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

Вода подо льдом – идеальная среда, если животное может в ней дышать. Здесь оно надежно защищено от замерзания, сюда не могут проникнуть многие хищники. Люди веками думали, что подо льдом зимуют птицы. В далеком прошлом биология птиц и эволюционные ограничения были изучены мало, так что наблюдателям вполне могло казаться логичным, что ласточки, осенью скользящие над водной поверхностью, проводят зиму в иле замерзшего водоема – ведь взрослые лягушки, саламандры и бессчетное количество насекомых весной выбираются из воды, а затем улетают прочь и часто живут вдали от нее. Конечно, птицы не впадают в спячку в иле, и не потому, что на пути эволюционного развития такой способности стоит какой-то непреодолимый физический барьер. Скорее всего, основная проблема – это инертность эволюции. Нельзя просто переделать реактивный самолет в винтовой и наоборот, но каждый из них можно в некоторой степени усовершенствовать. Как и за взрослыми формами дышащих воздухом насекомых, за птицами закреплено дыхание воздухом. Нельзя просто сделать что-то, чтобы они стали дышать водой. А черепахи?

Некоторые виды современных черепах уже стали водными, то есть в результате эволюции оказались склонны или приспособлены к жизни в воде. Черепах и сегодня можно назвать лучшими ныряльщиками в мире, а зимняя спячка подо льдом – это затяжной нырок, который может занимать больше шести месяцев в году. Его длительность зависит от вида животных и от физических свойств конкретного места, которое они выбирают для зимовки.

Гордон Ультш и его коллеги провели исследование (Ultsch et al., 2000), где к географическим черепахам ( Graptemys geographica ) присоединяли поисковые метки, испускавшие радиосигнал. Оказалось, что черепахи распределились не меньше чем на 12 километров вверх и вниз по реке Ламойл и в озере Шамплейн. Осенью, когда температура воды быстро падает от 22 °C в августе до 11 °C в сентябре и до 2 °C в ноябре, черепахи собираются в одном и том же месте примерно на 3 километра выше устья реки. Это место общественного зимовья географической черепахи (которым также пользовались колючие триониксы, Apalone spinifera ) биологи исследовали с помощью водолазного оборудования. Они увидели, что черепахи лежат стопками друг на друге в большом углублении с незначительным течением. Черепахи остаются в одном и том же месте с ноября до конца марта. Когда лед тает и вода нагревается от 0,1 до 12 °C, черепахи снова покидают это место и на лето возвращаются в озеро Шамплейн (Graham et al., 2000).

Когда в декабре река Ламойл покрывается льдом, черепахи около пяти месяцев не могут всплыть, чтобы вдохнуть воздуха. Испытывают ли они стресс, связанный с погружением? Исследуя этих черепах (Crocker et al., 2000), биологи в течение зимы ежемесячно возвращались на место их общественного зимовья. Карлос Крокер (из благоуханной Алабамы) пропилил бензопилой дыру во льду, нырнул, взял черепах и собрал данные об окружающей их среде, такие как температура воды и содержание растворенного кислорода. Он взял у черепах кровь, чтобы определить ее кислотность и содержание в ней лактата, кислорода и углекислого газа. Из полученных данных ученые заключили, что эти крупные черепахи с толстым панцирем всю зиму остаются аэробами (дышат кислородом), хотя и не могут дышать легкими. У них не развивается ацидоз, который возникает при анаэробном метаболизме, и при погружении они не испытывают видимого стресса, потому что небольшая потребность их обмена веществ в кислороде удовлетворена, хотя они месяцами не вдыхают атмосферный воздух. Потребность в кислороде у черепах низкая как из-за физической вялости, так и из-за того, что низкая температура тела ведет к снижению метаболизма в состоянии покоя. Как черепахам удается получать хоть сколько-то кислорода, неясно. Однако во время гибернации они лежат на дне реки, полностью вытянув головы и лапы – возможно, чтобы поверхность кожи максимально контактировала с водой и можно было всасывать растворенный в ней кислород.

Физиология подводной гибернации у черепах наиболее изучена на расписной черепахе, Chrysemys picta (Ultsch et al., 1999). Как и другие исследованные водяные черепахи, этот вид не проявлял признаков стресса в искусственных условиях подводной спячки в лаборатории при 3 °C в обычной, то есть ненасыщенной воздухом воде. Иными словами, у черепах сравнительно мало повышается содержание молочной кислоты и не меняется количество глюкозы в крови. Это говорит о том, что им также достаточно газообмена, который происходит через кожу, – по крайней мере, так было бы, если бы они лежали примерно при 3 °C на дне водоема. Однако обычно эти черепахи проводят спячку, закопавшись в ил, где кислорода почти нет, так что, очевидно, они лишают себя возможности дышать даже через кожу.

Чтобы понять, как расписные черепахи реагируют на нехватку кислорода, исследователи (Ultsch et al., 1999) поместили их в лаборатории в воду, через которую пропустили азот, чтобы выместить весь растворенный кислород. Тогда черепахи, почти полностью лишенные кислорода, продержались при температуре 3 °C «всего» около четырех месяцев. Содержание молочной кислоты у них в крови на протяжении всего времени погружения постепенно росло. Показатель pH понизился от слабоосновного, 8,0, до почти смертельных 7,1. Закисление крови (до почти нейтрального pH) отчасти компенсировал рост концентрации положительно заряженных ионов (магния, кальция и калия), которые участвуют в буферных системах, регулирующих кислотно-щелочной баланс.

У представителей южных популяций расписной черепахи показатель pH крови достиг почти смертельного уровня всего за 30 дней, а у западных черепах на это ушло в четыре-пять раз больше времени. Восточные популяции оказались где-то посередине. Итак, подводная гибернация отличается от обычного нырка, и разные популяции черепах данного вида приспособились к тому, чтобы выдерживать определенную силу стресса, с которым они сталкиваются во время зимовки в естественной среде.

Как уже было сказано, географические черепахи проводят зиму в углублениях на дне реки, где поток теплой воды из речного бассейна в свое время точно сообщит им о приходе весны. Населяющие маленькие водоемы расписные и каймановые черепахи, напротив, зимуют в иле в мелких стоячих водах близко от берега (Ultsch, Lee, 1983), хотя находиться в этой почти лишенной кислорода среде нелегко. Ультш и его сотрудники (Ultsch et al., 1985) предположили, что эти виды черепах выбирают для зимовки мелкие стоячие воды в силу какого-то еще неизвестного преимущества данной среды. Может быть, такая вода весной быстро прогревается и сообщает животным, что пора всплывать, позволяя сократить время гибернации. На севере черепахи за сравнительно короткий сезон должны восполнить потери энергии, спариться, вырасти, отложить яйца так, чтобы те могли вызреть. Однако у гибернации на мелководье, которая позволяет пораньше вернуться к делам весной, есть большой недостаток: сюда могут проникнуть хищники, например еноты. Вероятно, черепахи выбирают физиологически более тяжелый способ проводить зиму в лишенном кислорода иле, потому что это помогает уберечься от хищников, особенно осенью и в начале весны, когда рептилии неповоротливы.