企鵝的腳丫不怕凍

王鳴陽

南極的企鵝在冬季長時間踩在冰雪上，它們的腳為什么不會凍壞？

企鵝同其他生活在寒冷地區的鳥類一樣，都已經適應了寒冷的氣候，能夠盡可能少地散失熱量，保持身體主要部分溫度在40℃左右。但是它們的腳卻很難保暖，因為腳上既不長羽毛，也沒有鯨脂一類脂肪的防護，而且還有相對來說很大的面積。

于是，企鵝通過兩種機制來防止腳被凍壞。一種是通過改變向雙腳提供血液的動脈血管的直徑來調節腳內的血液流量。寒冷時，減少腳部的血液流量；比較溫暖時，增加血液流量。其實我們人類也有類似的機制，所以我們的手和腳在我們感到冷時會變得蒼白；在我們覺得暖和時，則變得紅潤。

此外，企鵝雙腳的上層有一種“逆流熱交換系統”，向腳提供溫暖血液的動脈血管分叉為許多的小動脈血管，同時，在腳部變冷的血液又通過與這許多動脈小血管緊挨在一起的數目相同的靜脈小血管流回。這樣，動脈小血管內溫暖血液的熱量就傳遞給了與之緊貼的靜脈小血管內的逆流冷血，結果，真正帶到腳部的熱量其實是很少的。

在冬季，企鵝腳部的溫度僅保持在冰點溫度以上1～2℃，這樣就最大限度地減少了熱量散失，同時也防止了腳被凍傷。鴨子和鵝的腳也有類似的結構，但是，若把它們圈在溫暖的室內飼養，過幾個星期再把它們放回冰天雪地里，那么它們雙腳貼地的一面就會被凍壞。這是因為它們的生理活動已經適應了溫暖的環境，通向腳部的血流實際上已經被切斷，此時再回到寒冷環境，腳部的溫度就會下降到冰點以下。

企鵝的腳不會凍壞的原理，還可以從生物化學的角度加以說明。氧與生物體內的血紅蛋白結合，通常是一種強烈的放熱反應。一個血紅蛋白分子吸收和添加氧原子，要釋放出大量的熱量（DH）。在相反的逆反應中，當血紅蛋白分子釋放出氧原子時，通常會吸收同等數量的熱量。然而，氧化反應和脫氧反應發生在生物體的不同部分，也就是說發生兩種反應所在的分子環境不同（比如說酸度不同），整個過程的結果則是熱量的散失或增加。

具體到南極企鵝的情形，在包括腳在內的外圍冷組織中，DH值要比人類小得多。這就帶來兩個好處。首先，在進行脫氧反應時，企鵝的血紅蛋白所吸收的熱量大為減少，于是，它的雙腳就不容易凍壞。第二個好處來自熱力學定律。根據熱力學定律，任何一種可逆反應，包括血紅蛋白的氧化反應和脫氧反應，較低的溫度有利于進行放熱反應，而不利于反方向進行的吸熱反應。因此，在低溫下，對于大多數物種，都是吸收氧的反應進行得比較激烈，而不容易進行釋放氧的反應。一個物種所具有的DH如果相對來說不高不低正合適，那么這就意味著，在冷組織中血紅蛋白對氧的親和力不會變高到使氧無法從血紅蛋白脫離出來。