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      北極熊和科迪亞克棕熊到底誰大?熱力學(xué)公式告訴我們答案,物理學(xué)不會(huì)說謊

       華箋流香 2021-04-01

      生活在科迪亞克島上的棕熊通常被認(rèn)為可以達(dá)到驚人的體重,很多人認(rèn)為它們比北極熊大。棕熊和北極熊之間沒有生殖隔離,雖然顏色看起來差別很大,但是它們是同一個(gè)物種。

      在寒冷的天氣里,它們都需要體重和皮毛來保持體溫。

                   

      》溫血?jiǎng)游锷眢w能夠維持恒定體溫的原因,就在于構(gòu)成基礎(chǔ)生理活動(dòng)的新陳代謝提供的能量,正好等于身體向外界散發(fā)的能量。

      身體向外界所散發(fā)的能量和兩個(gè)因素有關(guān)。

      第1是動(dòng)物身體由上皮細(xì)胞圍成的開放表面積。包括與外界直接接觸的皮膚,以及呼吸時(shí)與外界空氣接觸的上呼吸道。

      第2是體溫和環(huán)境溫度的溫差。身體暴露在空氣中,既有向外界散發(fā)的熱量,又有從周圍環(huán)境中吸收的熱量。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律,發(fā)熱物體,單位面積散發(fā)的熱量正比于溫度(溫度要以絕對(duì)零度為起點(diǎn)計(jì)算)的4次方。

      我們可以推導(dǎo)出動(dòng)物基礎(chǔ)新陳代謝所需要的能量,其計(jì)算公式為:Δe=a(t+Δt)^4-at^4,公式中的a是一個(gè)和身體比表面積相關(guān)的系數(shù)。

      比表面積是指開放式上皮細(xì)胞圍成的面積與身體的重量之比。

      我們知道,體重與身體尺度的三次方成正比,而皮膚的面積是和身體尺度的二次方成正比。所以體重的增加速度會(huì)比皮膚面積的增加速度要更快。

      》溫度對(duì)于細(xì)胞維持正常生理活動(dòng)非常重要,既不能太高,也不能太低。

      在寒冷的地區(qū),動(dòng)物會(huì)通過增加體重,來抵消散發(fā)的熱量。反過來在熱帶地區(qū),動(dòng)物會(huì)增加皮膚的表面積,來增加身體的散熱。

                   

      就像非洲的大象,耳朵特別的大。就是通過耳朵上面豐富的毛細(xì)血管來散發(fā)身體的熱量。海洋里的哺乳動(dòng)物很多都比陸地上的哺乳動(dòng)物大很多?;ⅥL的體重可以達(dá)到9噸,是非洲大象的1.5~2倍。

      因?yàn)楹K膶?dǎo)熱量比空氣要高很多,所以海洋里的鯨類才可以長(zhǎng)到驚人的重量。如果鯨類長(zhǎng)期的暴露在空氣中,會(huì)因?yàn)樯眢w里的熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致體溫過高,衰竭死亡。

                   

      》暴露在寒冷的空氣中,熱力學(xué)溫度每降低10%,散熱量會(huì)增加40%。在任何時(shí)候,增加體重對(duì)抗寒冷,都是不二選擇。

      比如說氣溫是攝氏0度,則熱力學(xué)溫度是273開爾文,降低10%,就是降到零下23.7度。如果一個(gè)60公斤的人保持靜止不動(dòng),在攝氏零度的情況下能保持體溫,進(jìn)入零下23.7度的寒冷空氣中,不增加衣服和其他的保暖措施,仍然讓這個(gè)人保持不動(dòng),他的體重必須增加到1.4的3/2次方倍,才能保持正常體溫。也就是說他必須讓自己的體重增加到99公斤。

      暴露在寒冷的空氣下,人可以通過增加衣服,動(dòng)物可以增加皮毛的厚度,來保持體溫。但是不管是人的衣服,還是動(dòng)物的皮毛,都不會(huì)主動(dòng)散發(fā)熱量。

      》也正是因?yàn)槿绱?,幾乎所有的野生?dòng)物都會(huì)在嚴(yán)寒的天氣中達(dá)到體重的最大值。

                   

      在地球上氣溫會(huì)隨著緯度的增高而降低,與此變化相適應(yīng)的是,動(dòng)物的體重也會(huì)相應(yīng)的增加。目的就是通過增加身體內(nèi)細(xì)胞的數(shù)量,減少比表面積而維持體溫。

      而北極熊生活的地區(qū),比克迪亞克島更加寒冷,所以北極熊的體重比克迪亞克棕熊體重大,從理論上講沒有什么懸念。

      不僅如此,我們還可以通過它們的生活環(huán)境溫度,來反算體重。通常情況下,熊類會(huì)在嚴(yán)寒的天氣中達(dá)到體重的最大值。

      》科迪亞克島位于阿拉斯加灣內(nèi),面積9293平方公里,上面生存著3000多頭棕熊。

                   

      在冬季最冷的2月份到3月份,科迪亞克島上低氣溫可以達(dá)到零下20度。而北極圈內(nèi)(非北極極點(diǎn))的低氣溫可以達(dá)到零下40度。如果棕熊要從零下20度,移居到零下40度的地方,按照公式計(jì)算出來的體重增加倍數(shù)等于253/233的4次方,的1.5次方,等于1.63倍。如果科迪亞克棕熊最大的體重是800公斤,移居到北極圈,體重會(huì)達(dá)到1300公斤。

      有明確記錄的最大北極熊,是1960年在阿拉斯加被射殺的一頭雄性的北極熊,體重是1002公斤,體長(zhǎng)是3.35米。這頭熊的尸體在1962年的西雅圖博覽會(huì)上還展出過。

                   

      但根據(jù)史料推測(cè),這并不是有史以來最大的北極熊。挪威探險(xiǎn)家阿蒙森在日記中披露,他曾經(jīng)在愛斯基摩人的家中,見到大的驚人的白熊骨骼,他認(rèn)為這些白熊生前應(yīng)該會(huì)達(dá)到驚人的3000磅重,相當(dāng)于1450公斤。

      由于全球氣候變暖,食物減少,北極熊的體重有下降的趨勢(shì),將來可能北極熊的平均體重會(huì)被科迪亞克棕熊超越,但是目前,最大的北極熊仍然比最大的科迪亞克棕熊要大。

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