北极海豹已经进化出许多适应能力来应对寒冷的环境-您可能不会立即想到的是它们鼻腔中的骨头。与生活在较温和环境中的海豹物种相比，北极海豹的鼻道更加复杂，研究人员12月14日在《生物物理学杂志》生物物理学杂志上报告称，这些结构对海豹的帮助更大当它们吸气和呼气时，有效地保留热量和水分。
“由于鼻腔内有这种复杂的结构，当北极海豹暴露在相同的条件下时，北极海豹通过鼻腔热交换损失的热量比亚热带海豹少。”挪威科技大学的通讯作者、物理化学家SigneKjelstrup说道。“这提供了进化优势，特别是在北极，热量损失就是能量耗散，必须通过食物来补充。”
“令人惊奇的是，这些北极海豹在吸气和呼气时保留了94%的水分，”凯尔斯特鲁普说。“这意味着吸入期间添加到空气中的大部分水随后在呼气期间被回收。”
在寒冷、干燥的环境中，动物仅通过呼吸就会失去热量和水分。大多数哺乳动物和鸟类的鼻腔内都有称为上颌骨的复杂骨骼，有助于最大限度地降低这种风险。这些多孔的骨架覆盖着富含血管的粘膜组织层，可以温暖和湿润吸入的空气，这对肺功能很重要，并减少呼气过程中损失的热量和水分。
然而，这些骨骼的结构因物种而异。Kjelstrup的团队此前表明，驯鹿的鼻子可以在寒冷的条件下进行有效的热交换，但由于驯鹿并不生活在多样化的环境中，因此他们转向海豹来测试驯鹿的鼻子是否有什么特别之处。北极动物。
“在地中海中部找不到驯鹿，但海豹生活在许多不同的环境，因此它们让我们测试这个问题，”凯尔斯特鲁普说。“我们从之前的研究中得知，北极海豹的鼻子呈海绵状且非常致密，而地中海海豹的鼻子则具有更开放的结构。”
研究人员使用计算机断层扫描技术制作了北极海豹——髯海豹(Erignathus)的鼻腔/上颌骨的3D模型barbatus)和亚热带物种地中海僧海豹(Monachusmonachus)。然后，他们使用能量耗散模型来比较密封件的性能。能够在吸气时加热和湿润空气，并减少呼气时热量和水分的损失。
研究小组在北极条件下(-30°C)和10°C(对于地中海僧海豹来说代表寒冷的一天)对两只海豹进行了测试。他们还调整了模型中的不同参数，以确定对其功能很重要的鼻腔几何特征。
该模型表明，在北极和地中海环境温度下，北极海豹在保持热量和水交换方面比亚热带海豹更有效。在-30°C时，地下海豹每个呼吸循环损失的热量和水分是北极海豹的1.45倍和3.5倍;在10°C时，地下海豹损失的热量和水分是北极海豹的1.5倍和1.7倍。
这一优势是由于北极海豹的鼻腔更加复杂、密集。具体来说，研究人员表明，北极海豹上颌骨周长的增加是限制低环境温度下能量耗散的关键。
该研究调查了每个呼吸周期(即一次吸气和呼气)的水分和热量损失，但呼吸频率的作用仍然存在不清楚。这对于海豹来说尤其复杂，它们在潜水时会暂停呼吸几分钟。
未来，研究人员希望研究其他物种的鼻结构，看看不同的结构是否在其他环境中提供进化优势。“例如，骆驼不需要节省太多热量，但它确实需要节省水，因此人们可以推测它可以告诉我们两者的相对重要性，”凯尔斯特鲁普说。
最终，研究人员计划利用这些信息来设计更高效的热交换器和通风系统。“如果大自然能够创造出如此出色的热交换器，我认为我们应该在工程中复制它，以创造更高效的过程，例如在空调中，”他说。凯尔斯特鲁普说。