Земля — самое подходящее во Вселенной место для жизни. По крайней мере, никаких других достоверно обитаемых небесных тел мы не знаем. Однако и на нашей планете частенько бывает некомфортно. Например, сейчас на большей части Северного полушария холодно, да и в Антарктиде тоже (там холодно всегда). Что же позволяет животным существовать, расти и даже размножаться при низких температурах?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №12(40). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Биология, химия и физика неотделимы друг от друга. Жизнь — это большой набор химических реакций, то есть случаев обмена электронами между молеку­лами. Каждая реакция обеспечивается физикой — движением молекул. Такие движения происходят хаотично, и молекулы нередко сталкиваются друг с другом. В эти моменты и происходит обмен электронами. Чем выше температура, тем интенсивнее молекулы мечутся в отведённом им пространстве. При низкой температуре они совершают меньше движений, по­этому реже встречаются и образуют новые соединения.

Не исключение и реакции, которые проходят в живых организмах. У них отношения с температурой особенно трепетные: почти для каждого биохимического прев­ращения (а их тысячи) нужен свой фермент — крупная сложносоставная молекула. Слишком жарко — ферменты теряют рабочую форму или вовсе денатурируют (распадаются). Если холодно, не хватает энергии, чтобы запустить движение молекул — участниц реакции. Поэтому жизнь возможна в очень узком диапазоне температур.

Холод создаёт живым организмам и ещё одну проблему. Они состоят из клеток, а клетки как минимум наполовину — из воды. Около нуля вода замерзает и при этом расширяется. Лёд перестаёт помещаться внутри клетки и повреждает её. При оттаивании клетки, как правило, не восстанавливаются, и организм погибает.

Итак, задача живого вещества — поддерживать собственную температуру выше точки замерзания воды, а в идеале на оптимальном для работы его ферментов значении. У каждого конкретного фермента оно своё, но для большинства подойдут 20–40 °C.

Чтобы поддерживать в холода комфортную для жизни температуру, организму приходится стараться. Как именно? Для начала покрыть тело мёртвыми клетками, в которых уже не идут реакции, а важные органы разместить под слоем мышц. Мышцы тратят энергию и совершают работу — сокращаются, при этом часть энергии уходит на обогрев внутренних органов, самих мышц и покровов тела. Многие животные специально сокращают отдельные мышцы и их волокна, чтобы согреться. Такие сокращения называются дрожь.

По тому, насколько животные способны поддерживать температуру тела, их можно условно разделить на эндотермных и эктотермных. Первые обеспечивают себя теплом сами, у вторых обмен веществ не такой интенсивный, и им приходится полагаться главным образом на внешние «печки».

Часто используют термины гомойотермный и пойкилотерм­ный: тот, кто имеет постоянную температуру тела и при этом часто теплее окружающей среды, и тот, чья температура легко меняется и равна температуре окружающей среды, соответственно. Но эти понятия не вполне корректны. Пойкилотермными называют рыб и других низших позвоночных. Но если рыба всё время живёт на одной и той же глубине, где вода круглый год одинаково холодная, получается, что и температура тела у рыбы постоянна! И наоборот: ряд млекопитающих и несколько птиц (эти классы относят к гомойотермным) в холодный период года впадают в оцепенение, при этом температура их тела понижается на несколько градусов, а вовсе не остаётся неизменной. С более простыми синонимами этих терминов — теплокровный и холоднокровный — та же история. И вдобавок упоминается кровь, которая есть далеко не у всех животных, а «холоднокровная» ящерица на солнце может изрядно нагреться, и тогда холодной уж точно не будет.

Воздействие температуры на организм во многом зависит от того, сколько оно длится. Если в одной пижаме постоять на десятиградусном морозе минуту, ничего страшного не случится. Но если в том же виде провести на холоде хотя бы час, обморожение почти гарантировано.

Чистая вода замерзает при нуле градусов Цельсия, если соприкасается с твёрдой частицей льда или иного вещества — центром кристаллизации. Вокруг этого центра выстраиваются молекулы, образуя кристаллическую решётку. Если в воде что-то растворено или центров кристаллизации поблизости нет, её можно переохладить — довести до температуры –20 и даже –40 °C, не заморозив.

Температура замерзания раствора зависит от его состава. Некоторые вещества значительно снижают её, и чтобы превратить такую жидкость в твёрдое тело, требуется более глубокое охлаждение. Подобные вещества называются антифризами (дословно — «против замерзания»).

У насекомых в роли антифриза часто выступает глицерин — органическое вещество, содержащееся в гемолимфе, аналоге крови. Ближе к зиме массовая доля глицерина в гемолимфе осы-паразита Bracon cephi достигает 30%, и гемолимфа остаётся жидкой до –17,5 °C. На самом деле даже обычная поваренная соль позволяет воде дольше не замерзать, но глицерин эффективнее.

Тем не менее есть животные, которые нормально переносят оледенение. В основном это те, кто живёт на лито­рали — зоне морского или океанского берега, откуда во время отлива уходит вода. При –30 °C их ткани почти полностью промерзают. Однако температура заметно колеблется, и организмы то леденеют, то оттаивают. При этом лёд не наносит существенных повреждений их клеткам, так как находится не внутри окружающих клетки мембран, а снаружи, в межклеточном пространстве. Клетки при охлаждении просто сморщиваются.

Когда задача остаться жидким выполнена, можно регулировать конкретные биохимические реакции. Для этого сначала нужно нагреть тело до оптимальной для этих реакций температуры, а потом её поддерживать — стараться, чтобы производство тепла было равно его трате. Как мы уже говорили, тепло можно получать извне или генерировать самому — это называется термогенез. Есть три основных способа термогенеза: сознательное сокращение мышц (то есть движение), непроизвольное (дрожание) и усиленное «сжигание» молекул — источников энер­гии — недрожевой термогенез.

Дрожание — это безусловный рефлекс, его запускает гипоталамус. Получив от кожи сигналы о холоде, он передаёт команду мышечным волокнам сокращаться. И если при непроизвольных движениях выделение тепла — побочный продукт, то при дрожании основной: организм и его конечности в целом никуда не движутся.

С годами способность дрожать в ответ на холод падает. Но интересно, что и дети редко согреваются таким способом. Гораздо большую роль в их случае играет недрожевой термогенез — разделение крупных молекул жиров на мелкие в клетках бурого жира. В клетках этой ткани больше митохондрий, чем в клетках обычного белого жира. При охлаждении организм вырабатывает больше гормона норадреналина. Он активирует ферменты-липазы, и уже они обеспечивают распад жиров на триглицериды и жирные кислоты. Последние входят в митохондрии и там взаимодействуют с особым белком термогенином, который в результате ломает процесс производства главного энергетического вещества клетки — АТФ,и вся энергия уходит в тепло. В других тканях термогенина нет. У детей до года бурый жир в заметных количествах находится между лопатками и рядом с жизненно важными органами — например, печенью и почками. У взрослых его гораздо меньше.

Нет смысла усиленно производить тепло, если его не получится удержать. Поэтому не меньше, чем термогенез, важна теплоизоляция. Организм должен быть покрыт чем-то, что плохо проводит тепло. Это может быть слой воздуха между перьями или волосами. Нередко этим структурам помогает толстый слой подкожного жира.

Японский макак

Барсук

В общем случае чем гуще мех (оперение), тем больше воздуха он задерживает около кожи и тем меньше меняется температура этого воздуха. Но мелкие млекопитающие не могут позволить себе очень длинную шерсть: она помешает двигаться. Поэтому они много времени проводят в норах и других убежищах, где колебания температуры не такие сильные, как на открытых пространствах.

Степень потери тепла зависит также от формы и размера тела. Чем больше площадь по отношению к объёму, тем быстрее идёт остывание, и маленькие всегда теряют тепло быстрее больших. Поэтому в высоких широтах (скажем, в Арктике) животные крупнее своих тропических сородичей, а выступающие части — уши, хвосты, разные выросты — у них, наоборот, скромнее.

Песец (вверху) и фенек (внизу)

Для людей это тоже верно. Скандинавы в среднем выше ростом, чем жители экваториальных регионов, и более коренастые. В результате приспособления к холоду может измениться даже форма грудной клетки. У инуитов — коренных жителей Гренландии — четыре нижние пары рёбер длиннее, чем у жителей Испании, Португалии и Южной Африки. Это увеличивает объём туловища относительно всего тела.

Эскимос и масаи

Усиливать производство тепла в ответ на понижение температуры окружающей среды довольно затратно. В ряде случае перетерпеть холод и позволить температуре тела уменьшиться легче и экономичнее. Ведь вяло работающим клеткам и органам нужно меньше энергии, чем если они активно выполняют свои функции.

Состояние, когда в холодное время года интенсивность обмена веществ и температура тела существенно понижены, а движений и реакций на внешние раздражители почти нет, называется зимней спячкой, или гибернацией. (Многие пустынные жители спят, наоборот, при сильной жаре, их состояние называется эстивацией.) Особенно гибернация важна для мелких животных, которым на единицу массы требуется больше пищи, дабы поддерживать постоянную температуру тела.

Орешниковая соня

Животное в состоянии гибернации легко спутать с мёртвым. Оно почти не дышит, а сердце у него может биться всего несколько раз в минуту — при охлаждении тела градусов до двадцати этого вполне дос­таточно. Нервная система еле работает: для проведения импульсов ей нужно тепло, а его очень мало (поэтому зверёк во время спячки не реагирует на внешние раздражители). Но какая-никакая энергия при этом всё равно тратится, а значит, перед тем как залечь, нужно её запасти. Например, в виде жира, который нагуливают перед холодами.

Есть менее глубокая версия зимней спячки — зимний сон. Его легко прервать, и интенсивность обмена веществ у зимнеспящего снижается не так сильно, как у гибернирующего. Температура тела тоже падает всего на пяток градусов. Зимнему сну подвержены медведи (они даже рожают в это время), еноты, енотовидные собаки, барсуки.

Бурый медведь

Обычно животные впадают в гибернацию или зимний сон после того, как световой день укоротится до определённой величины. Нехватка еды и холод тоже играют роль, но сами по себе не могут запустить спячку. Период почти полной остановки метаболизма такие животные проводят в укрытиях, где условия мало зависят от сезона, а просыпаются по внутренним часам. При пробуждении могут начать усиленно дрожать и жечь бурый жир. Образовавшееся тепло направляется первым делом на обогрев внутренних органов.

Подавляющее большинство впадающих в сезон­ную спячку — млекопитающие. Из птиц так делает только американский белогорлый козодой Phalaenoptilus nuttallii.

В этой статье мы рассмотрели физио­логию борьбы с холодом (и нем­ножко поговорили о примирении с ним). Стоит помнить, что борьба эта идёт не только на уровне отдельных органов. Избегать низких температур также помогают врождённые поведенческие программы — инстинкты. Они заставляют перемещаться на юг, отъедаться на зиму, строить убежища либо занимать чужие и делать многое другое для того, чтобы не было холодно. Кстати, и у растений ни чуть не меньше приспособлений для защиты от холода, чем у наших подвижных собратьев по миру живого.