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自然中的热现象:南极企鹅的抗寒机制

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发表于 2020-4-20 16:23:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
南极是地球上最为寒冷的地方,现有测量记录的最低气温低达-88℃。在南极地区,生活着一群憨态可掬的精灵——企鹅(图1)。和人类一样,企鹅也是温血动物, 体温大约39℃。“物竞天择,适者生存”,为抵御极寒外界环境,在长期的进化过程中,企鹅形成了一套独特的抗寒机制。科学研究表明,企鹅的抗寒秘诀在于羽毛、皮肤以及脚部的逆流热交换机制。
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企鹅的羽毛小而密,往往覆盖着油脂,具有极好的防水性。若羽毛出现油污黏着,会使羽毛失去保温和防水的功能,导致企鹅无法抵御寒冷而死亡。并且,羽毛中的空气能使热量不容易散失,效果比穿上羽绒衣还好。正是因为企鹅的羽毛中存在空气,因此企鹅在刚下水游泳时,羽毛会比较蓬松,身上会不停地冒出小气泡,目的就是为了散开空气,好让身体顺利潜入水里。企鹅一上岸就不时地甩身体,在甩水的同时让空气重新回到身上,保持体温。
企鹅的皮肤裹着一层厚厚的脂肪,大约有3厘米~4厘米,特别是大腹便便的帝企鹅,脂肪更厚。脂肪层是企鹅活动、保持体温和抵抗寒冷的主要能量来源。令人新奇的是,科学家对帝企鹅的红外热成像观测发现,帝企鹅的体表温度低于周围环境温度,比气温低3左右,见图2。这意味着,企鹅可以通过体表的对流传热效应从环境中吸收热量。当然了,企鹅翅膀、头部温度是高于环境温度的。此外,企鹅还得通过热辐射作用向外太空散热。
企鹅脚部没有羽毛也没有脂肪,但进化出特殊的抗冷机制。企鹅脚部的动脉和静脉间存在“逆流热交换”机制(图3),负责运送温暖血液的动脉分成许多小血管,紧靠着数目相近的静脉血管。血液输送时,动脉中的热量会传向静脉,被静脉带回身体,这样体内的热量就不会从脚底散失了。因此,即便是在冬天,企鹅的双脚温度也能保持在2℃~3℃。此外,企鹅还能改变动脉血管直径,以此控制流向双脚的血液流量,天冷时流量就减少,反之流量就增多,像人类一样,天冷血管会收缩,天热时又会扩张。需指出的是,“逆流热交换”不是企鹅独有的抗寒机制,诸如北极熊、雪貂、北极狐等极地生长动物都有类似功能结构。
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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布

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