Key concepts
Temperature
Heat transfer
Adaptation
Insulation
Fatty tissue
Introduction
Have you ever wondered how whales and other marine mammals survive and keep warm in the cold oceans? Ciepłokrwiste ssaki mogą żyć w tych chłodnych warunkach, ponieważ ich ciała mają pewne chłodne adaptacje oszczędzające ciepło, dzięki pokoleniom doboru naturalnego.
Innymi słowy, aby przekazać cechy (poprzez swoje geny), poprzednicy współczesnych ssaków morskich musieli pokonać różne wyzwania, aby się rozmnażać, a ich potomkowie otrzymali geny, które pozwoliły im przetrwać. Tego rodzaju zmiany zachodzące w organizmach w czasie są tym, co napędza ewolucję. Ważnym przystosowaniem ssaków morskich jest tran, czyli gruba, izolacyjna warstwa tłuszczu pod skórą, która pomaga utrzymać ciepło ciała i chłód powietrza lub wody. Czy warstwa fałszywego tranu – w formie skrótu – pomoże ci nie zmarznąć?
Tło
Ssaki, które ewoluowały do życia w zimnych wodach, takie jak wieloryby, foki, lwy morskie i niedźwiedzie polarne, powszechnie mają warstwę tranu. Niezależnie od tego, czy zwierzęta te żyją w zimnych wodach w pobliżu bieguna północnego lub Antarktydy, czy też odwiedzają głębiny oceanu, ich tran jest niezbędny do przetrwania. Zimą powietrze w Arktyce (najbardziej wysuniętej na północ części świata) często ma temperaturę poniżej -40 stopni Celsjusza (-40 stopni Fahrenheita). Antarktyda, najzimniejsze miejsce na świecie, może mieć poniżej -60 stopni C (-76 stopni F). W zależności od gatunku, wieloryby nurkują na głębokość ponad 400 lub 500 metrów (około jednej czwartej mili) w oceanie, gdzie woda może być zimniejsza niż 12 stopni C (54 stopnie F).
Blubber pomaga tym ssakom morskim uniknąć zbytniego wychłodzenia. (Zimnokrwiste zwierzęta morskie, takie jak ryby, rekiny lub kraby, nie muszą pozostawać w cieple i mogą pozwolić, aby temperatura ich ciała zbliżyła się do temperatury wody. Dlatego nie potrzebują dodatkowej izolacji). Blubber to gruba warstwa tkanki tłuszczowej (adipose). Zwierzęta magazynują dodatkowe strawione pożywienie w postaci tkanki tłuszczowej, która zawiera cząsteczki zwane lipidami. Tkanka tłuszczowa ma stosunkowo niską przewodność cieplną, co oznacza, że nie przenosi ciepła tak dobrze jak inne tkanki i materiały – takie jak mięśnie czy skóra. W ten sposób pomaga ona izolować ciało zwierzęcia.
Materiały
– Dwie miski
– Zimna woda
– Ciepła woda
– Kostki lodu
– Skrobia (taka jak Crisco)
– Ręczniki papierowe
– Stoper
– Termometr
– Partner
Przygotowanie
– Włóż równą liczbę kostek lodu do każdej miski, nie napełniając żadnej z nich zbytnio. Dodaj zimnej wody do każdej z misek.
– Zmierz temperaturę wody w każdej z misek za pomocą termometru. Powinny one mieć taką samą temperaturę. Kiedy temperatura się wyrówna (co powinno nastąpić szybko), woda jest gotowa do testu.
Procedura
– Pokryj swój palec wskazujący jednej ręki grubą warstwą skrzepu, pokrywając cały obszar, który będzie zanurzony w wodzie. Pozostaw drugi palec wskazujący czysty i goły.
– Poproś partnera, aby przygotował stoper. Kiedy on lub ona jest gotowa, włóż palec wskazujący każdej ręki do jednej z misek z lodowatą wodą i niech twój partner zacznie odmierzać ci czas. Jak tylko palec poczuje się zbyt zimny, aby dłużej trzymać go w wodzie, wyjmij go. Jak długo pozostawiłeś każdy palec w misce?
– Pozwól swoim palcom ogrzać się i powrócić do normalnego koloru. Jeśli z przykrytego palca odpadł skrót, nałóż go ponownie.
– Poproś partnera, aby pomógł ci wylać zimną wodę do zlewu i ponownie napełnić dwie miski ciepłą wodą (upewnij się, że jest ciepła, ale nie na tyle gorąca, aby poparzyć skórę).
– Zmierz temperaturę wody w każdej misce za pomocą termometru. Powinny one być mniej więcej takie same. W ciepłej wodzie, czy myślisz, że zobaczysz ten sam wynik?
– Poproś partnera, aby sprawdził, jak długo możesz zostawić każdy palec w miskach z ciepłą wodą. Jak długo pozostawiłeś każdy palec w misce? Czy różnica czasu między dwoma palcami była większa czy mniejsza niż wtedy, gdy wkładałeś palce do lodowatej wody?
– Dodatkowo: Jak spójne są twoje wyniki? Możesz powtórzyć to ćwiczenie dwa lub trzy razy, zapisując temperaturę różnych testowanych wód i czas, w którym każdy palec był w wodzie. Następnie zrób wykres swoich wyników.
Obserwacje i wyniki
Gdy zanurzałeś palce w lodowatej wodzie, czy palec pokryty skrótem pozostawał ciepły dłużej niż palec, który nie był pokryty? Czy nie było tak dużej różnicy w czasie, gdy wkładałeś palce do ciepłej wody?
Smaki, które przystosowały się do życia w zimnych wodach – takie jak niedźwiedzie polarne i wieloryby – mogą pozostać ciepłe głównie z powodu ich tranu, grubej warstwy tranu. Tkanka tłuszczowa jest równomiernie rozłożona na dużej części ich ciała, tak jak skrót w tym ćwiczeniu pokrył powierzchnię twojego palca grubą warstwą. Ponieważ tkanka tłuszczowa ma stosunkowo niską przewodność cieplną, nie przenosi ona dobrze ciepła w porównaniu z innymi tkankami i materiałami. Ludzie stworzyli pewne materiały izolacyjne do naszego codziennego użytku. Na przykład, styropian jest kolejnym materiałem, który nie przewodzi stosunkowo dobrze ciepła, podczas gdy metale przewodzą ciepło bardzo dobrze. Dlatego właśnie gorące napoje są często podawane w styropianie, ponieważ utrzymuje on ciepło wewnątrz kubka, zapobiegając w ten sposób poparzeniu rąk. (Z tego samego powodu styropian może również dłużej utrzymywać chłód zimnych napojów niż np. kubek papierowy). Jakie inne materiały działają jak izolatory?
Więcej do odkrycia
Sink or Swim: Muscle versus Fat from Scientific American
Blubber from National Geographic Education
Is Muscle a Better Insulator than Fat in Cold and Heat? from MadSci
What Are You Blubbering About? from Science Buddies
This activity brought to you in partnership with Science Buddies
Więcej