高温如何影响人类演化?

2023-07-16 18:00:00

美国国家环境预报中心数据显示,地球表面平均气温在2023年7月3日刷新先前纪录,达到17.01摄氏度;之后,4日和5日再创新高,两天的气温都达到17.18摄氏度;7月6日,地球的日平均气温飙升至17.23摄氏度。

地球表面平均气温自1979年开始相关统计以来,在此之前,2016年8月14日和2022年7月24日均创下16.92摄氏度的全球最高温纪录。因此,美国科学家认为,7月最初一周的4天气温是历史上最热的4天。

历史上,人类是从1940年开始统计全球平均气温的。1979年,美国国家海洋大气管理局 (NOAA)和缅因大学联合,以气候再分析仪(Climate Reanalyzer)专门测量地表以上2米的全球气温,并记录下这些温度情况,由美国国家环境预测中心对外公布。这一数据由原先的数据汇总法改为统一的气象卫星监测法,标准统一,因此经常被气候科学家用作世界气温状况的参考。

此前,只有2016年8月和2022年7月共同记录下16.92摄氏度。2023年7月的四度记录都超过17摄氏度,将16.92摄氏度抛在身后,因此这几天的温度被视为有史以来最高温。美国伍德威尔气候研究所的弗朗西斯则认为,本周(7月最初一周)很可能是“十万年以来最热的一周”。

联合国秘书长古特雷斯也警告说,截止到7月5日的最近7天是全球平均气温有史以来最高的一周。这种持续高温表明,气候变化已经失控。

如果气温失控,则意味着未来全球将长期处于高温气候之下,尤其是夏天。高温必然影响人类生活,除了导致多种疾病,引发死亡(主要由热射病、心脑血管病诱发)外,还极有可能影响人的演化,包括身体形态和机能的变化。但是,如果人类能利用一些降温机械、设备和装置,典型的如空调,可能高温对人的演化又会走向另一个方向。

在工业革命以前,确切地说,空调没发明之前,人类在夏天的降温避暑主要是利用身体本身的机制,如出汗、毛发遮蔽、大脑体温中枢调节、衣饰等来适应。

在人类未走出非洲前,最早产生的散热机制是长出头发,并且靠汗腺出汗排热。仅以头发而言,散热是最大的功能,同时头发还能保护体温和水分。但是,人类头发的形状到了近现代出现了分化,亚洲人的头发多平直,欧洲人的头发多为弯曲波浪形,而非洲人的头发是紧密卷曲。

19世纪,研究人员对人类毛发研究后提出一个假说,卷曲的头发的功能是防止阳光的强烈照射,同时卷发又是良好的隔热体,防止人体水分蒸发和维护体温,因而能保护头部,因此非洲人多为卷发。人类走出非洲后,亚洲、欧洲和美洲没有非洲那么热,因而人的头发发生了适应环境的演化,亚洲人的头发多为平直,欧洲人多为波浪形,但是也有少量的亚洲和欧洲人的头发有卷曲的性状,这也是人类从非洲出走以后保留的一种遗迹。但由于非洲人一直处于炎热环境,因此头发一直是卷曲的。

现在,新的研究为卷发是适应高温天气的结果提供了证据。英国拉夫堡大学和美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队进行的一项环境人体工程学实验表明,头发在人类演化中的确起到了阻隔环境高温保护身体的作用,同时,如果头发越蓬松卷曲,对大脑发育的保护效果越好。因为,蓬松卷曲的头发能阻隔太阳辐射,保留体内水分。

此前,生理学家和环境人体工程学家已经研究了头皮毛发对出汗和热量流失的影响。Cabanac和Brinnel发现,秃头男性的头部出汗的速度是有头发男性的两到三倍。Shin等人发现,头发较短(5毫米)的人比头发长100至130毫米的人更快地失去热量。这表明,头发有助于保持体温和人体水分,同时头发也能反射太阳辐射进入人体的热量。但是,一个关键问题尚未得到解答,头发形态(或质地)如何影响人体散热和吸热。

为了回答这个问题,研究人员设计了使用电灯照射来模拟人体散热和吸热模型,由此能够研究人体皮肤和环境之间的热量传递,并且研究人员对人体模型进行编程,使其保持35摄氏度的恒定表面温度,这与皮肤的平均表面温度相似。

然后,研究人员在3组人体模型上安装长度和密度相同、蓬松卷曲程度不同的深色假发,1组模型不安装头发,测试不同类型的假发维持温度时所需的热量。4种模型分别为直发、适度卷发、紧密卷发和无发,再用灯光照射这4种头部模型,以观察保热保湿和散热的效果。

研究人员还计算了灯具测量值和基座测量值之间的总热量损失差异,以确定灯光模拟太阳辐射对头部照射辐射量。模拟的环境就像赤道非洲的环境一样,即30摄氏度的高温和60%的相对湿度,以此观察不同的头发形状对热量的反射和对人的生理有何影响。在实验中,使用不同的风速来反映古人类运动的不同场景:静止不动(风速0.3米/秒)、行走(风速1.0米/秒)和跑步(风速2.5米/秒)。

总的结果是,直发、适度卷发、紧密卷发三种头发性状都能减少太阳对头皮的辐射,但紧密卷发的头发能最好地保护头皮免受太阳的辐射,同时最大限度地减少出汗来保持凉爽。而无发则使太阳辐射对人的伤害最大。

具体而言,静止不动(风速0.3米/秒)时,无发者头部蒸发的最大热量约390克/平方米·小时,直发者为150克/平方米·小时,适度卷发者为100克/平方米·小时,紧密卷发者为50克/平方米·小时。这表明紧密卷发者对身体的保温保湿效果最好。

同样的风速,不同头发性状的人头部获得的太阳辐射热量(反射的热量)不同。无发者头部获得的热量190克/平方米·小时,直发者为50克/平方米·小时,适度卷发者为25克/平方米·小时,紧密卷发者小于10克/平方米·小时。这表明,紧密卷发者吸收太阳辐射热量最小(反射热量最多)。

其他情况,如行走(风速1.0米/秒)和跑步(风速2.5米/秒)时的四种头发模型的保热保湿和吸热数值也可从上述图表简单看出。

大脑就像电脑的CPU,过热会影响运行,但蓬松的头发犹如给大脑带了一个安全头盔,一定程度上能隔绝太阳辐射。这在人类演化过程中非常重要。早期人类在非洲演化到直立行走时,头顶越来越多地受到太阳辐射的冲击。大脑对热很敏感,它会产生热量,而大脑越大,发热越多,如果不能有效散热,就会导致中暑,而且还会影响大脑发育。

在此情况下,人类的演化是利用头部的毛发隔热和散热,同时也演化出了高效的汗腺,以出汗来散热,保持凉爽。但是,出汗会失去水分和电解质,而头发的演化可能是为了减少从太阳辐射中获得的热量,从而使人体在不消耗额外资源的情况下保持凉爽。卷曲的头发能更好地隔绝太阳辐射,减少从太阳辐射中获得的热量,也就在散热,同时让大脑的体积演化得更大(在100万年前,人类的大脑容积基本上达到了现代水平)之间,取得了动态平衡。而且,卷曲的头发在让人类保持凉爽的同时,还能避免人体的水分散发,更有利于在缺水的情况下生存。

当然,在人类走出非洲后,为适应不同自然环境,头发的性状有了变化,这也是适者生存的体现。今天的生存环境更多地借助科技的力量(如空调的使用),使得高温不再频频威胁人类。这也给人类演化带来了另一种变化。

研究人员发现,自19世纪以来,成年人的平均体温在持续下降,不到200年间下降了0.4摄氏度,从37摄氏度降到36.6摄氏度。原因在于,人类日益缺少运动,同时无处不在的空调使体温调节中枢不再敏感,使机体适应了环境的“低温”,因此体温下降。

不过体温下降也带来一个弊端,即免疫力下降。体温每降低1摄氏度,免疫力就会下降30%以上;体温每升高1摄氏度,免疫力就会提升5至6倍。借助科技的力量,人类的生存更舒适,但抵御疾病和抗热的能力也会下降。当然,面对高温,人类演化出来的自然抗热能力不只是头发,还有汗腺、肤色、黑色素等。但是科技的力量,无疑也会影响人类的演化。

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