Adapting to Climate Extremes
気候極限への適応
人間や他の多くの哺乳動物は、寒い冬と暑い夏に安定した中核体温を自動的に維持する非常に効率的な内部温度調節システムを持っています。さらに、極端な温度や湿度に適応するための文化的パターンや技術を開発しました。
非常に寒い気候では、体温が異常なレベルにまで生命を脅かすという、低体温症が発生する危険性が常にあります。ヒトの正常温度は約98.6°F（37.0℃）である。しかし、代謝の変化、ホルモンレベル、身体活動、さらには日々の個人差によって、健常者ではそれが1°F（6℃）以上高くなることがあります。また、高齢者では中核体温が低下するのが普通です。低体温は、コア体温が94°F（34.4℃）に低下したときに発生し始める。 85°F（29.4°C）未満では、体温調節システム（視床下部の）が通常失敗するため、体はより急速に冷却されます。コア体温の急激な低下は、死に至る可能性が高い。しかし、温度が57〜60°F（13.9〜15.6℃）に低下した後に復活したことはまれである。これは1999年に80分間凍結した水の中で氷床の下に閉じ込められたスウェーデンの女性に起こりました。彼女は気づかずに呼吸がなくなり、心臓が鼓動するのを止めましたが、気温が56.7°F（13.7℃）に下がったにもかかわらず、結局復活しました。
非常に暑い気候や、制御不能な感染の結果、中核体温は同様に致命的なレベルに上昇する可能性があります。これは高熱です。生命を脅かす温熱療法は、典型的には、ヒトの体温が105-107°F（40.6-41.7℃）に上昇するときに始まる。この異常に高い温度レベルでわずか数日で、内臓器官の衰えや死に至る可能性があります。
身体の大きさおよび形状は、個体が冷たい暑い気候に生理学的にどの程度効率的に応答するかの重要な要因である。 2人の19世紀の自然遺産であるCarl BergmannとJoel Allenは、これらの要因に関する規則を策定しました。
バーグマンのルール
1847年、ドイツの生物学者、Carl Bergmannは、同じ種の温血動物では、赤道付近の暖かい気候では、大量の個体数の少ない個体群がより頻繁に発見され、大量または大量のものは、赤道はより寒い地域にあります。これは、大きな動物は一般的に体重が大きくなり、結果としてより多くの熱が生成されるためである。より多くの熱が、より多くの細胞が存在することから生じる。細胞の代謝の正常な副生成物は熱産生である。その後、動物の細胞が多くなればなるほど、内部の熱が発生します。
さらに、より大きい動物は、通常、体の質量に対してより小さな表面積を有し、したがって、体の熱を周囲環境に放射する際に比較的非効率的である。物体の表面積と体積との関係は、1630年代にガリレオによって記述されている。それは、以下に示す立方体の箱で実証することができます。音量は表面積の2倍になります。これは、相対的に表面積が小さくなり、動物からの熱損失が比較的少なくなる理由である。
大規模な極北
クマの体は
〜によって予測される
バーグマンのルール
クマはこの現象の良い例です。それらは、内部で生成された熱を失うことができる比較的小さな表面積を有する大きくてコンパクトな本体を有する。これは寒い気候では重要な資産です。さらに、彼らは体の熱を保持するのに役立つ毛皮と脂肪の重い断熱材を持っています。
ベルクマンのルールは一般的に人々のためにも成立します。 1950年代初期の100人の人口の調査では、体重と地域の年間平均気温との間に強い負の相関が見られました。言い換えれば、気温が一貫して高い場合、人々は通常、体重が低い。同様に、温度が低い場合、それらは高い質量を有する。ただし、例外があります。冬には暖かい建物を暖かく保ち、夏には涼しい気分になる衣服や技術が、私たちの体を形成する自然選択の影響を相殺する傾向があります。さらに、文化的に導かれた仲間の選定基準もまた、人間のためのバーグマンの規則にいくらか反対である。
負の相関関係
環境温度
人間の体重
と他の温かい血
動物
Bergmannの規則の結果は、線形の哺乳動物は、同様のサイズのよりコンパクトなものよりも速く環境に熱を失うと述べている。下のボックスは、この事実を示しています。細長い箱は同じ容積であるが表面積が大きいことに注意してください。これは、背の高い、細い動物に匹敵する。
アレンのルール
1877年、アメリカの生物学者のジョエル・アレンは、腕、脚、およびその他の付属器の長さも周囲の環境に失われる熱量に影響を及ぼすことを観察してベルクマンよりさらに進んだ。彼は温血動物のなかでも、赤道付近の暖かい気候に住む同じ種の個体群には、より寒い環境で赤道から遠くに住んでいる個体よりも、手足が長い傾向にあることに留意した。これは、比較的長い付属器を有する本体がよりコンパクトであり、その後により広い表面積を有するという事実による。表面積が大きければ大きいほど、より速い体熱が環境に失われます。
この同じ現象は人間の間で観察される。東アフリカのマサイ族のメンバーは、通常は身長が高く、身体の熱を救うために長い手足を持つ細身の体があります。これは世界の熱帯地域で最適な体型ですが、亜寒帯地域では不利になります。このような極端に寒い環境では、体の熱に比べて体表面積が相対的に小さくなるため、体の熱を維持するために、短い付属器を備えたざらめた体が効率的になります。
細い
東アフリカ人
長い腕を持つ
脚
〜によって予測される
アレンのルール
上の図のように、いくつかの方法で周囲の環境への熱を失います。しかし、単純な放射線は、蒸発冷却や発汗がより重要な高温乾燥気候を除いて、ほとんどの損失の原因となるプロセスです。
冷たい気候応答
凍った気候に住む多くの人々は、自分自身を暖めるためにアルコールを飲む。これにより、体の末端への血流が増加し、それにより温かみのある感覚を提供する。しかし、それは一時的な温暖化のみをもたらし、重要な内臓器官からの熱の損失を速めることができ、その結果、低体温からのより急速な死がもたらされる。極度に寒い気候に対処するより効果的な文化的対応は、断熱衣服、家屋、火災の使用です。世界中の人々は、野外活動をより暖かい時間帯に制限することによって適応します。いくつかの社会では、一年の寒い月の熱損失を最小限に抑えるために、互いに押しつけられた身体を持つ家族グループで寝ることも行われています。
環境が非常に寒い場合、人の命は、熱損失を減らし、内部の熱生成を増加させる私たちの体の能力に依存する可能性があります。ベルグマン（Bergmann）とアレン（Allen）が観察したように、寒さに対するヒトの生理学的反応は、比較的表面積が比較的小さいより巨大でコンパクトなボディの進化を一般的に含む。しかし、寒さへの短期的な順応も起こる。正常な初期生理学的応答は、皮膚表面付近の血管の狭窄（血管収縮）である。これは、末梢血流を減少させることによって中核体温を維持する。結果として、皮膚は冷たくなり、放射線によって身体から失われる熱が少なくなる。しかし、環境温度が凝固点以下であれば、長期の血管収縮は危険な凍傷を引き起こす可能性があります。結果として、身体の内部温度調節機構は、末梢血管を拡張すること（血管拡張）によって応答し、それによって皮膚表面近くの温血の流れを増加させる。体は、通常、両方の状態のリスクを補うために、血管収縮と血管拡張の間を行き来する。このサイクリングはルイスハンティング現象として知られている）。シバリングはまた、短期間のウォーミング効果を引き起こす可能性がある。震えの増加した筋活動は、いくらかの熱生成をもたらす。
世界中のいくつかの人口に見られる寒さに対する生物学的反応の3つの重要なタイプがあります。
1.基礎代謝量の増加
2.重要な器官の脂肪断熱
3.血流パターンの長期変化
西半球の北部地域のイヌイット岬（Eskimo）や南端部のティエラ・デル・フエゴのインディアンなど、過酷な亜寒帯地域に住む人々は、伝統的に大量の高カロリーの脂肪食品を摂取していました。これは基本的な代謝率を有意に増加させ、ひいては余分な体熱の生成をもたらす。これらの人々はまた、重い服を身に着け、しばしば互いの隣に身を置いて寝ており、屋外でも活動し続けました。
アフリカの南西部とオーストラリアのアボリジニは、通常、生理的に寒さに反応します。厚い脂肪の断熱材は、胸部と腹部の重要な器官の周りに発生します。加えて、夜間の血管収縮のために皮膚が冷える。その結果、熱損失が減少し、炉心温度は正常なレベルにとどまります。しかし、皮膚は夜間に非常に寒いと感じます。
Ju / HoansiとAboriginesが一貫して凍った環境に住んでいたとしたら、この反応は適応的ではありませんでした。なぜなら、体温の集中が舌の指、つま先、および他の付属器の凍傷からの喪失を許すからです。特に指の喪失は、これらのハンターと採集者が食糧を得ることを困難にする。彼らの生理学的適応は、まれに凍りつくことがほとんどなく、高カロリーの脂肪分が豊富でない環境への適応です。
熱帯気候の反応
熱い環境に適応することは、寒い環境に適応することと同じくらい複雑です。しかし、低温適応は、本来亜寒帯動物ではないため、人間にとって生理学的にはより困難である。私たちは濃い毛皮のコートを成長させたり、太っているくまのような厚い断熱層を通常は持たない。このような現実にもかかわらず、米国では毎年寒さよりも多くの人が熱から亡くなります。負傷した人は、通常、暑い日にはロックされた車に残っている赤ちゃんと、エアコンを買うことができない貧しい老人です。
体の熱の影響は、空気の相対湿度によって異なります。高湿度で高温になると、余分な体熱を失うことが難しくなります。これは、空気の含水率が上昇すると、汗が蒸発することがますます困難になるという事実による。汗は私たちの肌にとどまり、肌寒いと感じます。その結果、急速蒸発の冷却効果は得られません。
乾燥した暑い天候では、湿度が低く、汗が容易に蒸発します。その結果、私たちは通常、熱帯雨林で耐えられない温度で砂漠で合理的に快適に感じます。砂漠の気温が高いほど、蒸発から得られる冷却効果の重要性が高くなります。相対湿度と空気温度とのこの関係は、以下の表で定量化される。見かけの温度が淡黄色の範囲にあるとき、熱疲労とけいれんは人間のためである可能性があります。明るい黄色の範囲では、命を脅かす熱中症が起こりそうです。
蒸発冷却は乾いた気候において非常に有効であるが、大きな欠点がある。それは体からの汗による水と塩の急速な損失です。交換しないと、1日以内に致命的となることがあります。過酷な夏の砂漠の状況では、1時間ごとに発汗させることで、クォート以上の水を失うことが一般的です。商用の「スポーツドリンク」は、これらの状況に陥った人々が水分を再水和し、失われたミネラル塩を補充するのを助けるために設計市販の飲み物には、顧客にもっと魅力的なものにするために、しばしば不要な食用着色料や砂糖を使わずに、自分の同等の飲み物を作ることは簡単で安価です。塩を添加した希釈レモネードは、同じ目的を十分に果たすことができる。
ほとんどの人は数日から数週間にわたって熱い状態に生理学的に慣れ親しめる能力を持っています。汗の量が増加する一方で、汗の塩濃度は次第に減少する。尿量も減少する。さらに、末梢血管の血管拡張は、より多くの血液が表面の近くにあるため、皮膚の紅潮または赤みを引き起こす。この血液は、体の中心部分から表面に熱を運び、放射線によって環境に容易に消散することができます。
激しい身体活動が体の過熱を引き起こす場合には、蒸発冷却もまた重要な保護的役割を果たす。大阪大学と神戸大学の研究者は、最近、男性が激しい仕事や運動をする時、一般に女性が発汗に効果的であることを発見しました。男性は通常、同じ運動量に応答して、早期に発汗を開始し、女性よりも汗をかきます。これは、男性と女性が耐熱性において同等ではないことを意味する。しかし、この結論を検証するためには、世界中の異なる集団によるさらなる研究が必要である。
発熱の機能 - それは感染を生き延びる上で有利かもしれないか？
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注：発汗は、余分な体の熱を取り除くためのメカニズムではありません。私たちの汗には、身体的に近い他の人のホルモン系に強力な影響を及ぼすことができるフェロモンなど、さまざまな物質が含まれています。フィラデルフィアのモネル・ケミカルセンセーショナルセンター（Monell Chemical Senses Center）の研究者は、男性の汗中のフェロモンは、脳の基底にある女性の下垂体腺から放出される黄体形成ホルモンの量を増加させる可能性があることを示している。これは次に、次の排卵までの時間を短縮することができる。その後、ヒトの男性フェロモンは現在、女性の将来の不妊治療薬と考えられている。姉妹と一緒に暮らす他の女性によって放出されたフェロモンは、月経周期の同期を引き起こす可能性があります。また、人間の雄は生殖器系に影響を及ぼす方法で女性のフェロモンに無意識に反応する可能性があります。
NEWS：2012年3月2日のJournal of Biological Chemistryに、Wei Chengらは、いくつかのヒト神経細胞が表面にタンパク質を持っていることを報告した。この感知能力は、我々が生理的に高温に反応する方法において重要な役割を果たすかもしれない。この情報の要約版はScienceDailyで入手できます。
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