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除了冬眠,没有大衣和靴子的动物们如何避免严寒?

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(原标题:Do Animals Hate the Bitter Cold of Winter?)

出品|网易科学人栏目组 小小

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图1:严寒雪地中的松鼠

虽然冬天的天气很恶劣,但是只要穿上皮大衣、戴上针织帽、蹬上羊毛袜子和保暖靴,再加上熊熊燃烧的壁炉之火,对于生活在寒冷气候中的人们来说,这样的冬天过得也算惬意。但是野生动物呢?它们不会被冻僵吗?

任何在寒冷天气遛狗的人都知道,狗狗会冻得瑟瑟发抖,狗爪子通常冰凉。事实上,野生动物也会像人类和宠物那样,死于冻伤和体温过低。

在美国北部,负鼠掉落的尾巴是寒冷天气常见的佐证。在佛罗里达州,罕见的寒流常常导致鬣蜥从树上坠落,海牛也会因寒冷而死亡。

图2:宠物能穿上御寒的衣服

避免寒冷对于保护生命或肢体(如负鼠的尾巴)以及繁殖机会是非常重要的。野生动物必须能够感觉到寒冷,以避免极端天气带来的破坏性影响。

动物也有类似于人类的寒冷体验,比如针刺般的感觉,这种感觉会促使我们尽快暖和起来,否则后果不堪设想。事实上,在所有脊椎动物中,感知温度范围的神经系统机制几乎是完全相同的。

对于温血动物来说,它们面临的冬季挑战是如何在寒冷的环境中保持体内温度。然而,有趣的是,温度感应阈值可以根据生理变化而变化。例如,冷血的青蛙,与老鼠相比,它们能在较低的温度下感受到寒冷。

最近的研究表明,冬眠的哺乳动物(比如Thirteen-lined ground squirrel),只有在体温低于非冬眠的吸热温度时才会感觉到寒冷。

所以动物知道什么时候天气已经寒冷,只是它们感受到的温度不同。当气温骤然下落时,野生动物是在受苦呢,还是继续随遇而安?

图3:有些动物会找个庇护场所等待最糟糕的情况过去,比如这只花栗鼠

对于这些动物来说,一个常见的解决方案是进入“冬眠状态”,即尽量减少活动,看起来就像是在睡觉。

由于动物能够在调节自身体温和让环境影响体温之间进行交替,因此科学家认为它们属于“异温动物”。在恶劣的条件下,这种灵活性为它们提供了保持较低体温的优势。

在某些物种中,体温甚至可以维持低于零摄氏度冰点的水平,尽管这与许多生理功能不兼容。其结果是代谢率降低,从而降低能源和进食需求。

对于体型较小的野生动物来说,特别是蝙蝠、鸣禽和啮齿类动物,冬眠具有节省能量的好处。在自然状态下,这些动物损失的能量更快,因为它们身体的表面积比整体尺寸更大。

为了将体温维持在正常范围内,它们必须比体型较大的动物消耗更多的能量。与哺乳动物相比,鸟类的平均体温更高,这一点尤其明显。

不幸的是,冬眠并不是在寒冷环境中生存的完美解决方案,因为它需要权衡利弊,比如成为另一种动物午餐的风险更高。

无需感到惊讶,动物已经进化出各种各样适应冬季气候的能力。北纬地区的野生动物比靠近热带地区的近亲体型更大,附属肢体(如臂、腿、尾等)更小。

许多动物进化出了帮助它们抵御寒冷的行为:群居、筑巢、挖洞,以及在洞中栖息都是很好的防御措施。随着冬季的临近,有些动物会经历生理上的变化,它们会积累脂肪,长出更厚的皮毛,并在皮毛或羽毛下面的皮肤上形成空气绝缘层。

图4:在像北极狐生活的寒冷气候中,耳廓狐的大耳朵是个不利因素

大自然还发明了其他巧妙的方法,来帮助各种动物应对人类无法忍受的寒冷环境。

你有没有想过,大雁是怎样光着脚舒服地站在冰上的,松鼠又是怎样赤脚站在雪地里的?秘密就在于它们四肢的动脉和静脉非常接近,从而产生了变暖和变冷的梯度。当血液从心脏流向脚趾时,动脉的热量就会转移到静脉,并将脚趾的冰冷血液带回心脏。

这种逆流热交换使身体的核心保持温暖,同时在四肢寒冷时限制热量损失,但不至于冷到造成组织损伤的程度。这种高效的系统被许多陆生和水生鸟类以及哺乳动物所共享,甚至可以解释鱼类鳃中的氧气交换是如何发生的。

说到鱼,它们怎么能在冰冷的水中避免冻成冰呢?因为冰会浮在水面上,鱼可以在冰层表面以下不太冷的温度下自由游动。此外,鱼类可能缺乏其他脊椎动物所共有的感受器。

然而,鱼类确实有独特的酶,使它们的生理功得以在较低的温度下继续维持。在极地地区,鱼甚至有一种特殊的“防冻蛋白”,可以与血液中的冰晶结合,防止大面积结晶。

图5:在部分结冰的池塘里,鲤鱼依然能自由自在地遨游

哺乳动物和鸟类能长时间待在寒冷气温下的另一个秘密武器是棕色脂肪组织或称“棕色脂肪”,它富含线粒体。即使在人体内,这些细胞结构也能以热量的形式释放能量,产生热量,而不需要肌肉收缩,也不需要颤抖时低效利用能量。

颤抖是身体渴望升温的另一种表现方式。这种非颤抖时的热量释放,可以解释安克雷奇人(Anchorage)为何可以在4摄氏度的春日里只穿着短裤和T恤依然感到很惬意的原因。

当然,迁徙也是一种选择,尽管对于野生动物和想要前往赤道附近的人们来说,迁徙的能源成本十分高昂。作为一个物种,人类有能力在某种程度上适应环境,我们中的许多人适应环境的能力更强,但我们并不是特别适应寒冷。

我们可能不会知道动物是否害怕冬天,也很难衡量它们的主观体验,但是野生动物确实有各种各样的策略来提高它们抵御寒冷的能力,确保它们能活到下一个春天。

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