山的雪随着季节周期性消融和堆积,也会形成树形的分形图案。

在这张图中,我们可以看到北部的喜马拉雅山脉的雪山,以及布拉马普特拉河、恒河汇集在一起,汇入南部的孟加拉湾。我们可以在图中找找,看看有哪些分形图案。(图片来源:Wikipedia)

有观点认为,欣赏分形图案可以缓解压力,那么我们下面再多欣赏一些这样的图案吧。

(图片来源:Pixabay、Pexels)

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关键词:呼吸道生物

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