奥林匹克科学

多年来，有数百部关于恐龙的电影和数千张照片，科学家们仔细地将它们的形状和生活方式拼凑在一起。然而，绘制一幅准确图画的一个关键信息却被遗漏了——颜色。

哺乳动物和大多数动物的颜色是由色素分子产生的，这些色素分子无法在石化过程中存活下来。然而，耶鲁大学的Jakob Vintner和他的同事们可能已经找到了一种方法来填补至少一些恐龙的空白。

他们一直在研究七千万年前生活在现在巴西的鸟类的羽毛化石。他们注意到羽毛上有一些小的碳块带。到目前为止，这些都被认为是吃羽毛的细菌的残留物，但温特纳认为它们实际上是黑素体的化石——羽毛中的小块，含有黑色色素真黑素，这种色素与皮肤细胞中的色素有关，这种色素会让你被太阳晒黑。

众所周知，这种色素可以抑制细菌的生长，而且羽毛中有很多肿块的部分似乎比那些肿块少的部分保存得更好。

在现代羽毛中，这些黑素体的形状和分布决定了羽毛的颜色，因此，如果有足够多的黑素体被保存下来，人们应该能够分辨出羽毛在成为化石之前的颜色。鸟类是恐龙现存的近亲，有几根恐龙羽毛被保存了下来，所以我们很有可能从保存在它们身上的黑素体中分辨出它们的颜色。

太阳能电池价格昂贵且难以生产，因为它们必须在计算机芯片工厂生产，所以你想要最大限度地从每个电池中获得能量。一种方法是使用相对便宜的镜子或透镜将光集中到电池上。这意味着几倍多的阳光将落在太阳能电池上，这样你就可以用你的钱获得更多的电力。然而，使用透镜或镜子的光线越集中，就越需要精确地将它们指向太阳，这意味着这些系统需要昂贵和高维护的机械系统。它们还需要昂贵的冷却系统，因为它们往往会浪费大量的热能。

现在，麻省理工学院(MIT)的Michael Currie和他的同事开发了一种系统，可以将来自任何方向的光集中起来。他们在一块玻璃上涂上一种染料，这种染料可以吸收一个波长的光，然后在稍长的波长上重新发射光。这种重新发射的光向随机方向移动，其中大部分通过称为全内反射的过程被困在玻璃片内。你可以通过在玻璃表面添加一些污垢来做类似的事情。这会使光散射，有些会被困在玻璃里，但灰尘也会使光向其他方向散射。麻省理工学院团队的染料经过特殊设计，不会吸收它发出的光，这意味着大量的光被困在玻璃上，你只需要把太阳能电池放在外面。每个电池产生的电量大约是正常情况下的10倍。

另一个优点是，你可以选择染料产生的光的波长，使其成为太阳能电池吸收的最佳波长。这意味着更少的能量被浪费为太阳能电池中的热量，所以它不会那么容易过热，减少了对昂贵的冷却剂的需求。

这个系统转换了大约6.8%的太阳能，这不是很大，但它的制造成本应该要低得多，你可以在任何有有色窗户的地方使用它，所以摩天大楼可以发电，而不是只使用大量的电力。

答案是这是一种完全不同的燃料来源。这两种燃料在发动机中的表现完全不同。汽油发动机有火花塞，而柴油发动机没有。这是最简单的区别。在汽油发动机中，活塞在汽缸中向下运动。它吸入一些空气，同时加入一些燃料，如果你是喷射发动机，或者如果你是正常吸气的发动机，只是吸入空气。接下来发生的事情是活塞再次上升，压缩汽油和空气的混合物。这让它变得更热，因为当你压缩物体时，它们会升温，但还不足以点燃汽油。就在活塞到达汽缸顶部之前，火花塞启动，点燃了一个火花，点燃了燃料-空气混合物。它燃烧得非常快，把液体变成气体，占据很多很多倍的空间。 This increase in volume inside the cylinder drives the piston back down inside the cylinder creating power. That's the power stroke. On the way up again the exhaust valves open and you blow the exhaust out. That's how a petrol engine works.

柴油发动机的不同之处在于你完全依赖于发动机的压缩来发生爆炸。发生的是活塞下降。如果你有一个普通的，老式的柴油发动机就像拖拉机和其他东西上的那样，它会在活塞上方吸引一个充满空气的圆柱体:有点像你拉动一个注射器，把空气灌进注射器。接下来发生的事情是活塞会上升当活塞上升时它会压缩吸入的空气。如果你的发动机上有一个涡轮增压器实际上它会迫使更多的空气在压力下进入汽缸。这里的空气比圆柱体中通常的要多。当气缸上升时，它会压缩所有的空气，当你压缩空气时(就像把拇指放在自行车打气筒的末端)，空气会变得非常非常热。温度高达数百摄氏度，就在活塞的顶部压缩空气，就在气缸的顶部，燃油泵启动，它向气缸顶部的过热空气中喷射出柴油的细雾。这种柴油雾立即开始燃烧，就像汽油发动机一样，它产生了大量的汽油。它膨胀得非常快，这就是产生强力冲程的原因。 No spark plugs in a diesel engine. That's basically, in a nut shell, the difference.

在以前的奥运会比赛中，我们已经看到了一些新闻报道，运动员被发现使用类固醇等提高成绩的药物来增加他们赢得比赛的机会。但这真的能起到多大的推动作用呢?现在我们请到了埃塞克斯大学的克里斯·库珀博士为我们详细介绍。

克里斯:为了提高表现，人们应该在自己身上塞些什么东西?

克里斯·C -各种各样的事情。如果你看看Dwain Chambers，现在的热门话题，他服用了至少7到8种不同的化合物。他在服用糖尿病患者服用的胰岛素。他在服用睾丸素，他在服用一种叫做The Clear的东西这是一种神奇的化合物是在旧金山开发的不会被药物测试机构检测到。他在服用甲状腺激素前体。他们采取各种各样的措施，有些有效，有些可能有效，也可能无效。

克里斯:那么如果我想提高自己的表现，什么代理会在我身上起作用?

Chris C -如果你不健康，其实很多事情都会起作用。困难在于，如果你是超级精英运动员。提高成绩的药物大致有三种。你可能听说过合成代谢类固醇，它能增加你的肌肉质量。有些东西可以促进你的有氧运动，所以类固醇可以帮助你参加力量项目。在有氧运动中帮助你的化合物增加了你能输送的氧气量:基本上是增加了你体内红细胞的数量。然后是兴奋剂，像安非他明，可卡因，莫达非尼这些是否有效还不太清楚。

克里斯:你认为这更多的是一种心理影响吗?因为很多人说赢得一场比赛有90%是心理因素，对吗?

是的，这是一种心理效应。心理学是生物化学的一个分支，我是一个生物化学家，所以它们是神经心理学。是的，药物是直接作用于大脑，还是运动员真的认为他们获得了优势，这是一个有趣的问题。

克里斯:你认为这可能会给他们一种心理角度，因为他们会感到更自信。胜利者赢得比赛，不是吗?有一种连胜现象，当人们赢了一次后，他们会感到信心增强，这会让他们再次获胜。

克里斯-当然。很明显，人们服用了安慰剂。即使在环法自行车赛中，这是一种药物鸡尾酒，有些人说我不想给他这种超级兴奋剂鸡尾酒，他们给了他糖溶液，他赢得了比赛。这是很多事情的结合。

Chris -看看你可以放入体内的药剂，在生化水平上它们是如何工作的?

Chris C -最近在这方面做了很多工作。这是一个正在发展的领域。类固醇，合成代谢类固醇，它们的作用似乎是在你停止运动后，提高你的肌肉质量。过去人们认为，当你在做举重时，它们可以让你锻炼得更长、更努力。现在人们认为，他们主要是在演习后进行重塑。这可能就是类固醇的作用。增加你的含氧量的化合物是通过增加你体内的促红细胞生成素来起作用的。这就是所谓的EPO。它控制着红细胞的数量所以基本上你只是增加了红细胞的数量。

克里斯:如果你像一些人过去做的那样，跑步上山，这样你就可以进行高原训练，那你是怎么做到的?这是同一种现象吗?

Chris C -是的，关键是不要跑上山。它是上山，而不是跑到那里。你去山上，当你在那里的时候，你的身体适应了较低的氧气，因为山上的氧气更少。它会产生更多的红细胞。这样做的问题是，你不能在山上训练得很好，所以现在的想法是住在高处，训练在低处。你乘缆车上山，把缆车停在那里，然后到山脚下进行训练。

克里斯-我确实在什么地方读到过有人在床上买了一个相当于氧气帐篷的东西，这样他们就可以模拟珠穆朗玛峰半山间的氧气水平来睡觉了。然后他们会在白天起床，在海平面上锻炼。这本来应该和爬山一样。

克里斯·C -是的。它们很常见，很容易买到，不那么贵，也不违法。在东德的日子里，他们曾经有整个低氧的体育馆，运动员就住在那里。

科学如何帮助运动员以合法的方式做事?

克里斯·C:在大学里，我们做了很多事情试图模拟药物可能产生的效果。比如在运动前尝试换气，这会改变你的血液pH值，这意味着你可以更好地跑400米。这是一种极端的版本，非常困难。其他能让你兴奋的东西就像服用兴奋剂一样所以你应该试着训练来产生同样的化学效果。你还可以加入一些合法的药物。

克里斯-跟我们多说一点吧。如果我现在开始训练，对我来说什么是好的养生法，我可以使用什么设备来确保我能最有效地训练?

克里斯·C:这完全取决于你要做什么运动。如果你想成为Paula Radcliffe或者是Linford Christie。你会怎么做完全取决于这一点。如果你在做一个力量项目，你大部分时间都在健身房，尤其是在冬季的淡季。如果你参加长跑比赛，你会跑很长的距离。当然还有营养团队和运动科学团队一起工作。

我想知道是否有任何天然衍生(或只有合成)类固醇。另外，如果有天然类固醇，运动员有可能在日常饮食中摄入吗?这会取消他参加任何体育赛事的资格吗?

Chris C -这真是一个有趣的问题。有天然类固醇。睾酮是一种天然类固醇，显然男性比女性分泌更多。服用睾酮是违法的，因为它不是你正常饮食的一部分。你不可能得到不通过药物测试的饮食。在任何正常饮食中服用类固醇都很难产生效果，因为它们口服不起作用。你必须注射，很明显你在作弊。人体从这些人造化合物中产生的代谢物也是非法的，因为机构说这意味着你服用了代谢物。有一种担忧是，如果你在某种饮食下进行剧烈运动，你可能会自然产生少量这些代谢物。接下来的问题是，制药公司设定了什么样的水平。 It's difficult to take the natural compound to fail a drugs test. The bodies make it that way. They don't want to fail people for that.

马里奥:理论上，人类最快能跑多远?在所有最新的血液和药物的帮助下，人类最快能跑多远?

克里斯·C:愤世嫉俗的回答是，我们知道这一点，因为我们有蒂姆·蒙哥马利作为一个例子，但后来他被尤塞恩·博尔特打败了。我认为这是一个很难回答的问题。现在的世界纪录是9分72秒(男子100米)，没有证据表明这是非法的。你可以推断出你可能得到的结果。我认为我们会越来越多地看到基因异常，那些有基因异常的人会让他们表现得更好这将是造成差异的原因。一个典型的例子是一位芬兰越野滑雪运动员，他的EPO系统天生活跃。他体内产生了大量的红细胞，因为他有基因缺陷。当然，这不是缺陷。我想你们会看到这些变化发生在碰巧有突变的人身上。因此很难推断。

克里斯-在本周的《英国医学杂志》上，帝国理工学院的多米尼克·威尔斯发表了一篇社论。他说我们都很担心药物之类的东西但是人们开始给自己注射基因兴奋剂还要多久呢?我们知道某些基因确实可以提高表现。如果你愿意的话，人们还需要多久才能找到方法来打开或增加肌肉的基因，让它们在基因上更健康?

Chris C -我相信大家都在想这个问题。如果你读到一篇科学论文，说这对你的运动有帮助，而发表这些论文的人都是出于医学原因，突然就会有一大群人，通常是健美运动员说我怎么能做到?这很难，但令人惊讶的是，仅仅改变一个基因或上调一个基因似乎就会对人类的表现产生影响。我很惊讶，但如果你们中有人上过youtube，你们肯定会看到这张图片，这只老鼠在它的肌肉中植入了一个额外的基因，它正在跑步机上跑步。它就像金霸王(Duracell)的老鼠一样，永远走下去。我认为很明显，世界反兴奋剂机构召开了会议，试图对此进行测试。我认为这很难，我认为很难做到因为我们甚至还不能在医学上做到这一点。

我们向克里斯·库珀教授提出了这个问题:

愤世嫉俗的回答是，我们知道这一点，因为我们有蒂姆·蒙哥马利作为一个例子，但后来他被尤塞恩·博尔特打败了!我认为这是一个很难回答的问题。现在的世界纪录是9分72秒(男子100米)，没有证据表明这是非法的。你可以推断出你可能得到的结果。我认为我们会越来越多地看到基因异常，那些有基因异常的人会让他们表现得更好这将是造成差异的原因。一个典型的例子是一位芬兰越野滑雪运动员，他的EPO系统天生活跃。他体内产生了大量的红细胞，因为他有基因缺陷。当然，这不是缺陷!我想你们会看到这些变化发生在碰巧有突变的人身上。因此很难推断。

Meera -性能运动服在当今的体育赛事中发挥着重要作用，因此它是一个不断发展的科学研究领域。本周，我去了拉夫堡大学(Loughborough University)的体育技术学院，会见了体育技术专家丹·图恩(Dan Toon)和汤姆·沃勒(Tom Waller)，看看体育技术到底是怎么回事。汤姆·沃勒报道。

汤姆-体育技术是让运动员为比赛日做好准备的一个非常大的机器的一部分。如果你想一下，运动科学家将会处理他们的技术，他们的状态，他们的营养。心理学家帮助他们为这一天做准备。我们要处理他们所有的设备。任何与运动员互动的无生命物体，从鞋子，袜子，压缩服，训练服，康复辅助设备，手套，头盔——你能想到的。如果这是运动员在比赛中必须与之互动的东西，那么运动技术专家就会参与到这个过程中来。

米拉:所以你一直在做的很多项目都是在帮助我们的奥运选手。你们在改进哪些特定的设备?

汤姆:现在有一个非常大的项目是关于鞋子个性化的。从本质上讲，我们正在研究的是调整鞋子的特性来帮助短跑。

Meera:为什么需要为运动员量身定做鞋子?为什么他们就不能穿那些在大街上就能买到的衣服呢?

Dan -对于一名优秀的运动员来说，个性化鞋子的机械性能以获得最佳表现是很重要的。为了给你更多的细节，我一直在特别关注唯一的单位。在冲刺冲刺中，这与标准运动鞋有很大不同。标准的运动鞋有一种弹性或灵活的鞋底单位，而短跑钉是由一个非常硬的鞋底单位。

米拉-我可以看到，你这里有一些样品。底部其实很结实。我不知道短跑运动员的鞋有这么硬。

丹:我实际上做的是设计了一系列不同的刚度，从非常灵活的到非常僵硬的，就像你展示的那样。然后我让运动员们穿着冲刺鞋跑步，进行跳跃和各种与冲刺相关的任务，然后测量他们穿着不同鞋子的表现，这样我就可以量化他们的表现有何不同。

Meera -为了让他们跑得更快，它对他们的身体或腿做了什么?

Dan:这可以归结为简单的机制。如果我们通过增加鞋子的硬度来观察踝关节，你本质上做的是增加杠杆长度，在脚部产生的力的施加点，在踝关节本身。通过使鞋变硬，你可以增加杠杆的长度，因此它们可以更有效地产生能量。

米拉:这有多大的不同?你看到那些尝试过的人有什么不同吗?

Dan -一般来说，当我们将其与赤脚进行比较时，通过优化僵硬度，你可能会期望在脚踝处产生双倍的机械能。这对于在冲刺中从a点到b点有很大的不同。

米拉-汤姆，有什么比诉诸毒品更好，更不道德的呢?

汤姆-我们要小心行事。当你谈到提高成绩时，你总是提出一些担忧。一方面，药物正在改变人类。它们真的改变了那个人的生理构成，而我们把东西固定在外面。例如，在丹的情况下，我们正在研究鞋子，以及我们如何优化鞋子，以提高运动员的表现，但前提是在规则范围内。我们没有做的是在它们的脚底放上巨大的弹簧，让它们跳得更高、跳得更远或跑得更快。当我们来到这个星球上的时候，我们基本上是赤裸的，我们赤裸着，没有任何这些工具和衣服:我们身边的鞋子，设备。所有这些运动都涉及到我们与之互动的事物。在游泳方面，我们戴着帽子，戴着护目镜，因为我们必须应对我们表演的环境。我们让运动员更舒适，我们帮助他们在最佳水平上表现。

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丹·图恩和汤姆·沃勒在拉夫堡大学工作，他们是大声喧哗- EPSRC的一部分
科学与工程新展望(噪音)。

我们向克里斯·库珀教授提出了这个问题:

这有点像运动员有生物识别护照，表明他们都是同一水平，并把他们当作一级方程式赛车对待。在自行车和越野滑雪中，如果你有太多的红细胞，你就不能参加比赛，因为它被认为是不安全的。你可能会心脏病发作。你没有被禁止。克里斯·史密斯:事实上，有人可能几个月前就储存了一单位的血液，建立了他们的血液，然后在大赛前重新注入，以提高他们的氧气容量。

Chris Cooper -是的，但是如果你设置的水平太低，他们就会失败。这就是诀窍，把它设置在一个公平的水平上。

我们向克里斯·库珀教授提出了这个问题:

肯定有人这么说过。这让我想起了一个伟大的真实故事，关于一个奥运会100米短跑运动员，他没有通过约翰所说的测试——睾丸激素过多。在他的辩护中，他说那天是他妻子的生日，所以他不得不在前一天晚上做爱五次，这就是为什么他的睾丸素那么高。他下车了!

克里斯·史密斯:不止一个!

克里斯·库珀-是的，不管怎样，是的!克里斯·史密斯——是真的吗?

克里斯·库珀——这个故事是真的。我认为睾丸素的变化取决于你是否有性生活。不是他声称的那么多。我不认为你可以用它来提高表现。在比赛前一晚这么做可能不是个好主意。