Приспособление к жизни при холодной температуре воздуха стало ключом к выживанию арктических тюленей. Исследование показало, что у арктических тюленей носовые ходы более извиты, чем у тюленей, живущих в более мягких местах. Эти приспособления выходят за рамки толстых слоев жира для изоляции и достигают носа ластоногих.
В холодных и сухих местах животные теряют влагу и тепло при дыхании. Более теплый и влажный воздух важен для функции легких, поэтому вдыхание холодного воздуха может подвергнуть легкие опасности и стать причиной смерти людей более восприимчивы к респираторным вирусам. Чтобы минимизировать риск, у большинства видов птиц и млекопитающих внутри носовых полостей имеются сложные кости, называемые челюстно-носовыми раковинами. Эти пористые костные полочки покрыты слизью и тканями, которые согревают и увлажняют вдыхаемый воздух. Челюстные раковины также уменьшают количество тепла и влаги, теряемых при выдохе организма.
Исследователи полагают, что строение носа помогает арктическим тюленям эффективно сохранять влагу и тепло при вдохе и выдохе.
«Благодаря такой сложной структуре носовых полостей арктические тюлени теряют меньше тепла за счет носового теплообмена, чем субтропические тюлени, когда оба подвергаются одинаковым условиям», — сказал соавтор исследования Сигне Кьельструп из Норвежского университета науки и технологий. «Это обеспечивает эволюционное преимущество, особенно в Арктике, где потеря тепла представляет собой рассеивание энергии, что должны восполняться пищей».
По словам Кьельструпа, арктические тюлени сохраняют 94 процента влаги в воздухе, когда вдыхают и выдыхают. Большая часть воды, добавляемой в воздух при вдохе, затем возвращается при выдохе.
Строение челюстных раковин варьируется у разных видов. Оленьи носы также обеспечивают эффективный теплообмен, но поскольку они встречаются только в более холодном климате, команда Кьелструпа обратилась к тюленям.
«Вы не можете найти оленей посреди Средиземноморья, но тюлени живут в самых разных средах, поэтому они позволили нам проверить этот вопрос», — сказал Кьельструп. «И из предыдущего исследования мы знали, что носы арктических тюленей похожи на губки и очень плотные, тогда как нос средиземноморских тюленей имеет более открытую структуру».
В исследовании команда использовала компьютерную томографию для создания 3D-моделей носовых полостей двух видов арктических тюленей (Monachus monachus и Erignathus barbatus). Затем они использовали модели рассеивания энергии, чтобы сравнить, насколько хорошо каждый вид согревает и увлажняет воздух при вдохе и уменьшает количество тепла и влаги, теряемое при выдохе.
Они протестировали модели носов обоих видов в арктических условиях при температуре -22°F и температуре около 50°F, то есть в холодный день для средиземноморского тюленя-монаха. Они также скорректировали различные параметры модели, чтобы подчеркнуть важные геометрические особенности полости носа.
Согласно модели, арктические морские зайцы более эффективно сохраняют тепло и водообмен как при арктических, так и при субтропических температурах. При температуре -30°C средиземноморские тюлени-монахи теряли в 1,45 раза больше тепла и в 3,5 раза больше воды за цикл дыхания, чем теряли морские зайцы.
Похоже, что более сложная и плотная носовая полость арктического тюленя обеспечила это преимущество. В частности, команда обнаружила, что увеличенный периметр челюстных раковин арктического тюленя является ключом к ограничению рассеивания энергии при более низких температурах окружающей среды.
Хотя в исследовании учитывалось количество потерь тепла за один вдох и выдох, роль, которую играет частота дыхания, остается неясной. Эти дыхательные циклы особенно сложны для тюленей, которые приостанавливают дыхание на несколько минут, когда ныряют под воду и лед.
Команда надеется глубже изучить структуру носа других видов, чтобы увидеть, обеспечивают ли разные части эволюционные преимущества в других климатических условиях.
«Например, верблюду не нужно много экономить на тепле, но ему нужно экономить на воде, поэтому можно предположить, что это может рассказать нам кое-что об относительной важности этих двух факторов», — сказал Кьельструп.
Они также планируют искать у животных подсказки о том, как построить более эффективный теплообмен и системы вентиляции.
«Если природе удастся создать такие замечательные теплообменники, я думаю, нам следует скопировать это в технике, чтобы создать более эффективные процессы, например, в кондиционерах», — сказал Кьельструп.
