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

Чтобы понять, что такое активность и температура тела в зимнем мире, нужно знать хотя бы основные физические свойства воды, а также такие понятия и термины, как понижение точки замерзания, антифриз, ядра кристаллизации, температурный гистерезис и переохлаждение – они еще всплывут в книге позже. Обычно вода замерзает и тает при одной и той же температуре. Всем известно, что переход между твердым и жидким состоянием у чистой воды происходит в точке, которая определена как 0 °C. Растворенные в воде вещества предсказуемым образом понижают точку замерзания: например, если добавить один моль любого вещества (моль – это определенное число молекул) на литр чистой воды, точка замерзания/таяния понизится на 1,86 °C. Многие механизмы приспособления животных к низким температурам зимнего мира связаны с «хитростями», которые позволяют изменить предполагаемую точку замерзания с помощью других физических явлений, влияющих на замерзание и таяние воды. Функция молярной концентрации растворенных в воде веществ не всегда строго задает понижение точки замерзания и таяния. Некоторые особые вещества, которые называются антифризами, взаимодействуют с молекулами воды и понижают точку замерзания сильнее , чем можно было бы ожидать в силу самой по себе концентрации вещества. Иногда животные (особенно насекомые) используют еще более важное явление, при котором точка замерзания и точка таяния разделяются . Эта аномалия называется температурным гистерезисом. Если вода (независимо от того, чистая ли она или содержит растворенные вещества, будь то антифризы или другие) находится в жидком состоянии при температуре ниже предполагаемой точки замерзания (то есть при тепловом гистерезисе), это называется переохлаждением . Обычно кристаллы льда образуются на какой-нибудь молекуле и вокруг нее или на другом кристалле льда, так что переохлаждение жидкости возможно, только если нет так называемых ядер кристаллизации, вокруг которых могли бы расти кристаллы. Если в переохлажденную жидкость попадает ядро кристаллизации – например единичный кристалл льда или частичка пыли, – жидкость «мгновенно» превращается в лед. Переохлажденная жидкость находится в физически нестабильном состоянии и может замерзнуть в любой момент.

В применении к зимующим насекомым иногда используют еще один (неисключительный) термин – «диапауза», однако, согласно более строгому определению, он означает остановку процессов развития. Во время гибернации процессы развития останавливаются у всех насекомых (отчасти потому, что низкая температура, а то и заморозка тормозит или останавливает в организме биохимические процессы, если только в действие не вступают особые механизмы, призванные обойти холод), но назвать это диапаузой в строгом смысле можно, только если развитие животного не возобновляется в ответ на потепление. У многих (но никак не всех) мотыльков развитие приостанавливается на стадии куколки в конце лета и осенью, когда еще тепло, а затем они в виде куколки в состоянии диапаузы переживают зиму. У других в зависимости от вида гибернация протекает на стадии яйца, гусеницы или взрослой особи. Чтобы приостановилось развитие организма, нужны специальные приспособления, которые в совокупности с другими свойствами животного помогают ему противостоять холоду во время зимовки. Диапауза также встречается отдельно от гибернации. Так, некоторые взрослые насекомые летом входят в репродуктивную диапаузу на время миграции или пока ищут растение-хозяина.

Путаницы в терминологии, связанной с зимней спячкой, можно было бы избежать, определяя гибернацию не через температуру тела или еще какое-то конкретное явление в физиологии или поведении определенного вида, а с позиций функции этого явления, связанной с приспосабливанием. У большинства животных зимняя и/или летняя спячка – это сезонные периоды адаптационного оцепенения, благодаря которым животное может пережить регулярно наступающий голод. Холод, жара и засушливость сезонный голод усугубляют, а гибернация помогает побороть его путем развития различных механизмов приспосабливания [5] В русской терминологии слово «спячка» все же означает состояние сниженного метаболизма и значительного замедления всех жизненных процессов, поэтому о медведях говорят, что они погружаются в зимний сон, так как их температура тела при этом практически не снижается. В главе 21 автор еще раз дает комментарий на эту тему, но в других местах в применении к медведям мы будем использовать термин «зимний сон». .

Еще лучше было бы, если бы мы осознали, что всё более точные и ограничивающие определения не делают более точными наши представления ни об одном животном. Животный мир динамичен. Каждый вид выбирает что-то в пределах обширного континуума, который включает в себя почти все, что только можно измерить или вообразить. В зависимости от обстоятельств разные термины применимы к разным животным в разной степени, но в конечном счете вид, а часто и особь, вырабатывает собственное решение для конкретной ситуации и конкретных обстоятельств. Понимание приходит не столько когда мы лепим из явлений категории и даем им определения, сколько когда выделяем специфику в рамках обобщенных свойств. Такие обобщения нередко фиксируют в виде правил или законов, которые по большому счету оказываются статистически выведенными искусственными конструкциями для описания чего-либо. Но животные не подчиняются правилам и не слишком охотно позволяют раскладывать себя по удобным придуманным ячейкам. «Правило» – это не более чем постоянство реакции, которая, как мы считаем, развилась у животного, потому что служит его интересам. Правило – это совокупность решений, принятых отдельными особями. Это результат. В природе всегда остается место хаосу – и творчеству.

Микроскопические живые организмы возникли около 3,5 млрд лет назад, в докембрийский период, – в истории жизни это была первая и самая длинная глава, охватывающая около 90 % всего геологического времени. Какой была Земля, когда появились микроорганизмы, неизвестно, но мы знаем, что в какой-то момент здесь было жарко, как в аду, а в атмосфере не было кислорода. Древние микроорганизмы, вероятно, синезеленые водоросли или организмы, подобные бактериям, изобрели фотосинтез, чтобы получать энергию из солнечного света. В качестве пищи они извлекали из воздуха углекислый газ, а в качестве отходов выделяли кислород, который в дальнейшем изменил атмосферу и, как следствие, климат. Они разработали ДНК для хранения информации, придумали половое размножение, обеспечившее изменчивость для естественного отбора, – и вот стартовала эволюция, ход которой нескончаем и часто непредсказуем.