[圖文]揭秘動物為何要保持體溫恆定 | 陽光歷史

 

A-A+

[圖文]揭秘動物為何要保持體溫恆定

2016年05月10日 奇趣動物-長篇 暫無評論 閱讀 174 次



  我們的體內有一個「大火爐」,它熊熊燃燒,使我們的體溫維持在37攝氏度。但是,為什麼我們要消耗巨大的能量去維持37攝氏度的體溫?接下來,我們一起探尋動物恆溫的秘密。


  如果你從今天開始不吃飯,你可能活不過2個月。但是,鱷魚卻可以在不進食的狀態下存活1年甚至更長時間。這是為什麼呢?因為你把吃進去的大部分食物都浪費在產生熱量上。


  大多數鳥類和哺乳類動物是恆溫動物,它們體內的熱量主要由內臟器官產生,比如肝臟和大腦。這些器官的體積往往比變溫動物的大,而且細胞中通過消耗食物中的「碳」產生熱量的細胞器——線粒體是變溫動物的5倍。它們的基礎代謝率高,可以持續地產生熱量,以維持恆定的體溫。


  為了維持恆定的體溫,大多數的鳥類和哺乳類動物付出了「沉重」的代價:一些鳥類和哺乳類動物1天的進食量是相同大小的爬行動物1個月的進食量,這實在是一種巨大的浪費。當然,恆溫能給動物帶來很多好處。比如,在寒冷的環境下保持活力,為幼崽提供溫暖的環境,還可避免特意走到室外吸取陽光中的熱量。


  問題是這些好處不是只有恆溫動物才有,變溫動物也有。儘管變溫動物的體溫主要依賴外界環境,基礎代謝率比恆溫動物低;不過,當身體需要熱量時,它們能及時供熱。看來,它們的生活方式更經濟。


  比如,稜皮龜就可以儲存遊泳時機體產生的多餘的能量,使體溫比周圍的海水高出10攝氏度左右。這樣,與其他海龜相比,它們能夠在更冷的海水中覓食。劍魚則可以在捕獵的時候選擇性地增加眼部和腦部的熱量供應。


  體能與恆溫


  那麼,為什麼大多數的鳥類和哺乳類動物還要浪費熱量,維持恆溫呢?目前盛行的觀點是由美國加州大學的動物學家阿爾伯特·貝內特和美國俄勒岡州立大學的動物學家約翰·魯本在30年前提出的。他們認為,恆溫的進化出自體能的需要。


  為了有足夠的體能追逐獵物或與同類競爭,鳥類和哺乳類動物需要持續地給肌肉提供大量氧氣,這就要求它們的有氧代謝能力高。貝內特和魯本認為,如果有氧代謝能力高的話,基礎代謝率會隨之升高,這樣身體也就可以維持恆溫。換句話說,體能決定恆溫。


  不過,很多人並不同意這一觀點,因為目前沒有充分的證據將兩者聯繫起來:有氧代謝能力的高低取決於心血管系統和肌肉,而基礎代謝率的高低則主要依靠大腦和內臟器官。


  很多爬行動物,比如巨蜥,它們的有氧代謝能力很高,但是基礎代謝率卻很低。即使是恆溫動物,它們也有基礎代謝率低的時候,比如一些哺乳類動物和鳥類在休息或冬眠的時候。


  此外,這一觀點還存在其他爭議。獸腳亞目的食肉恐龍,包括迅猛龍,具有很高的有氧代謝能力。多數學者認為它們最終進化成了鳥類,但是,它們是恆溫動物嗎?如果按照有氧代謝假說來推理,高的有氧代謝能力帶來高的基礎代謝率,所以它們應該是恆溫動物。


  但是,提出有氧代謝假說的魯本堅持認為它們不是恆溫動物。他認為,儘管獸腳亞目的食肉恐龍速度迅猛、耐力持久,但它們的基礎代謝率可能很低,因為它們可能缺乏鼻甲骨。鼻甲骨是一種長在鳥類和哺乳類動物鼻腔內的精細軟骨,可以幫助基礎代謝率高的動物減少呼吸中流失的水分。


  營養與恆溫


  如果體能和恆溫之間沒有必然聯繫的話,那麼,為什麼要進化為恆溫呢?讓我們到荷蘭生態研究所馬賽爾·克拉森和巴特·諾裡特的研究室看看。他們研究的是化學計量學,也就是動物如何攝取它們所需的營養。


  人們一直對食草動物存有疑問:它們如何攝取足夠的氮以製造體內所需的蛋白質、DNA和RNA。從理論上講,如果只吃樹葉,它們只能攝取過多的碳,而不是足夠的氮。事實上,儘管一些爬行動物是食草動物,但是它們並不是純粹的「素食主義者」。加州大學的羅伯特·埃斯皮諾說:「大多數食草的蜥蜴有時會以蟲或小型脊椎動物為食,這樣它們就不會缺氮。」


  2008年,克拉森和諾裡特發現,氮的攝取問題可以解釋為什麼鳥類和哺乳類動物進化成恆溫動物。「如果吃1桶樹葉只能滿足你每天所需氮總量的五分之一,」克拉森說,「那麼,你需要吃5桶樹葉。但是,你該如何處置體內多餘的碳呢?那就是燒掉它。」


  借助線粒體,消耗體內多餘的碳;與此同時,產生熱量,讓身體維持恆溫。換句話說,身體在得到足夠氮的時候有了意外的收穫——恆溫。「這個觀點極具創意。」美國亞利桑那州立大學的生態化學計量學專家吉姆·阿瑟說。


  氮平衡影響著當代動物的行為,但常常被忽略。克拉森的觀點同時證明了氮平衡在動物進化歷程中影響深遠。但是,阿瑟認為,氮平衡是否在恆溫動物早期的演化中扮演重要角色,這只能從化石中尋找答案。


  那麼,化石告訴我們什麼呢?哺乳動物的祖先二齒獸和犬齒獸具有很高的有氧代謝率,大概在三疊紀,也就是大約2億年前,進化成恆溫動物。有化石表明,犬齒獸已經具有皮毛和鼻甲骨。但是,有些犬齒獸是食草動物,有些則是食肉動物,我們還不清楚究竟是食草動物還是食肉動物率先進化成恆溫動物。


  目前公認的最早轉變為食草動物的是獸腳亞目恐龍中的鑄鐮龍。遺憾的是,現存的鑄鐮龍的化石還無法提供有效的證據。「目前,我們還不知道鑄鐮龍的基礎代謝率。」美國猶他州鹽湖城自然歷史博物館的斯科特·辛普森是鑄鐮龍的發現者之一。他說,「鑄鐮龍的頭骨只有幾個化石碎片,我們無法測量它的鼻甲骨,我們甚至還無法確定它是否具有鼻甲骨。」


  對此,克拉森承認自己的觀點還有待進一步證實。假如是食草動物率先進化成恆溫動物,它們的進化動力是清除體內多餘的碳。那麼,食肉動物的進化動力又是什麼呢?這是氮平衡假說難以解釋的問題。克拉森也表示,「目前,我們還無法確定,獲取足夠的氮是恆溫系統進化的最初動力。當然,我們也不能否定恆溫系統的進化可以支持高效的捕食生活。」


  恆溫還是變溫


  現在看來,簡單地將動物歸為恆溫動物或變溫動物不太準確,因為動物調控體溫的途徑多種多樣。這裡有一些例子:


  ● 裸鼴鼠無法控制體溫,但是因為它們生活在地下,而地下的溫度變化不大,所以可以維持30攝氏度的恆定體溫。


  ● 一些昆蟲,比如蟬,通過排汗降低體溫;印度巨蟒和其他一些蛇類,在孵卵時顫抖,以此升高體溫。


  ● 大多數蝙蝠和一些鳥類在休息時的體溫與環境溫度一致。如果環境變冷,它們的體溫會隨之升高。


  ● 蹄兔無法維持恆定的體溫,通常借用爬行動物的取暖方式,比如曬太陽來暖和自己。


標籤:



給我留言