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

Распушив свой желтовато-оливковый наряд, королек размером с колибри становится похож на курчавый мячик. Физика нагрева и остывания такова, что мелкие объекты быстро охлаждаются, потому что каждая их точка находится близко к поверхности, где теряется тепло. Чем меньше животное, тем пропорционально больше площадь поверхности тела, через которую происходит утечка тепла. Как крошечным птицам удается прожить хотя бы пять минут зимнего дня? Я знаю, что они здесь.

В какое бы утро я ни вышел, стоит около часа поискать в лесу, и рядом раздается тоненькое «циис» королька. Я чувствую восторг, и даже после сотни раз, когда я исследовал лес в холодный день, меня неизменно поражает, что такому маленькому и зависимому от тепла существу удается выжить. Зов птиц сообщает, что они пережили еще одну ночь, и в конце концов приходится верить глазам и ушам, а не доводам разума.

Золотоголовый королек, как и человек, относится к так называемым теплокровным животным. Для нас задача на выживание зимой выглядит похоже: нужно постараться не замерзнуть и сохранить достаточно энергии после того, как необходимое ее количество уйдет на обогрев. Но королек находится в гораздо более жестких условиях, потому что чем больше разница температур тела и воздуха, тем больше энергии приходится тратить, чтобы сохранять тепло. Кроме того, чем меньше животное, тем выше расход энергии на единицу массы.

Хорошая теплоизоляция позволяет снизить энергетические потери, но маленькое существо может носить на себе лишь ограниченное количество утепляющего материала. Крупные млекопитающие, такие как овцебык, волк и песец, одеваются в густую зимнюю шерсть, которая обеспечивает теплоизоляцию настолько хорошо, что им не приходится дрожать в самые холодные ночи. Американский беляк и красная белка зимой тоже покрываются более густой шерстью, хотя их одеяние скромнее (у тех же, кто проводит время в спячке под землей, сезонной смены меха нет). У еще более мелких животных зимой теплоизоляция обычно не становится более надежной.

Когда нужно изменить качество теплоизоляции, птицы чаще всего не меняют оперение, а иначе его используют. Чтобы сохранять тепло, они распушают перья, увеличивая теплоизолирующий слой воздуха вокруг тела. Лапы остаются холодными, в них поддерживается температура чуть выше нуля (человеку удается сохранять ноги теплыми высокой ценой). Во сне королек усиливает теплоизоляцию, засунув головку и лапки в слой перьев толщиной 2,5 сантиметра, который позволяет сохранять колоссальную разницу между температурой тела и температурой окружающего воздуха – до 78 °C.

Чтобы выяснить, как быстро теряет тепло полностью оперенный королек, я в порядке эксперимента разогрел мертвую птицу и измерил, с какой скоростью она остывает. При неподвижном воздухе температура разогретой птицы падала со скоростью 0,037 °C в минуту на каждый градус разницы между температурой тела и воздуха. Таким образом, учитывая, что при температуре воздуха –34 °C у активного королька с нормальной температурой 44 °C разница температур воздуха и тела стабильно составляет 78 °C, пассивная скорость охлаждения составит 78 × 0,037 °C/ мин = 2,89 °C/мин. Можно вычислить, сколько тепла вырабатывает живая птица, чтобы противостоять такому охлаждению, умножив скорость охлаждения на вес тела и его удельную теплоемкость (равную 0,8 кал/г/°C). Расчет показал, что корольку (с перьями) приходится тратить не менее 13 калорий в минуту, чтобы не замерзнуть при –34 °C. Эта оценка занижена, потому что активная птица в обычных условиях подвергается действию движущегося воздуха, то есть ветра, что намного увеличивает скорость потери тепла. С учетом приведенных здесь данных я смог выяснить, какую роль играет в теплоизоляции оперение королька – сколько энергии оно позволяет сохранить птице.

Я измерил скорость остывания ощипанного королька. Голая птица остывала на 250 % быстрее птицы с полным оперением. Иными словами, голая птица ощущала бы холод в 2–3 раза сильнее, чем оперенная. К тому же из-за маленьких размеров королек остывал бы в 60 раз быстрее, чем голая свинья весом 68 килограммов. (Как-то раз меня попросили свидетельствовать в деле об убийстве, где голого человека нашли замерзшим насмерть, и сообщить, сколько времени жертва могла быть мертва. Не желая ставить эксперимент на человеческом теле, я нашел подходящую замену. Я купил только что убитую, еще теплую свинью, обрил ее и охладил, чтобы получить соответствующие данные. Пожалуй, неудивительно, что, после того как я, сторонник эмпирического подхода, ознакомил адвоката с полученными результатами и выводами, в суд меня не пригласили.)

Из-за того что зимой корольки постоянно распушают перья, птицы кажутся очень пухлыми. Но ощипанная птица похожа на розовую вишенку на тонких ножках. Ощипанная самка, которую я исследовал, весила 5,43 грамма и дала 0,403 грамма перьев с тела и 0,095 грамма с хвоста и крыльев. Выходит, теплоизолирующие перья у нее весили в четыре раза больше, чем предназначенные для полета.

В то время голым я весил 70 килограммов. Полностью одевшись (в легкую синтетическую куртку и ботинки марки L. L. Bean), я получил 75 килограммов. Из них 2,5 килограмма весили только ботинки. Птица для изоляции увеличила вес тела на 7,4 %, то есть примерно вдвое больше, чем я. Но при этом больше половины (55 %) из 5 килограммов моей теплоизоляции предназначалось для ног. Королек же вообще не обеспечивает теплоизоляцию лап.

Золотоголовый королек

Мой маленький ощипанный королек был похож на динозавра в миниатюре. Это не случайно: уже давно отмечается близость между некоторыми динозаврами и птицами. А вот температуру тела у них сравнить было бы сложнее, тем более что температура, к сожалению, уже долгое время считается отличительным признаком птиц по сравнению с рептилиями. Все больше ученых соглашается с тем, что птицы в эволюции произошли от древних рептилий, и, соответственно, в кругах эволюционистов считается логичным, что и способность птиц поддерживать определенную температуру тела – тоже новое качество более высокоразвитого существа. Я с этим не согласен. Способность поддерживать высокую температуру тела у предположительно более высокоразвитых теплокровных позвоночных – не новое свойство. Оно обычно для всех крупных летающих насекомых – древних животных, появившихся еще до динозавров. Последние исследования насекомых показывают, что способ поддерживать высокую температуру тела с помощью внутреннего тепла, полученного путем дрожи, и сохранять ее посредством теплоизоляции не так нов, как обычно принято было считать. По самым скромным оценкам, с учетом их размеров и способности летать некоторые стрекозы или подобные им насекомые были эндотермными – то есть были способны вырабатывать и сохранять тепло – не менее 300 млн лет назад. В настоящее время многие другие насекомые самых разных таксонов тоже регулируют температуру тела, вырабатывая внутреннее тепло, используя теплоизоляцию, механизмы сохранения и потери тепла с помощью противотока и разделения тока гемолимфы [26], охлаждаясь путем испарения, греясь на солнце и чередуя виды деятельности. Есть и насекомые, которые вообще никак не регулируют температуру. Это весьма тривиальным образом зависит от размеров тела и образа жизни. Итак, отсюда следует, что терморегуляция в эволюции может меняться без оглядки на древних предков как таковых, чтобы животное приспособилось к конкретным условиям. По насекомым также понятно, что у мелких животных эндотермия (процесс, в котором выработанное в теле тепло сохраняется, чтобы поддерживать температуру) связана с теплоизоляцией. У многих пчел и некоторых других насекомых теплоизоляцию обеспечивают волосоподобные выросты. У мотыльков вместо этого используется толстый ворс из видоизмененных чешуек, а у стрекоз тело окружает слой воздухоносных мешочков. У млекопитающих есть мех, а у птиц конечно же то, что мы называем перьями – образования, в которых кроется ключ к регуляции температуры тела и соответствующему образу жизни птицы. Но, естественно, перья имеют особое значение, потому что часть из них служит еще одной, совершенно другой функции, обеспечивая птицам допуск к полетам.