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

Молекулярная дактилоскопия предполагает, что сегодня все живое на Земле происходит от одного и того же предка, сходного с бактериями. Этот предок в конце концов породил три основные существующие сегодня ветви живого – архей, бактерий и эукариот (эукариоты – это организмы, клетки которых содержат ядро, в том числе простейшие, водоросли и другие растения, грибы и животные).

Остатки первых бескислородных живых организмов древности, вероятно, дошли до нас слабо изменившимися. Считается, что это потребляющие серу бактерии, которые сегодня живут лишь в немногочисленных оставшихся местах с древними условиями обитания, для человека невыносимыми. В число таких сред обитания входят горячие источники и глубоководные термальные выходы, где с океанского дна поднимается вода температуры 300 °C (она остается жидкой и не превращается в пар, потому что на глубине около 3600 метров находится под большим давлением). Один из видов, проживающих на краю таких горячих водяных скважин, – это Pyrolobus fumarii, этот представитель архей активен при температуре от 90 °C и выдерживает температуру 113 °C. По мере того как Земля остывала, появились новые среды обитания, и от этих или похожих видов произошли новые одноклеточные, а затем и многоклеточные организмы, которые стали заселять появляющиеся более прохладные места.

Много позже некоторые клетки покинули среду обитания своих предков другим способом: они проникли в другие клетки, обнаружили, что условия здесь благоприятны для выживания, и приспособились к ним. В конце концов у таких исходно паразитических организмов с хозяевами установились отношения сотрудничества, или симбиоза. В итоге эти связи оказались взаимовыгодными, а судьбоносной среди них, пожалуй, оказалась та, в рамках которой некоторые докембрийские зеленые водоросли стали успешно расти внутри других клеток и в результате превратились в хлоропласты, а их хозяева – в зеленые растения .

Способность захватывать солнечную энергию породила многоклеточные организмы и то поразительное разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня в живой природе. Вслед за тем, как развилась эта способность, а может быть, одновременно на клеточном уровне произошло еще одно вторжение, из паразитического ставшее взаимовыгодным симбиотическим [6] В европейской и американской литературе паразитизм противопоставляется симбиозу. В авторитетной российской экологической литературе (например, см.: Н. П. Наумов . Экология животных, 1963) доминирует концепция, в которой паразитизм является одной из форм симбиотических взаимоотношений (сожительства), а также известны другие формы симбиоза – мутуализм (тесное взаимовыгодное сотрудничество), синойкия (квартирантство) и комменсализм (нахлебничество). – Прим. науч. ред. . Благодаря растениям появился кислород, затем образовались бактерии, поглощающие кислород и энергию, и некоторые из них, поселившись внутри других клеток, превратились в митохондрии, а их хозяева стали животными. Митохондрия в клетке – это источник сил и аппарат энергоснабжения, который при наличии доступа к кислороду позволяет клетке расходовать гораздо больше энергии. В результате стала возможна эволюция многоклеточных животных. Одно из ярчайших проявлений высокого энергетического уровня, на котором существуют живые организмы за счет работы митохондрий, – это конечно же такие животные, как корольки, способные на протяжении всей северной зимы постоянно функционировать на оборотах, для нас практически невообразимых.

Митохондриальный очаг метаболизма можно раздуть, если доступно много кислорода, а можно приглушить. Жизнь – это процесс, который использует порожденную метаболизмом энергию, а главное, контролирует ее поток. Метаболизм, подобно огню, дает тепло, а тепло часто равнозначно жизни.

Для нас температура – это ощущение, измеряемое по шкале от горячего до холодного. В физическом смысле температура – это молекулярное движение, которое можно измерить термометром, поскольку чем больше движутся молекулы вещества, например ртути, тем сильнее увеличивается расстояние между ними. Мы измеряем это молекулярное расширение, когда ртуть (или какая-нибудь жидкость) в столбике перемещается вдоль откалиброванной шкалы. Само по себе движение молекул – это еще не жизнь, но ее необходимое условие.

Впрочем, тепло – это энергия, которая должна поступить в систему или покинуть ее, чтобы изменилась температура. Некоторым веществам нужно поглотить больше энергии (например, солнечной), прежде чем их молекулы начнут двигаться, повышая температуру. Одна калория – это количество энергии, которое нужно, чтобы повысить температуру одного грамма воды на 1 °C. Чтобы разогреть такое вещество, как камень, нужно гораздо меньше энергии, чем для воды. Опять же, энергия не есть жизнь, но она необходима для жизни, и все живое ненасытно ее потребляет. Поэтому то, что жизнь сохраняется и даже процветает зимой, когда солнца мало, – настоящее чудо.

Верхнего предела температуры не существует. В нашей Солнечной системе температура поверхности Солнца составляет около 6000 °C, а центр звезды примерно в 3000 раз горячее, то есть его температура около 18 000 000 °C. А вот нижний предел температуры во Вселенной конечен. Это точка, где всякое молекулярное движение останавливается и количество тепловой энергии равно нулю. Жизнь при такой температуре невозможна, но приспособления к зимнему миру, о которых я расскажу, говорят о том, что эта температура не обязательно уничтожает живое. По крайней мере, в теории при самой низкой температуре во Вселенной жизнь может приостановиться, но сохраниться.

Чтобы задать шкалу Цельсия, содержание тепловой энергии в воде поделили на 100 условных единиц между точкой, когда молекулы воды покидают кристаллическую структуру, чтобы стать жидкостью (0 °C), и точкой 100 °C, где жидкая вода закипает, если находится на уровне моря. Нижний предел температуры во Вселенной, или самое низкое содержание энергии в веществе, определяют как 0 ° по шкале Кельвина, и он соответствует –273,15 °C (или –459,7 ° по шкале Фаренгейта). Поскольку вода лежит в основе всех известных нам живых организмов, активная клеточная жизнь, знакомая большинству, возможна лишь в очень узком диапазоне температур между точками замерзания и кипения воды (которые немного меняются в зависимости от давления и наличия в воде растворенных веществ), где можно использовать энергию в контролируемых количествах. Мы в основном состоим из воды, и, замерзая, то есть превращаясь в лед, вода в наших клетках рвет клеточные мембраны, а это смертельно.

Вода воздействует на живое и на уровне экосистем, причем не менее существенно, чем на клеточном уровне. Каждую осень в северных умеренных широтах можно наблюдать, как влияют на экосистему различные физические свойства воды. Согласно опыту большинства существ на Земле, вода – это прозрачная жидкость, текущая вниз по наклонной плоскости, удержать которую можно только с помощью препятствия. Часть года некоторые из нас также наблюдают воду в виде белого рассыпчатого вещества, которое налипает на деревья и склоны холмов и придает лесу сказочный вид. Это вещество можно сгребать в кучи, можно рыть в нем тоннели и делать из него жилища для человека и зверя. Скапливаясь, оно способно стать таким плотным и глубоким, что через него не пройдешь. Оно порой закрывает растения от света и ломает их. При определенном наклоне земной оси это вещество подолгу накапливается в северных областях и образует ледники, которые изменяют окружающий пейзаж, стирая в порошок горы и выглаживая долины. При изменении температуры всего на 1 °C или меньше вода также может стать прозрачным веществом, похожим на стекло, и запереть поверхность озера, так что по ней можно будет спокойно ходить.