为了适应严寒的环境，北极海豹已经进化出了许多适应能力，你可能不会马上想到它们鼻腔里的骨头。与生活在温和环境中的海豹相比，北极海豹的鼻道更为曲折。研究人员在12月14日的《生物物理杂志》上报告说，这些结构有助于海豹在吸气和呼气时更有效地保持热量和水分。

挪威科技大学的通讯作者、物理化学家sige Kjelstrup说:“由于它们鼻腔中的这种复杂结构，当它们暴露在相同的条件下，北极海豹通过鼻腔热交换失去的热量比亚热带海豹少。”“这提供了一个进化优势，特别是在北极，热量损失是能量耗散，必须通过食物来补充。”

“令人惊讶的是，这些北极海豹在吸气和呼气时保留了94%的水，”凯尔斯特鲁普说。“这意味着在吸入过程中添加到空气中的大部分水在呼出时被回收。”

在寒冷干燥的环境中，动物仅仅通过呼吸就能失去热量和水分。大多数哺乳动物和鸟类的鼻腔内都有一种叫做上鼻甲骨的复杂骨骼，这有助于将这种风险降到最低。这些多孔的骨架上覆盖着一层富含血管的粘膜组织，可以温暖和湿润吸入的空气，这对肺功能很重要，并减少呼气时的热量和水分损失。

然而，这些骨头的结构因物种而异。凯尔斯特鲁普的研究小组之前表明，驯鹿的鼻子能在寒冷的条件下进行有效的热交换，但由于驯鹿生活在不同的环境中，他们转向海豹来测试北极动物的鼻子是否有什么特别之处。

“你在地中海中部找不到驯鹿，但海豹生活在许多不同的环境中，所以它们让我们可以测试这个问题，”凯尔斯特鲁普说。“我们从之前的一项研究中得知，北极海豹的鼻子像海绵一样，非常致密，而地中海海豹的鼻子结构更开放。”

研究人员使用计算机断层扫描技术制作了一种北极海豹——胡须海豹(Erignathus barbatus)和一种亚热带海豹——地中海僧海豹(Monachus Monachus)的鼻腔/上颌鼻甲的3D模型。然后，他们使用能量耗散模型来比较密封在吸入过程中加热和湿润空气的能力，以及在呼出过程中减少热量和水分损失的能力。

研究小组在北极条件下(- 30°C)和10°C下对这两只海豹进行了测试，10°C对地中海僧海豹来说是寒冷的一天。他们还调整了模型中的不同参数，以确定对其功能重要的鼻腔几何特征。

该模型表明，在北极和地中海环境温度下，北极海豹比亚热带海豹更有效地保持热量和水分交换。在- 30°C时，地下海豹每次呼吸循环损失的热量是北极海豹的1.45倍，水分是3.5倍;在10°C时，地下海豹损失的热量是北极海豹的1.5倍，水分是北极海豹的1.7倍。

这种优势是由于北极海豹更复杂、更密集的鼻腔。具体来说，研究人员表明，北极海豹上颌鼻甲骨周长的增加是限制低环境温度下能量耗散的关键。

该研究调查了每个呼吸周期(即一次吸气和呼气)的水分和热量损失，但呼吸频率的作用仍不清楚。这对海豹来说尤其复杂，它们每次潜水时都会暂停呼吸几分钟。

未来，研究人员希望研究其他物种的鼻子结构，看看不同的结构是否在其他环境中提供了进化优势。“例如，骆驼不需要节省很多热量，但它确实需要节省水，所以人们可以推测，它可以告诉我们一些关于两者相对重要性的东西，”Kjelstrup说。

最终，研究人员计划利用这些信息来设计更高效的热交换器和通风系统。“如果大自然能够创造出如此伟大的热交换器，我认为我们应该在工程上复制它，以创造更有效的过程，例如，在空调中，”凯尔斯特鲁普说。