巧了,为什么人的体温是 37 度,而不是 27 度、47 度?
图片:Yestone.com 版权图片库问一个问题很简单,问一个让人难以回答的问题也很容易,可能由于问题本身引起含混不清的概念或者缺乏必要的知识。问一个难以回答,但是有助于理解世界本质的问题,不容易。所谓科学的突破都只是研究者问了一个好问题。
生物学研究的问题其实是『3W』,也就是 What, hoW, & Why 3 根轴。
抛开先验的书本知识,试着想象一下,你是全世界第一个用温度计大规模测量各种大型动物体温的人。然后,你发现,无论出于什么样的气候状态下,人类体温恒定在 36.8 °C 左右,其他的哺乳动物也在这个范围附近(36-40 °C);另外,鸟类的体温也在一个较窄的范围内(40° to 42 °C)。这样,你回答了第一个『W』问题,关于体温这一生物现象到底是什么样子的?What 问题可以很简单,也可以很难。比如物理学中仅仅问一个『组成世界的基本粒子有哪些』就已经折腾了一个多世纪。
有了大量的观测,你已经胸有成竹的知道了体温恒定这一事实。很自然的就想问一个为什么。这里问为什么不意味着想法就飞到『宇宙为什么是这样的』问题(其实这个问题我也可以回答你,是 42)。人发现新东西第一想法是什么:拆开看看。于是我们想知道 How to 维持体温。How 问题的难度几乎是远远大于 What 的,因为 how 需要你将大量的 What 之间联系起来,这里就需要较广的知识。总结如下:
- 大型恒温动物的体热根本是氧化呼吸产生的。能量供应链在分子层面是以 ATP 为核心的各条代谢通路;在真核生物是特化的线粒体内完成。线粒体膜内部氧化反应活性极高。
- 氧化呼吸的原料氧气和『汽油』是通过呼吸、循环、消化系统提供完成的。
- 全身各处体温保持接近的原因是循环系统快速的通过血液散布热量到全身。
- 体温的调节同样主要通过循环系统完成,当皮肤散热过多时动静脉吻合支关闭,当外界温度过高时会大量开放。而这样的机制又是通过神经系统的递质、激素释放逐层完成的;还有辅助的如出汗系统协同完成。
上面数条是人体生理 / 生化的总结,这一层可以推而广之到其他物种上。另外他们也是恒温状态的充分必要条件;于是,我们可以逆推出:
- 鸟类的体温略高是因为相同体型下他们的代谢率更高
- 鸟类的呼吸和心跳会更快,而且需要更多的食物
到了这一步,已经有了太多的知识需要考虑,甚至出现了暂时无法解释的情况。如果不被这么多信息冲昏头脑,就会有人进一步提出『为什么』这样的问题。我们是谁 / 我们从哪里来 / 我们要到哪去?恒定体温怎么来的?为什么我们不能没饭吃的时候降体温节约能量?为什么人类体温限定范围那么窄不能根据情况调节以便节约能量,冬天没吃的去冬眠一个?
欢迎来到天堂的门口。到了这里,怎么问出一个正确的问题就异常困难了。如果说 How 是从空间上的扩展得以回答(不同的学科、从分子到集体的不同尺度),那么也许可以想到 Why 问题首先可能需要从时间尺度上扩展。哈哈我们没办法知道未来,但是过去的情况,或多或少还是有一些的。生物圈毕竟存在了几亿年,化石什么的也还是有一些,虽然破烂一点,淘一淘也许会有收获。但是,但是,看起来似乎暂时不能回答体温的问题;毕竟从历史上我们一开始关注的是我们从哪里来这样的问题,而体温问题是前者有了一些解说之后才产生的。
演化论我就不多说了。在演化树上,各现存物种在不同的道路上走得远近各不同,横向比较各物种,可以得到一些粗糙的结论。我们知道:
- 现生的两栖、爬行等动物需要晒太阳提升体温,来维持 / 加速 一些基本的生理活动(进食后需要阳光增加消化速度,冬天需要冬眠)
- 两栖、爬行 → 哺乳动物 → 鸟类,活动的强度是由低到高的,进食的频率也是由低到高的(野生状态下大型爬行类可能几周才会吃到一餐并且管饱,即使古代人类,我猜每天至少也需要吃 1 餐不然饿得慌,鸟类的话,几乎每时每刻都在吃,一些小型鸟类甚至每天吃掉超过体重的食物)
既然演化树上曾经并没有恒温出现,我们可以推断:
- 恒温在历史上的出现,很可能是和增加进食有一些关系的
然后根据演化论,我们知道:
- 物种的繁衍(基因的传播)需要耗费大量能量;能够获取大量能量的个体(基因)在演化上具有无可比拟的优势
根据上述几点,可以继续推断:
- 能获取大量的能量本身需要消耗大量能量(觅食),这两者可能相互促进。
- 当能量 / 消耗 各自增长,其比值保持稳定会是一个自然而然的结果。因为发展出一套能迅速消耗大量能量的系统本身的目的已经是希望维持大量的能量获取,没有必要再发展出另一套系统来维持不稳定的能量摄入;只需要一个附加的温度调节系统就很棒了。
于是,恒温的『设定』,几乎就是不可避免的了。
理解了恒温产生的机制,我们可以稍微探讨一下人体温 37 度这个标准线是怎么来的。
- 可能性 1. 这个温度左右对于生物化学反应来说的确是一个『最佳温度』。但是所谓酶要在这个温度下正常工作是因为他们这套机制本来就是被设计维持恒温的产物,不能作为证明的论据了;但是似乎生殖过程异常依赖于温度,所以依然是很重要的可能机制。另外有最新研究表明先有维持生理过程的需要,后来才有内热源出现。[1]
- 可能性 2. 这并非是一个演化的结果,而只是塑造演化过程中的环境因素遗产。体温调节的恒定点被设定下来的最初,只不过刚好由当时的气温所决定了。如果当时气温高一些,也许恒定点就会更高一些。也许当时氧气含量低一些,恒温点就会更低一点。
我们依然缺乏必要的知识来给出这些问题的答案。毕竟,也许无论哪一种不是现实的可能性,都导致我们不会被诞生出来探讨这个问题。
附:一些和体温有关的理论和事实
- 上面阐述的主要是一种被简称为『肉食动物起源论』或者是杂食起源论。另外还有一种『素食起源论』,认为是氮需求增加导致了内源产热。植物的氮含量只有动物的几分之一,食草动物为了满足氮需求必须吃远超过肉食动物的食物量,满足了氮但是又多出了大量的碳元素,只好把它们都燃烧掉,结果就是体温上升,以及其带来的演化优势。
- 如果体温下降,真菌感染的几率迅速上升,而真菌感染是很容易导致死亡的。两栖类、爬行类容易受到真菌的侵袭,而哺乳 / 鸟类很少。这是『抗感染起源论』
- 蝙蝠会飞,但是蝙蝠的体温恒定点和人类几乎一样。羊的体温在哺乳类中算是偏高的,兔子也是。
本人非演化生物学背景,希望专业人士补充。
[1]. Nat Commun. 2013;4:2140. doi: 10.1038/ncomms3140. Brown fat in a protoendothermic mammal fuels eutherian evolution.
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