企鹅的脚为什么不怕冻?

南极的企鹅在冬季长时间踩在冰雪上,它们的脚为什么不会冻坏?几年前我曾听到收音机里讲,说科学家发现企鹅的脚内有一套独特的辅助血液循环系统,可以防止它们的脚被冻坏.此后我就再也没有看见过有关这方面的资料或解释.我也请教过一些研究企鹅的科学家,他们都未能给我一个满意的答复.
企鹅同其他生活在寒冷地区的鸟类一样,都已经适应了寒冷的气候,能够尽可能少地散失热量,保持自己身体主要部分温度在40℃左右.但是它们的脚却很难保暖,因为脚上既不长羽毛,也没有鲸脂一类脂肪的防护,而且还有相对来说很大的面积（寒带地区的哺乳动物也是如此,比如说北极熊）.
于是,企鹅通过两种机制来防止脚被冻坏.一种机制,是通过改变向双脚提供血液的动脉血管的直径来调节脚内的血液流量.当寒冷时,减少脚部的血液流量；当比较温暖时,增加血液流量.其实我们人类也有类似的机制,所以我们的手和脚在我们感到冷时会变得苍白；当觉得暖和时,则变得红润.这样一种调节机制极其复杂,由脑部的下丘脑控制,需要神经系统和各种激素的参与.
此外,企鹅在其双脚的上层还有一种“逆流热交换系统”.向脚提供温暖血液的动脉血管分叉为许多的小动脉血管,同时,在脚部变冷的血液又通过与这许多动脉小血管紧挨在一起的数目相同的静脉小血管流回.这样,动脉小血管内温暖血液的热量就传递给了与之紧贴的静脉小血管内的逆流冷血,结果,真正带到脚部的热量其实是很少的.
在冬季,企鹅脚部的温度仅保持在冰点温度以上1~2℃,这样就最大限度地减少了热量散失,同时也防止了脚被冻伤.鸭子和鹅的脚也有类似的结构,但是,若把它们圈在温暖的室内饲养,过几个星期再把它们放回冰天雪地里,那么它们双脚贴地的一面就会被冻坏.这是因为它们的生理活动已经适应了温暖的环境,通向脚部的血流实际上已经被切断,此时再回到寒冷环境,脚部的温度就会下降到冰点以下.
我无法对企鹅是否有辅助血液循环系统发表看法,不过,企鹅的脚不会冻坏之谜,是可以从生物化学的角度来加以部分说明的,而且很有意思.
氧与生物体内的血红蛋白结合,通常是一种强烈的放热反应.一个血红蛋白分子吸收和添加氧原子,要释放出大量的热量（DH）.在相反的逆反应中,当血红蛋白分子释放出氧原子时,通常会吸收同等数量的热量.然而,氧化反应和脱氧反应发生在生物体的不同部分,也就是说发生两种反应所在的分子环境不同（比如说酸度不同）,整个过程的结果,则是热量的散失或增加.
这DH的实际数值,可以因物种的不同相差很大.具体到南极企鹅的情形,在包括脚在内的外围冷组织中,DH值要比人类小得多.这就带来两个好处.首先,在进行脱氧反应时,企鹅的血红蛋白所吸收的热量大为减少,于是,它的双脚就不容易冻坏.
第二个好处来自热力学定律.根据热力学定律,任何一种可逆反应,包括血红蛋白的氧化反应和脱氧反应,较低的温度有利于进行放热反应,而不利于反方向进行的吸热反应.因此,在低温下,对于大多数物种,都是吸收氧的反应进行得比较激烈,而不容易进行释放氧的反应.一个物种所具有的DH如果相对来说不高不低正合适,那么这就意味着,在冷组织中血红蛋白对氧的亲和力不会变高到使氧无法从血红蛋白脱离出来.
DH因物种而异还带来一个非常有意思的结果,在某些南极的鱼类中,即使是氧脱离出来,实际上也是在释放热量.金枪鱼就是一个极端例子.在氧从血红蛋白脱离出来时居然会释放出大量的热量,以至于可以使金枪鱼的体温保持在比环境温度高出17℃.原来,并非所有鱼类都是冷血动物!
在动物中也有相反的例子,必须要减少由于代谢过于旺盛释放的热量.那种具有迁徙特性的水鸡（又叫“秧鸡”）,它的血红蛋白氧化时释放的DH比温驯的鸽子要高很多.因此,水鸡进行长距离飞行时,当血红蛋白分子释放出氧原子时会吸收大量热量,体温也不会太高.
最后要说的是,胎儿也需要以某种方式散失热量.胎儿与外界的唯一联系是母亲向其提供的血液.胎儿血红蛋白氧化时的DH值比母亲血红蛋白的DH值低,结果,氧脱离母亲血液时所吸收的热量就会多于氧与胎儿的血红蛋白结合时所释放的热量.于是,便有热量转移至母亲的血液.也就是说,从胎儿带走了一部分热量.