سیستم مغز و اعصاب
عنصر اصلی سیستم عصبی، سلول عصبی یا نورون (Neuron) است. نورون‌ها در ترکیب با یکدیگر، اعصاب (Nerves) را تشکیل می‌دهند، رشته‌هایی که تکانه‌ها یا محرک‌ها را در سراسر بدن منتقل می‌کنند. یک پوشش محافظ از میلین (Myelin)، یک ماده چرب، بخش‌هایی از رشته‌ها را عایق می‌کند.
عملکرد سلول‌های عصبی هم الکتریکی و هم شیمیایی است. در انتهای هر سلول عصبی، نواحی تخصصی به نام پایانه‌های سیناپسی (Synaptic terminals) وجود دارد که حاوی تعداد زیادی کیسه‌های غشایی ریز هستند که مواد شیمیایی انتقال‌دهنده عصبی را در خود جای داده‌اند. این مواد شیمیایی تکانه‌های عصبی را از یک سلول عصبی به سلول دیگر منتقل می‌کنند. پس از اینکه یک تکانه عصبی الکتریکی در امتداد یک نورون حرکت کرد، به پایانه می‌رسد و باعث آزاد شدن انتقال‌دهنده‌های عصبی از کیسه‌های خود می‌شود.
انتقال‌دهنده‌های عصبی از سیناپس (محل اتصال بین نورون‌های مجاور) عبور کرده و تولید بار الکتریکی را تحریک می‌کنند، که تکانه عصبی را به جلو منتقل می‌کند. این فرآیند بارها و بارها تکرار می‌شود تا یک عضله حرکت کند یا شل شود یا یک برداشت حسی توسط مغز ثبت شود. این رویدادهای الکتروشیمیایی را می‌توان “زبان” سیستم عصبی در نظر گرفت، که از طریق آن اطلاعات از یک قسمت بدن به قسمت دیگر منتقل می‌شود.
دو بخش اصلی سیستم عصبی وجود دارد: سیستم عصبی مرکزی (Central nervous system) و سیستم عصبی محیطی (Peripheral nervous system). سیستم عصبی مرکزی شامل مغز و نخاع است. مغز در داخل جمجمه قرار دارد و با ارسال و دریافت پیام از طریق نخاع، عملکردهای بدن را اداره می‌کند. استخوان‌ها، لایه‌های بافتی و مایع مغزی نخاعی از مغز و نخاع محافظت می‌کنند.
هنگامی که پیام‌ها سیستم عصبی مرکزی را ترک می‌کنند، توسط سیستم عصبی محیطی حمل می‌شوند. سیستم محیطی شامل اعصاب جمجمه‌ای (Cranial nerves)(اعصابی که از مغز منشعب می‌شوند) و اعصاب نخاعی (Spinal nerves)(اعصابی که از نخاع منشعب می‌شوند) است. این اعصاب، پیام‌های حسی را از سلول‌های گیرنده در بدن به سیستم عصبی مرکزی منتقل می‌کنند. آنها همچنین تکانه‌های حرکتی را از سیستم مرکزی به بدن منتقل می‌کنند، جایی که عضلات و غُدد می‌توانند به این تکانه‌ها پاسخ دهند.
سیستم عصبی خودکار (Autonomic nervous system)، که بخشی از سیستم عصبی محیطی است، تمام فعالیت‌هایی را که غیرارادی هستند اما برای زندگی ضروری هستند، از جمله فعالیت اندام‌ها و غدد داخلی، تنظیم می‌کند.
این بخش‌ها با همکاری یکدیگر، تنظیم و واکنش بدن به شرایط محیطی داخلی و خارجی را هماهنگ می‌کنند.
اکنون که سیستم عصبی را پوشش دادیم، در بخش بعدی به بحث در مورد مغز، مایع مغزی نخاعی (Cerebrospinal fluid) و سایر عناصر مرتبط می‌پردازیم.
باد خورشیدی چیست؟
باد خورشیدی (solar wind) جریانی پیوسته‌ی از ذرات زیراتمی باردار است که توسط خورشید گسیل می‌شوند. برای انسان‌ها، این جریان نوعی موهبت مختلط (یا دوگانه) است. سیگنال‌های GPS که اکنون به آنها وابسته هستیم، می‌توانند توسط باد خورشیدی دچار اختلال شوند. اما باد خورشیدی همچنین یک سازوکار محرک در پشت شفق‌های قطبی خیره‌کننده – و همتایان جنوبی به همان اندازه زیبای آنها – است.
زمین تنها مکانی نیست که تحت تأثیر این ذرات جاری قرار می‌گیرد. داده‌های تازه‌جمع‌آوری‌شده نشان می‌دهد که باد خورشیدی ممکن است به طور قابل مشاهده‌ای چهره‌ی نمادین ماه را تغییر داده باشد. به علاوه، این باد به تشکیل یک حباب کیهانی (cosmic bubble) کمک می‌کند که تمام همسایگی سیاره‌ای ما را در بر می‌گیرد.
چرا اندازه مغز افراد، متفاوت است؟
روش‌های متعددی برای خاتمه دادن به بحث‌ها و منازعات وجود دارد که اغلب آنها به اندازه مربوط می‌شوند. برای مثال، به نظر می‌رسد والدین روش “چون من گفتم” را به عنوان راهی برای پایان دادن به اختلاف نظر با فرزندانشان ترجیح می‌دهند، زیرا به هر حال، کودکان حداقل برای مدتی کوچک‌تر از آنها هستند. زورگویان مدرسه به داشتن جثه‌های بزرگ شهرت دارند، و همین قامت بلندشان برای حبس‌کردن دانش‌آموزان ضعیف در توالت مزیت بیشتری به آنها می‌دهد. و فرض کنید یک زوج متأهل در مورد بهترین مسیر رسیدن به مقصدشان بحث می‌کنند؛ احتمالاً مرد می‌تواند با گفتن این جمله بحث را خاتمه دهد: “مطمئناً حق با من است! مغز مردان بزرگ‌تر است.”
در واقع، مردان مغزهای بزرگتری نسبت به زنان دارند. وزن متوسط مغز انسان حدود 1200 گرم یا 2.7 پوند است که حدود 2 درصد از وزن بدن ما را تشکیل می‌دهد [منبع: Bryner]. با این حال، مردان پس از در نظر گرفتن تفاوت در وزن کل بدن، حدود 100 گرم برتری دارند (یعنی وزن مغزشان 100 گرم بیشتر از زنان است-م) [منبع: Schoenemann].
این ما را به این سوال دیرینه می‌رساند: آیا واقعاً اندازه مهم است؟ یعنی آیا مرد در این سناریو، وقتی ادعا می‌کند با مغز بزرگ‌ترش باهوش‌تر است، نکته‌ی معتبری دارد؟ در نگاه اول، ممکن است چنین تصور شود، زیرا شیوه‌ای که ما انسان‌ها خود را از اجداد نخستی‌سانان اولیه‌مان متمایز می‌کنیم، از طریق مغزهای بزرگ‌ترمان است. اما اگر بزرگ‌تر بهتر است، آیا این بدان معناست که ما فقط کمی باهوش‌تر از یک فُک دریایی هستیم که مغزش 1.1 کیلوگرم (2.4 پوند) وزن دارد، و بسیار کم‌هوش‌تر از یک نهنگ عنبر هستیم که مغزی به وزن حیرت‌انگیز 7.7 کیلوگرم (17 پوند) دارد؟ [منبع: Bryner]؟
در این مقاله، ما به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت که آیا کمیت مهم است یا کیفیت استفاده از آن. اما ابتدا، به صفحه‌ی بعد بروید تا نگاهی بیندازیم به اینکه چرا کلاه‌ها در اندازه‌های مختلف تولید می‌شوند، یا اینکه چگونه مغزهای ما در اندازه‌های متفاوت شکل می‌گیرند.
سلول‌ها چگونه کار می‌کنند؟
در سطح میکروسکوپی، همه ما از سلول‌ها (یاخته‌ها) تشکیل شده‌ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید – آنچه می‌بینید حدود 10 تریلیون سلول است که به حدود 200 نوع مختلف تقسیم شده‌اند. ماهیچه‌های ما از سلول‌های ماهیچه‌ای، کبد ما از سلول‌های کبدی ساخته شده است و حتی انواع بسیار تخصصی از سلول‌ها وجود دارند که مینای دندان یا عدسی‌های شفاف چشم ما را می‌سازند!
اگر می‌خواهید بفهمید که بدن شما چگونه کار می‌کند، باید سلول‌ها را درک کنید. همه چیز، از تولیدمثل گرفته تا عفونت‌ها تا ترمیم یک استخوان شکسته، در سطح سلولی اتفاق می‌افتد. اگر می‌خواهید مرزهای جدیدی مانند بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک را درک کنید، باید سلول‌ها را نیز درک کنید.
هر کسی که روزنامه یا هر یک از مجلات علمی (Scientific American ،Discover ،Popular Science) را می‌خواند، می‌داند که ژن‌ها (Genes) این روزها خبرساز هستند. در اینجا برخی از اصطلاحاتی که معمولاً می‌بینید آورده شده است:
• بیوتکنولوژی (Biotechnology)
• پیوند ژن
• ژنوم (Genome) انسان
• مهندسی ژنتیک
DNA • نوترکیب
• بیماری‌های ژنتیکی
• ژن درمانی
• جهش‌های DNA
• انگشت‌نگاری DNA یا پروفایل DNA
علم ژن و ژنتیک به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم حقوقی را تغییر می‌دهند!
در این مقاله، به سطح مولکولی خواهیم رفت تا به طور کامل بفهمیم که سلول‌ها چگونه کار می‌کنند. ما ساده‌ترین سلول‌های ممکن را بررسی خواهیم کرد: سلول‌های باکتریایی. با درک نحوه کار باکتری‌ها، می‌توانید مکانیسم‌های اساسی همه سلول‌های بدن خود را درک کنید. این یک موضوع جذاب است؛ هم به دلیل ماهیت بسیار شخصی آن و هم به این دلیل که این دانش، فهم اخبار را بسیار واضح‌تر و آسان‌تر می‌کند. همچنین، هنگامی که نحوه کار سلول‌ها را درک کردید، می‌توانید به سوالات مرتبط دیگری مانند اینها پاسخ دهید:
• ویروس چیست و چگونه در سطح مولکولی کار می‌کند؟
• آنتی بیوتیک چیست و آنتی بیوتیک‌ها چگونه کار می‌کنند؟ چرا آنتی بیوتیک‌ها سلول‌های طبیعی را از بین نمی‌برند؟
• ویتامین چیست و چرا باید هر روز آنها را مصرف کنیم؟
• سموم چگونه کار می‌کنند؟
• زنده بودن، حداقل در سطح سلولی، به چه معناست؟
همه این سوالات پس از درک نحوه کار سلول‌ها پاسخ‌های واضحی دارند – پس بیایید شروع کنیم!
اعصاب چگونه کار می‌کنند؟
به این توجه کنید: شما یک جسم داغ را لمس می‌کنید و بلافاصله آن را رها می‌کنید یا دست خود را از منبع گرما دور می‌کنید. این کار را آنقدر سریع انجام می‌دهید که حتی به آن فکر هم نمی‌کنید. چگونه این اتفاق می‌افتد؟ سیستم عصبی شما همه چیز را هماهنگ می‌کند. سیستم عصبی (Nervous system)، جسم داغ را حس کرده و به عضلات شما علامت می‌دهد که آن را رها کنند. سیستم عصبی شما، که شامل مغز، نخاع، اعصاب محیطی (Peripheral nerves) و اعصاب خودکار (Autonomic nerves) است، تمام حرکات، افکار و احساساتی را که دارید هماهنگ می‌کند. در این مقاله، ساختار و عملکردهای سیستم عصبی شما، نحوه ارتباط سلول‌های عصبی با یکدیگر و با بافت‌های مختلف و اینکه وقتی اعصاب آسیب می‌بینند یا بیمار می‌شوند چه مشکلاتی ممکن است رخ دهد را بررسی خواهیم کرد.
فیبرهای نوری چگونه کار می‌کنند؟
شما نام کابل‌های فیبر نوری را هر زمان که صحبت از سیستم تلفن، سیستم کابلی تلویزیون یا اینترنت می‌شود، می‌شنوید. به نقل از دانشنامه بریتانیکا (Encyclopedia Brittanica)، فیبر نوری را می‌توان به عنوان علم انتقال داده‌ها، صدا و تصاویر از طریق عبور نور از رشته‌های نازک، توصیف کرد.
خطوط فیبر نوری، رشته‌هایی از شیشه خالص نوری به نازکی موی انسان هستند که اطلاعات دیجیتال را در مسافت‌های طولانی منتقل می‌کنند. این کابل‌ها همچنین در تصویربرداری پزشکی و بازرسی مهندسی مکانیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها عملاً فناوری قدیمی‌تر سیم‌های مسی را در مخابرات جایگزین کرده‌اند.
در این مقاله، به شما نشان خواهیم داد که چگونه این رشته‌های کوچک شیشه‌ای، نور را منتقل می‌کنند و روش شگفت‌انگیزی که این رشته‌ها ساخته می‌شوند چگونه است.
گوشی‌های پزشکی چگونه کار می‌کنند؟
صدا هزاران سال است که به عنوان یک ابزار تشخیصی مورد استفاده قرار می‌گیرد(منبع: NPR). شما می‌توانید با گوش گذاشتن یا گذاشتن یک گوشی پزشکی روی سینه یک فرد، اطلاعات زیادی کسب کنید؛ برای مثال، اینکه دریچه قلب به طور کامل بسته نمی‌شود (“whoosh”)، یا اینکه روده مسدود شده است (“gurgle”). کمی پایین‌تر گوش دهید و می‌توانید اندازه کبد را تعیین کنید (منبع: IPAT).
گوشی پزشکی اولیه در اوایل قرن نوزدهم توسط پزشک فرانسوی، رنه لینک (René Laennec)، اختراع شد. اختراع او به او کمک کرد تا صداهای بدن را واضح‌تر بشنود، بله، اما لینک در واقع تلاش می‌کرد به هدف کاملاً متفاوتی دست یابد: ایجاد فاصله بین پزشک و بیمار. بهداشت در دهه 1800 آن چیزی نبود که امروز هست، و پزشک از فشار دادن صورت خود به بدن‌های کثیف، بدبو و پر از شپش خسته شده بود (منبع: IPAT).
گوشی پزشکی لینک اساساً یک لوله توخالی بود. مخترعان دیگر، طرح‌های پیچیده‌تری را به تدریج ایجاد کردند، که با گوشی پزشکی دکتر دیوید لیتمن (David Littmann) مستقر در هاروارد به اوج خود رسید، گوشی‌ای که تقریباً مشابه گوشی‌های آویزان بر گردن ارائه‌دهندگان مراقبت‌های بهداشتی امروزی است (منبع: NPR). مدل‌های گوشی پزشکی لیتمن می‌توانند صداهای ضعیفی مانند ضربان قلب جنین را در شش هفتگی بارداری تشخیص دهند.
در حالی که رایج‌ترین کاربرد آنها تشخیص صداهای قلب و تنفس است، می‌توانند ابزارهای حیاتی در تشخیص ناهنجاری‌ها در سیستم‌های گوارشی و وریدی نیز باشند (منبع : EoS). گوشی‌های پزشکی همچنین می‌توانند در ترکیب با بازوبند فشار خون، به عنوان بخشی از اندازه‌گیری بالینی فشار خون با گرفتن صداهای خون استفاده شوند.
چگونه؟ این در واقع یک رویکرد نسبتاً اساسی برای بهره‌برداری از خواص صدا است. برای درک اینکه چگونه یک گوشی پزشکی، مثلاً، صدای “lub-lub” ضربان قلب را از قلب به گوش‌های پزشک منتقل می‌کند، با اجزای اصلی این ابزار شروع خواهیم کرد. همانطور که خواهید دید، فقط تعداد انگشت‌شماری جزء وجود دارد.
نئاندرتال‌ها مغزهای بزرگتری نسبت به ما داشتند، پس چرا ما باهوش‌تریم؟
بسیاری از ما مقدار کمی DNA نئاندرتال در خود داریم. انسان‌های مدرن با تبار اروپایی یا آسیایی حدود 1 تا 4 درصد از ژن‌های خود را از این انسان‌تبار منقرض‌شده در 30000 سال پیش به ارث برده‌اند. ما با آنها همزیستی داشتیم، و ظاهراً تا 5400 سال چیزی بیش از همزیستی با آنها داشتیم (اشاره به احتمال آمیزش و مراودات این دو گونه یعنی ما و نئاندرتال‌ها-م)، اما سپس آنها منقرض شدند و ما باقی ماندیم. ما دو گونه انسان‌تبار بسیار مشابه بودیم، و دشوار است که مزیت انسان خردمند (Homo sapiens) آن زمان، نسبت به نئاندرتال‌ها را مشخص کنیم: به عنوان مثال، به نظر می‌رسید هر دوی ما در طول آخرین عصر یخبندان شکوفا شدیم و جمعیتمان افزایش یافت. و نئاندرتال‌ها در واقع مغز بزرگتری نسبت به انسان‌های مدرن داشتند، و به نظر می‌رسد کارهای “انسانی” زیادی انجام می‌دادند، مانند دفن مردگان، پخت و پز، و ساخت ابزار و زیورآلات شخصی. پس تفاوت بین یک نئاندرتال و یک انسان مدرن آن زمان چه بود؟ و آیا مغز ما نوعی مزیت پنهان به ما می‌داد؟
قوانین حرکت نیوتن چگونه کار می‌کنند؟
در کنار E = mc²، معادله F = ma مشهورترین معادله در تمام فیزیک است. با این حال، بسیاری از مردم، هنوز هم از این عبارت جبری نسبتاً ساده سردرگم هستند. این معادله در واقع یک نمایش ریاضی از قانون دوم حرکت اسحاق نیوتن، یکی از مهم‌ترین موهبت‌های این دانشمند بزرگ است. واژه “دوم” دلالت بر وجود قوانین دیگر دارد، و خوشبختانه برای دانشجویان و علاقه‌مندان به دانستنی‌ها در همه جا، تنها دو قانون حرکت دیگر وجود دارد که در اینجا آنها آورده شده‌اند:
هر جسمی در حالت سکون یا حرکت یکنواخت خود در یک خط مستقیم باقی می‌ماند، مگر اینکه توسط نیروهای وارد بر آن مجبور به تغییر آن حالت شود.
نیرو برابر است با تغییر تکانه (momentum) در واحد زمان. برای جرم ثابت، نیرو برابر است با حاصل ضرب جرم در شتاب.
برای هر کنش، یک واکنش مساوی و در جهت مخالف وجود دارد.
این سه قانون، بنیان آنچه را که به عنوان مکانیک کلاسیک شناخته می‌شود، یا علمی که به حرکت اجسام مرتبط با نیروهای وارد بر آنها می‌پردازد، تشکیل می‌دهند. اجسام در حال حرکت می‌توانند اجسام بزرگ مانند قمرها یا سیارات در حال گردش باشند، یا می‌توانند اجسام معمولی روی سطح زمین، مانند وسایل نقلیه متحرک یا گلوله‌های پرسرعت باشند. حتی اجسام در حال سکون نیز در این حوزه قرار می‌گیرند.
جایی که مکانیک کلاسیک شروع به از هم پاشیدن می‌کند، زمانی است که این شاخه سعی می‌کند حرکت اجسام بسیار کوچک، مانند الکترون‌ها را توصیف کند. فیزیکدانان مجبور شدند یک پارادایم جدید به نام مکانیک کوانتومی ایجاد کنند تا رفتار اجسام در سطح اتمی و زیراتمی را توصیف کنند.
اما مکانیک کوانتومی فراتر از محدوده این مقاله است. تمرکز ما بر مکانیک کلاسیک و سه قانون نیوتن خواهد بود. ما هر یک را به تفصیل، هم از دیدگاه نظری و هم از دیدگاه عملی بررسی خواهیم کرد. ما، همچنین، در مورد تاریخچه قوانین نیوتن بحث خواهیم کرد، زیرا چگونگی رسیدن او به نتایجش به اندازه خود نتایج مهم است. بهترین جا برای شروع، البته، از ابتدا با قانون اول نیوتن است.
باتری‌ها چگونه کار می‌کنند؟
دنیایی را تصور کنید که در آن هر چیزی که با برق کار می‌کند، باید به پریز وصل شود. در آن دنیا چراغ قوه‌ها، سمعک‌ها، تلفن‌های همراه و سایر وسایل قابل حمل به پریزهای برق متصل می‌شدند و آنها را دست و پا گیر و ناخوشایند می‌کردند. خودروها نمی‌توانستند با چرخاندن ساده یک کلید روشن شوند؛ یک هندل زدن طاقت‌فرسا برای به حرکت درآوردن پیستون‌ها مورد نیاز بود. سیم‌ها همه جا آویزان می‌شدند و یک خطر ایمنی و یک آشفتگی ناخوشایند ایجاد می‌کردند. خوشبختانه، باتری‌ها منبع سیار نیرویی را برای ما فراهم می‌کنند که بسیاری از امکانات رفاهی مدرن را ممکن می‌سازد.
در حالی که انواع مختلفی از باتری‌ها وجود دارد، مفهوم اساسی عملکرد آنها یکسان است. هنگامی که دستگاهی به باتری متصل می‌شود، واکنشی رخ می‌دهد که انرژی الکتریکی تولید می‌کند. این واکنش به عنوان واکنش الکتروشیمیایی (Electrochemical reaction) شناخته می‌شود. فیزیکدان ایتالیایی کنت الساندرو ولتا (Count Alessandro Volta) اولین بار این فرآیند را در سال ۱۷۹۹ کشف کرد، زمانی که یک باتری ساده از صفحات فلزی و مقوا یا کاغذ خیس‌شده در آب نمک ساخت. از آن زمان تاکنون، دانشمندان طراحی اصلی ولتا را بسیار بهبود بخشیده‌اند تا باتری‌هایی بسازند که از مواد متنوعی ساخته شده و در اندازه‌های گوناگونی عرضه می‌شوند.
امروزه، باتری‌ها در همه جای اطراف ما هستند. آنها ساعت‌های مچی ما را برای ماه‌ها روشن نگه می‌دارند. آنها ساعت‌های زنگ‌دار و تلفن‌های ما را حتی اگر برق قطع شود، روشن نگه می‌دارند. آنها آشکارسازهای دود، ریش‌تراش‌های برقی، دریل‌های برقی، پخش‌کننده‌های موسیقی، ترموستات‌ها را به کار می‌اندازند – و البته این فهرست ادامه دارد. اگر در حال خواندن این مقاله روی لپ‌تاپ یا تلفن هوشمند خود هستید، حتی ممکن است همین الان هم از باتری استفاده کنید! با این حال، از آن‌جایی که این بسته‌های نیروی قابل حمل، بسیار رایج هستند، بسیار آسان است که آنها را بدیهی بپنداریم. این مقاله با بررسی تاریخچه باتری‌ها، و همچنین قطعات اساسی، واکنش‌ها و فرآیندهایی که باعث کارکرد آنها می‌شوند، درک بهتری از باتری‌ها به شما می‌دهد. پس سیم برق را قطع کنید و روی راهنمای آموزنده ما کلیک کنید تا دانش خود را در مورد باتری‌ها شارژ کنید.
