你知道人这么大个的冷血动物,例如鳄鱼,功率有多少吗?
仅仅只有 3~10W[1]。
而你硕大的大脑,功率就高达 20W,相当于整个爬行动物身体的 2~7 倍。
静坐状态下,人体新陈代谢率为
[2]。

要得到人总新陈代谢功率,这个表格的数据还需要乘以人体的体表面积。
根据许文生氏公式:
可得,175cm,70kg 的人类表面积为:1.81m^2。
我们再乘以代谢功率,就得到了静立状态下,人体新陈代谢总功率:
也即,静息状态下,一个人的功率差不多 100W。
一个人在环境中,热量不断释放,会形成温度梯度。

皮肤温度越低,人体散热温度梯度越大。
人体的热传导,根据傅里叶定律,有:
为皮肤热导率。人体含水 70%,皮肤热导率约 0.432 W/(m·k)
为皮肤表面积。
为核心温度
与皮肤表面
的温差。人体核心平均温度为 37℃
为皮肤平均导热厚度,非寒冷状态下约为 3cm。但足够寒冷的情况下,平均厚度可达 10cm。
那么,人体依旧维持核心温度时,皮肤的最低温度为:
当一个原始人在丛林环境中,热量释放以皮肤热辐射和自然对流散热为主。
- 对流散热:通俗点来说,就是通过空气带走的热量。

根据斯特藩 - 玻尔兹曼定律,物体对外的辐射通量(单位面积对外的辐射功率)为:
为辐射系数,人体约为 0.97
为斯特藩 - 玻尔兹曼常量,取值
为热力学温度
人体损失的辐射热功率,等于向外热辐射减去接受到的热辐射,即:
为皮肤温度,
为空气温度,
为人体表面积。
而人体在空气中,通过自然对流释放的热量,可通过牛顿冷却定律计算:
空气对人体的自然对流系数 h,有经验公式:
[3]
那么:
当人体热平衡时,新陈代谢功率等于人体释放的总热量:
带入,相关数据。
易得,此时人体热辐射功率大约 70W,对流散热功率大约 30W。
此时空气温度为:
也即,在大约 17.3℃的环境中,人体依旧会维持核心温度。
也就是说:
由于整个人体的功率高达 100W,所以使得哪怕环境温度仅仅只有 17.3℃时,人体核心温度依旧高达 37℃。
传热学定律决定了,人体在高功率的状态下,核心温度必然维持高温,通常不会随着环境温度显著变化。
能随着环境温度显著变化的,是散热梯度。
如果要让人体核心也能像变温动物一样,随着环境显著变化,那么人体的功率就必须同样降低到 10W 以下。
但显然,对于大脑功耗就高达 20W 的人类来说,功率只有几瓦,那就直接宕机了。
但可能你会这样想,虽然人体核心温度不会随着环境显著变化。但人体新陈代谢既然是可以变化的,那么完全可以这样:
温度低的时候降低新陈代谢,温度高的时候提升新陈代谢,在较好保证各大器官功率的同时,体温在一定范围上随着温度变化而变化。
按照题主的设想,可能这样人体更适应环境。

但其实并不是。
对于高功率的恒温动物来说,体温的恒定非常重要。
生物体就是一个大型的生化反应器,而催化亿万生化反应需要的是:酶。
而温度对酶活性,具有决定性的影响[4]。
虽然不同的酶的活性范围很大(0~100℃)[5],但不同的生物体内的酶都是为了适应自身环境而存在的。
动物体内酶活性的最适宜温度为 37~40℃,平均温度为 38℃。
所以,绝大多数恒温动物的体温在 38℃附近,并不是巧合。
另外还有一个美妙的数学巧合,38℃正好位于 0~100℃温度尺度黄金分割点附近。

当一个动物长期处在恒定的环境中,它们的体温也相对恒定,那么它们身体内的各种生化反应也会比较稳定,所使用的酶也会相对固定。
有机体都是由化合物构成,所有生化反应都遵循热力学定律,都遵循阿伦尼乌斯方程:
。
k 为速率常数,R 为摩尔气体常量,T 为热力学温度,Ea 为表观活化能,A 为指前因子。
这就注定了,温度不仅影响生物体内的化学反应速率,还会引起蛋白质的构象转变、脂类的相变、水的结构变化等等[6]。
这些都注定了,当突然遭遇过高温度或者过低温度时,便可能造成恒温动物关键的酶失活,影响相应的关键生化反应,从而造成死亡。
所以,恒温动物的酶在相对较窄的温度范围具有最佳效率,但酶的种类更少,抗温度变化差。
冷血动物的酶则在更大的温度范围发挥作用,酶的种类多,抗温差变化强,但过大的温差,也会造成一些酶在大部分时间都是低效率运行。
例如,一些消化酶最佳活性温度在 38℃附近的,在恒温动物体内总是能高效率运营。而冷血动物,往往只有夏季,这些消化酶才能高效率运行。除此之外,冬眠等特殊的习性,也需要更高的酶成本支持。
也正是因为生理特征对恒温的适应,当突然面临失温,恒温动物更容易被冻死,所以寒冷地带的恒温动物进化出了厚厚的毛发或者脂肪。
在寒冷环境,为了弥补大量热量损失,机体新陈代谢也会提升,从而具有更高的食物需求,这也导致恒温动物遭遇食物匮乏时,更容易饿死。所以对应食物匮乏,一些动物进化出了能量囤积或者冬眠的能力。
的确,恒温其实也并不是总有具有优势,生物进化过程,总是会为了适应环境,增加新的「天赋」去弥补劣势的地方。
更何况,比起变温动物,我们具备绝无仅有的高功率持久维持状态。
这是我们最终能进化出智慧,发展出文明,走向星辰大海的关键。
- 说明:体温和静息 / 平均功率相关,所以本回答讨论的功率,皆为静息 / 平均功率。


