Z okazji Światowego Dnia Zwierząt publikujemy fragment książki „Kudłata nauka. Mądrość w świecie zwierząt”. Premiera polskiego wydania tego bestsellera autorstwa fizyka z uniwersytetu w Cambridge i zoolożki z Oksfordu miała miejsce kilka dni temu.

Martin Durrani, Liz Kalaugher

Trudno być zwierzęciem. Nie dla ciebie centralne ogrzewanie czy klimatyzacja, pomagające utrzymać właściwą temperaturę ciała, ani supermarket, gdzie mogłobyś się pożywić, kiedy poczujesz ochotę na małe co nieco, czy wreszcie bezpieczne ściany własnego domu. Jeśli wskoczysz do rzeki złapać rybkę, na brzegu nie czeka na ciebie suchy ręcznik, którym mogłobyś się wytrzeć, gdy wychodzisz przemoczone i zaczynasz trząść się z zimna. Aby przeżyć, zwierzęta muszą liczyć na swoje zmysły, spryt, partnerów, krewnych i członków stada (z wyjątkiem samotników ta-kich jak lamparty), a także na swoje ciało, które w trakcie ewolucji ukształtowało się w sposób dostosowany do warunków życia danego gatunku. I właśnie w tym punkcie pojawia się fizyka. Biologowie i fizycy dopiero niedawno uświadomili sobie, że zwierzęta po-trafią w niezwykły sposób wykorzystywać prawa fizyki w życiu codziennym, kiedy szukają jedzenia, picia oraz partnerów w okresie godowym i ogólnie starają się, aby nie dać się zabić. Nawet domowy pies, kiedy zmoknie, korzysta z praw fizyki, żeby się szybko osuszyć, a przy okazji ochlapać każdego, kto nie ma dość refleksu i nie zdąży się w porę odsunąć.
Oczywiście nie chodzi o to, że zwierzęta poznały wcześniej zasady fizyki i odpowiednio do nich dostosowały swoje ciało. To ewolucja, w powolnym procesie kolejnych prób i błędów, stworzyła organizmy, które skutecznie funkcjonują w realnym świecie, wykorzystując prawidłowości istniejące w przyrodzie, prawa i zasady nazwane przez ludzi fizyką.
Zwierzęta sięgnęły po nie pierwsze. Węgorz elektryczny zabijał kraby za pomocą wy-ładowań elektrycznych o wysokim napięciu (por. rozdział 5), wykorzystując prawidłowości związane z elektrycznością o wiele wcześniej, nim naukowcy poznali to zjawisko. Węgorz nie wie, na czym polega prąd elektryczny, ale i my nie musimy nic wiedzieć o tranzystorach czy obwodach scalonych, żeby posługiwać się smartfonem. Dopóki nasz telefon jest inteligentny (smart), sami nie musimy się o nic martwić.

(…)

Kiedy wychodzisz z wanny, na powierzchni twojego ciała pozostaje około 0,5 kilograma płynu, czyli około 0,5 procent całkowitej masy (solennie przepraszamy za te aluzje do twojej wagi). W kategoriach objętości to z grubsza pół litra albo niewielki karton mleka. Większość tej wody spływa z ciebie, ale to, co pozostaje, paruje: najszybciej poruszające się cząsteczki uciekają przez powierzchnię płynu w powietrze, zostawiając za sobą te bardziej ospałe. Średnia temperatura wody, jaka jeszcze pozostała, spada i ochładza twoje ciało.

Parowanie jest dobre latem, kiedy się pocisz i twoje ciało z rozmysłem tworzy na powierzchni skóry jeziorka potu, dzięki czemu się ochładzasz. Jest także pożyteczne, kiedy pies ziaje z wywalonym językiem, dzięki czemu ślina może parować z powierzchni jego pyska. Ale to zjawisko fizyczne odsłania swoją mniej przyjemną stronę, gdy tuż po kąpieli stoisz bez ręcznika i ociekając wodą, czekasz, aż wyschniesz w zimnym powietrzu. Wystarczy jakiś przeciąg z nieszczelnego okna, a zaraz poczujesz, że zrobiło się jeszcze zimniej, gdy poruszające się powietrze porywa uciekające cząsteczki wody z powierzchni kropel na twojej skórze, dając także innym szansę oderwania się, co przyspiesza parowanie. Właśnie dlatego wyjście z basenu na otwartym powietrzu w wietrzny dzień jest takie orzeźwiające. Przynajmniej w Zjednoczonym Królestwie.

Woda znajdująca się na twojej skórze ochładza cię także, wyciągając energię termiczną z twojego ciała za pośrednictwem przewodzenia. Woda przewodzi ciepło jakieś 25 razy lepiej niż powietrze, ponieważ jej cząsteczki są gęściej upakowane. W sumie, jeśli na powierzchni twojej skóry znajduje się warstwa wody, dzięki przewodzeniu i parowaniu jest ci znacznie zimniej, niż gdyby otaczało cię tylko powietrze. Jedyny sposób, aby temu zaradzić, to chwycić szybko ręcznik i osuszyć się możliwie jak najprędzej.

Gęste futro

My przynajmniej mamy ręczniki, nawet jeśli zostawiliśmy je w sypialni, ale zwierzęta niczego takiego nie mają. Ich gęste futro – czy będzie to pies, niedźwiedź, panda czy chomik – może zatrzymać między swoimi włoskami mnóstwo wody. Sierść przemoczonego szczura zatrzymuje w postaci płynu około 5 procent całkowitej masy zwierzęcia. Oznacza to, że gdybyśmy mieli podobne futro, wychodząc z wanny, dźwigalibyśmy na sobie od 4 do 5 litrów wody, czyli 10 razy więcej niż zwykle. A bywa jeszcze gorzej. Szczur może się zawsze pocieszyć, że nie jest mrówką. Drobne włoski pokrywające jej ciało mogą uwięzić 3 razy więcej wody, niż sama waży.

Mokre futro może przyczynić się do poważnego spadku temperatury ciała, jeśli zwierzęta będą czekać, aż wyschną w następstwie parowania. Albo też – jeśli jak psy oraz inne ssaki, ptaki i niektóre gatunki ryb są endotermiczne, czyli same wytwarzają energię niezbędną do ogrzania organizmu – nasiąknięcie futra może doprowadzić do nagłego spadku poziomu ich energii, ponieważ będą się starały spalać zapasy, aby się nadmiernie nie wychłodzić. Zwierzęta robią, co mogą, aby utrzymać tę
samą temperaturę, ponieważ ich ciało dobrze funkcjonuje tylko w pewnym zakresie temperatur. U zwierząt endotermicznych ten zakres zwykle obejmuje jedynie kilka stopni Celsjusza (pomijamy tutaj zjawisko hibernacji). Gady, motyle, ćmy i inne zwierzęta ektotermiczne, które same nie wytwarzają ciepła, często radzą sobie dobrze w większym zakresie temperatur. Węże ogrodowce o czerwonych bokach, na przykład, czują się całkiem nieźle w temperaturze 10 stopni C podczas kanadyjskiej wiosny, ale poruszają się znacznie żwawiej i czują się bezpieczniej, kiedy ich ciało ma 25 stopni C.

Zwierzęta ektotermiczne zasadniczo nie muszą jeść tak dużo jak endotermiczne, ale to nie znaczy, że nie mają problemów. Jeśli zwierzę ektotermiczne pragnie udać się na dłuższą wędrówkę, musi najpierw wylegiwać się na słońcu; poza tym nie może poruszać się szybko przez dłuższy czas ani zamieszkać w miejscach, gdzie jest zbyt chłodno. Pewnych trudności nastręcza im także aktywność w nocy (choć gekony – por. rozdział 2 – są zwierzętami nocnymi).

Ale dosyć już o gekonach, szczurach, pandach i mrówkach – mieliśmy mówić o psach. Jako ssaki psy są endotermiczne; ich ciało musi mieć temperaturę 38–39 stopni C. Jeśli ma poniżej 37 stopni C albo po-wyżej 40 stopni C, należy szybko zabrać pupila do weterynarza (choć nie powinniście szukać u nas porad medycznych – tylko jedno z nas ma świadectwo kursu pierwszej pomocy, a i to przestarzałe). Podobnie jak ludziom, jeśli psom jest zbyt gorąco, ich metabolizm (tempo, w jakim ciało spala pożywienie, aby wyzwolić energię) przyspiesza i zbyt szybko zuży­wają swoje zasoby. Poza tym jeśli enzymy, które umożliwiają reakcje wyzwalania energii, za bardzo się ogrzeją, przestaną działać. A kiedy nie ma energii, nie ma życia. Ale jeśli enzymy znajdą się w temperaturze zbyt niskiej, zanadto odbiegającej od temperatury dla nich idealnej, także nie będą działać prawidłowo. Wtedy metabolizm psa spowalnia, podobnie jak rytm jego serca, oddech i aktywność mózgu. Jeśli zwierzę będzie zbyt wychłodzone, wszystkie podstawowe funkcje jego organizmu ustaną.

Ciało psa

Mokra sierść to podwójne nieszczęście: nie dość, że w wyniku parowania pies się wyziębia, to jeszcze futro przestaje go grzać. Normalnie między włoskami utrzymuje się warstwa powietrza, która słabo przewodzi ciepło, dzięki czemu futro lepiej spełnia funkcję izolującą i zwierzę mniej się wychładza (w kieszonkach uwięzionego powietrza powstają wprawdzie prądy konwekcyjne, ale działają one jedynie na niewielką odległość). Z ludźmi jest podobnie, choć straciliśmy większość owłosienia; jeśli zmarzniemy, stają nam włoski na ramionach, czyli pojawia się gęsia skórka, zatrzymując cienką warstwę powietrza przylegającego do skóry i przerywając ruchy konwekcyjne. Ale kiedy nasz psiak się przemoczy, futro przewodzi ciepło jego ciała szybciej, ponieważ miejsce powietrza, poprzednio uwięzionego między włoskami, zajęła woda. Więcej ciepła ucieka w otaczające zwierzę powietrze i powstają silniejsze prądy konwekcyjne, które zabierają jeszcze więcej ciepła, nie licząc tego utraconego przez nie w następstwie parowania. Brrr.

Krótko mówiąc: suche futro psa minimalizuje straty ciepła następujące w wyniku przewodzenia i konwekcji. Ale gdy futro się zamoczy, zwierzę musi spalać cenną energię, jeśli chce zachować temperaturę ciała niezbędną do skutecznego funkcjonowania. Żaden psiak nie jest tak głupi, o czym możesz łatwo się przekonać (choć sam zmokniesz przy okazji), jeśli staniesz obok swojego pupila, który właśnie wyskoczył z rzeki. Ociekający wodą pies otrząsa się, dopóki się wystarczająco nie wysuszy.

Wiercąc się szybko z boku na bok, uwalnia się od nadmiaru wody, posyłając krople na wszystkie strony niczym prysznic, który wypadł ci z rąk. Dotyczy to nie tylko psów: wszystkie włochate zwierzęta osuszają się podobnie: otrząsając się.

Spróbujmy zatańczyć

Kiedy pewnego dnia David Hu z Georgia Institute of Technology w USA przyglądał się, jak jego pies, niewielki pudel o imieniu Jerry, szybko otrząsnął się do sucha, postawił sobie kilka pytań. Ile energii zużywa zwierzę, aby się otrząsnąć? Oraz ile energii zachowuje w ten sposób, powstrzymując parowanie, które pozbawiłoby jego ciało cennego ciepła? Powodowany naukową ciekawością Hu, z pomocą swoich studentów Andrew Dickersona i Zachary’ego Millsa, postanowił dowiedzieć się, dlaczego otrząsanie się jest taką skuteczną metodą osuszania się psów i innych ssaków.

Zamiast jednak założyć obóz badawczy w dzikich ostępach i obserwować zwierzęta w naturze, w stylu telewizyjnych filmów przyrodniczych, trzej uczeni nagrywali na wideo ruchy otrząsających się zwierząt, które należały do szesnastu różnych gatunków i pochodziły z zoo w Atlancie, laboratoriów badawczych Georgia Institute of Technology oraz miejskich parków. Najmniejszym z nich była nieduża myszka, największym brunatny niedźwiedź, a do tego kilka innych, od szczura po wiewiórkę, kota, kangura, lwa i tygrysa. Oprócz pudla należącego do Davida Hu zespół obserwował także zachowania 4 innych ras psów: chihuahua, chow-chow, dwu syberyjskich husky i 4 labradorów o imionach Belle, Molly, „obawiam się, że nie pamiętam”, i Chipper.

Testy były proste. Badacze polewali mniejsze zwierzęta, takie jak szczury i myszy, wodą z butelki ze spryskiwaczem, a większe z gumowego węża. Następnie filmowali te, które osuszały się, stosując metodę otrząsania się. Posługi-wali się kamerami pracującymi z prędkością do tysiąca klatek na sekundę, a więc około 40 razy szybciej niż kamera telewizyjna. Szczury i myszy wydawały się najzgrabniejsze; mrużąc oczy, unosiły przednie łapki, po czym poruszały ciałem tam i z powrotem, tak jak rusza się bęben mechanicznej suszarki, wiercąc się szybko najpierw w jedną stronę, a potem w drugą.

Jak odkryli badacze, wszystkie zwierzęta, niezależnie od swoich rozmiarów, otrząsają się mniej więcej w taki sam sposób. To wirowanie nie tylko słodko wygląda, ale jest także bardzo skuteczne. Zwierzę potrzebuje jedynie kilku sekund, aby się osuszyć, nawet jeśli nie zdoła strząsnąć z siebie całej wody. Ogrom-na różnica między gatunkami zwierząt polega natomiast na tym, jak szybko każdy z nich potrząsa swoim ciałem. Jeśli przyjrzymy się, od strony głowy, myszy stosującej tę naturalną wirówkę i postaramy się utrzymać spojrzenie na jakimś fragmencie futra na jej grzbiecie, zauważymy, że punkt, na który patrzymy, poruszy się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, potem wróci na środek grzbietu i poruszy się w przeciwnym kierunku na mniej więcej taką samą odległość, po czym wróci do punktu wyjścia. Trzej badacze przekonali się, że u najmniejszych zwierząt ta oscylacja, tam i z powrotem, następuje najszybciej, podczas gdy u największych – najwolniej. Zwycięstwo w tym konkursie na najszybszą autowirówkę przy-padło myszy. W jej przypadku cały cykl zamykał się w ciągu 31 sekund. Niedźwiedź brunatny, największe ze zwierząt poddanych badaniom, okazał się też najbardziej ospały. Zdołał wykrzesać z siebie zaledwie 4 wstrząsy na sekundę. Domowe koty, z tempem otrząsania się 9 ruchów na sekundę, lokowały się pewnie w środku tabeli.

Gramy dalej

A co z najlepszym przyjacielem człowieka? Labradory wystąpiły w 1975 roku w sławnej, dziś ikonicznej reklamie papieru toaletowego Andrex (Cottonelle w Stanach Zjednoczonych), w której szczeniaczek o piaskowym futerku, trzymając w pyszczku koniec rolki papieru, wesoło biegał po domu, dopóki nie udało mu się rozwlec jej do końca. Wkrótce pojawiła się setka podobnych reklam: miękkie, opadające uszka szczeniąt, wraz z ich niewinnym spojrzeniem sarny, nakręcały koniunkturę, sprzedaż rosła. Labradory okazały się także świetnymi współpracownikami w badaniach Davida Hu i Zachary’ego Millsa, którzy dzięki temu mogli bardziej szczegółowo przeanalizować poczynania czwórki swoich podopiecznych, niż to było możliwe w przypadku innych zwierząt – na ogół. „Możesz zawsze liczyć na psa, że się otrząśnie, choć nie zawsze zrobi to przed kamerą” – mówi Dickerson, który kierował tym fragmentem eksperymentu.

Po oblaniu labradora wodą Dickerson mierzył częstotliwość ruchów jego ciała, która wynosiła około 4,5 razy na sekundę, a więc wolniej niż u kota, ale zgodnie z ogólną zasadą korelacji wielkości i prędkości. Następnie postanowił trochę poeksperymentować. Dickerson przykleił na grzebiecie labradora kawałek różowej słomki do picia, mniej więcej w połowie jego ciała, dzięki czemu mógł zmierzyć, jak daleko – nie tylko jak szybko – sięgała rotacja. Okazało się, że słomka przewędrowała niemal całe 90 stopni w jedną i drugą stronę psiego ciała. Pies w każdym momencie tego ruchu wysyłał w powietrze krople wody, przy czym najwięcej z nich odrywało się w chwili, gdy następowała zmiana kierunku ruchu jego skóry. Podobnie jak inne zwierzęta, labradory otrząsają się przez kilka sekund, po czym przestają.

Psia umiejętność poruszania owłosioną skórą w takim zakresie – w sumie o 180 stopni, czyli połowę pełnego obrotu – robi wrażenie. Jej tajemnica kryje się w tkance łączącej zewnętrzną warstwę skóry i mięknie. Ta miękka gąbczasta warstwa, złożona z kolagenu i elastycznych włókien, występuje szczególnie obficie u psów i chroni je przed urazami. Trzymając dłonią skórę na grzbiecie labradora stojącego bez ruchu, Dickerson mógł obrócić tę luźną tkankę prawie o 60 stopni w każdą stronę, licząc od kręgosłupa. Pozostałe 30 stopni ruchu dopełniającego do 90 stopni jest następstwem obrotów samego kręgosłupa zwierzęcia.

Potrząsać, ale nie mieszać

Ten rodzaj ruchu, tam i z powrotem, jaki obserwowano podczas otrząsania się wszystkich zwierząt badanych przez Dickersona, nie tylko labradorów, jest czymś powszechnym w przy­rodzie. Znany jest jako „prosty ruch harmoniczny” i występuje na przykład, kiedy wahadło kołysze się z boku na bok albo gdy jakiś ciężarek zawieszony na sprężynie podskakuje w górę i opada w dół. Poruszający się obiekt – w przypadku psa będzie to skóra – ma największą prędkość w środkowym punkcie ruchu, po czym zwalnia i zatrzymuje się w punkcie położonym najdalej od środka, a następnie znowu nabiera prędkości, wykonując ruch w przeciwną stronę.

Formuły matematyczne opisujące prosty ruch harmoniczny są znane od stuleci i zasadniczo są takie same niezależnie od sytuacji. A zatem aby oszacować, ile energii zużywa otrząsający się do sucha labrador, musimy jedynie tak dopasować standardową formułę, aby uwzględnić maksimum energii poruszającego się w ten sposób przedmiotu. W przypadku jednego z labradorów Dickersona oznaczało to pomnożenie masy wszystkich części ciała psa, biorących udział w ruchu zwierzęcia (mięśni, szkieletu, futra i organów wewnętrznych), oraz wody przez kwadrat promienia klatki piersiowej psa (około 12 centymetrów) oraz kwadrat częstotliwości oscylacji (4,5 razy na sekundę), a następnie podzielenie uzyskanego rezultatu przez 2. Po czym wystarczyło pomnożyć uzyskaną wielkość przez całkowitą liczbę otrząśnień wykonanych przez zwierzę. Odpowiedź? Niestety, nie możemy sformułować dokładnej, ponieważ nie wiemy, jak duża część psa bierze udział w tych ruchach. „To równanie przybliża nas do odpowiedzi, ale nie wystarcza, aby wyliczyć dokładną wartość, przynajmniej na użytek publikacji w czasopiśmie [naukowym]” – przyznaje Dickerson.

Wielką niewiadomą jest to, jaką część wody labrador otrząsa w ten sposób. Aby ją wyliczyć, można spróbować zważyć mokrego psiaka przed otrząsaniem się i po jego zakończeniu. Jednak to nie jest takie proste: ustawić ociekającego wodą psa na wadze. Dickerson poszedł więc inną drogą i zbudował „automatyczny symulator ruchów-otrząsającego-się-psa”. Brzmi to dość fantastycznie, ale chodziło po prostu o kępy nasiąkniętej wodą psiej sierści przyczepione do silnika wyjętego z domowej wiertarki elektrycznej. Wprawiając w ten sposób namoczoną sierść w ruch obrotowy, Dickerson przekonał się, że ostatecznie około 70 procent wody odrywa się od niej, ulatując w powietrze w postaci serii kropel. Tym samym, jeśli pies nosi w namoczonym futrze pół kilograma wody, udaje mu się otrząsnąć jakieś 350 gramów, mniej więcej tyle, ile się mieści w zwykłej butelce napoju gazowanego. Nie najgorszy wynik.

Dickerson oblicza, że gdyby ważący 30 kilogramów labrador, który ma w swoim futrze 500 gramów wody, nie poruszał swoją skórą, musiałby zużyć około 480 kJ, aby uzupełnić ciepło, jakie by utracił, czekając, aż 70 procent wody z jego mokrego futra wyparuje, zamiast ją otrząsnąć. Te 480 kJ to ekwiwalent mniej więcej 110 kalorii. Biorąc pod uwagę to, że pies zjada dziennie jakieś 800 kalorii, mokry labrador – gdyby nie otrząsał się do sucha – aby zachować odpowiednią temperaturę musiałby spalić około jednej siódmej swojego dziennego spożycia kalorii, przyjmując, że zamienia całą energię zawartą w pożywieniu na energię cieplną. To mniej więcej jedna trzecia puszki psiej karmy, której z pewnością żaden psiak nie miałby ochoty zmarnować tylko po to, aby utrzymać swoją temperaturę. Dickerson ostrożnie podchodzi do szacunków mówiących, ile energii pies zużywa, aby strząsnąć z siebie wodę, ale przypuszcza, że to około 100 J, a więc prawie 5 tysięcy razy mniej niż wspomniane 480 kJ.

Wygląda na to, że wystarczy odrobina twista i luźna skóra, aby pies mógł się osuszyć. My jednak nie mamy dość luźnej tkanki podściełającej skórę, aby osuszać się w ten sposób – i dlatego potrzebujemy ręczników. Podobny los jest udziałem odmiany świnek morskich pozbawionych owłosienia. Te łyse świnki, po raz pierwszy wyhodowane w latach osiemdziesiątych XX wieku, mają na ogół skórę gładką jak u niemowlęcia, różową lub brązową, a czasami stanowiącą mieszankę obu kolorów. Dicker­son odkrył, że ich skóra, dokładnie tak samo jak nasza, zbyt ściśle przylega do mięśni, aby mogły się otrząsnąć, a ponieważ nie mają ręczników, muszą po prostu trząść się z zimna, jeśli zmokną.
Kiedy więc twój pies następnym razem wyskoczy z morza i stanie obok ciebie, aby się osuszyć, pamiętaj o dwu rzeczach. Po pierwsze, najpierw otrząśnie około 70 procent wody ze swojego futra, zanim uprzejmie się oddali. Po drugie, pies potrzebowałby od tysiąca do 10 tysięcy razy więcej energii, aby osuszyć się dzięki parowaniu, niż zużywa na otrząsanie się. To szybka decyzja, nad którą nie warto się długo zastanawiać, leżąc w wannie.