Chim cánh cụt đứng trên băng, vịt bơi trong hồ nước gần đóng băng mà chân không bị đông cứng và cơ thể không mất nhiệt qua đôi chân trần, là nhờ cơ chế trao đổi nhiệt ngược dòng. Động mạch mang máu ấm xuống chân chạy sát tĩnh mạch mang máu lạnh về, nên nhiệt truyền từ dòng đi sang dòng về trước khi tới bàn chân. Kết quả: bàn chân được giữ lạnh, chỉ vừa đủ ấm để không bị tổn thương, còn hơi ấm thì quay ngược lại thân.
Bài toán của đôi chân trần
Lông vũ là chất cách nhiệt tuyệt vời, nhưng chân chim thường không có lông. Bàn chân là một vùng da mỏng, nhiều xương và gân, tiếp xúc trực tiếp với băng, tuyết hoặc nước lạnh. Nước lấy nhiệt khỏi cơ thể nhanh hơn không khí cùng nhiệt độ rất nhiều lần, nên một con vịt bơi trong hồ mùa đông giống như đang nhúng chân vào một chiếc "máy hút nhiệt".
Nếu máu chảy xuống chân vẫn giữ nguyên nhiệt độ thân, khoảng 40 °C ở chim, thì chân sẽ toả nhiệt liên tục ra môi trường. Ngược lại, nếu cắt máu tới chân thì mô sẽ chết. Thiên nhiên cần một giải pháp ở giữa: vẫn đưa máu xuống nuôi chân, nhưng không để nhiệt đi theo.
Nguyên lý ngược dòng giải thích bằng hai ống nước
Hãy tưởng tượng hai ống nước đặt sát nhau. Ống thứ nhất chở nước nóng đi xuống, ống thứ hai chở nước lạnh đi lên. Nhiệt sẽ truyền từ ống nóng sang ống lạnh qua thành ống. Điểm mấu chốt nằm ở chiều dòng chảy.
- Nếu hai dòng chảy cùng chiều, hai ống nhanh chóng đạt tới một nhiệt độ ở giữa rồi thôi trao đổi. Chỉ khoảng một nửa nhiệt được chuyển.
- Nếu hai dòng chảy ngược chiều, ở mọi điểm dọc theo ống, dòng nóng luôn gặp một đoạn dòng lạnh hơn nó một chút. Nhiệt cứ thế truyền dần suốt chiều dài, và dòng đi xuống có thể nguội gần bằng nhiệt độ ban đầu của dòng đi lên.
Trong chân chim, "ống nóng" là động mạch đi xuống, "ống lạnh" là tĩnh mạch đi lên. Khi máu động mạch tới bàn chân, nó đã nguội đi nhiều, gần bằng nhiệt độ môi trường. Máu tĩnh mạch khi về tới thân đã được làm ấm lại gần bằng nhiệt độ cơ thể. Nhiệt bị "nhốt" trong phần trên của chân, không thoát ra ngoài.
Ở nhiều loài, động mạch còn chia thành một mạng lưới mạch máu nhỏ đan xen với tĩnh mạch, giới giải phẫu gọi bằng tên Latin rete mirabile, nghĩa là "mạng lưới kỳ diệu". Càng nhiều mạch nhỏ đan sát nhau, diện tích tiếp xúc càng lớn, trao đổi nhiệt càng hiệu quả.
Những phép đo kinh điển
Từ giữa thế kỷ 20, các nhà sinh lý học nghiên cứu động vật Bắc Cực, nổi bật là Per Scholander và Laurence Irving, đã đo nhiệt độ ở nhiều điểm trên cơ thể chim và thú vùng lạnh. Họ thấy chân của mòng biển, vịt và nhiều loài khác có thể lạnh hơn thân hàng chục độ, trong khi thân vẫn giữ nhiệt bình thường. Những phép đo ấy đặt nền cho hiểu biết hiện đại về cách động vật "phân vùng" nhiệt độ cơ thể: lõi ấm, chi lạnh.
Ở chim cánh cụt, bàn chân thường chỉ ấm hơn băng vài độ. Chim cánh cụt hoàng đế còn có thói quen đứng ngả về phía sau, tì lên gót và đuôi cứng, nhấc phần lớn bàn chân khỏi mặt băng để giảm tiếp xúc thêm nữa.
Không chỉ là ống cố định: chim điều chỉnh được
Một hệ thống chỉ biết giữ nhiệt sẽ thành gánh nặng khi trời nóng hoặc khi chim vừa bay xong, cơ thể đang thừa nhiệt. Chân chim vì vậy có các van điều chỉnh. Khi cần thải nhiệt, máu được dẫn qua các đường tắt nối thẳng động mạch với tĩnh mạch ở bàn chân, hoặc chảy qua các tĩnh mạch nằm sát da thay vì tĩnh mạch nằm sâu cạnh động mạch. Lúc đó chân trở thành bộ toả nhiệt. Một con mòng biển đứng trên bãi cát nóng có chân ấm hơn hẳn so với khi đứng trên băng.
Ngược lại, khi quá lạnh, mạch máu bàn chân có thể co lại, nhưng cơ thể vẫn định kỳ cho một đợt máu ấm xuống để mô không bị đóng băng. Cân bằng ấy giữ bàn chân ở ngưỡng trên điểm đông một chút: đủ để sống, không thừa để phí.
Vì sao chân lạnh như vậy mà vẫn hoạt động
Bàn chân chim chủ yếu là gân, xương và da, có rất ít cơ. Các cơ điều khiển ngón chân nằm ở phần đùi và cẳng, nơi ấm hơn, kéo ngón qua những sợi gân dài như dây điều khiển con rối. Gân chịu lạnh tốt hơn cơ nhiều. Mô thần kinh và màng tế bào ở bàn chân cũng có thành phần chất béo giúp chúng vẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp. Nhờ vậy chân lạnh mà vẫn bám, vẫn bước, vẫn chèo được.
Cùng một nguyên lý, nhiều nơi khác nhau
Trao đổi ngược dòng là một trong những "phát minh" được tiến hoá tìm ra lặp đi lặp lại ở nhiều nhóm động vật không họ hàng gần, vì vật lý của nó quá hiệu quả.
| Ở đâu | Thứ được trao đổi | Tác dụng |
|---|---|---|
| Chân chim cánh cụt, vịt, mòng biển, hạc | Nhiệt | Giữ nhiệt thân, chân lạnh mà không bị tê cóng |
| Vây và đuôi cá voi, cá heo, hải cẩu | Nhiệt | Giảm mất nhiệt qua vây mỏng trong nước lạnh; mở đường tắt để thải nhiệt khi cần |
| Chân cáo Bắc Cực, chân tuần lộc | Nhiệt | Bàn chân đứng trên tuyết lâu mà thân không mất nhiều nhiệt |
| Cơ của cá ngừ, cá mập mako | Nhiệt (giữ lại bên trong) | Cơ bơi ấm hơn nước, co nhanh và khoẻ hơn |
| Mang cá | Ô-xy | Nước và máu chảy ngược chiều, lấy được phần lớn ô-xy trong nước |
| Thận thú có vú | Muối và nước | Cô đặc nước tiểu, tiết kiệm nước |
| Mũi tuần lộc, lạc đà | Nhiệt và hơi nước | Thu hồi nhiệt và hơi ẩm từ hơi thở ra |
Ví dụ mang cá đáng nhắc riêng. Nước chảy qua lá mang theo một chiều, máu trong lá mang chảy theo chiều ngược lại. Nhờ vậy máu luôn gặp nước giàu ô-xy hơn nó một chút, và cá rút được một tỉ lệ ô-xy rất cao từ nước, nơi ô-xy vốn ít hơn không khí rất nhiều. Nguyên lý giống hệt chân chim, chỉ khác thứ được chuyển là ô-xy thay vì nhiệt.
Đánh đổi: không có gì miễn phí
Bàn chân lạnh nghĩa là bàn chân chậm lành vết thương hơn, dễ bị tổn thương nếu nhiệt độ xuống quá thấp mà máu không kịp đưa xuống. Chim vùng lạnh vì thế có thêm các hành vi bổ trợ: rúc chân vào lông bụng khi đứng nghỉ, đứng một chân thay phiên, ngồi phủ bụng lên chân. Hình ảnh hạc hay mòng biển đứng một chân giữa trời lạnh không phải ngẫu nhiên; một số nghiên cứu cho thấy tư thế này giảm đáng kể nhiệt mất qua chân, dù có thể còn những lý do khác như giữ thăng bằng tiết kiệm sức.
Hệ ngược dòng cũng làm chậm việc làm ấm chân khi chim chuyển từ nơi lạnh vào nơi ấm, và có thể khiến chân phản ứng kém hơn trong vài phút đầu. Đó là cái giá nhỏ so với việc mất nhiệt liên tục qua đôi chân trần cả mùa đông.
Góc nhìn hôm nay: kỹ sư học được gì
Kỹ thuật nhiệt dùng chính nguyên lý này trong các bộ trao đổi nhiệt ngược dòng của nhà máy, hệ thống thông gió thu hồi nhiệt trong nhà ở xứ lạnh, và nhiều thiết bị công nghiệp khác. Không ai biết chắc kỹ sư nào lấy cảm hứng trực tiếp từ chân chim, có lẽ hai bên tìm ra cùng một giải pháp vì cùng một định luật vật lý. Nhưng điều đó càng cho thấy thích nghi sinh học thường là những lời giải "tối ưu" cho các bài toán vật lý rất cụ thể.
Người muốn tự thấy cơ chế này có thể quan sát vịt, ngan hay ngỗng ở hồ nước mùa đông miền Bắc: chúng bơi thản nhiên trong nước lạnh, thỉnh thoảng đứng một chân trên bờ hoặc giấu chân vào lông. Trong sách giáo khoa sinh học, cơ chế ngược dòng thường xuất hiện ở bài mang cá và bài thận; nối các bài ấy lại với chân chim sẽ thấy một nguyên lý chung xuyên suốt.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chân chim cánh cụt không bị đông cứng trên băng?
Nhờ trao đổi nhiệt ngược dòng: động mạch ấm đi xuống chạy sát tĩnh mạch lạnh đi lên, nên máu tới bàn chân đã nguội, chân chỉ ấm hơn băng vài độ. Chim cũng định kỳ đưa máu ấm xuống để mô không đóng băng, và hay tì gót, đuôi để giảm tiếp xúc với băng.
Trao đổi nhiệt ngược dòng là gì?
Là khi hai dòng chất lỏng chảy ngược chiều sát nhau, nhiệt (hoặc chất khác) truyền dần từ dòng này sang dòng kia suốt chiều dài tiếp xúc. Cách sắp xếp ngược chiều chuyển được nhiều nhiệt hơn hẳn so với hai dòng chảy cùng chiều.
Vịt bơi trong nước lạnh có bị lạnh chân không?
Chân vịt lạnh hơn thân nhiều, nhưng không bị tổn thương vì máu vẫn được đưa xuống đủ để nuôi mô. Hệ ngược dòng ngăn phần lớn nhiệt thân thoát qua chân, nên vịt không mất sức giữ ấm.
Vì sao chim hay đứng một chân khi trời lạnh?
Đứng một chân và giấu chân kia vào lông giúp giảm diện tích da trần tiếp xúc với không khí lạnh, nên mất nhiệt ít hơn. Các nhà khoa học cho rằng còn có lý do khác như giữ thăng bằng ít tốn sức, vấn đề này vẫn đang được nghiên cứu.
Mang cá dùng cơ chế ngược dòng như thế nào?
Nước chảy qua mang theo một chiều, máu chảy theo chiều ngược lại. Máu luôn gặp nước giàu ô-xy hơn nó, nên cá lấy được tỉ lệ ô-xy cao từ nước.