Берндт Хайнрих - Зима: Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года

У тучности есть одно преимущество: она позволяет животному оставаться в безопасности, когда оно неактивно в своем убежище. В остальном тучное животное – гораздо более привлекательное лакомство для хищников, а его скорость и проворность снижаются. Чтобы проводить в этом состоянии поменьше времени , сурку нужно располнеть как можно быстрее и сильнее. Для успеха предприятия он начинает накапливать жир лишь в самом конце лета. Таким образом, ему нужно не только знать, чем питаться, но и сверяться с календарем, чтобы понять, когда пора начать есть, как в последний раз. Следовательно, как и золотистому суслику, годичный цикл сурку необходим, чтобы пережить зиму.

Теперь обратимся к арктическому суслику ( Spermophilus parryii ), чтобы рассказать одну из самых удивительных историй, связанных со спячкой и выживанием зимой у млекопитающих. Арктический суслик – представитель наземных беличьих, золотисто-серый с мелкими белыми пятнышками, по размеру крупнее бурундука, но меньше сурка. Это самое северное млекопитающее во всей канадской и сибирской тундре, для которого характерна спячка. В течение восьми месяцев зверек лежит, свернувшись комочком, в вечномерзлом грунте вблизи от слоя льда и поддерживает температуру тела на уровне точки замерзания воды и ниже. Брайан Барнс и его коллеги в Аляскинском университете в Фэрбенксе много лет пытались выяснить, как выживают эти животные. Ученые проводили полевые исследования на биостанции на озере Тоолик у подножий хребта Брукс-Рейндж, а также на огороженных участках и в лаборатории в Фэрбенксе.

Как и другие виды наземных беличьих, на время спячки арктические суслики роют норы и строят подземные гнезда. Но поскольку они обитают в зоне вечной мерзлоты, то не могут закопаться достаточно глубоко, чтобы избежать отрицательных температур зимой. Вместо этого они роют почву в конце лета и осенью, когда начинает холодать. Температура окружающей среды падает всю осень и зиму, и ученые, постоянно регистрируя температуру тела животных с помощью радиопередатчиков, установили, что во время оцепенения тела сусликов охлаждаются одновременно с почвой. Примечательно, однако, что температура в норке продолжает падать и к декабрю достигает –15 °C, а температура тела арктического суслика до этого значения не опускается. Она стабилизируется где-то между –2 °C и –2,9 °C. Таким образом, с этого момента температура тела оцепенелого животного уже не изменяется пассивно, а регулируется. Она поддерживается на уровне 8–9° ниже, чем у зимующего бурундука в спячке, но на 12–13° выше температуры почвы. Ни для какого животного ранее не удавалось показать, чтобы оно поддерживало температуру тела около 0 °C, не говоря уже о двух и более градусах ниже точки замерзания воды. Более того, при температуре тела целых –2,9 °C арктические суслики не заледеневают. Барнс заинтересовался, нет ли в их крови криопротектора. Чтобы выяснить это, он взял у суслика в спячке плазму крови и в лаборатории определил точку ее замерзания. Кровь замерзала примерно около –0,6 °C. Следовательно, веществ, снижающих температуру замерзания, в ней не было . Эти результаты только усугубили загадку: почему в лаборатории кровь замерзает, а в теле животного нет? Пока эта тайна не раскрыта, но наилучшая гипотеза состоит в том, что суслики прибегают к переохлаждению.

Чистая вода замерзает при 0 °C. Если добавить один моль вещества на литр воды, точка замерзания понизится на –1,86 °C. Для чистой воды и растворов известной концентрации можно точно предсказать точку замерзания (и таяния), но иногда температуру можно опустить ниже предсказанной точки замерзания, так чтобы кристаллы льда не образовались. Такие растворы называют переохлажденными. Переохлаждение происходит, когда нет «ядер кристаллизации» – мест, где начинают расти кристаллы льда. Лучшие ядра кристаллизации – это другие кристаллы льда. Таким образом, если добавить один кристалл, например снежинку, в сосуд с чистой жидкой водой, переохлажденной до –10 °C, весь сосуд мгновенно затвердеет и превратится в кусок льда. При этом лед не растает, пока его не разогреют до 0 °C. Эта разница между точкой замерзания и таяния (или температурный гистерезис) – определяющая характеристика переохлаждения. Переохлажденная жидкость нестабильна: она может внезапно превратиться в лед при малейшем стимуле извне. Для этого ее достаточно слегка помешать. Чем больше тепловой гистерезис, тем больше вероятность, что жидкость застынет, и тем быстрее образец «схватывает» льдом, причем в этом процессе выделяется поддающаяся измерению порция тепла, поскольку освобождается энергия движения молекул жидкости, когда те занимают места в кристаллической решетке.

Арктический суслик довольно сильно рискует, поскольку в его крови нет «антифриза» и та, по-видимому, переохлаждается на целых 1–2 °C. Один-единственный кристаллик льда в жидкости принесет верную смерть. Почему животные идут на это? Почему не удерживают температуру тела на 1–2 °C выше, ведь это позволило бы избежать переохлаждения и обезопасить себя от участи погибнуть, обратившись в лед? Барнс считает, что здесь риски перевешивает выгода, связанная с экономией энергии: переохлаждение до –2 °C позволяет животному сэкономить в десять раз больше энергии, чем оно потратило бы на поддержание температуры тела на уровне 0 °C (Barnes, 1989). У суслика также есть механизм, который позволяет снизить связанный с переохлаждением риск. Обычно замерзать животное начинает с самой холодной точки, например пальчика. Барнс создавал ядра кристаллизации (инициировал процесс заморозки) в пальцах суслика и обнаружил, что в этом случае животное получает сигнал тревоги и разогревается быстрее, чем лед может распространиться по телу.

Другое замечательное открытие Барнса состояло в том, что суслик может спонтанно пробудиться и периодически это делает, разогреваясь с температуры ниже 0 °C до самых 37 °C, характерных для него в активный период. Многие другие животные способны пережить охлаждение до 0 °C и ниже, но ни одно из них после этого не может спонтанно пробудиться, пока его искусственно не разогреют при гораздо более высокой температуре воздуха (и до более высокой температуры тела), так чтобы стала возможна реакция дрожи.

Низкую температуру тела арктического суслика можно объяснить экономией энергии, но при этом животное не скупясь тратит ее, согреваясь с отрицательных температур до 37 °C около дюжины раз на протяжении всего периода зимней спячки, что никак не согласуется со стратегией энергосбережения как такового. При каждом пробуждении суслики проводили около одного дня полностью разогретыми, и еще день им был нужен, чтобы снова охладиться. По подсчетам, на периодические разогревы за весь период спячки они тратили около половины накопленных летом запасов жира. Зачем это нужно? Ранее ученые показали, что такое поведение характерно не только для арктического суслика. На самом деле каждое зимоспящее млекопитающее в период зимнего оцепенения неизбежно вынуждено периодически возвращаться к нормальной температуре тела [24]. И это тем более любопытно, учитывая, что разогреваться на денек или около того с энергетической точки зрения очень затратно. Животные должны получать взамен что-то очень ценное. Тут пришло время для четвертого замечательного открытия Барнса и его коллег. Хотя это еще не доказано, их гипотеза состоит в том, что животные разогреваются, чтобы поспать!