越冷，個頭越大

編譯 梁宏軍

越冷，個頭越大

編譯 梁宏軍

你可能已經(jīng)注意到，北方人普遍比南方人個子高大。沒錯，氣候與體格之間的確有著密切的關(guān)系。

人和其他許多動物都擁有內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而且效率高得不同尋常。不論是在寒冷冬季還是炎熱夏季，這種內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)都能自動維持人和其他動物的核心體溫（頭部、腹部和胸部的內(nèi)部器官溫度）。此外，人類還發(fā)展出了文化模式和技術(shù)手段來幫助人體適應極端溫度和濕度。

對于人類來說，在非常寒冷的氣候條件下，總是存在患上低體溫癥的風險。所謂低體溫癥，是指體溫降至正常水平以下的可能危及生命的程度。人體的正常溫度大約是37℃，不過，對健康人來說，新陳代謝、激素水平、身體活動量等各方面的個體差異，可能導致體溫升或降最多達0.6℃。

當核心體溫降到34.4℃時，低體溫癥就發(fā)生了。當體溫降到29.4℃以下時，由于位于下丘腦的自然溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)常常會失靈，人體降溫更迅速，從而可能危及性命。當然，也有極少數(shù)人即便體溫降至13.9～15.6℃，呼吸都停止了，卻也最終“死而復生”。

在極度炎熱的氣候條件下，或者在感染失控的情況下，核心體溫可能升至同樣致命的程度，這被稱為過高熱癥。當人體溫度升至40.6～41.7℃后，威脅生命的過高熱癥常常會發(fā)生。如此高燒只需持續(xù)幾天時間，人就可能因內(nèi)部器官衰竭而死亡。

在人體會對冷熱氣候條件做出怎樣的生理反應方面，身體的大小和形狀是兩個重要的決定因素。兩位19世紀的自然學家——卡爾·伯格曼和喬爾·亞倫針對這些因素提出了各自的法則。

伯格曼法則

1847年，德國生物學家卡爾·伯格曼注意到，對于同種溫血動物而言，生活在靠近赤道的溫暖氣候條件下的個體的質(zhì)量或個頭普遍較小，而生活在遠離赤道的寒冷地區(qū)的個體的質(zhì)量或個頭普遍較大，這是因為大個頭動物的質(zhì)量一般也較大，所以產(chǎn)生的熱量也較多——更多的熱量來自更多的細胞。也就是說，動物的細胞越多則自體產(chǎn)生的內(nèi)熱也越多。

除此之外，大個頭動物的表面積與體重（體積）之比通常較小，因此把身體熱量輻射進周圍環(huán)境的效率相對較低。物體表面積與體積之間的這種關(guān)系早在1630年就被意大利天文學家伽利略描述過。以示意圖1中的立方體盒子為例，體積（體重）的增加幅度是表面積增加幅度的兩倍。這就是相對較小的動物體表面積導致身體熱量散失較少的原因。

北極熊是這個現(xiàn)象的典型例子。它們個頭大，身體緊湊，表面積相對較小，因此散熱速度較慢，這對它們生活在寒冷氣候條件下是非常重要的。此外，北極熊還有厚重的皮毛和脂肪，也有助于保存身體的熱量。

伯格曼法則對人類來說也是適用的。一項針對100個人群進行的研究表明，在體重與當?shù)氐哪昶骄鶞囟戎g存在強烈的負相關(guān)。換句話說，在氣溫持續(xù)高的地區(qū)人們的體重（個頭）總是偏小，而在氣溫持續(xù)低的地區(qū)人們的體重（個頭）總是偏大。但需要指出的是，還是有例外情況。

示意圖1

示意圖2

伯格曼法則的一個推論是，線形體格的哺乳動物比個頭相似但非線性體格的同類個體向環(huán)境散熱的速度更快。示意圖2中的盒子說明了這一點。請注意，將右邊的長而窄的盒子與左邊的體積相同的盒子相比，后者的表面積更大。假如把后者比作一個身材高挑的動物，前者比作一個重量相同的敦實的動物，那么高挑動物的散熱更快也就不難理解了。

東部非洲的馬賽部族成員普遍個頭高挑，四肢較長，這有助于身體散熱。

因紐特人喜食高熱高脂肪食物，并穿著厚重的衣服，這有助于他們抵御嚴寒。

亞倫定律

1877年，美國生物學家喬爾·亞倫比卡爾·伯格曼進一步觀察到，臂長、腿長及其他附器長度對動物向周圍環(huán)境散失體熱也有影響。亞倫發(fā)現(xiàn)，生活在靠近赤道的溫暖氣候條件下的動物，其肢體長度較長；而生活在遠離赤道的寒冷氣候條件下的同種動物，其肢體長度則較短。這是因為肢體較長的動物身體相對不那么緊湊，因此表面積更大，也就更有助于散熱，這對于炎熱地區(qū)的動物來說當然是有利的。同理，肢體較短的動物，其身體相對緊湊，因此表面積偏小，也就更有助于保存身體熱量，這對于寒冷地區(qū)的動物來說當然是有利的。

同樣的現(xiàn)象在人類身上也可以觀察到。例如，東部非洲的馬賽部族成員通常都個頭高挑，四肢較長，這有助于身體散熱，對生活在熱帶的馬賽人來說很有利。但是，對于生活在靠近北極地區(qū)的人們來說，這就很不利了。在極度寒冷環(huán)境中，結(jié)實的身體和較短的肢長對于保持身體熱量來說更有效，因為這樣一來身體表面積與體重之間的比率更小，更不容易散熱。

人體以多種方式向周圍環(huán)境散熱。雖然大部分的身體熱量散失都是通過簡單的輻射過程完成的，但在炎熱、干燥的氣候條件下，蒸發(fā)式降溫（即出汗）對于身體散熱來說可能更重要。

抵御嚴寒

生活在嚴寒地區(qū)的人們慣于通過喝酒來溫暖自己，這樣做可以增加到達手腳的血液流量，讓人感覺暖和一點。然而，這僅僅是暫時的暖和，反過來卻可能加速重要內(nèi)臟器官的熱量散失，造成更迅速的低體溫癥致死。針對嚴寒的更有效的傳統(tǒng)做法是，運用隔熱的服裝、房屋和生火。為了適應冬天的寒冷，全世界的大多數(shù)人都只在較溫暖的日子才從事戶外活動。在一些社會，一家人身子挨著身子地挺過一年中最寒冷的月份，這與極地企鵝何其相似。

當環(huán)境變得很冷時，我們的身體必須減少熱量散失并增加內(nèi)部熱量生產(chǎn)。正如伯格曼和亞倫所注意到的那樣，人體對寒冷的常見生理反應包括進化出質(zhì)量更大、更緊湊的身體（表面積更小，更有利于保存熱量）。發(fā)抖也會產(chǎn)生短時間的暖和效應，發(fā)抖時增加的肌肉活動導致一些熱量的產(chǎn)生。

在幫助全世界的人們抵御嚴寒上，還有另外三種重要的生理反應類型，它們分別是：增加基礎(chǔ)代謝率（對身體在休息時為維持必要生理過程所花總能量的衡量）、用脂肪為重要器官隔熱，以及改變血流模式。為了適應持續(xù)的寒冷條件，不同地區(qū)的人們常常會產(chǎn)生上述三種生理反應中的至少一種。生活在嚴酷的亞極地（靠近極地）地區(qū)的人們，例如生活在西半球遙遠北部地區(qū)的因紐特（愛斯基摩）人和生活在地球南端的火地島印第安人，都有消耗大量高熱高脂肪食物的傳統(tǒng)。這能顯著增加基礎(chǔ)代謝率，反過來又導致身體產(chǎn)生額外的熱量。這些人也都穿著厚重的衣服，常常彼此緊挨著睡在一起，并且在戶外一直保持運動。

非洲西南部的昆人和澳大利亞土著通常以另一種方式對寒冷做出生理反應。他們胸腹部的重要器官周圍發(fā)展出了厚厚的脂肪隔熱層。此外，他們的皮膚在夜晚會隨著血管收縮而降溫，因此熱量散失減少，核心體溫保持在正常水平。不過，他們的皮膚摸上去很冷。假如昆人和澳大利亞土著生活在持續(xù)寒冷的環(huán)境中，他們就不可能進化出這樣的適應性生理反應，否則集中于軀體的熱量將使得手指、腳趾和其他附器因凍傷而失去。事實上，他們的生理適應源于他們所生活環(huán)境的溫度很少會長時間低于0℃，并且缺乏豐富的高脂肪食物。

蒸發(fā)降溫小實驗

將少量外用酒精抹在你的一只手背上，將水抹在另一只手背上。在空中揮舞雙手，你感覺到了兩手在蒸發(fā)方面的區(qū)別嗎？從中你學到了蒸發(fā)降溫的知識嗎？（提示：酒精的揮發(fā)性強于水，蒸發(fā)得更快，因此抹了酒精的那只手就復制了在濕度很低的環(huán)境中的出汗情況。）

排汗與激素

排汗不僅會去掉多余的身體熱量，同時還會去掉汗液中包含的一系列物質(zhì)，包括外激素。外激素是由一些動物（尤其是昆蟲）分泌的、能影響同類其他個體生理和行為的化合物，它對激素系統(tǒng)的影響力特別強。一項新研究發(fā)現(xiàn)，男性汗液中的外激素能導致女性腦下垂體（位于大腦底部）釋放的促黃體激素量增加，這又會縮短下一次排卵之前的時間?，F(xiàn)在，科學家正在考慮將男性外激素作為一種潛在的女用受精藥。住在一起的姐妹及其他女性釋放的外激素，則能導致她們的經(jīng)期同步。男性是否會對女性的外激素做出類似的下意識反應呢？科學家正在進行研究。

對抗炎熱

人體對炎熱環(huán)境的適應與對寒冷環(huán)境的適應一樣復雜，但對寒冷的適應通常更困難，因為在生理本質(zhì)上人類并不是亞北極動物，人類并不擁有像北極熊那樣的密實毛皮和厚厚的脂肪隔熱層。

人體熱效應隨著空氣相對濕度的變化而不同。高溫加上高濕度使得身體散失多余的熱量更困難，這是因為當空氣中的潮濕成分上升時汗液蒸發(fā)越發(fā)困難。汗液停留在皮膚上，人就會感覺黏糊糊的。于是，我們得不到迅速蒸發(fā)的降溫效應。

在干燥、炎熱的環(huán)境中，汗液蒸發(fā)因濕度低而穩(wěn)定，因此在相同的高溫下，我們感到在沙漠中比在熱帶雨林中要好受些。沙漠溫度越高，我們通過蒸發(fā)得到的降溫效應越明顯。相對濕度與氣溫之間的這種關(guān)系在左下表中得到量化。當表觀溫度（指由氣溫、相對濕度和風速聯(lián)合效應導致的感知到的戶外溫度）位于淺黃色段時，人往往會發(fā)生中暑和痙攣；當表觀溫度位于亮黃色段時，就可能發(fā)生威脅生命的嚴重中暑。

雖然蒸發(fā)降溫在干燥氣候條件下很有效，但它有一個主要缺點，就是出汗會使身體迅速失去水和鹽，而流失的水和鹽如果得不到補充，人在不到一天時間內(nèi)就可能致命。在干燥的炎夏沙漠中，每小時通過出汗使人體失水通常達1100毫升或更多。商業(yè)性的“體育功能飲料”有助于人們在這樣的環(huán)境下補充水分和礦物鹽，但為了吸引顧客，這類飲料中常常添加有不必要的食用色素和糖分。在此提醒：你可以制作自己的不含非必要添加物的功能飲料，既容易又便宜。

大多數(shù)人都有能力在幾天到幾周時間里從生理上完全適應炎熱的氣候條件。隨著出汗數(shù)量的增加，汗液中的鹽濃度持續(xù)下降，尿量也減少。此外，周圍血管的舒張導致通過輻射的熱量散失增加。血管舒張也會引起皮膚變紅，因為有更多血液靠近皮膚表面。

當強體力活動導致身體過熱時，蒸發(fā)降溫也能起到重要的保護作用。最近在日本進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，在從事重體力工作或鍛煉后，男性出汗的有效性高于女性。作為對相同體力消耗的反應，男性出汗的時間比女性早，出汗量比女性多，而這可能意味著在耐熱能力方面男女不平等。不過，要想證實這個推測，還需要對全球范圍內(nèi)的不同人群作進一步研究。