כך מתחממים בימים קרים

חורף. הימים קצרים, הטמפרטורות יורדות. קרררר.... אנו סוגרים חלון, לובשים עוד שכבה, מפעילים חימום, מחבקים את כוס התה, ועדיין... קר.

מה הבעיה עם קור? במילה אחת: קרח. מים הם הבסיס לחיים, והתא החי מורכב ברובו ממים שבהם מומסים החומרים הרבים הדרושים לגוף כדי לתפקד. אולם כשקר מדי, המים קופאים וכך לא רק שאינם מועילים לנו יותר בהעברת חומרים אלא שהקרח גם יוצר גבישים ארוכים וחדים שקורעים את הרקמה החיה. נסו לדוגמה להקפיא עלה טרי של חסה ולהפשיר אותו – תקבלו סמרטוט רטוב ורירי שגבישי הקרח פוצצו בו את התאים החיים.

הטמפרטורה הממוצעת על פני כדור הארץ היא כ-16 מעלות צלזיוס, אבל במקומות הקרים ביותר בכדור הארץ היא יכולה לרדת עד למינימום של 89 מעלות מתחת לאפס, או לעלות לחמישים מעלות ויותר במדבריות. בתוך הטווח הדי-מטורף הזה היצורים החיים אמורים להסתדר איכשהו. כן, גם אנחנו.

תגובות גופניות

נתחיל בנו, בני האדם. אנחנו יצורים הומאותרמיים, (או כפי שנהגו לקרוא לזה בעבר: בעלי "דם חם") כלומר מסוגלים לווסת את חום גופנו ולשמור על טמפרטורת גוף יציבה בכל עונות השנה. רוב היונקים והעופות הם הומאותרמיים כמונו. לעומת זאת, יצורים פויקילותרמיים, או בעלי "דם קר" הם בעלי טמפרטורת גוף משתנה הנשלטת על ידי טמפרטורת הסביבה, זוחלים ודגים הם פויקילותרמיים וגם כאן יש יוצאים מן הכלל.

החום התקין של הגוף האנושי עומד על כ-37 מעלות צלזיוס. כדי שיישאר קבוע צריכים לקרות שני דברים בו-זמנית: ראשית, עלינו לאכול כמו שצריך, כלומר הגוף צריך לשרוף מזון ולייצר ממנו חום. ושנית, עלינו להתלבש כמו שצריך, כלומר לבודד היטב את גופנו כדי לא לאבד חום לסביבה. ובמילים אחרות תקשיבו לסבתא, תלבשו סוודר ותגמרו את האוכל מהצלחת. היא יודעת על מה היא מדברת.

אדם עירום יתחיל לחוש קור כבר כשהטמפרטורה בחוץ יורדת מתחת ל-25 מעלות צלזיוס. בשלב הזה המנגנונים הפיזיולוגיים שנועדו לשמור על חום הגוף ייכנסו לפעולה.

אחת התגובות הראשונות של גופנו בחשיפה לקור קיצוני היא חסימה של כלי הדם הקרובים לפני העור, כדי להקטין את אובדן החום עקב זרימת הדם החם בקרבת האוויר הקר. הקטנת הנפח הכללי של מערכת הדם מתבטאת גם בעלייה בלחץ הדם (כמות הדם בגוף לא משתנה, אבל הנפח קטן עקב "סגירת" חלק מכלי הדם). כדי להתגבר על כך הגוף מפנה נוזלים. זו בעצם הסיבה לכך שכשקר לנו מאוד אנחנו צריכים להטיל שתן.

כשטמפרטורת העור יורדת מתחת לעשר מעלות, כלי הדם הקרובים לפני העור מתרחבים ונחסמים לסירוגין, כדי להמשיך לספק חמצן בלי לאבד יותר מדי חום. לשם כך כלי הדם מתרחבים מעבר לקוטרם הרגיל כדי להזרים יותר דם בזמן קצר. התופעה הזאת משווה לעור גוון אדמומי, ויכולה להסביר מדוע הלחיים והאף מאדימים במזג אוויר קפוא.

"עור ברווז" הוא סימן מובהק לכך שקר לנו. התכווצויות לא רצוניות של שרירים בבסיס השערות, גורמות להן לסמור וליצור בליטות על העור. התופעה הזו היא בעצם שריד אבולוציוני שנותר מאבותינו הקדמונים עטויי הפרווה, והיא נפוצה מאוד אצל יונקים. בתנאי קור, הפרווה הסומרת לוכדת שכבת אוויר ומשפרת כך את הבידוד. למרבה הצער (או שלא) האדם המודרני אינו שעיר מספיק כדי לספק לנו הגנה מהקור, כך שעלינו להיעזר בבגדים.

לבסוף, רעידות הן ניסיון של הגוף לייצר חום. כיווץ השרירים בגופנו הוא פעולה שאינה יעילה מבחינה אנרגטית, ולכן יוצרת חום. כשקר לנו אנו רועדים, והתנועה הכפויה הזאת מייצרת חום שמטרתו להעלות חזרה את טמפרטורת הגוף. רעידות מסוגלות להעלות פי חמישה את ייצור החום של הגוף המקומי.

שרידה בתנאי קיפאון

עדיין מרגישים שקר לכם? תחשבו שוב. יצורים חיים מתקיימים על פני כדור הארץ בסביבות חיים קיצוניות בהרבה מאלה שאנו, בני האדם, מותאמים להן. הטמפרטורה הממוצעת בחורף הארקטי (הקוטב הצפוני) עומדת על 40 מעלות צלזיוס מתחת לאפס ובחורף האנטרקטי (הקוטב הדרומי) היא יכולה לרדת לממוצע של 70 מעלות מתחת לאפס. ובכל זאת אלפי מינים משגשגים בסביבות הקיצוניות האלה, בהם דובי קוטב, זאבים, ארנבות, כלבי ים, דגים, לווייתנים ועופות. אז איך הם עושים את זה?

האתגר הגדול בפני יצורים הומאותרמיים הוא כאמור לווסת את חום גופם בלי לאבד את החום היקר הזה לסביבה. הדרך היעילה ביותר לשמור על חום הגוף היא באמצעות שכבת בידוד מכובדת.

דובי הקוטב החיים בקוטב הצפוני הם הטורף היבשתי הגדול בעולם. הם מצוידים בפרווה עבה וצפופה המורכבת משני סוגי שיער (ארוך וקצר). שערות הפרווה נטולות פיגמנט והן למעשה לא לבנות אלא שקופות וחלולות, בדומה לפוך סינתטי העשוי מסיבים חלולים (הולופייבר), הכולאים בתוכם את שכבת האוויר המבודדת. מתחת לפרווה הזו, שנראית לנו לבנה, יש לדובי הקוטב עור שחור ומתחתיו שכבת שומן בעובי של כעשרה סנטימטרים.

לכל אחד מאמצעי הבידוד הללו יש ייעוד שונה. "מעיל הפרווה" שומר על חום הגוף ביבשה, אולם הופך חסר תועלת כשהדוב יוצא לצוד דגים ונרטב. במים שכבת השומן היא זו שמבודדת ושומרת על חום גופו. זו גם הסיבה לכך שדובות קוטב לא מניחות לגורים הצעירים לשחות כל עוד לא גדלו מספיק וצברו שכבת שומן מכובדת. לצורך יצירת שכבת השומן הראשונית הזאת, החלב של דובת הקוטב שמן במיוחד – הוא מכיל 31 אחוז שומן, לעומת 4.5 אחוזי שומן בלבד בחלב אישה.

במשך שנים רבות ניסו להבין את הפיזיקה של פרוות דוב הקוטב ואת יתרונה האבולוציוני, שכן עור שחור ופרווה שקופה אינם דבר של מה בכך. הסברה הרווחת הייתה שהשערות השקופות והחלולות משמשות ככבלים אופטיים שמעבירים את חום השמש את עורו השחור של הדב, שקולט אותו טוב יותר מעצם היותו גוף שחור. אבל הטענה לא עמדה במבחן הניסוי המדעי והופרכה.

מחקר מאוחר יותר פיצח את המנגנון והראה שהעור השחור מקטין את איבוד החום לסביבה. בנוסף, החום שמצליח בכל זאת לברוח, ונפלט בצורה של אור תת-אדום, מפוזר על ידי השערות השקופות וחוזר בחלקו לעור. המנגנון הזה מזכיר את תפקודן של השמיכות התרמיות שפיתחו בנאס"א לשימוש במצבי קור קיצוניים.

קופאת למוות בחורף, מפשירה לחיים באביב, בעזרת שתן בתאים. צפרדע העצים Rana sylvatica | צילום: Shutterstock

אם רצה הגורל ונולדת דווקא פויקילותרמי, כלומר טמפרטורת הגוף שלך נקבעת על ידי הסביבה שלך, סביר להניח שלא תשרוד בתנאי קור קיצוני. אבל לא היינו מספרים לכם את זה אלמלא היו יוצאים מן הכלל.

צפרדע עצים (Rana sylvatica) דו-חי פויקילותרמי למהדרין מצפון אמריקה, עושה את הבלתי ייאמן. כשהטמפרטורות מתחילות לרדת מתחיל להצטבר בתאיו שתנן (חומר שמופרש בדרך כלל מהגוף במערכת השתן). בהמשך, הקור גורם לפעילות יתר של הכבד ולהיווצרות כמויות גדולות של סוכר, שנצבר אף הוא בגוף וממלא את התאים.

הצפרדע משתמשת בשתנן ובסוכר האלה כחומרים מעכבי קיפאון כשמגיע הקור הגדול. וכשהטמפרטורות צונחות והצפרדע מתחילה לקפוא, התהליכים המטבוליים שלה עוצרים וליבה מפסיק לפעום. לכאורה מדובר ביצור מת. אך כשהאביב מגיע והשלגים מפשירים, הלב חוזר לפעום והצפרדע קמה לתחייה.

פתרון דומה מצא הזחל של עש הדובון הארקטי הצמרי (Gynaephora groenlandica). מחזור החיים שלו אופייני לקרוביו הפרפרים: זחל קטן ורעב שמתגלם והופך לפרפר נהדר. אבל באזור הארקטי גם לצמחים יש חיים לא פשוטים, ולזחל העש אין די מזון בעונת הקיץ הקצרה כדי לאכול ולהתגלם. התשובה שהוא מצא למצב הזה יצירתית במיוחד: הזחל זולל צמחים טריים במהלך הקיץ הקצרצר, וכשהחורף מגיע הוא קופא.

גם כאן יש חשיבות רבה לחומרים מעכבי קיפאון המיוצרים בגופו של הזחל. במקרה הזה הירידה בטמפרטורות מעוררת תהליכים מטבוליים שמפרקים את המיטוכונדריה בתאים (האברונים האחראים על הנשימה התאית) ויוצרים מהן גליצרול. בקיץ הבא, כשהמזון חוזר להיות זמין, הזחל מתעורר וממשיך בארוחה. התהליך חוזר על עצמו שוב ושוב, לפעמים במשך 14 שנים, עד שהוא גדול דיו כדי להשלים את הגלגול, להתגלם ולהפוך לעש. העש עצמו חי חיים קצרים מאוד וחייב להספיק להזדווג ולהעמיד צאצאים שיבקעו מהביצה, יאכלו ויספיקו לקפוא לפני החורף הבא.

ארוחות שיכולות להימשך 14 שנים. זחל של עש הדובון הארקטי הצמרי Gynaephora groenlandica | מקור: ויקיפדיה

אוהבי הקור

יש גם כאלה שעומדים בגאון מול הקור הגדול, ללא בידוד וללא מורא. לאורגניזמים האלה, שחיים בתנאי קור קיצוניים, נהוג לקרוא פסיכרופיליים (מיוונית: אוהבי קור) או קריופיליים (אוהבי קיפאון).

איך הם עושים את זה? אם נקרר תא אנושי, קרום התא יהפוך קשיח ונטול יכולת תזוזה. קרום התא של אורגניזמים פסיכרופיליים, לעומת זאת, יישאר גמיש. הסיבה לכך היא הסידור המיוחד של חומצות השומן המרכיבות את קרום התא, שמכילות יותר שרשראות של שומן לא רווי, כלומר מולקולות מפותלות ומקופלות שטמפרטורת הקיפאון שלהן נמוכה יותר. רואים את התופעה הכימית הזאת למשל בשמן זית (שומן לא רווי), שנשאר נוזלי גם בקירור, לעומת חמאה קרה (שומן רווי) שמוצקה אפילו בטמפרטורת החדר.

בתוך התא מתרחשים אלפי תהליכים. תגובות כימיות בונות, הורסות, מעבירות, מזיזות, מכניסות חומרים אל התא ומוציאות חומרים אחרים החוצה. התגובות הללו דורשות אנרגיה, שמגיעה בדרך כלל מחום הגוף עם דחיפה קלה ממולקולה בשם ATP, שנוצרת בתהליך הנשימה של התא.

ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, האנרגיה הנוספת שהגוף מייצר כבר לא מספיקה כדי להתניע את התהליך. ואם לא די בזה, הקור גורם לחלבוני התא לשנות את צורת הסידור והקיפול שלהם בתא, ולכן להגיב עם המולקולות הלא נכונות.

לעומת זאת, אצל יצורים פסיכרופיליים חלבוני התא מסוגלים לתפקד אפילו בקור קיצוני, בזכות אנזימים מותאמים לקור שמאפשרים תגובות כימיות גם באנרגיה קינטית נמוכה. כמו כן הם נעזרים בחלבוני עקת קור, ששומרים על הגמישות ויכולת הקיפול של חלבוני התא גם בקור מקפיא. האסטרטגיות הללו מאפשרות ליצורים הללו לשרוד בתנאים בלתי אפשריים. השיאן העולמי לשרידות בקור הוא החיידק פלנוקוקוס הלוקריופילוס (Planococcus halocryophilus) שמצליח לתפקד באופן מלא גם כשהטמפרטורה שלו מגיעה ל-15 מעלות צלזיוס מתחת לאפס.

למי זה משנה, אתם שואלים? למשל לתעשיית המזון, שמשתמשת לא מעט בחיידקים פסיכרופיליים לשיפור המרקם של גלידה, בכך שהם מקטינים את גבישי הקרח הנוצרים בתהליך ויוצרים גלידה רכה וחלקה יותר. בתעשיית היין והבירה, שמרים פסיכרופיליים מאפשרים לקיים תהליכי תסיסה ביולוגיים בלי צורך בחימום.

קראתם הכול ועדיין קר לכם? ההמלצה שלנו: כסו את הראש בשמיכה, ונתראה שוב באביב.