Større pattedyr kan forflytte seg til områder med mindre snø og større mattilgang. Bevege seg i snø er energikrevende hvis man synker ned i snøen. Jerv og isbjørn er sålegjengere hvor foten virker som en form for truger som gjør at de kan bevege seg i snødekt terreng.Hare er lett nok og har stor nok bæreflate til å kunne gå på snøen (flytegåer).
Varmblodige pattedyr og fugl med konstant kroppstemperatur må ha kuldetoleranse. Dyrene kan kategoriseres etter kroppstemperaturen: Den kan være stabil (homeoterm), variabel (poikiloterm), og energikilden til kroppsvarmen kan være intern (endoterm) eller ekstern via solvarme (ektoterm).
1) Varmetapet reduseres om vinteren med henholdsvis en isolerende og vannavstøtende vinterpels med ullhår og vinterfjærdrakt med mye dun. Pingviner, sel, isbjørn og hval har et tykt spekklag som isolerer mot det kalde havvannet.
2) Kroppsformen er mest mulig rund for å få minst mulig overflate i forhold til volumet, og utstikkende lite isolerte områder er så små som mulige. Jfr. fjellrev.
3) Flere individer kan klumpe seg sammen og på denne måten beskytte seg mot kulda. Jfr. moskus i ring.
4) Har evne til å øke varmeproduksjonen.
Ytre kroppsekstremiteter blir nedkjølt, men varmen i blodet går ikke tapt fordi det er en motstrøms varmeveksling mellom det varme blodet i arteriene og det kalde blodet i venene som kommer tilbake til hjertet. Siden blodet går i motsatt retning mellom vener og arterier som ligger ved siden av hverandre blir det en effektiv overføring av varme slik at varmetapet fra dårlig isolerte områder på kroppen blir minimalt, f.eks. ved føtter, snute/nese. Temperaturen på beina hos pattedyr og fugl som går på snø kan synke til 0oC. Fettet i beina har et lavere smeltepunkt slik at fettet holder seg mykt ved lav temperatur.
Alle varmblodige dyr forsøker å holde en konstant indre kroppstemperatur 37-42oC, styrt av en termostat i hypothalamus. Det kreves mye energi og stadig tilførsel av mat for å kunne opprettholde den konstante temperaturen, i motsetning til vekselvarme (kaldblodige) dyr som kan tilpasse kroppstemperaturen til omgivelsene.
Brunt fettvev og termogenese
Temperaturen kan økes ved økte muskelbevegelser, muskelskjelving. Den samme effekten kan vi oppnå ved "å slå floke". Opplagsnæring i brunt fettvev kan omsettes til varme. Kroppen har to typer lager med fett. Hvitt fettvev er et lager fra overskudd av fett og karbohydrater. Brunt fettvev er spesialisert til å produsere varme. Fargen skyldes at vevet er fylt med mitokondrier som inneholder brunfarget jern i cytokrom. Det brune fettvevet aktiveres via nervesignal fra hypothalamus. Noen mennesker er genetisk predisponert til å forbrenne overskudd av matinntaket i form av brunt fettvev.
Små pattedyr kan ikke ha for tykk vinterpels, som ville ha hindret bevegeligheten. Derfor forsøker noen smågnagere å trekke innendørs, mens andre lever i ganger under isolerende snø.
Livssyklus er synkronisert med ugunstige leveforhold, vinteren på våre breddegrader. Daglengden kan indusere en diapause (gresk dia - dele i to; pausis - stoppe) hos insekter og andre leddyr. En periode med lav temperatur gjør at de kommer ut av diapausen igjen. Insekter kan overleve som egg, larve eller puppe, ofte et stadium uten tarmkanal. Insekter akkumulerer sukkeralkoholer og glycerol som virker som frostvæske. Jfr. giftig etylenglykol (glykol) i radiatoren på biler hindrer at vannet fryser. Isopropanol i vinduspylervæske. Insektene gjemmer seg i strøfall og sprekker i bark og treverk. Larver i galler på planter kan holde seg levende igjennom vinteren ved at vannet i cellene underkjøles. Store mengder spretthaler (collemboler) (Hypogastrura socialis) kan observeres i store mengder på snøen om ettervinteren, hvor de oppsøker skyggefulle steder bl.a. i skispor. Edderkopper og insekter kan også ses på snøen. Generelt gir sakte nedkjøling og tining størst mulighet for overlevelse.
Ekte og uekte vintersøvn
Noen pattedyr som pinnsvin og bjerkemus går i dvale om vinteren, og har ekte vintersøvn (hibernering ; latin hibernus - vinter). Under dvale, som kan vare fra november til april, vil hjertepuls, pust og kroppstemperatur synke. Hjertet kan slå bare noen få ganger i minuttet. Synapsene i hjernen blir koblet fra hverandre. Når dyret våkner kobles synapsene i hjernen sammen igjen. Pinnsvin kan aktivere piggene som forsvar under vintersøvnen, men kan også våkne og forflytte seg hvis det er fare for at de kan fryse ihjel.
Bjørn og grevling går i hi og har en uekte vintersøvn, og senker ikke kroppstemperaturen, i motsetning til dyr som går i dvale, men pulsen senkes. Disse spiser masse om høsten og får et tykt fetttlag som de tærer på gjennom vinteren. Beveren samler seg et eget matforråd. Flaggermus har høy kroppstemperatur når de er aktive, men senker den når de er i hvile eller sover. Mange små endoterme pattedyr benytter seg av denne strategien for å spare energi.
Frosk og salamandere som er amfibier har samlet opplagsnæring, kan underkjøles og overlever på fuktige mest mulig frostfrie steder. Frosk kan også overleve nedfrosset.
Glukose fra leveren kan fraktes til cellene som derved tåler lavere temperatur. Hos frosk kan det skje en 100x økning i glukosekonsentrasjonen i blodet uten at dette gir noen form for diabetes. Noen typer frosk kan tåle total nedfrysing. Vannet fryser mellom hud og muskler og i kroppshulrom mellom de indre organene. Blodstrøm, ånding stopper fullstendig opp. Når isen tiner reabsorberes vannet i kroppen og dyret våkner til liv. Frysingen gjør at de indre organene trenger mindre oksygen. Hoggorm kan samles i frostfrie bol. Weddelsel i Antarktis kan gnage hull i isen og føde unger på isen uten fare fra predatorer, i motsetning til Arktis hvor isbjørn er en aktiv predator.
Om våren kan man observere store mengder spretthaler (collemboler) i den skyggefulle delen av en tskispor, blant annet Hypogastrura socialis. Vintermygg (Trichocera annulata) har lange bein, brunfarge og er an av mange arter vintermygg (Trichoceridae) som kan finnes på snø. Det samme gjelder små edderkopper blant annet i familien Linyphiidae ), samt pseudoskorpioner.
Fargeskifte
Om daglengde og nattlengde ved forskjellige breddegrader og årstider. Jordens gang rundt Sola og en akse som står skjevt 23.5o i forhold til baneplanet. Noen pattedyr får vinterpels med fargeskifte fra brun til hvit f.eks. hare, røyskatt, fjellrev og snømus. Fjellrype og lirype har hvit vinterfjærdrakt. Den hvite fargen gir sannsynligvis økt beskyttelse mot rovdyr og rovfugl, men gjør også at rovdyr med hvit vinterpels lettere kan snike seg innpå bytte uten å bli oppdaget. Siden ikke alle rovdyr f.eks. rødrev har hvit vinterpels kan fargen ikke være av avgjørende betydning.
Vann, snø og is
For å kunne overleve en kald vinter må planter og dyr ha en spesiell fysiologi, form (morfologi) og/eller atferd. Frostskader oppstår ved temperatur lavere enn 0oC som følge av is i vannholdige løsninger inne i celler. Alt liv er bygget opp av celler, og for organismer som skal overleve frost er det helt vitalt og livsnødvendig at vann ikke fryser inne i cellene, men utenfor. Vann utvider seg når det fryser og lager iskrystaller. Når det dannes is går vannmolekylene fra en tilfeldig plassering til en mer ordnet struktur. I is er hvert vannmolekyl bundet til tre andre vannmolekyler med hydrogenbindinger. Vannmolekylene er plassert slik at de danner sekskanter (heksagonale). Vann behøver imidlertid ikke å fryse ved fryse- og smeltepunktet, og blir da underkjølt. Rene små vanndråper kan underkjøles ned til -38oC. Vann med oppløste stoffer fryser ved en lavere temperatur enn 0oC, og får et lavere frysepunkt/smeltepunkt (frysepunktdepresjon) Vannet i planteceller som inneholder oppløste stoffer kan underkjøles til ca. -47oC. Tilføres det iskjerner som kan tjene som utgangspunkt for iskrystalldannelse fryser den underkjølte løsningen meget raskt. Iskjerner katalyserer overgangen fra vann til is. Hvis en vannholdig væske kontinuerlig mister varme vil temperaturen gå under frysepunktet til underkjølingspunktet.
Vannet har størst spesifikk vekt ved 4 oC og synker til bunnen, men fryser på vannoverflaten. Straks isen fryser ved iskjernetemperaturen vil varmen fra krystalliseringen frigis, og temperaturen stiger mens vannet fryser. I gamle dager kunne man hindre nattefrost i en dårlig isolert potetkjeller ved å sette ut bøtter med vann i kjelleren. Vannet som frøs i bøttene kunne frigi så mye varme at det hindret potetene i å fryse (Le Chateliers prinsipp).
Hvis vann fryser til is inne i levende celler vil iskrystallene ødelegge mikroarkitekturen og membranene, og cellene dør. Iskrystallene vil punktere blodkar hos dyr. Når vannet fryser vil det også gi tørke (vintertørke, dehydrering). Organismer som er tilpasset frosttemperatur sørger for at vann fryser til is i hulrom mellom cellene utenfor cellemembranen.
Snø virker varmeisolerende. Hønsefugl som rype og orrfugl kan gå i dokk under snøen hvor de lar seg snø ned og hvor mange ekskrementer blir liggende igjen i snøgropa som viser at de har oppholdt seg nedsnødd over lenger tid . Smågangere lever i ganger under snøen. Underjordiske plantedeler kan være dekket av et isolerende lag med strøfall og snø. En lang periode med barfrost kan få uheldige virkninger på organismer som er tilpasset å leve under et isolerende snølag.
Alle livsprosessene (metabolismen) går saktere ved lav temperatur fordi molekylbevegelsene påvirker hastigheten til reaksjoner. Enzymer har forskjellig temperaturoptimum.
Temperatur er noe vi måler med et termometer hvor vi baserer oss på at at en blanding med rent vann og is alltid vil gi samme temperatur (0oC). Fysiologisk temperatur er for oss koblet til hva vil føler er varmt eller kaldt. Varme skyldes bevegelsesenergien til atomer og molekyler. For to objekter som er i kontakt med hverandre og har forskjellig temperatur vil varme gå fra det varmeste stedet til det kaldeste slik at det til slutt blir termisk likevekt. dvs. begge har samme temperatur.
Varmeoverføring
Varme kan overføres via:
1) Infrarød varmestråling. Alle objekter på jorda som har høyere temperatur enn det absolutte nullpunkt (-273.15oC), den laveste temperatur som kan oppnås i universet, vil sende ut varmestråling. Varmestrålingen øker sterkt med temperaturen, i fjerde potens av temperaturen (Stefans lov).
2) Varmestrømning (konveksjon). Varmestrømning er et resultat av turbulente bevegelser i luft eller vann omkring et objekt. Det kan være fri varmestrømning som skyldes at varm luft fra overflaten av objektet stiger og luft kommer inn fra siden og gir avkjøling. Påtvunget varmeledning skyldes vind, og dette er den mest effektive måten varme kan fjernes fra et objekt. Hår og fjær lager et isolerende luftlag slik at varmen ikke tapes så lett ved varmestrømning. Stillestående luft fungerer som en varmeisolator. På grunn av varmestrømningen kan kombinasjonen kald luft og vind gi en dødelig virkning.
3) Varmeledning (konduksjon). Varmeledning skyldes termiske kollisjoner mellom molekyler. Noen stoffer er gode varmeledere f.eks. sølv, og noen er isolerende f.eks. treverk. Sammenlign en sølvskje og treskje i en kopp varmt vann. Gode varmeledere frakter også lett elektroner. Varmeledning har mindre betydning for strålingsbalansen hos plantene. Et tykt lag med fett beskytter og isolerer sjøpattedyrene mot det kalde vannet.
4) Fordampning av vann krever varme og gir et varmetap fra objektet som mister vann ved transpirasjon, og blir derved nedkjølt. Vann har høy latent fordampningsvarme, det vil si at det trengs mye energi for å omdanne vann til vanndamp. Fordampningsvarmen går vesentlig med til å bryte hydrogenbindinger i vannet. Vann har også høy spesifikk varmekapasitet, det vil si den varmen som trengs for å heve temperaturen 1oC for en gitt masse.
Ifølge en av varmelovene kan energi verken skapes eller ødelegges, den kan bare skifte form og blir mindre og mindre tilgjengelig. Jorden mottar kortbølget solstråling som absorberes av objektene på jorda. Den absorberte energien blir sendt ut igjen, og en del av varmeenergien blir absorbert av drivhusgassene vanndamp, karbondioksid og metan m,fl. i atmosfæren. En klar vinternatt har lite vanndamp og skyer i atmosfæren og derav blir avkjølingen av jorda sterk og temperaturen synker kraftig, sammenlignet med en overskyet natt hvor vanndamp absorberer varmestrålingen fra jorda ut i verdensrommet.
Vinterstrategi
Organismene kan velge forskjellig strategi for å kunne overleve en kald vinter:
1) Dø, men etterlate seg overlevelsesorganer.
2) Flytte seg til varmere områder.
3) Forbli aktive.
4) Gå inn i hvile.
Organismene som forblir aktive ved lav temperatur må være frosttolerante ved at
1) De tåler at kroppsvæsken fryser
2) De hindrer kroppsvæsken i å fryse ved å produserer en "frostvæske" som senker frysepunktet.
3) Vann går til stedet i kroppen med lavest (mest negativt) vannpotensial. Vanndamptrykket over is er lavere enn vanndamptrykket over vann ved samme temperatur. Det betyr at hvis en organisme lager is i intercellularrommene mellom cellene så vil vann inn i cytoplasma bevege seg over til isen mellom cellene og på den måten unngå at det dannes iskrystaller inne i cellene. Samtidig skjer det frysepunktdepresjon i cytoplasma og vannet i cytoplasma kan bli underkjølt.
Tung tok stormen i gamle trær,
vinteren red over sletten;
ute stod bondens korn, og kulden
brøt det skjelvende ned.
Granen føk full. Men bjerken
ristede redd hver sneflokk av.
Alle de lave busker
bøyedes ned og frøs.
Fra Bjørnstjerne Bjørnson Arnljot Gelline
Deler av Teksten er hentet fra Hvordan overlever planter og dyr en kald vinter?
Litteratur
Wikipedia