“溫血”現(xiàn)象探秘

如果你從今天起不再吃飯，那你絕不可能活過兩個月，而鱷魚不吃不喝卻能活上一年甚至更長時間。我們與鱷魚之間的差別為什么如此之大呢?這是因為我們是溫血動物，我們每天所吃食物產(chǎn)生能量的大部分都在調(diào)節(jié)體溫的過程中消耗掉了；鱷魚則是冷血動物，它們只需要較少的能量就能維持體溫和生理機能。

溫血動物的體溫調(diào)節(jié)(也稱溫血性或溫血狀態(tài))，是地球生命進化中最大的奧秘之一。

溫血動物和冷血動物

在動物學(xué)上，溫血動物(也稱恒溫動物)指的是那些能夠調(diào)節(jié)自身體溫的動物，冷血動物(也稱變溫動物)則是指那些沒有體內(nèi)調(diào)溫系統(tǒng)的動物。除個別的例外，所有的哺乳動物和鳥類都是溫血動物，所有的爬行動物、昆蟲、兩棲動物和魚類都是冷血動物。

動物之所以有溫血與冷血之別，是因為動物血液的溫度與動物的體溫有著直接的聯(lián)系。哺乳動物和鳥類等溫血動物，在較冷的氣候環(huán)境中會產(chǎn)生熱量，將身體保持在一個恒定的溫度，而在較熱的氣候環(huán)境中則會將身體溫度降下來，也保持在恒定的溫度范圍內(nèi)。為了產(chǎn)生熱量，溫血動物需要將所吃食物的一部分轉(zhuǎn)換成熱能。所以，與冷血動物相比，溫血動物需要更多的食物，以保持恒定的體溫。溫血動物所吃食物只有一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)樯眢w質(zhì)量，其余都成為了為保持體溫而“燃燒”掉的“燃料”。

冷血動物只能被動地適應(yīng)周圍的環(huán)境溫度，天氣熱時它們的身體也熱，天氣冷時它們的身體也冷。在較熱的環(huán)境中，冷血動物體內(nèi)的血液溫度遠高于溫血動物，并且表現(xiàn)得非?；钴S，而在較冷的環(huán)境中，它們的血液溫度會下降，行動變得異常遲緩，這是因為它們的肌肉活動能力取決于一系列化學(xué)反應(yīng)，這類化學(xué)反應(yīng)在溫度高時反應(yīng)加速，溫度低時反應(yīng)變慢。與溫血動物相比，冷血動物將更多攝取到的食物能量用于身體的成長發(fā)育。

在炎熱的天氣里，為了保持涼爽，溫血動物會出汗和喘氣，通過蒸發(fā)水分來散熱降溫，或者轉(zhuǎn)移到蔭涼處或水里去涼快。只有哺乳動物才會出汗，靈長類動物，如人類、猿類動物和猴子，身體各處分布有大量的汗腺，而貓和狗只有腳上有汗腺。我們稍加留心就會注意到，狗在太熱的天氣里會張大嘴喘氣，它們是在將多余的熱量從嘴里散發(fā)出來。鯨完全沒有汗腺，但由于它們生活在水中，所以實際上并不需要汗腺。體形較大的哺乳動物在過熱時降溫比較困難，于是像大象這樣的動物就長了一對大而薄的耳朵，用以快速散熱之用。至于保暖，許多哺乳動物的厚厚的皮毛和脂肪可起到御寒作用，比如火烈鳥全身覆蓋著羽毛，在寒冷的天氣里就不用怕冷了。夏天時，一些動物的大部分毛發(fā)會脫落，這樣就會涼爽一些。在天氣變得十分寒冷時，溫血動物還會通過身體的顫抖來產(chǎn)生熱量。一些溫血動物，特別是鳥類，在冬天到來時會遷徙到較溫暖的地區(qū)。

冷血動物常喜歡在陽光下曬太陽，使身體溫暖起來，加快新陳代謝速率。一些種類的蜥蜴為了使身體溫暖起來，會尋找陽光照耀得到的地方，讓自己沐浴在溫暖的陽光下。許多爬行動物在曬太陽時會將自己的身體與太陽光線垂直，讓更多的陽光照射在身上。有些還會讓胸腔膨大起來，以增大身體的表面積，并使皮膚顏色變深，以吸收更多的熱量。如果太熱了，它們則會讓自己的身體與太陽光線平行，或者爬到蔭涼處，還會讓皮膚顏色變淺，或者干脆鉆到?jīng)鏊哪嗤晾??？?，小爬蟲們也很會動腦筋哦!

還有一些冷血動物，比如蜜蜂和蜻蜒，在寒冷環(huán)境中會通過顫抖保持溫暖。生活在水里的魚在冬天的幾個月里會向水深處轉(zhuǎn)移，或者游到更溫暖的水域。有的魚類的血液里含有特殊的蛋白質(zhì)，可以起到類似防凍劑的作用，因此天氣再冷它們也不怕。蛇、蜥蜴、蟾蜍、青蛙、火蜥蜴以及大部分龜類會以冬眠的方式度過嚴(yán)冬。天氣太冷時，有的昆蟲會被凍死，但也有許多昆蟲通過遷移到溫暖地區(qū)或者轉(zhuǎn)移到地下而存活下來。蜜蜂會群居在一起保持溫暖，并通過快速扇動翅膀產(chǎn)生熱量，讓身體體溫高于環(huán)境溫度。

有些動物既不能嚴(yán)格地歸于冷血之類，也不能嚴(yán)格地歸于溫血之類，如蝙蝠。雖然蝙蝠是哺乳動物，但卻不能保持恒定不變的體溫，在不活動時它們的體溫會降低。針鼴鼠屬于哺乳動物中的另類，在冬天會降低體溫，使自己處于一種類似冬眠的狀態(tài)。還有一些溫血動物，如熊、土撥鼠、囊地鼠和蝙蝠，在冬天也會通過冬眠躲避寒冷。冬眠期間，這些動物依靠身體里儲存的脂肪維持生命，冬眠時它們的體溫甚至可降至10℃。天蛾是一種在飛行時可將體溫升得比周圍環(huán)境溫度高得多的昆蟲，因為它們的翅膀在扇動時會產(chǎn)生熱量。蜜蜂也是這樣。

危險而奢侈的生存策略

冷血動物需要通過曬太陽才能獲取熱量，而溫血則可以讓動物在寒冷的氣候中保持活躍，可以用體溫給幼仔提供溫暖舒適的懷抱。但問題是，這樣的優(yōu)勢是要付出一定代價的。對于大多數(shù)鳥類和哺乳動物來說，必須維持體內(nèi)的“爐火”時時刻刻地“燃燒”著。為保持體溫，溫血動物每天攝取的食物量相當(dāng)于體形大小相仿的爬行動物一個月的食物量。如此來看，保持恒定體溫是生命進化中的一種危險而奢侈的生存策略。

哺乳動物和鳥類為什么會進化出這樣一種顯然“奢侈浪費”的生存策略呢?這是生物學(xué)家一直想要弄明白的奧秘之一。被普遍接受的觀點認為，這是體形較小的食肉性動物為保持積極活躍狀態(tài)而進化出的有利于捕食和御敵的生存方式。然而，有科學(xué)家新近提出一種理論：溫血性的進化不僅出現(xiàn)在食肉性動物中，也出現(xiàn)在食草性動物中，溫血是達到營養(yǎng)平衡的一種生存方式。這一理論不僅解釋了何以進化產(chǎn)生了這種顯然“奢侈浪費”的生存方式，而且也解釋了長期困惑我們的一個問題：“恐龍為何會長這么大?”

在哺乳動物和鳥類中，身體的熱量通常是由肝和肌肉等臟器產(chǎn)生的，這些器官通常都比冷血動物大，身體中的“食物燃燒加工廠”——細胞線粒體也是冷血動物的5倍之多。因此，溫血動物能夠通過“燃燒食物”持續(xù)產(chǎn)生熱量；以維持整個身體的體溫。

保持恒溫顯然對熱能的浪費極大，相比之下，一些冷血動物進化出的生存策略的能救更高：棱皮龜為了保存身體產(chǎn)生的熱能，在10℃以上的海水中游動時，會將體溫保持在10℃左右，與其他龜類相比，它們可以在較冷的海水中覓食；旗魚在捕獵時，會選擇性地給眼睛和大腦分配更多的熱量；某些種類的鯊魚和金槍魚在長途旅行時，會讓朋肉保持在略高于水溫之上的溫度；即使是像天蛾這樣小小的昆蟲，也會在需要時產(chǎn)生熱量。

為了更持久的活動能力

那么，為什么大多數(shù)哺乳動物和鳥類要將身體內(nèi)的“恒溫器”一直都調(diào)到最高呢?30年前。美國動物學(xué)家艾伯特·班尼特和約翰·魯本認為，溫血動物的體溫調(diào)節(jié)是為了保持持久的活動能力。他們指出，與其他動物相比，哺乳動物和鳥類擁有最大的有氧能力，能給身體肌肉更多更持久地提供氧氣，從而在追逐獵物和競爭打斗中較長時間地保持和發(fā)揮體力。這一觀點得到了大部分人的贊同。但班尼特和魯本進一步指出：較高的有氧能力不可避免地產(chǎn)生較高的代謝率，也就是說，進化選擇了持久性，同時也就選擇了溫血性。這種說法引起了一些爭議。

許多人不同意這個觀點。他們認為在兩者之間似乎沒有什么明顯的聯(lián)系，有氧能力取決于心血管系統(tǒng)和肌肉，而代謝率則在很大程度上取決于大腦和一些內(nèi)臟器官。更重要的是，有好幾種爬行動物，如巨蜥，也擁有較高的有氧能力，但它們的代謝率卻很低。一些哺乳動物和鳥類在不活動或冬眠時通過降低體溫也能使代謝率保持在較低水平。

關(guān)于這一理論，還存在其他一些無法解釋的矛盾。比如，包括伶盜龍(又稱迅猛龍)在內(nèi)的獸腳類恐龍顯然都擁有較高的有氧能力，它們是溫血動物嗎?連魯本本人也認為當(dāng)然不是，盡管他的有氧能力理論假設(shè)了有氧能力和溫血性之間的聯(lián)系。他說，獸腳類恐龍的行動速度和耐力都很了不起，但它們的代謝率卻很低，這是因為恐龍沒有呼吸鼻甲骨，呼吸鼻甲骨是哺乳動物和鳥類等大多數(shù)溫血動物鼻孔內(nèi)的螺旋狀骨骼或軟骨，有助于在呼吸時減少體內(nèi)水分的流失，防止水分流失對于快速代謝的動物來說可是個大問題。

將多余的碳“燃燒”掉

如果說耐久力和溫血性之間并沒有必然的聯(lián)系，那么溫血性的進化理南在哪里呢?荷蘭研究人員認為，食草性動物面臨的一個問題是如何獲得足夠的氮用來產(chǎn)生蛋白質(zhì)、DNA和RNA。顯然，對于只吃草葉的食草動物來說，可獲得足夠的碳，但卻不能獲得足夠的氮。一些爬行動物也是食草動物，但它們不是完全的素食者，比如一些食草蜥蜴有時也吃蟲子或其他較小的脊椎動物，顯然，這有助于它們克服營養(yǎng)單一之不足。

一些研究人員認為，氮營養(yǎng)不足的問題可解釋為鳥類和哺乳動物溫血性進化的原因。荷蘭科學(xué)家克拉森的解釋是：對于食草動物來說，如果一鏟斗樹葉可滿足其每天所需氮的1/5，那么就得吃五鏟斗樹葉才能滿足氮的需要。可是吃了那么多樹葉，多余的碳怎么辦呢?那就燃燒掉它!

較高的代謝率反過來導(dǎo)致更高的氮需求，現(xiàn)代鳥類和哺乳動物每天的氮消耗量是同等體形爬行動物的4倍。溫血食草動物也許需要吃得更多，但每口食物中的氮含量只要有一半或1／4即可。對于多余的碳，溫血動物還有一個簡單的解決辦法，就是將剩余的碳轉(zhuǎn)變成氣體，然后通過呼吸作用排出體外。

溫血動物有選擇性地吸收富含氮的化合物之后，大量的食物中含有許多身體所不需要的物質(zhì)，需要進化出一種全新的機制來處理它，于是身體就產(chǎn)生了一種有益的人體排泄物：熱量。

化石記錄中的溫血起源之謎

氮平衡是如今許多動物行為的一種驅(qū)動力，但通常為人們所忽略。氮平衡在溫血性起源中是否起到重要作用，只有到化石記錄中去尋找答案。那么，化石記錄能告訴我們些什么呢?

鳥類祖先向溫血性轉(zhuǎn)變大約發(fā)生在1.4億年前的白堊紀(jì)初期，在那個時期，富含氮的顯花植物開始在地球上出現(xiàn)。大氣中的二氧化碳含量開始下降，主要原因是根系更為發(fā)達的顯花植物促進了巖石的風(fēng)化，巖石在風(fēng)化過程中“吃”掉了大氣中大量的二氧化碳。在整個白堊紀(jì)時期，大氣中的二氧化碳減少了一半。

大氣中二氧化碳水平下降使得植物中含氮量微增，為某些恐龍向食草性轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。顯花植物開始繁榮的時間與最早向食草性轉(zhuǎn)變的獸腳類恐龍出現(xiàn)的時間正相吻合。研究發(fā)現(xiàn)，一種叫做“猶他鑄鐮龍”的食草類恐龍就是從早期食肉獸腳類恐龍進化而來的。重要的是，這種恐龍是鳥類最為接近的近親之一?？梢韵胂螽?dāng)時地球陸地上出現(xiàn)的壯觀一幕：顯花植物在地球上繁盛起來，包括鳥類祖先在內(nèi)的體形較小的恐龍開始向溫血性進化，并漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭巢菪詣游铩?/p>

這一轉(zhuǎn)變過程同樣也適用于早期哺乳動物。哺乳動物的祖先二齒獸和犬齒龍類顯然擁有較高的有氧能力，大約在2億年前，也就是在三疊紀(jì)的某個時期，它們開始向溫血性進化。

溫血冷血之利弊

溫血有許多優(yōu)勢。溫血動物在寒冷的天氣里依然可以保持活動能力，而冷血動物在嚴(yán)寒降臨之后幾乎不再活動。溫血動物幾乎可以生活在地球表面的任何環(huán)境中，無論是寒冷的北極地區(qū)還是人跡罕至的高山巔峰，但對于大多數(shù)冷血動物來說，要在這樣的環(huán)境中生存太難了。溫血動物在溫差變化極大的野外環(huán)境中始終能夠生氣勃勃地覓食和御敵，而冷血動物只有在身體足夠溫暖時才擁有這些能力。冷血動物的活動能力取決于周圍的環(huán)境溫度，例如爬行動物只有在體溫升高后才有能力去覓食，也只有在身體溫暖時才有能力躲避捕食動物的捕食，冷血動物的其他一些活動，如尋找配偶和繁殖后代，也需要選擇身體溫暖的時候。

當(dāng)然，冷血并非一無是處，冷血動物擁有溫血動物沒有的優(yōu)勢，比如冷血動物生存所需的能量比溫血動物要少得多。與體形大小相似的冷血動物相比，哺乳動物和鳥類等溫血動物需要更多的食物和能量。由于溫血動物的熱量流失是與它們的身體表面積成正比的，而身體產(chǎn)生的熱量又是與體重成正比的，體形越大的動物，其身體表面積與體重之比越小，所以，溫血的哺乳動物的體形不可能太小，否則它們流失的熱量將會多于產(chǎn)生的熱量。

體形較小的哺乳動物需要更頻繁地進食，因為它們需要更多的能量來保持身體恒定的體溫，同時還需要更多高能量的食物，如水果、種子和昆蟲，甚至包括其他小哺乳動物。體形較大的哺乳動物依靠低能量的食物，或者少吃點也能生存下去。但在沙漠等食物匱乏的環(huán)境里，爬行動物就占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，因為冷血動物不需要“燃燒”大量食物讓身體保持恒溫，它們擁有更高的能效，不進食能夠生存下去的時間也更長。許多冷血動物在食物缺乏的情況上能夠努力將體溫降至最低點。

溫血動物的另一個不利因素是溫暖的身體給病毒、細菌和寄生蟲提供了理想的滋生環(huán)境。哺乳動物和鳥類更容易感染各種傳染病，而爬行動物由于它們不斷變化的體溫，使得病毒等外來入侵者難以落腳。哺乳動物和鳥類在與細菌病毒的長期抗?fàn)幹?，產(chǎn)生了比爬行動物強大得多的免疫系統(tǒng)，爬行動物的免疫系統(tǒng)只有在身體溫暖時才更有效。不過，由于細胞在低溫環(huán)境下繁殖緩慢，爬行動物在受到感染時，通常會通過降低體溫來抵御傳染性疾病。

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