Home

Leven in extreme kou

Over het algemeen geldt dat het leven zich moet beschermen tegen te extreme kou. In een te koude omgeving kan een organisme onderkoeld raken of zelfs bevriezen. Bevriezing levert een groot gevaar op voor alle organismen.  
Door zijn compacte lichaamsbouw houdt de ijsbeer zijn warmte goed vast
Door zijn compacte lichaamsbouw houdt de ijsbeer (Ursus maritimus) zijn warmte goed vast

Extreme kou

Als het te koud is komt de werking van allerlei interne processen in het gedrang. Bijvoorbeeld, enzymen die aan de basis liggen van stofwisselingsprocessen in het lichaam werken dan niet meer goed. Verder, heel belangrijk, een organisme bestaat voor een groot deel uit water. Als het water ten gevolge van bevriezing niet meer beschikbaar is komt het voortbestaan van dat organisme in gevaar.

Het temperatuurverloop op de hele aarde heeft een spreiding van maar liefst 147 ºC. Het minimum van -89,2 ºC is gemeten in Vostok (Antarctica) en het maximum van 58 ºC in Al Azízíyah (Libië). 

Grote verschillen in temperatuur zijn voor levende organismen extreem, vooral als deze optreden in een kort tijdsbestek. Mensen ervaren omgevingstemperaturen van 10 tot 30 ºC als normaal. Er leven echter ook mensen in gebieden waar de temperatuur zakt tot - 40 ºC of oploopt tot 40 ºC. Temperaturen hoger dan 40 ºC en lager dan het vriespunt zijn voor de meeste organismen gevaarlijk.



Het belang van water

Water dient als bouwstof, als transportmiddel voor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen en als oplosmiddel waarin  chemische reacties plaatsvinden. Voor al deze functies moet het wel vloeibaar zijn en niet bevroren tot ijs. Bovendien raken cellen beschadigd als de celinhoud bevriest: water zet uit bij bevriezing waardoor de celwand lek raakt.



Verdedigingsmechanismen tegen kou 

Organismen hebben verschillende verdedigingsmechanismen tegen afkoeling ontwikkeld:  zelf warmte produceren of juist warmteverlies voorkomen, een groot lichaamsoppervlak, winterslaap of speciale aanpassingen.



Warmte produceren

Bewegen is een effectieve manier om warmte te produceren: spierencellen die actief zijn zorgen inwendig voor extra warmte. Ook bibberen en klappertanden helpen om de 'binnentemperatuur' wat op te voeren.



Warmteverlies voorkomen

Het lichaam heeft verschillende tactieken ontwikkeld om verlies van warmte tegen te gegaan.


Vernauwing van de bloedvaten

Om warmteverlies tegen te gaan, dus om te voorkomen dat de 'binnentemperatuur' te veel daalt, zorgt het lichaam ervoor dat de bloedvaten zich vernauwen: de doorbloeding van de huid wordt dan minder zodat langs die weg minder warmte verloren gaat. Het warme bloed blijft dan vooral stromen rondom de organen en de hersenen.


Isolatie

Een permanente verdediging tegen afkoeling is een isolerende buitenlaag van haren, veren of vet. Hoe meer en hoe langer de haartjes in een vacht zijn, hoe beter de isolatie. Niet omdat die haartjes zelf zo warm zijn, maar omdat de lucht ertussen gevangen wordt gehouden. Lichaamswarmte verplaatst zich niet door de stilstaande lucht, evenmin dringt  koude omgevingslucht ertussendoor naar binnen. 
De menselijke vacht stelt niet zoveel meer voor, kleding werkt bij ons beter als isolatie. Onze vacht doet bij kou nog wel zijn best om lucht vast te houden: we krijgen dan kippenvel. 





Bij veel dieren die in koud water leven is vet is een effectieve isolatiemethode . Warmtegeleiding in water gaat vier keer sneller dan in lucht. Water is namelijk veel dichter van samenstelling dan lucht waardoor de doorgifte van warmte sneller gaat. Lichaamswarmte gaat in water dus veel sneller verloren. Dieren met een dikke onderhuidse vetlaag, wel zo'n vijf centimeter,  zoals bijvoorbeeld de zeehond verliezen nauwelijks lichaamswarmte aan het koude omringende  zeewater. Een vetlaag isoleert heel goed. Het vet vormt een barrière tegen het koude water én het houdt de lichaamswarmte 'binnen': in vet vindt nauwelijks warmtegeleiding plaats.


De zeehond verliest in het koude zeewater haast geen warmte
Gewone Zeehond Phoca vitulina
De zeehond verliest in het koude zeewater haast geen lichaamswarmte

Groot lichaamsoppervlak

Hoe groter een lichaam, hoe meer inhoud het heeft in verhouding tot zijn oppervlak. Warmteverlies gaat via het oppervlak. Omdat een groter dier dus relatief minder buitenkant heeft, loont het om in extreme kou om zo groot mogelijk te zijn: zoals de ijsbeer. Zijn omvang helpt hem om warm te blijven op de noordpool.
De ijsbeer is de grootste berensoort op aarde: 3 meter lang en 700 kg zwaar.


 

Winterslaap

Verschillende dieren kunnen een koude winter doorstaan door een winterslaap te houden. Om energie te sparen staat de stofwisseling op een laag pitje en zijn hartslag en ademhaling vertraagd. Vrijwel alle dieren in winterslaap koelen af tot zo'n 8 ºC. Om een winterslaap in extreem koude omstandigheden te overleven hebben sommige organismen speciale lichamelijke aanpassingen. Twee voorbeelden hiervan zijn de toendra-eekhoorn en de Noord-Amerikaanse boskikker.



Toendra-eekhoorn Spermophilus parryii

Met een sterk gedaalde lichaamstemperatuur van drie graden onder nul slaapt de toendra-eekhoorn zeven maanden in een hol.

Voor bevriezing, ofwel het groeien van ijs zijn kernen nodig waar de kristallisatie kan beginnen. In de lichaamsvloeistof van de toendra-eekhoorn ontbreken zulke kernen. Daarom ontstaat daar geen ijs en bevriest hij dus niet, terwijl hij toch afkoelt tot beneden het vriespunt.



Noord-Amerikaanse boskikker Rana sylvatica

Tijdens zijn winterslaap bestaat de Noord-Amerikaanse boskikker voor tweederde uit ijs. In tegenstelling tot de meeste andere levende wezens kan hij wel tegen bevriezing.

De Noord-Amerikaanse boskikker is bestand tegen bevriezing
De Noord-Amerikaanse boskikker is bestand tegen bevriezing

Op ingenieuze wijze kan deze kikkersoort in zijn cellen een zodanige water- en suikerhuishouding regelen, dat er geen vorstschade optreedt. Essentieel daarin is dat ijsvorming alleen tussen de cellen plaatsvindt en dat door hoge suikerconcentraties te genereren de celinhoud zelf niet bevriest.

Vorstschade aan cellen ontstaat vooral omdat het water dat in de cellen zit bij bevriezen uitzet. Hierdoor scheurt de celwand en ontstaat er een lek. Bij het ontdooien van de cellen lopen ze vervolgens leeg.



Antarctische ijsvis Dissostichus mawsoni

De Antarctische ijsvis houdt geen winterslaap maar heeft wel speciale aanpassingen om in het ijskoude water van het zuidpoolgebied te kunnen leven. Door het zout in het water van de poolzee kan de watertemperatuur twee graden onder nul zijn zonder dat het bevriest. Zout verlaagt de temperatuur waarbij bevriezing begint.  

Om rond te kunnen zwemmen in dit ijskoude water heeft de Antarctische ijsvis antivries-eiwitten in zijn bloed. Deze binden zich aan ijskristallen en stoppen de groei daarvan zodat het bloed vloeibaar blijft.