冷たい水や氷に接する鳥の足は、体の中心と同じ温度とは限りません。多くの鳥では、足へ向かう温かい血液と、足から戻る冷たい血液が近くを逆向きに流れ、熱を受け渡します。この対向流のしくみは、足へ届く前に熱の一部を体へ戻すことにつながります。足をいつも体温と同じに保つ装置、と考えないことが大切です。
二本の血管は混ざらずに熱を渡す
心臓側から足へ進む血液は、戻ってくる血液へ熱を渡して冷えます。戻る血液は、その熱を受け取って温まりながら体へ近付きます。血液そのものが途中で混ざるという説明ではありません。温度の矢印と流れの矢印を分ければ、行きと帰りで何が起こるかを追えます。
足と外界との温度差が小さければ、ほかの条件が同じ場合、外へ熱を失う速さを抑える方向に働きます。体の中心を守るため、末端をいつも高温にするとは限らないということです。ただし、この仕組みがあればどんな低温でも傷まないという保証にはなりません。ここでは特定の種の耐寒限界を示すのではなく、熱の移動を整理します。
例題1 戻る血液の温度
同じ量の血液が行きと帰りに流れる模型で、体から足へ向かう血液が40℃から12℃へ下がりました。足から戻る血液は8℃で熱交換部分へ入りました。両側の熱の蓄えやすさが同じで、外への損失を無視すると、体へ戻る直前は何℃ですか。
答え・解説： 行きの血液は28℃分の熱を失い、同量の帰りの血液は28℃上がるので、8＋28＝36℃です。体へ戻る血液が8℃のままではないことがポイントです。また、この模型では足の付近で12℃から8℃へ下がる分が外部への放熱に対応します。
40℃と8℃を平均して24℃とするのは、二つの水を一つの容器に混ぜる模型です。ここでは連続する別々の血流であり、入口と出口は離れた位置にあります。足に近い端と体に近い端を図に書き、同じ場所で向かい合う温度を見比べましょう。
例題2 外界との温度差
熱が失われる速さが、外界との温度差に比例する単純な模型を使います。水温が2℃で、足の表面が10℃のときと30℃のときを比べると、後者の放熱速度は前者の何倍ですか。表面積などは同じとします。
答え・解説： 温度差はそれぞれ8℃と28℃なので、28÷8＝3.5倍です。30÷10＝3倍ではありません。比例すると指定された量は表面温度そのものではなく、水温との差です。0℃は熱が全くない基準ではないため、摂氏の数値をそのまま比べる理由にはなりません。
この3.5倍は、問題で与えた比例模型の結果です。実際の鳥では血流量や姿勢、風、水の流れなども変わります。野外の鳥を見ただけで、この倍率を適用して失う熱を決めることはできません。模型の条件を答えに添えることで、計算が意味する範囲が伝わります。
一本足の姿勢と血管のしくみを分ける
足を羽毛の中へ引き込む姿勢は、外気や水にさらす部分を減らすことに関係します。対向流による熱交換は、内部の血管で起こることです。どちらも保温に関係していても、同じしくみではありません。姿勢の写真を見て血管の構造を証明したことにはならない点に注意します。
魚のえらの対向流では、水と血液の間で酸素を受け渡すことが主題になります。鳥の足では熱です。同じ「逆向き」という形を見つけたら、次に移るものの名前を確かめると、知識を混ぜずにつなげられます。温度分布の図と血流の図を重ね、熱が体に戻る経路を言葉にするところまで練習してください。
足全体を体温まで温める必要があるか
鳥が寒い場所に立っているとき、足先まで体幹と同じ高い温度を保つことが、必ず最も熱を節約する方法とは限りません。外気との温度差が大きい部分ほど熱を失いやすいという模型なら、足の温度を低めに保つことで放熱を小さくできます。ただし、その部分の組織が働ける温度範囲は必要です。足が冷たいという観察を、そのまま体全体が冷え切った証拠としないことが、この仕組みを読む入口になります。
血液の行きと戻りが近くを通ることで、足先へ渡る前の熱の一部を戻りの血へ移せます。これは血液そのものが動脈から静脈へ漏れて混ざるという意味ではありません。熱の矢印は血液の流れを示す矢印と交差して描けますが、赤い血と青い血が交じる絵にはしないでください。魚のえらで酸素を受け取る向流の説明と似た配置でも、ここで交換している量は酸素ではなく熱である点を明確にします。
例題の温度差二十八度は、血液が持つ熱量そのものではありません。同じ量の血液が同じだけ温度変化するという条件だから、受け渡しを比較できます。通る血液の量が違えば、温度差だけを等しく置くことはできません。また実際の鳥では血流の調節や外への放熱もあるため、図の四つの温度をすべての種類に当てはめることはできません。仕組みの説明と計算用の模型を分け、体幹へ戻る血が温められることにどんな利点があるかを文章でまとめましょう。