Почему у полярных медведей чёрная кожа под белой шерстью

Физика поглощения света меланоцитами эпидермиса

Эпидермис Ursus maritimus густо насыщен меланоцитами, синтезирующими пигмент эумеланин. Молекула эумеланина обладает уникальной химической структурой из конденсированных полиароматических колец с делокализованными электронами. Такая конфигурация позволяет пигменту улавливать фотоны практически во всём диапазоне солнечного спектра, от длинноволнового ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Когда фотон сталкивается с молекулой меланина, энергия световой волны переходит в тепловое движение кристаллической решётки молекулы. Кожа нагревается, отдавая тепло прилегающим кровеносным капиллярам дермы.

Светлая поверхность отражает большую часть светового потока обратно в окружающее пространство. Коэффициент альбедо светлой ткани может превышать восемьдесят процентов, что означает бесполезную потерю доступной солнечной энергии. Чёрная поверхность поглощает до девяноста пяти процентов падающего излучения. В высокоширотных широтах Арктики, где угол падения солнечных лучей острый, а интенсивность радиации снижена, способность захватить каждый фотон становится критическим фактором выживания хищника.

Оптические свойства шерсти и световодный эффект

Видимый белый цвет полярного медведя создаётся оптической иллюзией. Волоски шерстного покрова полностью лишены пигментации. Волос состоит из прозрачного кератина и имеет пустотелую сердцевину, заполненную воздухом. Из-за разницы показателей преломления между воздухом внутри сердцевины и наружной кератиновой оболочкой падающий дневной свет многократно преломляется и рассеивается во всех направлениях. Именно диффузное рассеяние человеческий глаз воспринимает как чистый белый цвет.

Шерстный покров медведя делится на два функциональных яруса, решающих разные физические задачи.

• Густой подшёрсток длиной около пяти сантиметров формирует плотную воздушную прослойку у самой поверхности тела, препятствуя конвективному переносу нагретого воздуха наружу.
• Длинные остевые волосы длиной до пятнадцати сантиметров имеют выраженную сердцевинную полость и выполняют роль оптических световодов, рассеивая солнечные лучи вглубь шубы.
• Кератиновые чешуйки на внешней поверхности каждого волоса направляют часть отражённого света вниз, к нижележащим слоям покрова.
• Жировая водоотталкивающая плёнка на остевых волосах защищает воздушную камеру от намокания во время плавания в ледяной морской воде.

Поскольку кератин прозрачен для видимого света, часть солнечных лучей проникает сквозь внешний барьер и многократно переотражается между полыми волосками, пока не достигнет базального слоя кожи. Достигнув тёмной поверхности, кванты света поглощаются, преобразуясь в кинетическую энергию молекул, то есть в тепло.

Термодинамика тела и роль подкожного жирового депо

Поглощённое кожей тепло необходимо удержать внутри крупного организма. Если бы медведь обладал только тёмной кожей, он быстро охлаждался бы ветром и отдавал всё тепло в морозный арктический воздух через конвекцию и инфракрасное излучение. Эволюция решила эту задачу объединением радиационного нагрева с глубокой кондуктивной изоляцией.

Под дермой у взрослой особи залегает слой жировой ткани толщиной до одиннадцати сантиметров. Липиды обладают предельно низкой теплопроводностью, составляющей примерно 0,16 Вт/(м·К). Для сравнения, теплопроводность мышечной ткани в три раза выше. Жир отсекает внутреннее тепло метаболизма от внешней среды, благодаря чему температура ядра тела стабильно держится на отметке около 37 градусов Цельсия даже при внешних морозах до минус пятидесяти градусов.

Инфракрасные съёмки арктических животных подтверждают эффективность этой системы. На термограмме идущий полярный медведь практически невидим для тепловизора. Поверхность его шерсти имеет точно такую же температуру, как и окружающий ледяной покров. Излучение тепла в инфракрасном диапазоне фиксируется только в области носа, подушечек лап и вокруг глаз. Волоски шерсти задерживают внутреннее инфракрасное излучение, переизлучая его обратно к тёмному эпидермису.

Эволюционные предпосылки и генезис пигментации

По данным молекулярно-генетических исследований, полярный медведь отделился от общего предка с бурым медведем Ursus arctos приблизительно 400–500 тысяч лет назад. У бурых медведей кожа под густой коричневой шерстью также пигментирована, имея серый или тёмно-коричневый оттенок. В процессе освоения арктического шельфа предковые формы утратили синтез меланина в фолликулах волос, получив маскировочную белую шерсть для охоты на нерп и тюленей среди льдов. Гены синтеза меланина в меланоцитах кожи при этом сохранились и закрепились естественным отбором.

Помимо теплового баланса, эумеланин выполняет барьерную функцию. Полярные территории характеризуются высокой дозой отражённого ультрафиолетового излучения весной и летом. Ледяной панцирь и снежный наст отражают до девяноста процентов ультрафиолета. Если бы кожа под прозрачным мехом была розовой и лишённой меланина, хищник неизбежно страдал бы от тяжелейших солнечных ожогов и канцерогенеза. Эумеланин нейтрализует свободные радикалы и защищает ДНК клеток базального слоя эпидермиса от фотодеструкции.