Reinsdyr lever under tøffe kår på vinteren. På Svalbard og på vidder og fjell i Fastlands-Norge er det tidvis temperaturer ned mot 30 til 40 minusgrader. Det er lite mat å finne når snøen dekker landskapet, og vann får reinen bare i seg ved å tygge kald snø.

Hvordan klarer reinsdyrene seg når det er veldig kaldt?

Den tykke pelsen isolerer godt, men det er ikke hele forklaringen. Reinen overlever også ved å slippe ut minst mulig varme og vanndamp gjennom nesen.

Hva er det med Rudolfs nese?

Hvorfor Rudolf klarer seg godt i kaldt klima, har noe å gjøre med hvordan nesen er bygd.

Denne hypotesen interesserer doktorgradsstipendiat Elisa Magnanelli og hennes veiledere ved NTNU, professorene Signe Kjelstrup og Øivind Wilhelmsen. Sistnevnte er også forsker ved Sintef Energiforskning.

Deres fagområder er termodynamikk og varmeutveksling. Og nå ble du kanskje forvirret. Hvorfor er teknologer opptatt av dyrs pusteorgan? 

Reinsdyr på tredemølle

Magnanelli samarbeider tett med forskere ved UiT – Det arktiske universitet. De har studert reinsdyrets åndedrett mens det var i et klimakammer og gikk på tredemølle i forskningens tjeneste.

Målingene viser at reinen har en fantastisk evne til å forandre temperaturen på luften den puster inn. Om det er 40 minusgrader i luften, er temperaturen omtrent 38 grader pluss når luften når reinens lunger.

Reinens sinnrike nesestruktur klarer altså å endre luftens temperatur med utrolige 70 - 80 grader på mindre enn ett sekund. På utpust kjøles den varme pusten kjapt ned for å tape så lite kroppsvarme som mulig til omgivelsene.

I tillegg slipper reinsdyret ut minimalt med fuktighet når det puster ut. Noe som er superviktig når vann bare finnes som iskald snø.

• Les også: – Klimaendringer rammer reinsdyr på Svalbard

Enorm indre overflate

Den kraftige reinsdyrsnuten er bygget opp av brusk og bein, kjøttstruktur, slimhinner og mange blodkar.

Forskere ved UiT har gjort innvendige nesemål av snuten. En reinsdyrnese ble delt opp i skiver og CT-skannet. Slik skaffet forskerne seg tverrsnittsbilder av pusteorganet i hele sin lengde.

Bildene viser at nesen innvendig har en uvanlig og underlig struktur. Den ligner på en konkylie.

Også den indre overflaten ble målt og viste seg å være enorm. 

Måler vi den faktiske lengden på norskekysten, inkludert alle kroker og kriker, ser vi at kysten vår er enormt lang. Slik er det med reinsdyrnesens indre overflate også. En stor indre overflate betyr at det er mye plass for å utveksle varme og vanndamp mellom luften og neseveggen.

• Les også: Lyd og lukt bringer terroren tilbake

Hva er naturens oppskrift?

Rudolfs utrolige evne til å endre temperatur og holde styring på fuktigheten er et spennende tema for NTNU-forskerne med termodynamikk og varmeutveksling på fagmenyen.

Professor Signe Kjelstrup og hennes kolleger har lenge samlet kunnskap om egenskapene til energieffektive system. Hun begynte å spekulere på om naturen selv hadde slike egenskaper og tok kontakt med tromsøforsker Arnoldus Schytte Blix, som tipset henne om å se nærmere på reinsdyrene.

• Les også: Reinsdyr kan stoppes av juletrafikken

Matematisk reinsdyrnese

De bestemte seg for å lage en matematisk modell av reinsdyrnesen. Doktorgradsstipendiat Magnanelli ble satt på saken. Hun skaffet flere vitale mål fra andre forskningsmiljø, blant annet Tromsø.

Eksempler på slike mål er mengden luft som reinsdyret suger inn når den puster, hvor stor blodgjennomstrømning og hvilke temperaturer det er på ulike steder i nesen og vanninnholdet i reinens pust.

Målingene ble brukt for å utvikle og teste et spesialdesignet dataprogram av reinsdyrnesen.

Dataneser i laboratoriet

I tillegg til å lage en datasimulert reinsdyrnese laget forskerne en forenklet datanese som ikke hadde konkylieform, men lignet på et rør.

Denne ble brukt som sammenligning. Forsøk ble gjort og gjentatt i begge datanesene. Funnene overrasket forskerne.

Det ene funnet viser at Rudolfs nese fungerer etter et velkjent teoretisk prinsipp: konstant entropi-produksjon. Begrepet kan vippe enhver av pinnen, men heng med:

Når du går på skøyter på is, brukes noe av energien til å overvinne friksjonen som oppstår mellom isen og skøytene. Friksjonen genererer varme under skøytene, energi forbrukes. Dette er eksempel på termodynamikkens andre lov.

Ingen prosess er hundre prosent energieffektiv. Man har alltids noe friksjon, hvor energien forsvinner som varmetap til omgivelsene.

Hvis du lever på Svalbard eller på Røros-vidda er det viktig å miste minst mulig energi til omgivelsene. Dette har reinsdyret skjønt.

• Les også: Kunstig nese sniffer som en hund

Den geniale reinsdyrnesen

Magnanellis simuleringsforsøk, 1600 kilometer og 15 breddegrader unna reinens hjemlige trakter, viser at nesen fungerer etter prinsippet minst mulig energitap. Den geniale reinsdyrnesen sørger for at entropiproduksjonen hele tiden er konstant.

En konstant fordeling betyr at dyret totalt sett mister minst mulig energi når det puster. Reinsdyrnesen følger omtrent den matematiske ligningen ”konstant entropi-produksjon”.

For å forklare hvorfor dette er så gunstig kan vi ta en ekstra titt på skøyte-eksemplet: For å bruke minst mulig energi på å komme seg rundt en skøytebane, er det best å ha jevn fart. Slik er det også med reinsdyrnesen.

Den er utformet slik at den har en jevn entropiproduksjon.

Jo kaldere, jo mer effektiv nese

Det andre funnet som overrasket forskerne, er at jo kaldere luften er, jo mer energieffektiv er nesen sammenlignet med en nese uten konkylieform. Ved 30 minusgrader fungerer reinsdyrnesens konkylieform enda bedre enn ved 10 minusgrader.

Med den matematiske nesemodellen og funnet av tilnærmet konstant entropi-produksjon kan NTNU-teknologene nå forklare hvordan reinsdyrets nese fungerer: Den kalde luften som suges inn gjennom neseborene, passerer den store innvendige overflaten.

Den består av slimhinner med slim og snørr, som ligger utenpå nesens kjøttstruktur med mange små blodårer. Det er det varme blodet som kjapt og kontinuerlig varmer opp slimet, som igjen varmer opp luften på innpust.

Vannet eller fuktigheten fra lungene må reinen spare på for å slippe å spise snø. Og her er nok et genialt trekk fra naturens side: Vinterluften er kald og tørr. For at den oppvarmede luften ikke skal være for tørr når den når lungene, så avgis litt fuktighet fra slimhinnene til luften som reinen puster inn.

Når lufta skal ut igjen, innkasserer slimhinnene fuktigheten, så reinen puster ut tørr og delvis nedkjølt luft.

• Les også: Fire gener for neseform funnet

Kan brukes i samfunnet

Det er mange grunner til at forskere og teknologer er så ivrige på å forstå reinens magiske nese. Reinsdyrnesen fungerer som en utmerket varme- og damputveksler på grunn av konkylieformen.

Derfor skal vi ikke se bort fra at denne nyervervede kunnskapen fra NTNU en dag kan komme til nytte når industridesignere skal lage ventilasjonsanlegg for hus og hytter i ekstremt kalde strøk.

Den nye kunnskapen kan også bli et viktig bidrag når tiden er inne for å lage nullutslippshus i de arktiske strøk.

Dette hadde vel vært noe for julenissens verksted på Nordpolen.

Referanse:

Elisa Magnanelli m. fl.: The Nasal Geometry of the Reindeer Gives Energy-Efficient Respiration. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics 2016 Doi: 10.1515/jnet-2016-0038, 2016 Sammendrag.