Kylmä ja pakkanen eivät niitä nujerra. Alaskan erämaan eläimet

 

Kylmä ja pakkanen eivät niitä nujerra. Alaskan erämaan eläimet

https://www.youtube.com/watch?v=Q27twZ_53zk

Tämä kiehtova luontodokumentti käsittelee sitä, miten Alaskan villieläimet selviytyvät ja sopeutuvat äärimmäiseen kylmyyteen ja pakkaseen. Video jakaa eläinten selviytymisstrategiat kahteen pääluokkaan: aktiiviseen lämmön ylläpitoon ja kylmyyden odottamiseen "sammuttamalla" kehon toimintoja (0:29).

Videon pohjalta tehty analyysi eläinten hämmästyttävistä selviytymiskeinoista:

1. Aktiivinen lämmön säilyttäminen (Eristys ja anatomia)

Monet eläimet pysyvät aktiivisina koko talven turvautuen fyysisiin ominaisuuksiinsa:

• Karibu (peura): Karvapeite koostuu ontuista karvoista, joiden sisällä oleva ilma toimii täydellisenä eristeenä ja pelastusliivinä vesistöjä ylitettäessä (1:38). Jaloissa ja valaan evissä toimii vastavirtalämmönvaihto, jossa lämmin valtimoveri lämmittää palaavaa laskimoverta, jolloin raajoihin menevä veri on jo kylmää eikä hukkaa lämpöä lumeen (2:25). Myös kuono toimii lämmönvaihtimena (3:40).

• Myskihärkä: Laji on selvinnyt mammuttien ajoista asti (4:46). Sen salaisuus on alusvilla qiviut, joka on hienompaa kuin ihmisen hius ja lämmittää useita kertoja tehokkaammin kuin lampaanvilla (5:03).

• Napakettu: Maapallon tehokkain turkki, josta 3/4 on alusvillaa (6:22). Sen keho on muuttunut pyöreäksi (lyhyet jalat, korvat ja kuono) pinnan minimoimiseksi (6:59).

• Tunturipöllö ja riekko: Pöllön jalat ovat höyhenpeitteiset kynsiin asti ja nokka on upotettu sulkiin (7:57). Riekko puolestaan sukeltaa lumihankeen suojautuakseen pakkaselta, sillä ilma pitoinen lumi toimii peittona (8:33).

• Hirvi ja jänis: Hirven suuri koko hidastaa jäähtymistä, ja se voi nukkua hangessa lumipesässä (10:11). Lumikenkäjäniksen valkoinen karva on ontto ja sisältää ilmaa ilman pigmenttiä (9:35).

2. Kylmyyden odottaminen (Horros ja jäätyminen)

Osa eläimistä on valinnut radikaalimman tavan selviytyä energiapulan yli:

• Grizzlykarhu: Karhun sydämen syke laskee talvella murto-osaan ja hengitys harvenee (12:12). Karhun keho pystyy kierrättämään typpeä (virtsa-aineita) proteiinien rakennusaineeksi, minkä ansiosta sen lihakset ja luut eivät surkastu kuukausien liikkumattomuuden aikana (12:59). Karhu ei kuitenkaan jäädy, vaan sen ruumiinlämpö laskee vain muutaman asteen (13:43).

• Arktinen siiseli: Tämä pieni jyrsijä kykenee alijäähtymiseen (15:51). Sen ruumiinlämpö laskee nollan alapuolelle (miinusasteille), mutta veri ei jäädy, koska se puhdistaa verestään kaikki hiukkaset, jotka voisivat toimia jääkristallien alkukohtina (15:00).

• Alaskansammakko (Lithobates sylvaticus): Videon hämmästyttävin esimerkki (17:16). Sammakko jäätyy talvella kirjaimellisesti kivikovaksi: sydän pysähtyy, aivotoiminta lakkaa ja 2/3 kehon vedestä muuttuu jääksi (17:49). Kun jää koskettaa ihoa, maksa vapauttaa vereen valtavan määrän glukoosia (sokeria), joka toimii siirappisena suojana solujen sisällä estäen niitä jäätymästä ja rikkoutumasta (18:48). Keväällä sammakko sulaa sisältä ulospäin ja herää henkiin (18:08).

Yhteenveto

Video osoittaa, että luonto toistaa toimivia mekanismeja (kuten vastavirtalämmönvaihtoa ja luonnollisia "antifriisi"-proteiineja kaloilla ja hyönteisillä) hyvin erilaisilla lajeilla (20:13). Lopulta selviytymisessä ei ole kyse vain pakkasen sietämisestä, vaan energian (ruuan) riittävyydestä ja kyvystä hidastaa elintoimintoja äärimmilleen (10:57).

Alijäähtyminen

Alijäähtyminen (engl. supercooling) on kiehtova fysikaalinen ja biologinen ilmiö, jossa nesteen lämpötila laskee sen jäätymispisteen alapuolelle ilman, että neste muuttuu kiinteäksi (jääksi) (15:51).

Videon arktinen siiseli käyttää tätä ilmiötä selviytyäkseen elossa Alaskan jäätävässä maaperässä, jossa sen ruumiinlämpö voi laskea jopa -2,9 °C:een (14:41).

Tässä on tarkempi katsaus siihen, miten alijäähtyminen toimii fysiikan tasolla ja miten siiseli hyödyntää sitä:

Miten alijäähtyminen toimii? (Fysikaalinen tausta)

Jotta vesi tai miksi tahansa neste voi muuttua jääksi, se tarvitsee yleensä kaksi asiaa: kylmyyttä ja alkupisteen (niin sanotun kiteytysytimen) (15:30).

• Kiteytysydin: Puhtaassa vedessä jääkiteet eivät ala muodostua itsestään heti 0 °C:ssa (15:22). Jäätyminen vaatii pienen epäpuhtauden – kuten pölyhiukkasen, mikrobin tai astian karhean pinnan – jonka ympärille vesimolekyylit voivat alkaa järjestäytyä säännölliseksi jääkristalliksi (15:40).

• Jos ydintä ei ole: Jos neste on äärimmäisen puhdasta eikä siinä ole mitään, mihin ensimmäinen jääkristalli voisi "tarttua", neste voi pysyä täysin juoksevana huomattavasti pakkasen puolella (15:30). Tätä kutsutaan alijäähtyneeksi tilaksi (15:51).

Miten arktinen siiseli tekee sen? (Biologinen ihme)

Nisäkäsmaailmassa arktinen siiseli on äärimmäinen poikkeus, sillä muiden nisäkkäiden veri ja kudokset jäätyisivät ja vaurioituisivat näissä lämpötiloissa (16:20). Siiseli on kehittänyt tähän kaksi elintärkeää mekanismia:

• Veren "suodatus" puhtaaksi: Ennen talvihorrokseen vaipumista siiselin keho puhdistaa verenkierrosta ja kudoksistaan mahdollisimman tarkasti kaikki mahdolliset hiukkaset ja epäpuhtaudet, jotka voisivat toimia jääkiteiden alkukohtina (16:02). Se poistaa järjestelmästään potentiaaliset kiteytysytimet (15:40).

• Äärimmäinen liikkumattomuus: Horroksessa siiseli on täysin liikkumatta kierteellä pienessä maanalaisessa pesässään (14:29). Alijäähtynyt neste on nimittäin mekaanisesti hyvin herkkää: jos alijäähtynyttä nestettä ravistetaan tai siihen kohdistuu isku, se saattaa napsahtaa jääksi sekunneissa. Siiselin on pysyttävä täysin tyynenä (15:11).

Jatkuva tasapainoilu veitsenterällä

Alijäähtynyt tila kuluttaa siiseliltä erittäin vähän energiaa, minkä ansiosta se säästää rasvavarastojaan pitkän talven yli (12:30). Tila on kuitenkin biologisesti vaarallinen, sillä jos yksikin jääkristalli pääsisi muodostumaan, koko eläin jäätyisi hetkessä kuoliaaksi (16:12).

Tämän vuoksi siiseli ei pysy alijäähtyneenä koko talvea putkeen. Noin parin viikon välein sen keho alkaa täristä ja se herää hetkeksi lämmittelemään ruumiinlämpönsä takaisin normaaliin noin 37 asteeseen (16:40). Tämän lyhyen (noin vuorokauden kestävän) heräämisen aikana siiselin aivot ja keho ikään kuin "nollaavat" tilanteen ja korjaavat mahdolliset solutason vauriot, ennen kuin se laskeutuu takaisin pakkasasteiseen horrokseen (16:49).

Vastavirtalämmönvaihto

Vastavirtalämmönvaihto (engl. countercurrent heat exchange) on luonnon oma, nerokas insinööritaidon näyte, jolla säästetään valtavasti energiaa äärimmäisessä kylmyydessä. Se on biologinen järjestelmä, jossa lähekkäin ja vastakkaisiin suuntiin virtaavat nesteet vaihtavat lämpöä keskenään.

Videon kuvailema mekanismi estää eläintä hukkaamasta kehon sisäistä lämpöä ympäristöön silloinkin, kun raajat ovat kosketuksissa suoraan jäähän tai lehmänkylmään veteen.

Näin vastavirtalämmönvaihto toimii käytännössä:

Anatominen rakenne: Valtimot ja laskimot kietoutuneina

Normaalisti nisäkkäiden verenkierto vie lämmintä verta valtimoita pitkin kehosta raajoihin, ja jäähtynyt veri palaa laskimoita pitkin takaisin. Kylmässä ilmastossa elävillä lajeilla – kuten karibulla jaloissa tai valailla evissä – tämä rakenne on järjestetty toisin:

1. Lämpimän ja kylmän kohtaaminen: Sydämestä tuleva, lämmin valtioverkosto kulkee aivan tiiviisti yhdessä varpaista tai evistä palaavan, kylmän laskimoverkoston kanssa. Ne ovat usein kietoutuneet toisensa ympärille verkoksi (rete mirabile eli ihmeverkko).

2. Lämmön siirtyminen matkalla: Kun lämmin veri virtaa kohti kylmää kaviota tai evää, se luovuttaa lämpöään aivan vieressä vastaan virtaavalle kylmälle verelle.

3. Lämpö kääntyy takaisin: Lämpö ei siis koskaan ehdi kaviomarginaaliin asti, vaan se "oikaisee" takaisin kehoon jo matkalla.

Mitä hyötyä tästä on eläimelle?

Tämän mekanismin ansiosta saavutetaan kaksi kriittistä etua:

• Lämpöhukan minimointi: Koska jalkaterään tai evän kärkeen päätyvä veri on jo valmiiksi lähes nolla-asteista (eli hyvin lähellä ympäristön lämpötilaa), lämpötilaero lumen ja raajan välillä on minimaalinen. Fysiikan lakien mukaan lämpöä ei silloin siirry tai karkaa eläimestä maahan juuri lainkaan.

• Sydämen suojaaminen: Jos raajoista palaava veri tulisi kylmänä suoraan takaisin kehon ytimeen, se viilentäisi sisäelimiä ja sydäntä, mikä vaatisi eläimeltä valtavasti energiaa (ruokaa) kehon uudelleenlämmittämiseen. Vastavirtalämmönvaihtimen ansiosta kehon ytimeen palaava veri on jo valmiiksi lämmintä.

Missä muualla sitä tavataan?

Luonto käyttää tätä samaa periaatetta monessa paikassa, eikä vain lämmön säästämiseen:

• Hengitysteissä (Nenä): Kuten videolla mainittiin, karibun (ja esimerkiksi poron) kuonossa on poimuisia luurakenteita, jotka lämmittävät sisäänhengitysilman ennen keuhkoja ja keräävät uloshengityksestä lämmön sekä kosteuden talteen.

• Ihmisen tekniikassa: Samaa periaatetta käytetään nykyään talojen ilmanvaihtojärjestelmissä (LTO eli lämmöntalteenotto), joissa poistoilman lämpö siirretään sisään tulevaan raikkaaseen ilmaan ilman, että ilmat sekoittuvat keskenään.

sammakon jäätyminen

Alaskansammakon (Lithobates sylvaticus, engl. wood frog) jäätyminen on yksi biologian hämmästyttävimmistä selviytymistarinoista. Kun useimmat eläimet kuolevat, jos niiden kudokset jäätyvät, tämä pienen tulitikkurasian kokoinen sammakko muuttuu talvella kirjaimellisesti umpijäässä olevaksi "kiveksi" ja herää keväällä eloon (17:16).

Sammakko pystyy tähän biologisen kemiaan perustuvan neronleimauksen ansiosta, joka jakaantuu kolmeen päävaiheeseen:

1. Jään ohjaaminen solujen ulkopuolelle

Kun tavallinen solu jäätyy, veden laajentuminen ja terävät jääkristallit repivät soluseinämät rikki, mikä johtaa solun kuolemaan (18:27). Alaskansammakko ratkaisee tämän säätelemällä sitä, missä jää muodostuu:

• Heti kun ensimmäiset jääkiteet koskettavat sammakon ihoa syksyllä, sen keho käynnistää suojamekanismin (18:48).

• Sammakko antaa jään muodostua vain solujen ulkopuolisiin tiloihin – kuten ihon alle, vatsaonteloon ja lihasten väleihin (19:08).

• Solun ulkopuolella laajeneva jää ei pääse rikkomaan itse solujen herkkää sisäistä rakennetta (19:08).

2. Maksa valmistaa sokerisiirappia (Luonnon oma antifriisi)

Solujen sisäosan suojaamiseksi sammakon maksa tekee uskomattoman suorituksen:

• Saatuaan tiedon jäätymisestä maksa alkaa välittömästi pilkkova glykogeenivarastojaan ja tulvii verenkierron täyteen valtavan määrän glukoosia (sokeria) (18:48). Sokeripitoisuus nousee satoja kertoja normaalia korkeammaksi.

• Tämä äärimmäisen väkevä sokeriliemi toimii kuin siirappi solujen sisällä (18:57). Fysiikan lakien mukaan erittäin sokerinen vesi ei jäädy kovassakaan pakkasessa.

• Sokerisiirappi sitoo vettä solun sisällä, jolloin solu ei kuivu liikaa, eikä sen sisään pääse muodostumaan tuhoisia jääkiteitä (19:08). Sammakon keho käyttää apunaan myös ureaa (virtsa-ainetta) tehostamaan tätä suojaa (19:28).

3. Täydellinen pysähdys ja kevätsulaminen

Talven aikana sammakon tila vastaa kliinistä kuolemaa (18:01):

• Sen sydän lakkaa lyömästä, hengitys pysähtyy kokonaan ja aivotoiminta sammuu (17:49). Jopa kaksi kolmasosaa sammakon kehon vedestä voi olla täysin jäässä (17:49). Tässä tilassa se voi selvitä kuukausia jopa -15 °C:n pakkasessa.

• Keväällä tapahtuu ihme: sammakko alkaa sulaa sisältä ulospäin. Ensimmäisenä sulaa sydän, joka alkaa lyödä automaattisesti uudelleen (18:08).

• Muutaman tunnin kuluessa verenkierto palautuu raajoihin, aivot käynnistyvät, sammakko räpäyttää silmiään ja hyppii tiehensä kuin mitään ei olisi tapahtunut (18:17).

Tutkijat ympäri maailmaa (mukaan lukien elinsiirtoihin ja kryoniikkaan erikoistuneet lääkärit) tutkivat alaskansammakkoa intensiivisesti. Jos oppisimme jälkimukauttamaan tämän mekanismin ihmiskudokselle, voisimme mahdollisesti säilyttää siirrettäviä elimiä pakastettuina pitkiä aikoja ilman vaurioita.

Sammakko selviää talvesta kirjaimellisesti kuolleena olemalla. Haluaisitko kuulla lisää siitä, miten sammakon sydän käynnistyy uudelleen ilman ulkopuolista sähköiskua, vai kiinnostaako sinua jokin muu videon talviselviytyjä, kuten puolen metrin rasvakerroksella varustettu valas (22:33)?