Pewnej słonecznej kwietniowej niedzieli ubiegłego roku organizatorzy maratonu w Saint Louis (USA) zostali zmuszeni do przerwania zawodów po zaledwie dwóch godzinach od ich rozpoczęcia. Główną przyczyną był upał, który zagrażał zdrowiu zawodników. Tego dnia temperatura w stanie Missouri osiągnęła zaledwie 73°F (około 22,8°C), jednakże w połączeniu z dużą wilgotnością i brakiem wiatru stwarzała niebezpieczeństwo dla życia zawodników biegu.
JAK SIĘ POZBYĆ NADMIARU CIEPŁA?
Jednym z najbardziej oczywistych rozwiązań umożliwiających lepsze chłodzenie organizmu jest pozbycie się izolacji cieplnej. W przypadku człowieka nie jest to trudne, bo wystarczy zdjąć ubranie, jednak ptaki i ssaki mają z tym większy kłopot. Ponadto problemy rosną wraz ze wzrostem rozmiarów ciała. Duże przedmioty stygną znacznie wolniej niż małe, ze względu na niekorzystny stosunek objętości do powierzchni.
Stąd też u wielu dużych zwierząt, szczególnie tych żyjących w gorącym klimacie, możemy zaobserwować prawie całkowity zanik owłosienia, np. u słoni i nosorożców. Z tego samego powodu największe ssaki – wieloryby, morsy i foki spotykamy w środowisku wodnym, gdyż woda nie tylko pozwala na podtrzymywanie ogromnego ciała, ale też umożliwia znacznie szybsze odprowadzanie ciepła.
Większość dużych stworzeń to zwierzęta roślinożerne, które zazwyczaj poruszają się stosunkowo wolno i raczej unikają nadmiaru ciepła wytwarzanego przez pracujące mięśnie. Jednak najgorętsze godziny dnia drapieżniki poświęcają na sjestę, a polują wyłącznie nocą lub rankiem i wieczorem. Tak zachowują się lwy i hieny, ale też wilki i rysie żyjące w strefie umiarkowanej. Nocny tryb życia wilków najprawdopodobniej nie jest związany z unikaniem człowieka, lecz raczej z unikaniem przegrzania podczas dużo cieplejszych godzin dziennych. Podobną zależność zaobserwowano u rysi kanadyjskich, przy czym dotyczyła jedynie samców i młodych osobników, niebiorących udziału w rozrodzie. Samice tego gatunku były aktywne niezależnie od warunków zewnętrznych, gdyż konieczność wykarmienia młodych okazała się ważniejsza niż negatywne skutki przegrzania.
Najbardziej zdumiewające są jednak wyniki badań przeprowadzonych niedawno na łasicach. Podczas najbardziej upalnych dni te najmniejsze drapieżniki ograniczają swoją aktywność do około trzech i pół godziny, chociaż kiedy temperatura zewnętrzna spada poniżej 20°C, potrafią być aktywne dwa razy dłużej. Trzeba pamiętać, że łasice polują prawie wyłącznie w ciągu dnia, więc są znacznie bardziej narażone na szkodliwe działanie wysokich temperatur niż inne drapieżniki z rodziny łasicowatych, które tak jak kuny prowadzą wybitnie nocny tryb życia.
Co ciekawe, zależność pomiędzy aktywnością a temperaturą zewnętrzną ponownie dotyczy wyłącznie samców, które nigdy nie biorą udziału w wychowaniu młodych i mogą sobie pozwolić na większą swobodę w wyborze pory polowania. O samicach łasic wiadomo niewiele, poza tym, że są prawie trzykrotnie mniejsze od samców. Niewykluczone, że jest to również przystosowanie do szybszego rozpraszania ciepła, dzięki czemu mogą skuteczniej polować i zapewnić pokarm swoim młodym.
CO NAM MÓWIĄ OGOLONE MYSZY?
Wzmożony wysiłek fizyczny i wysoka temperatura zewnętrzna to nie jedyne okoliczności powodujące nadmierny wzrost temperatury ciała. Jednym z procesów fizjologicznych, który wymaga największych nakładów energetycznych i któremu towarzyszy wydzielanie się dużych ilości ciepła, jest laktacja, czyli produkcja mleka przez karmiące samice ssaków.
Już dawno hodowcy bydła zauważyli, że przy wzroście temperatury zewnętrznej znacznie spada mleczność krów. Jednak dopiero naukowcy prowadzący badania nad rozrodem myszy laboratoryjnych stwierdzili, że jeżeli karmiące samice umieści się w niższej temperaturze, to będą w stanie produkować więcej mleka i wychować większą liczbę młodych. Czy to może oznaczać, że wysokie temperatury po prostu nie sprzyjają produkcji mleka?
Dwoje naukowców – prof. John Speakman z Uniwersytetu w Aberdeen w Szkocji oraz wywodząca się z Uniwersytetu Jagiellońskiego prof. Elżbieta Król – wpadło na pomysł aby przeprowadzić doświadczenie, które jednoznacznie wykaże, że to możliwość rozpraszania ciepła ogranicza produktywność gryzoni.
Pozbawiono owłosienia normalnie karmiące myszy, by w ten sposób zwiększyć im chłodzenie. Eksperyment pokazał, że nagie myszy były w stanie skuteczniej rozpraszać ciepło i wytwarzać znacznie więcej mleka, a tym samym wykarmić więcej młodych. Doprowadziło to do wniosku, że nadmiar ciepła wytwarzanego w czasie laktacji może być dla zwierząt takim samym ograniczeniem jak jego niedobór. Podobnie ma się rzecz z ciepłem wytwarzanym podczas wysiłku fizycznego. Teoria mówiąca, że możliwość rozpraszania ciepła ogranicza wydajność organizmu, została nazwana w języku angielskim Heat Dissipation Limit Theory, w skrócie HDLT.
Jak się ma teoria do praktyki?
HDLT bardzo dobrze tłumaczy wiele zjawisk opisanych wcześniej, jak choćby brak owłosienia, jednak przed tą teorią stoją nadal poważne wyzwania. Można na przykład zadać sobie pytanie, dlaczego migrujące ptaki nie odczuwają negatywnych skutków długotrwałego wysiłku fizycznego, trwającego niekiedy ponad 24 godziny bez przerwy? Okazuje się, że możliwe jest to dzięki wzrostowi konwekcyjnej utraty ciepła, spowodowanej przepływem powietrza. Ponadto ptaki zazwyczaj lecą na dużych wysokościach, gdzie temperatura jest niższa, co zwiększa różnicę temperatur i przyspiesza utratę ciepła. Wiele gatunków ptaków migruje w godzinach nocnych, dzięki czemu nie są narażone na promieniowanie słoneczne podwyższające temperaturę ciała.
Kolejny zarzut, jaki można postawić HDLT, to brak utraty okrywy zewnętrznej przez zwierzęta w celu osiągnięcia wyższej wydajności rozrodczej. Jeżeli zgodnie z przewidywaniami tej teorii zmniejszenie izolacji termicznej może zwiększyć sukces rozrodczy, to samice ssaków podczas laktacji powinny całkowicie tracić owłosienie. Jednak dosyć łatwo jest wybronić się przed tym zarzutem, gdyż utrata okrywy włosowej prowadzi nieuchronnie do zmniejszenia możliwości termoregulacji podczas zdobywania pokarmu. W konsekwencji energia pozyskana z pokarmu zostaje przeznaczona na ogrzanie organizmu matki, a nie przekazana potomstwu. W ten sposób bilans potencjalnych zysków i strat pozostaje w równowadze. Zwierzęta żyjące w klimacie chłodnym i umiarkowanym zmuszone są do wymiany okrywy izolacyjnej na wiosnę i jesienią, co pociąga za sobą znaczące wydatki energetyczne związane z wytwarzaniem nowych piór i włosów. Zimą upierzenie lub futro musi być bardzo gęste, podczas gdy latem staje się mniej obfite. Gdyby nie ryzyko przegrzania w ciepłym okresie roku, zwierzęta mogłyby zrezygnować z tych kosztownych manipulacji. I ten proces HDLT tłumaczy lepiej niż jakakolwiek inna teoria.
Czy „naga małpa” jest sprawniejsza od innych ssaków?
Ludzie znacznie lepiej radzą sobie z upałami, gdyż pozbawieni są większości okrywy włosowej. Ponadto jako jedni z niewielu ssaków jesteśmy w stanie wykorzystać intensywne pocenie się do skutecznego obniżania temperatury ciała. Co ciekawe, innym gatunkiem o podobnych właściwościach jest koń, zwierzę przystosowane do długich i wyczerpujących biegów. Pomimo tak znakomitych warunków nie jesteśmy do końca wolni od ograniczeń związanych z nadmiarem wytwarzanego ciepła. Pewnie wielu z nas zauważyło, że kobiety mają większą skłonność do marznięcia, czyli skuteczniej rozpraszają ciepło. Nie można wykluczyć, że jest to przystosowanie do pozbywania się nadmiaru ciepła wytwarzanego w okresie karmienia piersią. Ponadto badania przeprowadzone w Chinach pokazały, że kobiety z dłuższymi nogami mają z reguły więcej potomstwa niż te z krótszymi. Być może długie nogi u kobiet to nie tylko skuteczny wabik na mężczyzn, ale też sposób na dużo lepsze pozbywanie się ciepła?
Można sobie zadać pytanie, dlaczego w ogóle człowiek stracił owłosienie ciała, skoro zmusiło go to do używania ubrań? Większość naukowców uważa, że zostało to wymuszone przez sposób zdobywania pokarmu przez naszych przodków na równinach Afryki. Prawdopodobnie dwunożna postawa ciała pozwalała nam nie tyle na szybsze przemieszczanie się, ile na skuteczniejsze pozbywanie się nadmiaru ciepła wytwarzanego podczas biegu lub marszu. Dzięki temu pierwsi ludzie mogli skutecznie zdobywać pokarm mięsny, praktycznie bez użycia broni.
Do dzisiaj niektóre plemiona rdzennych mieszkańców Afryki Południowej stosują specyficzną metodę polowania. Jakkolwiek brzmi to nieprawdopodobnie, polega ona na długotrwałym podążaniu za upatrzoną ofiarą, nierzadko przez wiele godzin, aż do momentu kiedy wyczerpane zwierzę padnie ze zmęczenia i przegrzania.
Takie polowanie zazwyczaj rozpoczyna się w najgorętszej porze dnia, kiedy temperatura przekracza 40°C. Na nasze szczęście, z biegiem czasu doskonalone przez miliony lat ewolucji umiejętności, które decydowały kiedyś o naszym życiu lub śmierci, stały się jedynie źródłem relaksu i rozrywki. I dlatego kiedy robi się zbyt gorąco, możemy po prostu przerwać bieg.
Homotermia, czyli stałocieplność
Pozwala ptakom i ssakom na aktywność w najbardziej ekstremalnych warunkach. Jednak stała produkcja ciepła w organizmie ma też swoje wady, ponieważ w wyniku działania czynników zewnętrznych (np. promieniowania słonecznego) lub wewnętrznych (np. wysiłku fizycznego) zostają zakłócone mechanizmy odpowiedzialne za termoregulację i temperatura ciała szybko rośnie. Okazuje się, że ptaki i ssaki dużo lepiej radzą sobie z przechłodzeniem organizmu, trwającym nawet dłuższy okres, niż z chwilowym przegrzaniem. Wiele zwierząt regularnie obniża temperaturę ciała w sytuacjach, kiedy występuje niedobór pokarmu, np. hibernujące nietoperze. O ile bowiem przechłodzenie może mieć korzystne następstwa dla organizmu, np. obniżenie temperatury mózgu chroni neurony przed uszkodzeniem, to już chwilowe nawet przegrzanie miewa fatalne skutki. W wyniku nadmiernego wzrostu temperatury ciał pojawiają się nie tylko objawy zewnętrzne, takie jak przyspieszone tętno, wzrost ciśnienia krwi i zaburzenia funkcjonowania układu nerwowego, ale dochodzi również do zmian na poziomie komórkowym, np. uszkodzeń białek i DNA, zaburzeń funkcjonowania mitochondriów oraz uszkodzeń organów wewnętrznych i obumierania embrionów. Wzrostowi temperatury ciała towarzyszy zazwyczaj wzmożona potliwość, co prowadzi do odwodnienia organizmu i powoduje w nim dodatkowe spustoszenie.
Czy podczas uprawiania ćwiczeń fizycznych dostajemy gorączki?
Podczas wysiłku fizycznego temperatura ciała sportowca wzrasta do granic fizjologicznych, czyli do aż 40°C. W czasie umiarkowanego wysiłku osiągamy stan podgorączkowy. Ten wzrost zależy również od aklimacji, czyli przystosowania do wysokich temperatur.
U ludzi niewysportowanych długotrwały i intensywny wysiłek może spowodować wzrost temperatury ciała do ponad 39°C, podczas gdy po kilku miesiącach treningów w warunkach wysokiej temperatury powietrza przystosowujemy się i temperatura ciała podnosi się już „tylko” do ok. 38°C. Górnicy pracujący w kopalniach w klimacie tropikalnym bez uszczerbku dla zdrowia znoszą regularny wzrost temperatury ciała do około 38,3°C w czasie zmian trwających po 10–12 godzin.
A to ciekawe!
- 22,5º Celsjusza to optymalna temperatura do życia dla ludzi
- Rekordową Temperaturę 70,7ºCelsjusza wskazały w kwietniu 2012 r. termometry na pustyni Lut w Iranie