瞻云,先让一部分知识有趣起来

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。
对流、辐射、汗液、呼吸,是人体最主要的四大散热方式。后两者占比比较低,且热辐射直接用的裸露皮肤模型,会略微多算。二者折中,可忽略不计。

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。