Khi tôi được yêu cầu tính toán tổng lượng SARS-CoV-2 trên thế giới cho chương trình BBC Radio 4 Nhiều hơn hoặc ít hơn, Tôi sẽ thừa nhận rằng tôi không biết câu trả lời sẽ là gì. Vợ tôi gợi ý rằng nó sẽ có kích thước bằng một bể bơi Olympic. “Hoặc là hoặc một thìa cà phê,” cô nói. “Thường là câu hỏi này hay câu khác với những loại câu hỏi này.”
Vậy làm thế nào để thiết lập về tính toán gần đúng tổng khối lượng thực sự là gì? May mắn thay, tôi có một số biểu mẫu với các loại ước tính quy mô lớn này, đã thực hiện một số trong số chúng cho cuốn sách của tôi Toán học của sự sống và cái chết. Tuy nhiên, trước khi chúng ta bắt tay vào hành trình số cụ thể này, tôi nên rõ ràng rằng đây là một ước tính gần đúng dựa trên những giả định hợp lý nhất, nhưng tôi vui vẻ thừa nhận rằng có thể có những chỗ mà nó có thể được cải thiện.
Vậy bắt đầu từ đâu? Tốt hơn hết chúng ta nên tính xem có bao nhiêu hạt SARS-CoV-2 trên thế giới. Để làm được điều đó, chúng tôi cần biết có bao nhiêu người bị nhiễm bệnh. (Chúng tôi cho rằng con người chứ không phải động vật là ổ chứa vi rút đáng kể nhất.)
Theo trang web thống kê Thế giới dữ liệu của chúng tôi, nửa triệu người đang xét nghiệm COVID dương tính mỗi ngày. Tuy nhiên, chúng tôi biết rằng nhiều người sẽ không được tính vào danh sách này vì họ không có triệu chứng hoặc chọn không đi xét nghiệm - hoặc vì xét nghiệm rộng rãi không có sẵn ở quốc gia của họ.
Sử dụng mô hình thống kê và dịch tễ học, Viện Đo lường và Đánh giá Sức khỏe đã ước tính rằng số người bị nhiễm bệnh thực sự mỗi ngày là giống hơn 3 triệu.
Số lượng vi rút mà mỗi người hiện đang nhiễm sẽ mang theo bên mình (tải lượng vi rút của họ) phụ thuộc vào thời gian họ bị nhiễm trước đây. Trung bình, tải lượng vi rút được cho là tăng và đạt đỉnh khoảng sáu ngày sau khi nhiễm trùng, sau đó chúng giảm dần.
Trong số tất cả những người bị nhiễm bây giờ, những người bị nhiễm ngày hôm qua sẽ đóng góp một ít vào tổng số. Những người đã bị nhiễm vài ngày trước sẽ đóng góp nhiều hơn một chút. Những người bị nhiễm ba ngày trước vẫn còn hơn một chút. Trung bình, những người bị nhiễm từ sáu ngày trước sẽ có tải lượng vi rút cao nhất. Khoản đóng góp này sau đó sẽ giảm đối với những người đã bị nhiễm bệnh cách đây bảy hoặc tám hoặc chín ngày, v.v.
Điều cuối cùng chúng ta cần biết là số lượng các hạt vi rút mà con người chứa tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình lây nhiễm của chúng. Vì chúng ta biết đại khái tải lượng vi rút thay đổi như thế nào theo thời gian, nên ước tính tải lượng vi rút đỉnh điểm là đủ. An nghiên cứu chưa được xuất bản lấy dữ liệu về số lượng vi rút trên mỗi gram của một loạt các mô khác nhau ở khỉ bị nhiễm bệnh và mở rộng kích thước của mô để đại diện của con người. Ước tính sơ bộ của họ đối với tải lượng vi rút cao nhất nằm trong khoảng từ 1 tỷ đến 100 tỷ hạt vi rút.
Hãy làm việc với phần ước tính cao hơn để chúng ta có được ước tính cao hơn về tổng khối lượng ở phần cuối. Khi bạn cộng tất cả phần đóng góp vào tải lượng vi-rút của mỗi người trong số 3 triệu người bị nhiễm bệnh vào mỗi ngày trước đó (giả sử tỷ lệ 3 triệu này gần như không đổi) thì chúng tôi thấy rằng có khoảng hai triệu tỷ (2x10¹? hoặc hai tỷ tỷ) hạt virus trên thế giới tại một thời điểm bất kỳ.
{vembed Y = w2y5WsYyAA4} Một minh chứng trực quan về cách tính toán có bao nhiêu coronavirus trên thế giới. Tín dụng: Vicki Martin.
Điều này nghe có vẻ là một con số thực sự lớn, và đúng như vậy. Nó gần giống với số lượng hạt cát trên hành tinh. Nhưng khi tính tổng khối lượng, chúng ta phải nhớ rằng các hạt SARS-CoV-2 cực kỳ nhỏ. Ước tính đường kính nằm trong khoảng từ 80 đến 120 nanomet. Một nanomet là một phần tỷ của mét. Nói cách khác, bán kính của SARS-CoV-2 mỏng hơn sợi tóc người khoảng 1,000 lần. Hãy sử dụng giá trị trung bình cho đường kính 100 nanomet trong phép tính tiếp theo của chúng tôi.
Để tính ra khối lượng của một đĩa đơn có hình cầu hạt vi rút, chúng ta cần sử dụng công thức về thể tích của một khối cầu, chắc chắn là trên đầu lưỡi của mọi người:
V = 4? r³/3
Giả sử bán kính 50 nanomet (ở tâm của phạm vi ước tính) của SARS-CoV-2 cho giá trị của r, thể tích của một hạt virus đơn lẻ là 523,000 nanomet³.
Nhân cái này rất nhỏ âm lượng của rất lớn số lượng hạt mà chúng ta đã tính toán trước đó, và chuyển đổi thành các đơn vị có nghĩa cho chúng ta tổng thể tích khoảng 120 mililít (ml). Nếu chúng ta muốn đặt tất cả các hạt virus này lại với nhau ở một nơi, thì chúng ta cần nhớ rằng các khối cầu không kết hợp với nhau một cách hoàn hảo.
Khoảng một phần tư kim tự tháp này là không gian trống. cattosus / Shutterstock
Đóng gói hình cầu
Nếu bạn nghĩ về kim tự tháp của những quả cam mà bạn có thể thấy ở cửa hàng tạp hóa, bạn sẽ nhớ rằng một phần đáng kể không gian mà nó chiếm là trống. Trên thực tế, điều tốt nhất bạn có thể làm để giảm thiểu không gian trống là cấu hình được gọi là “đóng gói hình cầu đóng” trong đó không gian trống chiếm khoảng 26% tổng thể tích. Điều này làm tăng tổng số khối lượng tập hợp của các hạt SARS-CoV-2 vào khoảng 160ml - dễ dàng đủ nhỏ để vừa với khoảng sáu kính bắn. Thậm chí lấy phần trên của ước tính đường kính và tính kích thước của các protein đột biến tất cả SARS-CoV-2 vẫn không đổ đầy lon Coke.
Hóa ra tổng khối lượng SARS-CoV-2 nằm giữa ước tính sơ bộ của vợ tôi về muỗng cà phê và hồ bơi. Thật đáng kinh ngạc khi nghĩ rằng tất cả những rắc rối, sự gián đoạn, khó khăn và mất mạng xảy ra trong năm qua có thể chỉ tạo thành một vài miếng đồ uống chắc chắn sẽ trở thành thứ đồ uống tồi tệ nhất trong lịch sử.
Lưu ý
Christian Yates, Giảng viên cao cấp về Sinh học toán học, Đại học tắm
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
sách_science
