蜂鳥 睡覺就像冬眠

文/施奇庭(東海大學應用物理學系教授) |2020.10.06
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蜂鳥每天的生活就是「吃飽了睡、睡飽了吃」,有沒有超羨慕?圖/米各
蜂鳥每天的生活就是「吃飽了睡、睡飽了吃」,有沒有超羨慕?圖/米各

蜂鳥每天的生活就是「吃飽了睡、睡飽了吃」,有沒有超羨慕?大錯特錯,這種生活簡直就是地獄啊!由於蜂鳥的代謝率高達人類的77倍,每天得吃下自身體重數倍的食物,才能補充維持生命所需的能量因此進食幾乎無法中斷。蜂鳥醒著的時候只能死命的吃,一停下來就可能會馬上餓死,這不是地獄是什麼?

問題來了,就算吃個不停,還是要有睡覺休息的時候,那不就是一睡著立刻餓死的「鳥」間慘劇!更糟糕的是,蜂鳥的主要棲地──美洲的安地斯山脈,海拔將近4000公尺的寒冷地帶,身體與環境的溫差更大,能量散失更快,那豈不是死得更快?

重點來了,美國新墨西哥大學生物系教授在2015年遠征秘魯,登上安地斯山,在海拔3800公尺處抓了涵蓋6個物種的26隻蜂鳥,體重最輕的是「銅尾彗星」(bronze-tailed comet),4.8公克;最大的是「巨人蜂鳥」(giant hummingbird),24公克。教授抓到牠們後進行「睡前餵食」,然後將蜂鳥們送進「個人套房」中,讓牠們睡著,然後在進行體溫監測。

不吃活不下去

結果十分驚人!正常活動中的蜂鳥,體溫跟人類差不多,是攝氏36度上下,在酷寒中睡覺的蜂鳥,體溫可以一口氣下降30度,體溫最低的達到3.3度!超驚人的體溫調節幅度!每分鐘體溫可以下降0.5~0.7度。此時的蜂鳥進入一種近乎假死的麻木狀態,外觀看起來根本像死掉一樣,對外界刺激完全沒有反應,真是名符其實的「睡死了」。等到天一亮,體溫會以每分鐘1.5度的速度快速回升,20分鐘後又是一尾活龍,又開始了「為了活下去吃個不停」的循環……

晚上把體溫降到這麼低,是因為將體內的各種生化活動降到最低,以減少能量的損耗,以及因環境溫差而造成的散熱速率。但即使已經把體內活動降低到這種極端的程度,蜂鳥睡一個晚上,還是會造成接近9%的體重流失!除此之外,由於把各種生理機能降到最低,當然成為掠食者餌食的機率也就大增了。看到這裡,應該沒有人會羨慕蜂鳥「吃飽睡、睡飽吃」的生活了吧!

物理學看代謝

這個研究結果,發表於上個月9日的英國皇家學會《Biology Letters》期刊。介紹完有關生物行為方面的研究,接下來就是物理學的部分了。為什麼蜂鳥需要這麼高的代謝速率呢?因為愈小的生物,「面積體積比」愈大,想像一個邊長為1公分的正立方體,體積是1立方公分,表面積是6平方公分(6個邊長為1公分的正方形),所以面積體積比是6,如果把邊長變為0.5公分,則體積變成0.125立方公分,而表面積是1.5平方公分,面積體積比變成12,增大了兩倍;同理,如果邊長變成0.1公分,則面積體積比會變成60……

如果姑且不考慮複雜的生理現象,內部經由代謝產生的熱能跟體質量成正比,也就是跟體積成正比,這些熱會從表面散發出去,所以散熱速率跟表面積成正比,小型生物由於面積體積比較大,散熱較快,因此必須加速代謝,否則能量耗散的速度太快,還來不及拿來用就從表面散光了。

相反的,大型生物面積體積比小,散熱很慢,所以代謝速率也慢,生物時鐘就變慢了。地球上最大的生物是海裡的藍鯨,陸地上為何沒有這麼大的生物呢?第一會被自己的體重壓垮,因為骨骼承受重量的能力與截面積成正比,而體重與體積成正比;第二會被自己體內代謝產生的熱能給熱死,因為大型生物面積體積比較小,散熱比較慢。

所以不需要知道很多複雜的生物學知識,用最基本的物理概念就能解釋很多事情了,物理學真是太讚了!

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