企鵝的腳為什么不怕凍

[英] 米克•奧黑爾 王鳴陽(yáng)

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？

企鵝同其他生活在寒冷地區(qū)的鳥(niǎo)類(lèi)一樣，都已經(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。其實(shí)我們?nèi)祟?lèi)也有類(lèi)似的機(jī)制，所以我們的手和腳在我們感到冷時(shí)會(huì)變得蒼白；當(dāng)覺(jué)得暖和時(shí)，則變得紅潤(rùn)。

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)與這許多動(dòng)脈小血管緊挨在一起的數(shù)目相同的靜脈小血管流回。這樣，動(dòng)脈小血管內(nèi)溫暖血液的熱量就傳遞給了與之緊貼的靜脈小血管內(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。鴨子和鵝的腳也有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，但是，若把它們?nèi)υ跍嘏氖覂?nèi)飼養(yǎng)，過(guò)幾個(gè)星期再把它們放回冰天雪地里，那么它們雙腳貼地的一面就會(huì)被凍壞。這是因?yàn)樗鼈兊纳砘顒?dòng)已經(jīng)適應(yīng)了溫暖的環(huán)境，通向腳部的血流實(shí)際上已經(jīng)被切斷，此時(shí)再回到寒冷環(huán)境，腳部的溫度就會(huì)下降到冰點(diǎn)以下。

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)。

摘自《科學(xué)之友》