◎北京科学中心
当你脱掉了鞋子和袜子,赤脚站在冰面上,你能坚持几分钟呢?你我皆凡人,想必是吹牛10分钟、上场1分钟就败下阵来——这可能还是在温暖的室内得到的成绩——但如果你是一只来自南极的企鹅,别说室内,就算极度严寒的南极,在零下59.4摄氏度的冰面上坚持站上两个月也不成问题。
所以问题来了,为什么企鹅既不怕冷,也不怕冻脚呢?
企鹅为什么不怕冻
先来说说企鹅为什么不怕冻。其实和人类一样,企鹅也是温血动物,也需要靠自身能量的消耗产热,之所以不怕冻,当然是因为它们穿上了厚厚的“企鹅牌羽绒服”啊!
企鹅的保暖装备,可要比市面上卖的羽绒服保暖效果好得多了,别看它看似只有薄薄的一层羽毛,实际上它可是有着4层“保暖材料”呢!
我们从外向内依次来介绍,首先,最外层是一件黑白拼接的“羽毛夹克”。企鹅油性羽毛的排列十分紧密,呈重叠、密集的鳞片状,大约每平方英寸都覆盖了超过70根羽毛,由于这种羽毛是油性的,天然具有绝佳的防水性,因此当企鹅在零下的冰水中“冬泳”时,海水难以浸透,因而不会攻破它的保温防线。企鹅黑白相间的配色也很讲究,我们知道光线照在物体上,一部分会被吸收,另一部分会被反射。颜色越深吸收的可见光就越多,因此黑色的部分有助于在出太阳的时候吸收光线,从而将光线转化为热量。
第二层保暖材料应该绝大多数人想不到,那就是空气!在羽毛和皮肤之间,有一层“空气衣”,这可不是皇帝的新装,空气实则起到的是绝缘隔热的作用,使得体内产生的热气不容易散失。
第三层才是“真皮保暖衣”,也就是皮肤。最后一层则是企鹅的皮下脂肪层,厚达2-3厘米,这可是它们最暖和的“棉衣”!
企鹅为什么不怕冻脚
看过企鹅的朋友们都知道,虽然穿着厚厚的“羽绒服”,但它们的双脚也和我们人类一样,是裸露在外一点毛也没有的。所以实际上它们的脚也很冷,只有1-3摄氏度,但这个温度却不会影响企鹅的行动。
人之所以不能够在冰面上长时间站立,与我们皮肤耐寒性较差有关。当人的脚长时间处于低温或者潮湿的环境,体表的血管就会发生痉挛,使得血液流量减少。因此就算你强行在冰面上站上几个小时,你的脚也会由于组织的缺血缺氧而受到损伤,甚至静脉淤血,最后出现肿胀、瘙痒、红斑、溃烂等冻伤的症状。
而企鹅就不一样了,企鹅的脚主要由肌腱、趾骨和一层厚厚的皮肤构成,控制运动的肌肉主要位于腿上,隐藏在厚厚的脂肪和羽毛之中,在脚掌皮肤下面也长有厚厚的脂肪保护层……但这些都并非企鹅脚抗冻的真正秘诀,企鹅真正不怕冻脚的原因在于它们拥有一套特殊的血液循环系统——逆流热交换系统。
人和企鹅一样,血管分为动脉和静脉,在寒冷环境中,动脉血从身体核心流向四肢,其温度较高;静脉血则将血液从较冰的四肢送回身体核心,通常温度较低。
对于人而言,因为肢体本身也会产生热量,人体血液的温度随着远离心脏下降得并不快,在一定程度上减缓了血液温度的下降。但是,在天寒地冻的南极,如果脚部和地面的温差过大,很容易与寒冷的地面产生快速的热交换,从而使得身体内的热量迅速丧失,所以为了使得动脉血在流向脚部时先把温度降下来,企鹅便进化出了逆热流交换式的血管排列。
这套系统的特别之处在于,向足部供血的动脉血管和返回心脏的静脉血管纠缠在一起,使得温暖的动脉血管能够及时地将热量传递给较冷的静脉血管,静脉血温度则快速上升;同样静脉血管也相当于一个“制冷剂”,及时使动脉血的温度快速下降,这样传递到企鹅足部的动脉血管与地面温差减小,也就降低了与寒冷冰面热交换带来的热量损失,使得他们能够保持足够的温度,不至于脚被冻坏。
而当天气极度寒冷的时候,企鹅还会通过翘起脚尖,用脚跟站立的方式来减少与地面的接触面积,从而减少热量的损失。
(文章来源于微信公众号数字北京科学中心)