Gấu Bắc Cực giữ ấm chủ yếu nhờ hai lớp: bộ lông dày gồm lông tơ và lông bảo vệ, cùng lớp mỡ dưới da có chỗ dày tới khoảng 10 cm. Da của nó màu đen, còn sợi lông thì không màu và trong suốt, trông trắng vì tán xạ ánh sáng. Ý tưởng nổi tiếng rằng lông gấu là "sợi quang" dẫn ánh nắng xuống da đã được kiểm tra và bị bác bỏ. Thực ra gấu Bắc Cực giữ nhiệt giỏi tới mức vấn đề lớn của nó thường là quá nóng khi chạy, chứ không phải bị lạnh.
Gấu Bắc Cực sống trong điều kiện nào
Gấu Bắc Cực (Ursus maritimus, nghĩa là "gấu biển") sống quanh Bắc Băng Dương, trên lãnh thổ năm nước: Canada, Mỹ (Alaska), Nga, Na Uy (quần đảo Svalbard) và Greenland thuộc Đan Mạch. Môi trường chính của nó không phải đất liền mà là băng biển, nơi nó rình hải cẩu ở lỗ thở và rìa băng. Mùa đông nhiệt độ không khí có thể xuống âm 30, âm 40 °C, gió mạnh, và gấu còn thường xuyên bơi trong nước biển gần điểm đóng băng.
Bài toán giữ nhiệt của gấu vì thế có hai mặt: trên cạn phải chống gió lạnh, dưới nước phải chống nước lạnh. Hai môi trường này đòi hỏi hai giải pháp khác nhau, và gấu Bắc Cực dùng cả hai.
Bộ lông: lông tơ và lông bảo vệ
Lông gấu Bắc Cực có hai loại. Lớp lông tơ ngắn, dày, mịn mọc sát da, giữ một lớp không khí tĩnh. Bên trên là lớp lông bảo vệ dài hơn, thô hơn, che lớp tơ khỏi gió, tuyết và nước. Lông bảo vệ có lõi rỗng hoặc xốp ở nhiều đoạn, làm tăng khả năng cách nhiệt và giúp lông nhẹ.
Bộ lông rất hiệu quả khi khô. Các ảnh chụp bằng camera nhiệt cho thấy gấu Bắc Cực gần như "vô hình": bề mặt lông gần bằng nhiệt độ không khí, chỉ có hơi thở và vùng mõm là sáng lên. Điều này nghĩa là rất ít nhiệt thoát ra qua lông.
Nhưng khi ướt, lông mất phần lớn khả năng cách nhiệt vì nước đẩy không khí ra và dẫn nhiệt tốt hơn nhiều. Đây là lý do gấu hay lắc mình mạnh như chó sau khi lên bờ, và lăn trên tuyết để tuyết hút bớt nước. Lớp lông bảo vệ có phần chống thấm, nhưng không đủ để giữ ấm khi bơi lâu. Dưới nước, gấu phải dựa vào thứ khác.
Vì sao lông trắng nếu sợi lông không màu
Từng sợi lông gấu Bắc Cực không chứa sắc tố, gần như trong suốt. Ánh sáng chiếu vào bị tán xạ nhiều lần ở bề mặt và bên trong các sợi lông, giống như tuyết và mây trông trắng dù băng và giọt nước trong suốt. Vì vậy lông gấu trông trắng hoặc ngà, có khi ngả vàng do dầu từ con mồi bám vào hoặc do ánh sáng buổi chiều. Ở một số vườn thú khí hậu ấm, đã từng có gấu Bắc Cực trông xanh lục vì tảo mọc trong lõi rỗng của sợi lông; khi tảo được xử lý, lông trở lại màu cũ.
Câu chuyện "lông sợi quang" và vì sao bị bác bỏ
Khoảng thập niên 1970–1980, có một ý tưởng hấp dẫn lan rộng: lông gấu Bắc Cực rỗng và trong suốt, nên có thể hoạt động như sợi quang, dẫn ánh sáng, nhất là tia tử ngoại, xuống làn da đen bên dưới để sưởi ấm. Ý tưởng này còn được đưa vào sách phổ biến khoa học và gợi ý cho một số thiết kế vật liệu thu nhiệt mặt trời.
Vấn đề là khi được kiểm tra bằng phép đo quang học vào cuối thập niên 1990, lông gấu dẫn ánh sáng rất kém. Ánh sáng đi vào sợi lông bị hấp thụ và tán xạ gần hết chỉ sau một quãng ngắn, không thể tới da qua chiều dài sợi lông. Phần tử ngoại được ghi nhận mất đi khi chiếu vào lông là do bị chất sừng của lông hấp thụ, không phải được dẫn đi.
Ngày nay giới khoa học coi giả thuyết "sợi quang" là sai. Đây là ví dụ tốt về một ý tưởng nghe rất hợp lý, rất đẹp, được nhắc lại nhiều năm, cho tới khi có người làm phép đo đơn giản.
Da đen: có tác dụng gì
Da gấu Bắc Cực có màu đen, dễ thấy ở mũi, môi và đệm chân. Da đen hấp thụ ánh sáng tốt, nên khi ánh nắng xuyên qua được lớp lông, da có thể nhận thêm một chút nhiệt. Tuy nhiên, vì lông dày và tán xạ gần hết ánh sáng, đóng góp này được cho là nhỏ. Một số nhà khoa học cho rằng màu da đen là di sản từ tổ tiên gấu nâu, không nhất thiết là thích nghi đặc biệt với lạnh. Vai trò thật của da đen vẫn còn được bàn luận.
Lớp mỡ: áo giữ nhiệt dưới nước
Khi bơi, lông ướt gần như vô dụng, và lớp mỡ dưới da trở thành chất cách nhiệt chính. Ở gấu khoẻ mạnh, lớp mỡ có thể dày tới khoảng 10 cm ở một số vùng như mông và lưng. Mỡ dẫn nhiệt kém, không bị nước ép bẹp như lông, nên giữ nhiệt tốt dưới nước. Đây cũng là cách các loài thú biển như hải cẩu, cá voi giữ ấm.
Lớp mỡ còn là kho năng lượng. Gấu Bắc Cực ăn chủ yếu mỡ hải cẩu, thứ giàu năng lượng nhất trong bữa ăn của nó, và tích mỡ khi mùa săn tốt. Gấu cái mang thai đào hang trong tuyết vào mùa thu, sinh con giữa mùa đông và nuôi con bằng sữa rất béo, sống hoàn toàn bằng mỡ dự trữ suốt nhiều tháng không ăn.
Mỡ cũng giúp gấu nổi dễ hơn khi bơi. Gấu Bắc Cực là tay bơi giỏi, chèo bằng đôi chân trước to bản. Các nhà nghiên cứu theo dõi bằng vòng cổ định vị đã ghi nhận những con bơi liên tục hàng trăm kilômét giữa các mảng băng xa nhau, đặc biệt khi băng biển rút xa bờ. Những chuyến bơi dài như vậy làm gấu sụt cân đáng kể, và gấu con đi theo mẹ có nguy cơ không sống sót.
Bàn chân, tai, đuôi: những chi tiết nhỏ
| Bộ phận | Đặc điểm | Lợi ích |
|---|---|---|
| Bàn chân | Rất to, lòng bàn chân có lông và các núm nhỏ | Phân tán trọng lượng trên băng mỏng, bám không trơn, đỡ lạnh khi đứng trên băng |
| Móng vuốt | Ngắn, cong, khoẻ | Bám băng và giữ con mồi |
| Tai | Nhỏ, tròn | Giảm diện tích mất nhiệt, phù hợp quy tắc Allen |
| Đuôi | Rất ngắn | Ít phần thân thò ra ngoài |
| Thân | To lớn, cổ dài hơn các loài gấu khác | Thân to giữ nhiệt tốt; cổ dài giúp thò đầu vào lỗ thở của hải cẩu |
Quá nóng mới là vấn đề
Một con vật cách nhiệt giỏi như vậy khó thải nhiệt khi vận động mạnh. Gấu Bắc Cực săn chủ yếu bằng cách rình, ít khi đuổi lâu. Các nghiên cứu cho thấy gấu chạy hoặc đi nhanh trong thời gian dài sẽ nóng lên nhanh và tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với nhiều loài thú khác cùng cỡ. Để tản nhiệt, gấu thở dốc, nằm dài trên băng, hoặc xuống nước bơi. Những vùng ít lông như mũi, đệm chân, và vùng vai nơi mạch máu gần da là nơi thải nhiệt.
Điều này giải thích vì sao gấu Bắc Cực thường di chuyển chậm rãi và nằm nghỉ nhiều. Đó không phải lười biếng, mà là chiến lược tiết kiệm năng lượng và tránh quá nhiệt của một loài được thiết kế cho cái lạnh.
Góc nhìn hôm nay
Thích nghi của gấu Bắc Cực gắn chặt với băng biển: nó cần băng để săn hải cẩu. Khi băng biển mùa hè rút sớm hơn và tạo lại muộn hơn, gấu phải nhịn đói lâu hơn trên đất liền, sống bằng mỡ dự trữ. Ở một số quần thể như vùng vịnh Hudson của Canada, các nhà nghiên cứu theo dõi lâu năm ghi nhận gấu gầy hơn và số lượng giảm. Ở những vùng khác, xu hướng chưa rõ hoặc chưa đủ số liệu. Gấu Bắc Cực được IUCN xếp vào nhóm dễ bị tổn thương.
Gấu Bắc Cực tiến hoá từ gấu nâu, và hai loài vẫn có thể lai với nhau; thời điểm tách nhau vẫn còn tranh luận giữa các nghiên cứu di truyền. Muốn tìm hiểu thêm, có thể xem các phim tài liệu thiên nhiên quay ở Svalbard hoặc Churchill (Canada), nơi gấu tụ tập chờ băng mỗi mùa thu, và đọc các bài viết phổ biến của các nhóm nghiên cứu gấu Bắc Cực quốc tế.
Câu hỏi thường gặp
Da gấu Bắc Cực màu gì?
Da gấu Bắc Cực màu đen, dễ thấy ở mũi, môi và đệm chân. Lông của nó thì không màu, trong suốt, trông trắng vì tán xạ ánh sáng.
Lông gấu Bắc Cực có dẫn ánh sáng như sợi quang không?
Không. Ý tưởng này từng phổ biến nhưng phép đo quang học cuối thập niên 1990 cho thấy lông gấu dẫn ánh sáng rất kém, ánh sáng bị hấp thụ và tán xạ gần hết trước khi tới da. Giả thuyết này hiện bị coi là sai.
Gấu Bắc Cực giữ ấm khi bơi như thế nào?
Khi bơi, lông ướt mất gần hết khả năng cách nhiệt, nên gấu dựa vào lớp mỡ dưới da dày tới khoảng 10 cm ở một số vùng. Mỡ dẫn nhiệt kém và không bị nước ép bẹp.
Gấu Bắc Cực có bị nóng không?
Có, và đó là vấn đề lớn hơn bị lạnh. Khi chạy hoặc vận động lâu, gấu nóng lên nhanh, phải thở dốc, nằm nghỉ hoặc xuống nước để hạ nhiệt.
Vì sao gấu Bắc Cực trông trắng?
Vì sợi lông trong suốt tán xạ ánh sáng nhiều lần, giống như tuyết trông trắng dù băng trong suốt. Lông có thể ngả vàng do dầu từ con mồi hoặc ánh sáng.