小時候經常做的應用題的情境：一個水池一邊注水一邊放水.不記得從什麼時候開始，這樣的題目成了挖苦教育的笑話。然而這真的只是個笑話這麼簡單麼？網上有這樣的段子，「一邊充電一邊玩手機」「一邊熬夜一邊喝枸杞」「一邊吃宵夜一邊去舉鐵」最終我們都活成了當年嘲笑過的泳池管理員。
其實，水池一邊注水一邊放水的問題是一個理解很多現實生活問題以及科學問題的原型。生活中的收支管理、身材管理都可以用這個模型來解釋，在科學上它是理解穩態（負反饋調節）和平衡的關鍵，在高中生物第三冊《穩態與環境》中有著很廣泛的用途。
水池可以看做一個系統，往水池裡注水可以看做對系統的輸入，水池往外排水可以看做系統向外輸出，當注水與放水相等時，系統內是平衡的，當注水比放水更多或更快時，「水位」會上升，反之則會下降，我們據此可以分析系統維持平衡狀態的條件或者系統內的動態變化。以體溫調節為例，人體體溫之所以維持相對的穩定，是因為產熱與散熱的平衡。產熱相當於注水，散熱相當於放水，體溫相當於池中的水位。體溫的變化取決於「注水」和「放水」的相對關係，如果產熱大於散熱，體溫就會升高，反之體溫會降低。身體中所有為體溫恆定做出的努力都可以歸結為「注水」和「放水」兩個方面，骨骼肌顫慄、腎上腺素和甲狀腺激素分泌等反應是產熱的途徑，也就是「注水」，血液流經毛細血管、汗腺分泌汗液是散熱的途徑，也就是「放水」，遠古時代人類的祖先還像其他動物一樣毛茸茸的時候，立毛肌收縮可以讓毛髮變得蓬鬆，在皮膚和外界空氣之間形成一個空氣保溫層，起到減少散熱的作用。應對寒冷時，體表與環境的溫差增大，散熱會增加，相當於「放水」更快了，身體的反應是增加「注水」（即產熱）儘量減少「放水」（即散熱）來維持平衡。應對炎熱時，人體通過熱輻射向外散出的熱量會減少，人體做出的調節的努力是通過增加散熱，減少產熱，炎熱的夏天人會出很多汗，儘可能伸展身體增大與外界的接觸面積，同時不想活動，但要注意的是，基礎代謝產生的熱量無法顯著降低，另外過分炎熱可能會引起應激反應增加腎上腺素這樣的增加產熱的激素的分泌促使人擺脫不良環境。如果環境溫度超過體溫，人體無法通過熱輻射散熱反而會吸收環境輻射的熱量，這個時候唯一有效的散熱方式就是出汗。即將發燒時，為了應對病原體的入侵，需要升高體溫，身體的反應其實是應對寒冷的反應，感覺一陣一陣冷，起雞皮疙瘩（立毛肌收縮），發抖，身體想抱縮一團，這些其實是在增加產熱減少散熱，如果氣溫明明不低出現上述的症狀要特別警惕，大概率是要發燒了。以前經常拿這樣的案例來逗學生，一個人發燒到體溫39度一天一夜，這段時間裡他的產熱和散熱是什麼關係？大部分學生會不假思索地認為發燒應該是產熱大於散熱，但卻忽略了維持39度的發燒也是體溫恆定。直覺不一定總是對的，科學教育的任務之一是教人使用理性。
同樣的思路我們可以用來理解水鹽平衡調節、血糖平衡調節等調節過程。我們也可以以水池為原型分析動態變化，如分析種群數量變化時，也是從「注水」和「放水」兩個方面考慮的，「注水」的途徑有遷入和出生，「放水」的途徑有遷出和死亡。在封閉的體系內，不考慮遷入和遷出的話，決定種群數量或種群密度的只有出生和死亡，增長率=出生率—死亡率，分析種群數量隨時間變化的S型或J型等曲線時，種群數量增長意味著出生率大於死亡率（不考慮遷入和遷出），種群數量穩定不變意味著出生率等於死亡率。
趙高崗
2021年2月13日
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