為什麼鴨子可以自在地走在結冰的湖面上呢?

文 / 一流人      2017-08-23

為什麼鴨子可以自在地走在結冰的湖面上呢?


目前低溫物理學(cryogenics)領域的專家,正在致力於研發特殊的裝置,可以讓原子慢下來,除去它身上的動能,以創造接近絕對零度的環境。雖然我們不會想要觸碰或是生活在那種可怕的極低溫環境中,但是低溫物理學的發展可以提升磁性與醫學影像的技術,為我們的生活帶來更多好處。即使不是極低溫的環境,大多數人還是不會赤腳走在雪地上,那麼,為什麼鴨子可以自在地走在結冰的湖面上呢?

溫徹斯特(Winchester)是英格蘭南方的一個小城市,有一座古老的大教堂以及許多典型的英式茶館,你可以在這邊享受呈在精緻盤子上的烤餅。夏天時,這是一個被五顏六色的鮮花點綴的城市,配上湛藍清澈的天空,有時美得像一幅畫。但是有一年冬天,我與朋友在雪中漫步時,發現這座古老的城市擁有另外一番更美的面貌。

我們穿著厚重的外套、圍著圍巾,一路走到大街的盡頭,在河邊看著潺潺流水,以及河岸上如棉花一般的積雪。雖然這裡有著名的亞瑟王故事和漂亮的石頭建築,但那都不是我喜歡溫徹斯特的原因。我帶著朋友走在這個寒冷的城市中,穿過一條小路走到河邊,不是為了看什麼神祕的風景,而是為了看鴨子。

當我們到達河邊時,河岸上的一隻鴨子正好從白色的雪地跳到河中,然後如同他的鴨子一樣,努力划著蹼足逆流而上,朝前方的水面下尋找食物。這條河很淺,但是水流稍急,因此鴨子必須努力划動雙腳才能找到河床上的植物,也就是牠們的食物。溫徹斯特的河流就像鴨子的跑步機,讓牠們在河面上以相同的方式一直努力划著,我有時甚至覺得那是鴨子的一種娛樂。

這時來了一對母女,女兒的年紀非常小,她看著自己腳上的雪靴,然後抬頭問媽媽:「為什麼鴨子的腳不會冷?」她媽媽沒有回答,因為當時的河面上出現一場小小的爭執,兩隻鴨子因為覓食而游得太近,引起一陣騷動與互啄,發出嘎嘎叫聲。有趣的是,當牠們彼此爭執的時候,似乎忘了划動雙足,於是雙雙被急流沖走。幾秒鐘之後,牠們似乎發現這個狀況,於是停止爭執,並花了一陣子努力游回原來的地方。

河面上的水已經非常接近冰點,但是鴨子似乎一點都不覺得冷,因為鴨子隱藏在水面下的雙腳是利用一個巧妙的方式來防止熱量流失,其中牽涉到關於熱傳播的物理原理。當你把一件常溫物品放在冰冷的東西旁邊(或是放到裡面,例如將飲料放到冰箱內),溫度較高的物體會逐漸變冷—因為溫度低的物體,內部分子的運動比較緩慢,而高溫物體的運動比較快。

雖然高溫與低溫物體的分子或原子會彼此傳遞能量,但高溫物體的分子振動較快,所以傳遞到低溫物體上的能量,會比反向的還要多。當高溫物體內部的分子運動能量逐漸減少,就會冷卻下來,直到與周圍環境的溫度達到平衡。相反地,原來較冷的物體獲得能量,就會升溫。

我們如果將雙腳浸在冰冷的水中,雙腳的血液因而降溫,隨著血液循環,這些低溫的血液會逐漸回到心臟,使得我們身體逐漸喪失熱量。但是鴨子可以稍微減緩腳部血液流動的速度,降低低溫血液流回上方身體的影響,避免自己降溫、維持40℃的核心溫度。然而單靠減緩血液流動並不能完全解決問題,其實鴨子的雙腳一直維持與河水相近的溫度,因為溫差越小,熱量的轉移量就越少,這才是真正讓鴨子不會一直喪失熱量的原因。

當鴨子的蹼足努力地划水時,肌肉和組織需要氧氣來維持運作,因此還是有一些溫暖的血液,從鴨腿的動脈流向蹼足,同時靜脈正在把低溫的血液運回心臟。動脈其實緊鄰腳背的靜脈,所以動脈溫暖的血液會把熱量傳給靜脈;隨著動脈的血液越往下,熱量逐漸傳給靜脈,靜脈的血液也隨著往回流動而越來越溫暖。

也就是說,動脈血液的溫度並沒有完全浪費,而是轉移給靜脈;靜脈回送的血液也不會太冷,使得鴨子受寒。這個過程會持續到位於鴨足外圍的組織,以及蹼上的微血管。此時動脈與靜脈的血液溫度幾乎相同,也與周圍的河水相同,不會有太多的熱量散失到冰冷的河水中。這種讓靜脈血液藉由與動脈相鄰而升溫的方式,形成一種逆流熱交換器(countercurrent heat exchanger)的結構,是一種避免熱量損失的奇妙方法。當鴨子能避免熱量傳遞到腳上,幾乎就可以避免熱量的損失。鴨子這種聰明的身體構造,讓牠可以自在地在冰上行走,之所以不怕雙腳冰冷的原因,就是讓足蹼維持在冰冷的狀態。

在動物界,這是一個很有效的策略,而且在不同的物種上都演化出類似的功能。海豚與海龜尾部和鰭肢(flipper)上的血管,都能藉由相似的分布來減緩牠們在寒冷水域時流失體溫,甚至北極狐(Arctic foxes)也是藉由同樣的方式,在爪子必須與雪接觸的情況下,避免重要的器官失溫。這種方法雖然很簡單,卻很有效。

很可惜,我和朋友的身體無法運用這個技巧,所以我們在雪中待了一段時間,對鴨子強大的環境適應能力表達欽佩,並看了幾場牠們的爭吵秀之後,就去享用巨型的烤餅。

本文節錄自:《茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》一書,海倫‧齊爾斯基(Helen Czerski)著,藍仕豪譯,三采出版。

圖片來源:unsplash Scott Van Daalen

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