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揭秘动物为何要保持体温恒定


http://www.sciencehuman.com   科学人  网站 2009-06-16

   

  文/王 琪

  我们的体内有一个“大火炉”,它熊熊燃烧,使我们的体温维持在37摄氏度。但是,为什么我们要消耗巨大的能量去维持37摄氏度的体温?接下来,我们一起探寻动物恒温的秘密。

  如果你从今天开始不吃饭,你可能活不过2个月。但是,鳄鱼却可以在不进食的状态下存活1年甚至更长时间。这是为什么呢?因为你把吃进去的大部分食物都浪费在产生热量上。

  大多数鸟类和哺乳类动物是恒温动物,它们体内的热量主要由内脏器官产生,比如肝脏和大脑。这些器官的体积往往比变温动物的大,而且细胞中通过消耗食物中的“碳”产生热量的细胞器——线粒体是变温动物的5倍。它们的基础代谢率高,可以持续地产生热量,以维持恒定的体温。

  为了维持恒定的体温,大多数的鸟类和哺乳类动物付出了“沉重”的代价:一些鸟类和哺乳类动物1天的进食量是相同大小的爬行动物1个月的进食量,这实在是一种巨大的浪费。当然,恒温能给动物带来很多好处。比如,在寒冷的环境下保持活力,为幼崽提供温暖的环境,还可避免特意走到室外吸取阳光中的热量。

  问题是这些好处不是只有恒温动物才有,变温动物也有。尽管变温动物的体温主要依赖外界环境,基础代谢率比恒温动物低;不过,当身体需要热量时,它们能及时供热。看来,它们的生活方式更经济。

  比如,棱皮龟就可以储存游泳时机体产生的多余的能量,使体温比周围的海水高出10摄氏度左右。这样,与其他海龟相比,它们能够在更冷的海水中觅食。剑鱼则可以在捕猎的时候选择性地增加眼部和脑部的热量供应。

  体能与恒温

  那么,为什么大多数的鸟类和哺乳类动物还要浪费热量,维持恒温呢?目前盛行的观点是由美国加州大学的动物学家阿尔伯特·贝内特和美国俄勒冈州立大学的动物学家约翰·鲁本在30年前提出的。他们认为,恒温的进化出自体能的需要。

  为了有足够的体能追逐猎物或与同类竞争,鸟类和哺乳类动物需要持续地给肌肉提供大量氧气,这就要求它们的有氧代谢能力高。贝内特和鲁本认为,如果有氧代谢能力高的话,基础代谢率会随之升高,这样身体也就可以维持恒温。换句话说,体能决定恒温。

  不过,很多人并不同意这一观点,因为目前没有充分的证据将两者联系起来:有氧代谢能力的高低取决于心血管系统和肌肉,而基础代谢率的高低则主要依靠大脑和内脏器官。

  很多爬行动物,比如巨蜥,它们的有氧代谢能力很高,但是基础代谢率却很低。即使是恒温动物,它们也有基础代谢率低的时候,比如一些哺乳类动物和鸟类在休息或冬眠的时候。

  此外,这一观点还存在其他争议。兽脚亚目的食肉恐龙,包括迅猛龙,具有很高的有氧代谢能力。多数学者认为它们最终进化成了鸟类,但是,它们是恒温动物吗?如果按照有氧代谢假说来推理,高的有氧代谢能力带来高的基础代谢率,所以它们应该是恒温动物。

  但是,提出有氧代谢假说的鲁本坚持认为它们不是恒温动物。他认为,尽管兽脚亚目的食肉恐龙速度迅猛、耐力持久,但它们的基础代谢率可能很低,因为它们可能缺乏鼻甲骨。鼻甲骨是一种长在鸟类和哺乳类动物鼻腔内的精细软骨,可以帮助基础代谢率高的动物减少呼吸中流失的水分。

  营养与恒温

  如果体能和恒温之间没有必然联系的话,那么,为什么要进化为恒温呢?让我们到荷兰生态研究所马赛尔·克拉森和巴特·诺里特的研究室看看。他们研究的是化学计量学,也就是动物如何摄取它们所需的营养。

  人们一直对食草动物存有疑问:它们如何摄取足够的氮以制造体内所需的蛋白质、DNA和RNA。从理论上讲,如果只吃树叶,它们只能摄取过多的碳,而不是足够的氮。事实上,尽管一些爬行动物是食草动物,但是它们并不是纯粹的“素食主义者”。加州大学的罗伯特·埃斯皮诺说:“大多数食草的蜥蜴有时会以虫或小型脊椎动物为食,这样它们就不会缺氮。”

  2008年,克拉森和诺里特发现,氮的摄取问题可以解释为什么鸟类和哺乳类动物进化成恒温动物。“如果吃1桶树叶只能满足你每天所需氮总量的五分之一,”克拉森说,“那么,你需要吃5桶树叶。但是,你该如何处置体内多余的碳呢?那就是烧掉它。”

  借助线粒体,消耗体内多余的碳;与此同时,产生热量,让身体维持恒温。换句话说,身体在得到足够氮的时候有了意外的收获——恒温。“这个观点极具创意。”美国亚利桑那州立大学的生态化学计量学专家吉姆·阿瑟说。

  氮平衡影响着当代动物的行为,但常常被忽略。克拉森的观点同时证明了氮平衡在动物进化历程中影响深远。但是,阿瑟认为,氮平衡是否在恒温动物早期的演化中扮演重要角色,这只能从化石中寻找答案。

  那么,化石告诉我们什么呢?哺乳动物的祖先二齿兽和犬齿兽具有很高的有氧代谢率,大概在三叠纪,也就是大约2亿年前,进化成恒温动物。有化石表明,犬齿兽已经具有皮毛和鼻甲骨。但是,有些犬齿兽是食草动物,有些则是食肉动物,我们还不清楚究竟是食草动物还是食肉动物率先进化成恒温动物。

  目前公认的最早转变为食草动物的是兽脚亚目恐龙中的铸镰龙。遗憾的是,现存的铸镰龙的化石还无法提供有效的证据。“目前,我们还不知道铸镰龙的基础代谢率。”美国犹他州盐湖城自然历史博物馆的斯科特·辛普森是铸镰龙的发现者之一。他说,“铸镰龙的头骨只有几个化石碎片,我们无法测量它的鼻甲骨,我们甚至还无法确定它是否具有鼻甲骨。”

  对此,克拉森承认自己的观点还有待进一步证实。假如是食草动物率先进化成恒温动物,它们的进化动力是清除体内多余的碳。那么,食肉动物的进化动力又是什么呢?这是氮平衡假说难以解释的问题。克拉森也表示,“目前,我们还无法确定,获取足够的氮是恒温系统进化的最初动力。当然,我们也不能否定恒温系统的进化可以支持高效的捕食生活。”

  恒温还是变温

  现在看来,简单地将动物归为恒温动物或变温动物不太准确,因为动物调控体温的途径多种多样。这里有一些例子:

  ● 裸鼹鼠无法控制体温,但是因为它们生活在地下,而地下的温度变化不大,所以可以维持30摄氏度的恒定体温。

  ● 一些昆虫,比如蝉,通过排汗降低体温;印度巨蟒和其他一些蛇类,在孵卵时颤抖,以此升高体温。

  ● 大多数蝙蝠和一些鸟类在休息时的体温与环境温度一致。如果环境变冷,它们的体温会随之升高。

  ● 蹄兔无法维持恒定的体温,通常借用爬行动物的取暖方式,比如晒太阳来暖和自己。

  [科学画报]

 

   
 

   

 

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