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本文来自微信公众号:非虚构时间 (ID:non-fiction702),作者:吉诺·塞格雷,头图来自:视觉中国


前段时间,南方城市出现极端高温天气,多地气温超过40℃——超过人类能承受范围的高温天气已经开始出现。在全球持续变暖的大趋势下,我们都很关心一个问题:如果极端天气成为常态,人类能承受这样的持续高温吗?


事实上,我们对温度的了解并没有想象中的深入——虽然人人知道就连一个婴儿都能分辨冷热,但是我们学会度量温度却只有几百年。


比如,我们知道太阳的中心温度,对地球的中心温度却不甚明了。


比如,无论生活在北极圈还是撒哈拉,为什么人类的体温保持不变?为什么它始终是华氏98.6度(摄氏37度)?为什么大多数哺乳动物和鸟类都有着大致相同的体温?


又比如,我们感染时会发烧,为什么会演化出这样的功能?


美国宾夕法尼亚大学物理和天文学教授吉诺·塞格雷(Gino Segrè),是世界闻名的高能基本粒子理论物理学家,曾受到美国国家科学基金、艾尔弗雷德·斯隆基金、约翰·古根海姆基金和美国能源部的嘉奖。《迷人的温度》是他的代表作。


在这本书里,吉诺教授探讨了过去的一百年,科学家曾着力探讨的一系列重大问题(它们中的许多至今仍没有得到解答),而将它们串在一起的,正是温度。


温度,不只是数字。


《迷人的温度》中解答了一个有趣的问题:在气温超过摄氏54度的撒哈拉沙漠,人类为什么依然活得有声有色?


下面,让我们看看吉诺·塞格雷是如何解释的。


《迷人的温度》 (美)吉诺·塞格雷 著,高天羽 译


在气温超过摄氏54度的撒哈拉沙漠,人类依然活得有声有色


要保持恒定体温,高效的冷却机制和保暖一样重要。既然热量总是从较热的物体向较冷的物体流动,那么我们如果置身于摄氏41度的环境之中而缺乏某些调节机制,我们的体温就会不断升高,直至死亡。


但实际上,我们却活了下来。我们下面还会说到,甚至在温度更高的撒哈拉沙漠地区,人类依然活得有声有色。


蒸发是其中的关键。即使在寒冷的环境中,蒸发也会将我们在代谢中产生的热量带走约四分之一;如果气温上升,这个比重还会更大。要理解蒸发的散热原理,不妨将我们的体液设想成一个个水池,其中的水分子移动着、撞击着。


我们现在知道,水的温度是水分子平均动能的体现。如果有运动较快的水分子从池中逃逸,剩余液体的平均动能就会变低,整个池子的温度也会下降。这就是蒸发能够降温的原理。不过,这个原理只有在液体上方的空气足够干燥时才起作用。如果快速运动的分子由水蒸气重新进入了水池,速度和它们离开时一样快,那么蒸发的降温效应就会消失。


蒸发是一个十分重要的过程,因为水在变为蒸汽时会吸收大量的热。卡路里是热量的单位。将1克水加热1摄氏度,需要的热量正好是1卡;将1克水从摄氏0度加热到摄氏100度,需要的热量正好是100卡。然而,要将摄氏100度的1克水变成相同温度的1克水蒸气,需要的热量却超过500卡。也就是说,将水转化成水蒸气所需的热量,是将水从冰点加热到沸点所需的热量的五倍还多。因此,将身体里的水转化成水蒸气是一种十分有效的降温方法。


那些需要降低体温的动物,自然也运用了这条基本原理,它们从各自的需要出发,发明出了层出不穷的巧妙方法。用蒸发促进冷却的一个法子是扇风,也就是趁运动较快的水分子甫离水面之际就将其吹走,使它们无法重新回到水里。我们在一杯咖啡或者一碗热汤表面吹气,使用的就是这个方法。


当然了,无论什么必需品,人类都会给它加上修饰:有了功能就要有外观,有了外观又要有装饰。英文的“扇子”(fan)来自拉丁文的vannus,它是已知最早的冷却工具,大英博物馆的一幅浅浮雕上就展示了辛那赫瑞布的仆人用巨大的羽毛扇为他扇风的场面。


到今天,那些羽毛早已化为尘土,几根扇柄却保存了下来,那差不多是公元前2000年的文物了。折扇造型优雅,手腕一抖就能开合,它似乎最早出现于日本,后又传入中国。中国人喜欢在特别场合请贵客在折扇上题字、留作纪念。英国女王伊丽莎白一世也在肖像中手执一把硕大的羽扇。


英国女王伊丽莎白一世手执羽扇的肖像


到了18世纪,扇子已经成为了风靡欧洲的商品,各大城市都出现了只在扇面上作画的专职画家。当时的扇柄用象牙和珍珠母雕成,上面镶嵌宝石,末端还装有玻璃透镜。正式的舞会上也衍生出了一套用扇子的位置表示不同含义的精致礼节,仿佛铁道上的壁板信号系统。但是无论装饰得多么精巧,扇子依然是最简单的冷却工具,到今天都是如此。


蜜蜂同样采取了这个风扇策略,并以此对蜂巢的温度做精心调节。每到夏天,它们就扇动翅膀引起对流、给蜂巢降温。但是当气温升到摄氏27度以上时,扇风已经不够了。于是它们纷纷飞出蜂巢喝水,返回时再将水吐出,在蜂巢中形成一道道液滴组成的薄幕。这时它们再扇动翅膀,将湿润的空气驱离蜂巢。


E.O.威尔逊说起过一个实验:给蜜蜂无限的水源,它们就能将蜂巢的温度维持在约摄氏29度,虽然外面的气温已经升到了约摄氏71度。蜜蜂从不进入沙漠,但原因不是高温、而是缺水。


扇风能加速冷却,但冷却的第一步还是要在某个表面上制造液体,好让它蒸发到空气中去。少数袋鼠和一些大鼠能够靠舔舐毛发使自己冷却,因为唾液的蒸发会带走热量,但是应用最广的蒸发技术还是喘气和流汗。

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鸟类没有汗腺,还有一些哺乳动物只有少量汗腺,比如狗。它们依靠短促的浅呼吸来使得喉咙的液体蒸发。这种方法颇有一些好处,其中一个是我们不太容易想到的:它能帮助动物保持头脑冷静。


小个子的东非瞪羚在草原上全速奔驰五分钟,产生的热量就会使它们的核心体温从约摄氏39度上升到略高于摄氏43度。血液从略高于摄氏43度的身体沿着动脉流向头部,它们脑部的温度却始终比身体低15度以上。它们的脑部之所以能保持冷却,完全是奔跑时的快速呼吸制造的一个附带的好处。


从身体向脑部供血的主要血管是颈动脉,它在颅底分成几百支小动脉,在进入脑部之后重新汇合。就在分岔的途中,动脉中的热血被附近喉咙里快速流动的空气所冷却。这个有趣的冷却机制能使逃亡中的瞪羚保持最佳的决策能力。即使身体的其他部位不断加热,它的脑部温度却能大致恒定。可见这种动物的第一要务是维持控制中枢的恒温,而身体的其他部位就有一点变温的自由了。


和出汗相比,喘息还有一个优势:出汗时,汗水会带走珍贵的盐分,所以才常有人告诫我们大量流汗时要喝下富含矿物质的饮料。而喘息时,唾液中的矿物质是留在体内的。不过,喘息也自有它的缺点,其中之一是需要肌肉的活动,而肌肉的活动本身又会制造热量(快速的浅呼吸对这个问题有所缓解)。没有一个办法是万全的。一切都是动物在漫长的历史中演化出来的适应性行为,目的是使生存的几率达到最大。


多数大型哺乳动物都会出汗,其中的一些尤其明显。就连骆驼也会出汗,只是它们的汗水不容易发觉,因为在沙漠的干燥空气里,水蒸气几乎会立刻蒸发。


人类的毛发已经差不多完全丧失,只留下一身裸露的皮肤。这层覆在体表的器官有大约200万个汗腺,分布在全身上下,手掌上最为密集,其他部位则稀疏一些。在下丘脑的调控之下,汗腺分泌出一种略带咸味的液体。这种分泌活动不受意识调控,也不完全由环境激发,压力或紧张也会使人流汗。这是一种效率极高的冷却手段,当人体的代谢增加,产生大量体热时,汗水能够迅速将热量排解出去。当你身着衬衣和长裤前往办公室,出太多汗或许不是什么好事,但是对我们的祖先来说,快速冷却有助于逃生,是有利野外生存的手段。


关于出汗降温的效果还要多说一句,我们在前面也略微提到了:那些快速运动的水分子,离开体表的必须多于到达体表的。如果外间的空气太潮,那么即使大汗淋漓也起不到蒸发降温的效果。


脱水是另一个问题。虽然自己并不知觉,但我们一天平均要产生约0.9升左右的汗水;根据天气和运动量的变化,这个数字可能下跌到接近于零,也可以上升到约15升之多。当流失的汗液接近这个上限时,我们就会陷入严重脱水的险境,可能需要静脉补液才能转危为安。


菲利普·莫里森(Philip Morrison)曾经为《科学美国人》杂志写过一系列评论文章,其中的一篇介绍了流汗与扇风的功效,他举的例子是那些体力最强的运动员——环法自行车赛的选手。


莫里森讲述了五次夺得这项赛事冠军的艾迪·莫克斯在实验中骑健身脚踏车的表现:这位日复一日在山丘上攀爬、一次能骑行六小时的铁人,只在无风的健身房内骑了一小时,就瘫倒在了一汪汗水之中。这是怎么回事?莫里森做了一番计算。


为了获得必需的能量,自行车手一天的饮食相当于普通人的八餐,因为在赛车时一小时就要烧掉约1000千卡热量,是坐在办公桌前的十倍之多。


在为时二十二天的环法赛事中,车手的体重不增不减,那么摄入的能量到哪里去了呢?其中只有约25%转化成了机械功,用来克服空气阻力、推进赛车和车手,另外75%都转化成身体的热量散发掉了。


由于热量实在太多,车手每天要通过皮肤蒸发约9升水分,才能保持恒定的体温。这不仅需要车手不断饮水,还需要有持续的劲风帮助蒸发,而每小时约40公里的车速正好创造了这股劲风。如果没有风,蒸汽压就会饱和,使得水分无从蒸发,热量堆积起来。于是,能够全速骑行八小时的艾迪·莫克斯,只在健身脚踏车上坚持了六十分钟就筋疲力尽了。这一点,凡是在健身房里练过动感单车的人想必都能体会。


在气温超过摄氏54度的撒哈拉沙漠,蒸发降温同样是生存的关键。沙漠的空气十分干燥,因此无需担心蒸汽压饱和的问题。一个人即使坐在枣树的阴影下给自己轻轻扇风,一天也会流失约7.6升体液;只要稍事运动,一天就会流失约15升水分;剧烈运动是绝对不行的。而且,流失的水分必须不断补充,否则就会脱水。在流失的水分达到约0.47升时,脱水的症状开始出现;达到约3.8升时,人会开始疲惫发烧。流失约7.6升水,人开始头晕目眩、呼吸困难。到约11.4升时已经无法挽救,除非立刻就医、静脉滴注。如果水分没有得到补充,在撒哈拉的夏日行走一天就能致人死亡。


尽管如此,人类却仍然在沙漠中成功地生活着。几乎每一个人都能对这种炎热干燥的气候产生适应,只要在五到十天的时间里逐渐接触高温,每天体验一两个小时就行了。这实际上是在训练身体出更多汗。


正如生理学家兼动物体温专家卡尔·吉索尔菲(Carl Gisolfi)和弗朗西斯科·莫拉(Francisco Mora)所说:“这或许是人类能够做到的最惊人的生理适应,而它的一个重要原因就是人类汗腺的演化。”


在沙漠中,不仅汗液的总量有所增加,汗水本身的盐度也降低了。这个变化有两个好处,一是减少钠、钾和其他矿物质的流失,以保证身体的正常运作;二是加强口渴的感觉,使人大量饮水。而饮水越多,蒸发就越多,身体也随之愈加凉爽。


在沙漠中奋力求生的人还有一位帮手,那是一种独特的动物,它能在十分钟内饮下约114升水,并将水分储藏到身体各处。这种动物当然就是适应沙漠生活的杰出典范——骆驼。


骆驼用身体储藏水分,它可以两个礼拜不饮水,只靠体内的水源就能存活。它还掌握了一系列节水措施,比如它的尿液和粪便中都绝少水分,它平常会紧闭嘴唇,并将鼻孔缩成两条狭线。


不过,这种神奇的动物最出众的本领,还是根据体内水分的多少来调节体温。一头喝饱水的骆驼会将体温维持在约摄氏36度至38度之间,并靠蒸发来冷却身体。但是如果体内水分较少,它又会将体温移动到另一个范围,在夜间直降到约摄氏31度,到了白天最热的时候再上升为约摄氏41度。在日光下升高体温能减少冷却身体需要蒸发的水分,到了夜里,再靠较低的气温将白天积累的热量尽量散去。骆驼本来是一种喜欢体温保持恒定的动物,但是在压力之下,它也适应了新的环境。


聪明的沙漠旅行者发现,蒸发还能使他们携带的用水保持凉爽。蒸发在沙漠气候中创造的奇迹没有逃过本杰明·富兰克林的眼睛,这个人似乎对世间万物的原理都怀有兴趣,无论是政府还是避雷针,蒸发的奥秘当然也在他的研究范围之内。


当年在英格兰维护北美殖民者的利益时,富兰克林(我执教的大学恰好也是他创立的)开展了一项实验:他将一支温度计用乙醚蘸湿,然后用风箱对它吹气,直到温度计的末端结起了一层薄薄的冰。1758年6月17日,他在给友人约翰·利宁(John Lining)的信中描述了自己的几个实验,顺便对沙漠旅行者已经掌握的知识思索了一番:


从这个实验中,我们可以看到一个人在温暖的夏日冰冻而死的可能:只要他站在一条疾风吹拂的道路上、并且频频往身上涂抹乙醚就行了。乙醚是一种比白兰地或其他常见的酒类都更容易燃烧的液体。一直到过去这几年里,欧洲的哲学家才似乎了解了它所蕴含的自然之力,并知道了蒸发可以用来冷却身体。而东方人早就明白了这个原理。一位朋友告诉我说,伯尼尔在近一百年前写出的《印度斯坦游记》里,有一段提到了旅人在酷热的天气穿越干旱沙漠的一个窍门:他们用长颈瓶装水,并在瓶身周围裹上蘸水的羊毛,挂在骆驼的背阴面。


富兰克林接着又想到了自己在费城夏日摄氏38度以上的天气里耐受高温的能力(那样的日子我在费城也领教过不少,所以我对他的看法格外有兴趣)。他总结道,蒸发造成的冷却一定产生了作用,用他自己的话来说: 我认为一具死尸的温度会渐渐和空气相同,而活人因为不断出汗、汗水不断蒸发,反而能保持凉爽。


同样的道理,每到收获季节,宾夕法尼亚的农民都会冒着晴朗炎热的阳光,在开阔的田野里收割庄稼。他们的工作得心应手,只要不断出汗,炎热就不会有多少妨害,而他们也确实有法子使自己不断出汗。他们不时喝下一种淡淡的酒,那是混合了朗姆酒的水,很容易蒸发。然而汗水一旦停止,他们就会倒下,如果不能继续流汗,有的人还会当场死亡。


我还要补充一句:富兰克林是个讲求实际的人,自然也对冷天里怎么保暖很感兴趣。富兰克林火炉就证明了这一点。


本文来自微信公众号:非虚构时间 (ID:non-fiction702),作者:吉诺·塞格雷

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