Как пингвины выживают в Антарктике?
Бог создал труд и обезьяну,
Чтоб получился человек,
А вот пингвина он не трогал,
Тот сразу вышел хорошо.
(не знаю автора, найдено на просторах интернета)
Очень старый должок. 20 месяцев назад я задал вопрос, приведенный в заголовке, в обсуждении почти все подробности и выплыли, хотелось написать уже очень красочный пост с фотографиями и графиками, а вот не тут-то было, статья про пингвинов из открытого доступа куда-то пропала, остались только про морских слонов и верблюдов, потом пошел синдром half life 3 - если сильно задержался, хочется представить что-то ну очень незаурядное, иначе чего, спрашивается, все ждали? А оно как-то не идет, отчего релиз откладывается и откладывается, и получается замкнутый круг.
Недавно посмотрел документалку "Penguins: Spy In The Huddle" от bbc и вдохновился, очень рекомендую глянуть. Красивейшие съемки, так все с любовью сделано, а текст читает Дэвид Теннант, 10-й Доктор. Но тема, как пингвинам удается выжить без еды и питья в самом суровом климате, какой только бывает на Земле, раскрыта не до конца. (можно скачать еще с яндекс.диска: раз, два, три)
Приводятся стандартные ответы:
1. Пингвины толстые. Жир - очень полезная субстанция, в литре жира содержится больше энергии, чем в литре бензина, а его коэффициент теплопроводности около 0.2 Вт/(м*К), примерно как у дерева или у хороших кирпичей, он же здорово смягчает удары. Известно, что пингвины действительно к зиме набирают жирку, и за время стояния на льдине их вес уменьшается вдвое! При "сжигании" жира, как и полагается, образуется углекислый газ и вода, что частично объясняет, как можно обходиться совсем без питья. Полученная таким путем вода называется метаболической или эндогенной. Человек таким путем получает лишь около 10% необходимой ему воды, а пингвин - все 100%. В фильме показано, как бедняги самцы с вылупившимися птенцами заждались мам и стали от безысходности есть снег, но это самая крайняя мера, много его не съешь, больно много уходит энергии на разогрев и плавление.
2. Пингвины пушистые. У них очень длинные перья, защищающие от антарктических ветров и создающие мощную прослойку "запертого" воздуха, который не может образовывать конвективных потоков и потому очень плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности достигает примерно 0.04 Вт/(м*К), это практически лучшее утепление, которое можно получить на Земле, не прибегая к вакууму.
3. Пингвины крупные. Если взять животное и увеличить его по всем измерениям в k раз, то его объем возрастет в k3 раз, а площадь поверхности - лишь в k2 раз. Выработка тепла пропорциональна объему (теплокровным животным нужен некоторый минимум выработки энергии буквально каждой клеточкой тела), а ее потеря - площади поверхности. Чашка чая остывает очень быстро, хоть и сделана из толстого фарфора, а 200-литровая железная бочка не остынет и за сутки просто за счет своей величины. Увеличив размеры предмета в 10 раз, мы в 1000 раз увеличили объем (с 200 мл до 200л) и лишь в 100 раз - площадь поверхности.
Многим кажется, что кошкам в их шубе должно быть очень жарко в наших квартирах. Ничего подобного - для них комнатная температура очень комфортна, можно даже потеплее, недаром же кошки так любят лежать на солнышке! Объяснение то же самое: они маленькие, отношение объема к площади поверхности гораздо меньше чем у нас, что вынуждает при той же температуре прибегать к лучшему утеплению.
Императорские пингвины недаром такие крупные - 120 см в высоту - да и полярные мишки заметно крупнее своих "декартовых" собратьев.
4. Пингвины общительные. Они зимуют огромными толпами и буквально прижимаются друг у другу, так, что ветер практически не может проникнуть вовнутрь и подморозить тех, кто сидит посерединке. Тем самым они как будто бы создают огромный организм, снова увеличивая отношение объема к площади поверхности. Теперь окружающему воздуху открыты только макушки пингвинов, разве что пингвины, стоящие с краю замерзают и продвигаются к центру, а их место занимают другие, так что никто не в обиде.
Дальше упоминаются совсем частности - как все мышцы лап и плавников размещены в самом туловище пингвина, надежно укрытые перьями, как он стоит словно треножник, на двух лапах и хвостике, про черно-белую раскраску, при которой пингвин может греться на солнышке, повернувшись к нему спиной, или прохлаждаться, повернувшись брюшком.
За кадром остается важнейшая проблема. Пингвины не могут окончательно отгородиться от окружающего мира, им нужен кислород, и добывается он из окружающего воздуха с помощью легких. Поскольку потребность в кислороде растет пропорционально массе животного, то и площадь поверхности легких не отстает, растет не как k2, а как k3. У крупных животных вроде нас или пингвинов суммарная площадь альвеол на порядок больше, чем площадь поверхности кожи! И не защитишь их никакими перьями, ведь для обеспечения газообмена мы не то что не препятствуем вентиляции, а даже устраиваем принудительную, делая вдохи и выдохи! Как результат, выходящий из легких воздух уже разогрет до температуры тела (у пингвинов это 39..40o C) и к тому же имеет 100% влажность, унося с собой драгоценную воду.
Сколько воздуха пингвин вдыхает и сколько вдохов в минуту делает - несложно определить, отсюда сразу находим потери тепла и влаги, с этим связанные. Ученые посчитали и пришли к странному выводу - им не должно хватать ни воды, ни энергии, чтобы выжить на льдине. Вот только пингвины почему-то живут и растят потомство. Много копий было сломано, как же им это удается, а ответ, оказывается, лежал под носом.
А точнее, под клювом. И у млекопитающих, и у птиц в голове есть носовая полость, через которую проходит вдыхаемый воздух. В ней расположена носовая раковина - кость характерной формы, образующая множество тонких каналов для поступления воздуха, а потому обладающая огромной площадью поверхности. Именно поэтому при дыхании носом слышно сопение - шум турбулентных потоков воздуха, проходящего через каналы. У пингвинов носовая полость особенно велика (хотя с 5-тонными морскими слонами им не тягаться) и заточена под работу в качестве регенеративного теплообменника, сберегающего около 80% тепла и влаги.
Следующий рисунок очень упрощенно иллюстрирует, как оно работает. Вместо непрерывного процесса мы изобразили, будто бы воздух последовательно проходит через отделы носовой полости (вообще, она так четко не делится) и каждый раз температура носовой раковины и поступившего воздуха полностью выравнивается. Числа также подобраны "круглые", чтобы все было очевидно.
Итак, пингвин только что выдохнул воздух, и распределение температур стало таким, как показано наверху (пока поверьте на слово, что оно такое, сейчас убедимся, что это действительно установившийся режим). Теперь начинается вдох холодного (-40) антарктического воздуха. Он попадает в первую камеру, нагретую до -20. Опять же для простоты считаем, что теплоемкости совпадают, тогда воздух прогреется до -30, камера остынет до них же. Воздух устремляется во вторую камеру, нагретую до -10 и прогревается до -20, и так далее. Как мы видим, носовая раковина отдает входящему воздуху накопленное тепло, так что в легкие входит воздух при +20. Дальше до +40 он нагревается самими легкими, на это уходит энергия. Кроме того, происходит насыщение водяными парами, об этом позже. Наконец, возращаемся к верхней цепочке и следим, как происходит выдох. Теперь уже воздух из легких прогревает носовую раковину, да так, что выходит из ноздрей охлажденный до -20. Конечно, часть тепла ушла, но вместо нагрева воздуха от -40 до +40 своими силами мы получили нагрев лишь на 20 градусов, остальное не ушло благодаря тому, что выходящий воздух косвенно (через посредника - носовую раковину) нагревает входящий, причем в режиме противотока, когда каждый раз разность температур между нагреваемым и охлаждаемым воздухом мала.
Осталось сказать еще о сохранении влаги. Когда воздух из легких со 100% влажностью начинает охлаждаться, он больше не может удерживать столько водяных паров, отчего на носовой раковине выпадает конденсат. Из ноздрей воздух уходит по-прежнему с влажностью 100%, но это относительная влажность. Абсолютная же значительно упала, с 51 г/м3 до 1.1 (см калькулятор влажности). Входящий сухой воздух, нагреваясь, будет еще и насыщаться влагой, таким образом конденсат будет снова возращаться в легкие.
Еще раз замечу, все величины здесь приведены для удобства, нельзя температуру и влажность рассматривать независимо, ведь на испарение влаги уходит приличная энергия, и она же возвращается при конденсации. Правильно было бы составить систему нелинейных дифференциальных уравнений для температуры и влажности (предельная концентрация водяных паров зависит от температуры) и решить ее для заданных краевых условий, что даст ответ: экономится около 80% тепла и влаги. Оставим это биологам.
Кроме регенеративного теплообменника в носовой полости, у пингвина есть еще рекуперативные противоточные теплообменники "жидкость-жидкость" в кровеносной системе, они уменьшают потери тепла через лапы и плавники, что особенно полезно, когда пингвин в воде.
Пингвин - удивительная птица, и нам есть, чему у них поучиться. Очень рекомендую посмотреть фильм, в том числе, чтобы увидеть историю про буревестника и пингвина в другом свете. Горький возвел поклеп на пингвина, дескать глупый, ничего подобного! Да и профессия "переворачиватель/подниматель пингвинов" - это всего лишь первоапрельская шутка, зашедшая слишком далеко. Пингвинам нет дела до каких-то там вертолетов, а если они все-таки упадут на спину, то грациозно перевернутся на живот и встанут на ноги. Когда ходишь по скользкому льду, всякое случается, и пингвин готов ко всему. Что удивительно, они еще и дружные ребята - когда буревестник попытался утащить птенца императорского пингвина, за него вступился пингвин Адели, принадлежащий к другому биологическому виду!
Чтоб получился человек,
А вот пингвина он не трогал,
Тот сразу вышел хорошо.
(не знаю автора, найдено на просторах интернета)
Очень старый должок. 20 месяцев назад я задал вопрос, приведенный в заголовке, в обсуждении почти все подробности и выплыли, хотелось написать уже очень красочный пост с фотографиями и графиками, а вот не тут-то было, статья про пингвинов из открытого доступа куда-то пропала, остались только про морских слонов и верблюдов, потом пошел синдром half life 3 - если сильно задержался, хочется представить что-то ну очень незаурядное, иначе чего, спрашивается, все ждали? А оно как-то не идет, отчего релиз откладывается и откладывается, и получается замкнутый круг.
Недавно посмотрел документалку "Penguins: Spy In The Huddle" от bbc и вдохновился, очень рекомендую глянуть. Красивейшие съемки, так все с любовью сделано, а текст читает Дэвид Теннант, 10-й Доктор. Но тема, как пингвинам удается выжить без еды и питья в самом суровом климате, какой только бывает на Земле, раскрыта не до конца. (можно скачать еще с яндекс.диска: раз, два, три)
Приводятся стандартные ответы:
1. Пингвины толстые. Жир - очень полезная субстанция, в литре жира содержится больше энергии, чем в литре бензина, а его коэффициент теплопроводности около 0.2 Вт/(м*К), примерно как у дерева или у хороших кирпичей, он же здорово смягчает удары. Известно, что пингвины действительно к зиме набирают жирку, и за время стояния на льдине их вес уменьшается вдвое! При "сжигании" жира, как и полагается, образуется углекислый газ и вода, что частично объясняет, как можно обходиться совсем без питья. Полученная таким путем вода называется метаболической или эндогенной. Человек таким путем получает лишь около 10% необходимой ему воды, а пингвин - все 100%. В фильме показано, как бедняги самцы с вылупившимися птенцами заждались мам и стали от безысходности есть снег, но это самая крайняя мера, много его не съешь, больно много уходит энергии на разогрев и плавление.
2. Пингвины пушистые. У них очень длинные перья, защищающие от антарктических ветров и создающие мощную прослойку "запертого" воздуха, который не может образовывать конвективных потоков и потому очень плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности достигает примерно 0.04 Вт/(м*К), это практически лучшее утепление, которое можно получить на Земле, не прибегая к вакууму.
3. Пингвины крупные. Если взять животное и увеличить его по всем измерениям в k раз, то его объем возрастет в k3 раз, а площадь поверхности - лишь в k2 раз. Выработка тепла пропорциональна объему (теплокровным животным нужен некоторый минимум выработки энергии буквально каждой клеточкой тела), а ее потеря - площади поверхности. Чашка чая остывает очень быстро, хоть и сделана из толстого фарфора, а 200-литровая железная бочка не остынет и за сутки просто за счет своей величины. Увеличив размеры предмета в 10 раз, мы в 1000 раз увеличили объем (с 200 мл до 200л) и лишь в 100 раз - площадь поверхности.
Многим кажется, что кошкам в их шубе должно быть очень жарко в наших квартирах. Ничего подобного - для них комнатная температура очень комфортна, можно даже потеплее, недаром же кошки так любят лежать на солнышке! Объяснение то же самое: они маленькие, отношение объема к площади поверхности гораздо меньше чем у нас, что вынуждает при той же температуре прибегать к лучшему утеплению.
Императорские пингвины недаром такие крупные - 120 см в высоту - да и полярные мишки заметно крупнее своих "декартовых" собратьев.
4. Пингвины общительные. Они зимуют огромными толпами и буквально прижимаются друг у другу, так, что ветер практически не может проникнуть вовнутрь и подморозить тех, кто сидит посерединке. Тем самым они как будто бы создают огромный организм, снова увеличивая отношение объема к площади поверхности. Теперь окружающему воздуху открыты только макушки пингвинов, разве что пингвины, стоящие с краю замерзают и продвигаются к центру, а их место занимают другие, так что никто не в обиде.
Дальше упоминаются совсем частности - как все мышцы лап и плавников размещены в самом туловище пингвина, надежно укрытые перьями, как он стоит словно треножник, на двух лапах и хвостике, про черно-белую раскраску, при которой пингвин может греться на солнышке, повернувшись к нему спиной, или прохлаждаться, повернувшись брюшком.
За кадром остается важнейшая проблема. Пингвины не могут окончательно отгородиться от окружающего мира, им нужен кислород, и добывается он из окружающего воздуха с помощью легких. Поскольку потребность в кислороде растет пропорционально массе животного, то и площадь поверхности легких не отстает, растет не как k2, а как k3. У крупных животных вроде нас или пингвинов суммарная площадь альвеол на порядок больше, чем площадь поверхности кожи! И не защитишь их никакими перьями, ведь для обеспечения газообмена мы не то что не препятствуем вентиляции, а даже устраиваем принудительную, делая вдохи и выдохи! Как результат, выходящий из легких воздух уже разогрет до температуры тела (у пингвинов это 39..40o C) и к тому же имеет 100% влажность, унося с собой драгоценную воду.
Сколько воздуха пингвин вдыхает и сколько вдохов в минуту делает - несложно определить, отсюда сразу находим потери тепла и влаги, с этим связанные. Ученые посчитали и пришли к странному выводу - им не должно хватать ни воды, ни энергии, чтобы выжить на льдине. Вот только пингвины почему-то живут и растят потомство. Много копий было сломано, как же им это удается, а ответ, оказывается, лежал под носом.
А точнее, под клювом. И у млекопитающих, и у птиц в голове есть носовая полость, через которую проходит вдыхаемый воздух. В ней расположена носовая раковина - кость характерной формы, образующая множество тонких каналов для поступления воздуха, а потому обладающая огромной площадью поверхности. Именно поэтому при дыхании носом слышно сопение - шум турбулентных потоков воздуха, проходящего через каналы. У пингвинов носовая полость особенно велика (хотя с 5-тонными морскими слонами им не тягаться) и заточена под работу в качестве регенеративного теплообменника, сберегающего около 80% тепла и влаги.
Следующий рисунок очень упрощенно иллюстрирует, как оно работает. Вместо непрерывного процесса мы изобразили, будто бы воздух последовательно проходит через отделы носовой полости (вообще, она так четко не делится) и каждый раз температура носовой раковины и поступившего воздуха полностью выравнивается. Числа также подобраны "круглые", чтобы все было очевидно.
Итак, пингвин только что выдохнул воздух, и распределение температур стало таким, как показано наверху (пока поверьте на слово, что оно такое, сейчас убедимся, что это действительно установившийся режим). Теперь начинается вдох холодного (-40) антарктического воздуха. Он попадает в первую камеру, нагретую до -20. Опять же для простоты считаем, что теплоемкости совпадают, тогда воздух прогреется до -30, камера остынет до них же. Воздух устремляется во вторую камеру, нагретую до -10 и прогревается до -20, и так далее. Как мы видим, носовая раковина отдает входящему воздуху накопленное тепло, так что в легкие входит воздух при +20. Дальше до +40 он нагревается самими легкими, на это уходит энергия. Кроме того, происходит насыщение водяными парами, об этом позже. Наконец, возращаемся к верхней цепочке и следим, как происходит выдох. Теперь уже воздух из легких прогревает носовую раковину, да так, что выходит из ноздрей охлажденный до -20. Конечно, часть тепла ушла, но вместо нагрева воздуха от -40 до +40 своими силами мы получили нагрев лишь на 20 градусов, остальное не ушло благодаря тому, что выходящий воздух косвенно (через посредника - носовую раковину) нагревает входящий, причем в режиме противотока, когда каждый раз разность температур между нагреваемым и охлаждаемым воздухом мала.
Осталось сказать еще о сохранении влаги. Когда воздух из легких со 100% влажностью начинает охлаждаться, он больше не может удерживать столько водяных паров, отчего на носовой раковине выпадает конденсат. Из ноздрей воздух уходит по-прежнему с влажностью 100%, но это относительная влажность. Абсолютная же значительно упала, с 51 г/м3 до 1.1 (см калькулятор влажности). Входящий сухой воздух, нагреваясь, будет еще и насыщаться влагой, таким образом конденсат будет снова возращаться в легкие.
Еще раз замечу, все величины здесь приведены для удобства, нельзя температуру и влажность рассматривать независимо, ведь на испарение влаги уходит приличная энергия, и она же возвращается при конденсации. Правильно было бы составить систему нелинейных дифференциальных уравнений для температуры и влажности (предельная концентрация водяных паров зависит от температуры) и решить ее для заданных краевых условий, что даст ответ: экономится около 80% тепла и влаги. Оставим это биологам.
Кроме регенеративного теплообменника в носовой полости, у пингвина есть еще рекуперативные противоточные теплообменники "жидкость-жидкость" в кровеносной системе, они уменьшают потери тепла через лапы и плавники, что особенно полезно, когда пингвин в воде.
Пингвин - удивительная птица, и нам есть, чему у них поучиться. Очень рекомендую посмотреть фильм, в том числе, чтобы увидеть историю про буревестника и пингвина в другом свете. Горький возвел поклеп на пингвина, дескать глупый, ничего подобного! Да и профессия "переворачиватель/подниматель пингвинов" - это всего лишь первоапрельская шутка, зашедшая слишком далеко. Пингвинам нет дела до каких-то там вертолетов, а если они все-таки упадут на спину, то грациозно перевернутся на живот и встанут на ноги. Когда ходишь по скользкому льду, всякое случается, и пингвин готов ко всему. Что удивительно, они еще и дружные ребята - когда буревестник попытался утащить птенца императорского пингвина, за него вступился пингвин Адели, принадлежащий к другому биологическому виду!