ഉറുമ്പുകൾ എന്ന വെയ്റ്റ് ലിഫ്റ്റേഴ്സ്

കഴിഞ്ഞ ദിവസം നിത്യജീവിതത്തിലെ ശാസ്ത്രസംശയങ്ങൾ ചോദിച്ച് ഞാനൊരു പോസ്റ്റിട്ടിരുന്നത് ചിലർക്കെങ്കിലും ഓർമ്മ കാണും. കുറേയെറെ രസകരമായ ചോദ്യങ്ങൾ അവിടെനിന്ന് വഭിച്ചിട്ടുണ്ട്. അതിൽ നിന്ന് തെരെഞ്ഞെടുത്ത രണ്ട് ചോദ്യങ്ങളാണ് ഇന്ന് നമ്മളിവിടെ ചർച്ച ചെയ്യാൻ പോകുന്നത്. രണ്ട് ചോദ്യങ്ങളും ഉറുമ്പുകളെ പറ്റിയാണ്:

1. ഉറുമ്പുകൾക്കെങ്ങനെയാണ് തങ്ങളെക്കാൾ ഭാരമുള്ള വസ്തുക്കളെ പുല്ല് പോലെ ഉയർത്തിക്കൊണ്ട് പോകാൻ സാധിയ്ക്കുന്നത്?
2. വളരെയധികം ഉയരങ്ങളിൽ നിന്ന് വീണിട്ട് പോലും ഉറുമ്പുകൾക്ക് പരിക്ക് പറ്റാത്തത് എന്തുകൊണ്ട്?

രണ്ട് ചോദ്യങ്ങളും ശരിയ്ക്കുള്ള നിരീക്ഷണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. ഒരുമിച്ച് ആലോചിക്കുമ്പോൾ ഉറുമ്പുകൾ ബാലമംഗളത്തിലെ നമ്പോലനെപ്പോലെ ശക്തിമരുന്ന് കുടിച്ച അതിബലശാലികളാണ് എന്നതിന്റെ തെളിവുകളായി തോന്നിയേക്കാം. പക്ഷേ ഈ രണ്ട് ചോദ്യങ്ങളുടേയും ഉത്തരം അല്പം വ്യത്യസ്തമായ കാരണങ്ങളാണ്. ഓരോന്നായി നോക്കാം.
ശരിയ്ക്കും ഉറുമ്പുകൾക്ക് നല്ല ‘മസിൽ പവറു’ണ്ട് എന്നത് സത്യമാണ്. ഒരുറുമ്പ് അതേ വലിപ്പമുള്ള മറ്റൊരു ഉറുമ്പിന്റെ ശരീരമോ തന്നെക്കാളും വലിപ്പമുളള അരിമണിയോ ഒക്കെ എടുത്തോണ്ട് പോകുന്നതാണ് നമ്മൾ കണ്ടിട്ടുള്ള ശക്തിപ്രകടനങ്ങളെങ്കിലും, ശരിയ്ക്കും അവയുടെ ബലം അതിനെക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ്. ഒപ്പമുള്ള ചിത്രം നോക്കൂ.

Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC)-ന്റെ ശാസ്ത്രഫോട്ടോഗ്രഫി മത്സരത്തിൽ ഒന്നാം സ്ഥാനത്തെത്തിയ ഒരു ഫോട്ടോയാണിത്. ഒരു ഉറുമ്പ്, മിനുസമുള്ള ഒരു പ്രതലത്തിൽ തന്നെക്കാൾ നൂറ് മടങ്ങ് ഭാരമുള്ള ഒരു വസ്തുവും കടിച്ചുതൂക്കി തലകീഴായി നിൽക്കുന്നു! ഏത് സർക്കസിൽ കണ്ടിട്ടുണ്ട് ഇതിലും അത്ഭുതപ്പെടുത്തുന്ന കായികപ്രകടനം?

ഉറുമ്പുകളെ ഇത്രയും വലിയ ഫയൽവാൻമാരാക്കുന്നത് അവരുടെ വലിപ്പം തന്നെയാണ്. വലിപ്പവും കായികശേഷിയും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം അല്പം ട്രിക്കി ആണ്. ഭാരം ഉയർത്തുന്ന കാര്യം പറയുമ്പോൾ രണ്ട് കാര്യങ്ങളാണ് കണക്കിലെടുക്കേണ്ടത്– ഒന്ന് ഉയർത്തുന്ന പേശിയുടെ ബലം, രണ്ട് ഉയർത്തപ്പെടുന്ന വസ്തുവിന്റെ ഭാരം (weight). പേശിയുടെ ബലം അതിനെ കുറുകെ മുറിച്ചാലുള്ള പ്രതലത്തിന്റെ വിസ്താരത്തിന് (cross-sectional area, CSA) ആനുപാതികമായിരിക്കും. നീണ്ട മസിലിനെക്കാൾ വീർത്ത മസിലിന് ശക്തി കൂടുതലാകുന്നത് ഇതുകൊണ്ടാണ്. മസിലിന്റെ വിസ്താരം ശരീരവലിപ്പത്തിന് ആനുപാതികമാകുമെന്ന് കരുതിയാൽ വലിപ്പത്തിന്റെ സ്ക്വയറിന് അനുസരിച്ചാണ് മസിലിന്റെ ശക്തി കൂടുന്നത് എന്ന് കാണാം. എന്നാൽ ഒരു വസ്തുവിന്റെ ഭാരം അതിന്റെ വ്യാപ്തത്തിന് (volume) ആനുപാതികമായിരിക്കും. വ്യാപ്തം എന്നാൽ വലിപ്പത്തിന്റെ ക്യൂബിന് അനുസരിച്ചാണ് മാറുന്നത്. scaling എന്ന സങ്കല്പമാണ് ഈ പറഞ്ഞുവരുന്നത്. ഇത് ഗണിതപരമായി ഇത്തിരി സങ്കീർണമായതിനാൽ മനസിലാവാൻ വേണ്ടി ഒരല്പം over-simplify ചെയ്ത് പറയേണ്ടിവരും. ക്യൂബ് ആകൃതിയിലുള്ള മൂന്ന് ജീവികളെ പരിഗണിക്കുക (മിക്കവാറും കാർട്ടൂണിലേ കാണൂ അതുപോലുള്ള ജീവികൾ!). 0.5 cm (5 mm) , 2 cm, 20 cm എന്നിങ്ങനെയാണ് അവയുടെ വലിപ്പം. 5 mm വലിപ്പമുള്ള ജീവിയുടെ CSA എന്നത് 0.5 × 0.5 = 0.25 cm²-ഉം വ്യാപ്തം 0.5  × 0.5 × 0.5 = 0.125 cm³-ഉം ആയിരിക്കും. 2 cm വലിപ്പമുള്ള വസ്തുവിന് ഇവ യഥാക്രമം 4 cm² ഉം 8 cm³ ഉം ആണ്. 20 cm വലിപ്പമുള്ള വസ്തുവിനെ സംബന്ധിച്ചാണെങ്കിൽ ഇവ 400 cm², 8000 cm³ എന്നിങ്ങനെയാണ്. 5 mm വലിപ്പമുള്ള വസ്തുവിൽ നിന്ന് 20 cm വലിപ്പമുള്ള വസ്തുവിൽ എത്തുമ്പോൾ CSA 0.25-ൽ നിന്ന് 400-ൽ എത്തിയിരിക്കുന്നു. അതായത് 1600 മടങ്ങ് വർദ്ധന. എന്നാൽ വ്യാപ്തമോ? അത് 0.125-ൽ നിന്ന് 8000 ആയി. ഇത് 64000 മടങ്ങാണ്!! ഒരു ജീവിയുടെ ശക്തിയും ഭാരവും തമ്മിലുള്ള അനുപാതം CSA-യും വ്യാപ്തവും തമ്മിലുള്ള അനുപാതമായി കരുതാം. അങ്ങനെയെങ്കിൽ 0.5 cm, 2 cm, 20 cm എന്നീ വലിപ്പങ്ങളുള്ള ജീവികൾക്ക് അത് യഥാക്രമം  2 (0.25/0.125), 0.5 (4/8), 0.05 (400/8000) എന്നിങ്ങനെയാണ്. 50 cm വലിപ്പമുള്ള ജീവിയ്ക്ക് ഈ അനുപാതം 0.02 മാത്രമേ ഉണ്ടാകൂ. ഇതിൽ നിന്നും മനസിലാകുന്നത് വലിപ്പം കൂടുന്തോറും ജീവികളുടെ ശക്തി-ഭാരം അനുപാതം കുറയും എന്നാണ്. അതായത് വലിയവയിൽ നിന്ന് ചെറിയവയിലേയ്ക്ക് എത്തുമ്പോൾ ശരീരത്തിന്റെ ബലം കൂടുന്നതിനെക്കാൾ വളരെ വേഗത്തിലാണ് ഭാരം കൂടുന്നത്. അതുകൊണ്ട് വലിപ്പം കൂടിയ ജീവികൾക്ക് ഭാരം ഉയർത്താനുള്ള ശേഷിയും കുറയും. (ഇവിടത്തെ കണക്ക് over-simplified ആണെന്ന് പറഞ്ഞുവല്ലോ. അല്പം കൂടി ആഴത്തിലുള്ള ഗണിതം താങ്ങാനാവുന്നവർക്ക് ഈ ലിങ്ക് നിർദ്ദേശിക്കുന്നു: Scaling Applied to Biology)

ഉറുമ്പിന്റെ കാര്യം നമ്മൾ കരുതുന്നതിനെക്കാൾ ഗംഭീരമാണ്. അവയുടെ കഴുത്തിലെ വിശേഷപ്പെട്ട മസിലുകൾക്ക് അവയുടെ വലിപ്പത്തിന്റെ അയ്യായിരം മടങ്ങ് വരെ ഭാരം താങ്ങാനാകുമെന്നാണ് ഒരു പഠനം സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ശക്തിയുടെ കാര്യം പറയുമ്പോ ഉറുമ്പിന് അവാർഡ് കൊടുത്ത് യോഗം പിരിച്ചുവിടാൻ നിർവാഹമില്ല. നേരത്തെ പറഞ്ഞ 5000 മടങ്ങ് ജീവനുള്ള ഉറുമ്പിന് ഉയർത്തി നടക്കാവുന്ന ഭാരത്തിന്റെ കണക്കല്ല. അതിന്റെ കഴുത്തിലെ മസിലിന് താങ്ങാനാവുന്ന ഭാരമാണ്. മയക്കിയ ഉറുമ്പിനെ സെൻട്രിഫ്യൂഗിൽ തല ചേർത്ത് ഒട്ടിച്ച്, അത് കറക്കി, തലയും ഉടലും വേർപെട്ട് പോകുന്ന വേഗത നോക്കി അതിൽ നിന്ന് കണക്കാക്കിയ ഭാരമാണത്. നേരിട്ട് നിരീക്ഷിച്ചിട്ടുള്ളതിൽ ഏറ്റവും വലിയ വെയ്റ്റ്-ലിഫ്റ്റർ ചാണകവണ്ടുകളാണ്. സ്വന്തം ഭാരത്തിന്റെ 1140 മടങ്ങ് ഭാരമാണ് അവ പുല്ല് പോലെ വലിച്ചോണ്ട് പോകുന്നത്. ഒരു മനുഷ്യന് ഈ റെക്കോഡ് ഭേദിക്കണമെങ്കിൽ കറഞ്ഞത് 95 ടൺ ഭാരമെങ്കിലും ഉയർത്തേണ്ടിവരും! 

ഇനി രണ്ടാമത്തെ ചോദ്യത്തിലേയ്ക്ക് വരാം.വളരെ ഉയരത്തിൽ നിന്ന് വീണാലും ഉറുമ്പിന് –അല്ലെങ്കിൽ അതുപോലുള്ള ചെറിയ ജീവികൾക്ക്– അപകടമൊന്നും പറ്റില്ല. ഇതിന്റെ ഉത്തരം സത്യത്തിൽ വളരെ ലളിതമാണ്- ഭാരക്കുറവ്. താഴെവീഴുമ്പോൾ ഉണ്ടാകുന്ന അപകടത്തിന് കാരണം വേഗത്തിൽ താഴേയ്ക്ക് വരുന്ന ജീവി തറയുമായി ഇടിച്ച് നിശ്ചലാവസ്ഥയിൽ വരുമ്പോൾ അതിന് അനുഭവപ്പെടുന്ന ബലം ആണ്. ബലം എന്നത് ആക്കവ്യത്യാസത്തിന്റെ നിരക്കാണ് എന്ന് ന്യൂട്ടന്റെ രണ്ടാം നിയമം പറയുന്നു. ആക്കം എന്നാൽ പിണ്ഡം (mass, m), വേഗത (v) എന്നിവയുടെ ഗുണനഫലമാണ് (p = mv). ഒരേ ഉയരത്തിൽ നിന്ന് സ്വതന്ത്രമായി രണ്ട് വസ്തുക്കൾ താഴേയ്ക്ക് വീണാൽ അവ താഴെയെത്തുമ്പോൾ രണ്ടിനും ഒരേ വേഗത ആയിരിക്കും. പക്ഷേ പിണ്ഡം കൂടിയ വസ്തുവിന് ആക്കം കൂടുതലായിരിക്കും. അതുകൊണ്ട് തന്നെ താഴെയെത്തി നിശ്ചലമാകുമ്പോൾ അവയ്ക്ക് രണ്ടും അനുഭവപ്പെടുന്നത് രണ്ട് ബലങ്ങളായിരിക്കും. ഉറുമ്പിനെയും മനുഷ്യനെയും തമ്മിൽ താരതമ്യം ചെയ്താൽ, പത്ത് മീറ്റർ ഉയരെ നിന്ന് വീഴുന്ന 70 കിലോ ഭാരമുള്ള ഒരാളുടെ ആക്കം 1 ഗ്രാം ഭാരമുള്ള ഒരു ഉറുമ്പിന് ഉണ്ടാവണമെങ്കിൽ അത് പതിനായിരക്കണക്കിന് കിലോമീറ്റർ ഉയരെ നിന്ന് വീഴണം. ആ സാഹചര്യത്തിൽ മറ്റനേകം ഘടകങ്ങൾ കൂടി പരിഗണിക്കേണ്ടിയും വരുമെന്നത് വേറെ കാര്യം.