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        企鵝的腳為什么不怕凍

        2021-10-28 01:52:54王鳴陽(yáng)編譯
        思維與智慧·下半月 2021年10期
        關(guān)鍵詞:小靜脈雙腳企鵝

        王鳴陽(yáng)編譯

        南極的企鵝在冬季長(zhǎng)時(shí)間踩在冰雪上,它們的腳為什么不會(huì)凍壞?

        企鵝已經(jīng)適應(yīng)了寒冷的氣候,能夠盡可能少地散失熱量,保持自己身體主要部分溫度在40℃左右。但是它們的腳卻很難保暖,因?yàn)槟_上既不長(zhǎng)羽毛,也沒(méi)有鯨脂一類(lèi)脂肪的防護(hù),而且還有相對(duì)來(lái)說(shuō)很大的面積。

        于是,企鵝通過(guò)兩種機(jī)制來(lái)防止腳被凍壞。一種機(jī)制,是通過(guò)改變向雙腳提供血液的動(dòng)脈血管的直徑來(lái)調(diào)節(jié)腳內(nèi)的血液流量。當(dāng)寒冷時(shí),減少腳部的血液流量;當(dāng)比較溫暖時(shí),增加血液流量。

        此外,企鵝在其雙腳的上層還有一種“逆流熱交換系統(tǒng)”。向腳提供溫暖血液的動(dòng)脈血管分叉為許多的小動(dòng)脈血管,同時(shí),在腳部變冷的血液又通過(guò)與這許多小動(dòng)脈血管緊挨在一起的數(shù)目相同的小靜脈血管流回。這樣,小動(dòng)脈血管內(nèi)溫暖血液的熱量就傳遞給了與之緊貼的小靜脈血管內(nèi)的逆流冷血,結(jié)果,真正帶到腳部的熱量其實(shí)是很少的。

        在冬季,企鵝腳部的溫度僅保持在冰點(diǎn)溫度以上1℃~2℃,這樣就最大限度地減少了熱量散失,同時(shí)也防止了腳被凍傷。

        企鵝的腳不會(huì)凍壞之謎,是可以從生物化學(xué)的角度來(lái)加以部分說(shuō)明的,而且很有意思。

        氧與生物體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合,通常是一種強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)。一個(gè)血紅蛋白分子吸收和添加氧原子,要釋放出大量的熱量(DH)。在相反的逆反應(yīng)中,當(dāng)血紅蛋白分子釋放出氧原子時(shí),通常會(huì)吸收同等數(shù)量的熱量。然而,氧化反應(yīng)和脫氧反應(yīng)發(fā)生在生物體的不同部分,也就是說(shuō)發(fā)生兩種反應(yīng)所在的分子環(huán)境不同(比如說(shuō)酸度不同),整個(gè)過(guò)程的結(jié)果,則是熱量的散失或增加。

        具體到南極企鵝的情形,在包括腳在內(nèi)的外圍冷組織中,DH值要比人類(lèi)小得多。這就帶來(lái)兩個(gè)好處。首先,在進(jìn)行脫氧反應(yīng)時(shí),企鵝的血紅蛋白所吸收的熱量大為減少,于是,它的雙腳就不容易凍壞。第二個(gè)好處來(lái)自熱力學(xué)定律。根據(jù)熱力學(xué)定律,任何一種可逆反應(yīng),包括血紅蛋白的氧化反應(yīng)和脫氧反應(yīng),較低的溫度有利于進(jìn)行放熱反應(yīng),而不利于反方向進(jìn)行的吸熱反應(yīng)。因此,在低溫下,對(duì)于大多數(shù)物種,都是吸收氧的反應(yīng)進(jìn)行得比較激烈,而不容易進(jìn)行釋放氧的反應(yīng)。一個(gè)物種所具有的DH值如果相對(duì)來(lái)說(shuō)不高不低正合適,那么這就意味著,在冷組織中血紅蛋白對(duì)氧的親和力不會(huì)變高到使氧無(wú)法從血紅蛋白脫離出來(lái)。

        (秋水長(zhǎng)天摘自《科學(xué)之友》)

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