Животные и холод – жизнь при температуре ниже нуля

Содержание

Механизмы снижения потери тепла

Апрель в Антарктике. Приближается зима. Появляются императорские пингвины. Июнь. Самцы высиживают на льду яйца. Пурга, температура минус 40°, однако пингвины как будто бы и не особенно страдают от мороза.

Это явление редкостное, так как для существования большинства организмов — как растительных, так и животных — холод является огромной помехой, либо затормаживающей все жизненные функции, либо вынуждающей организм к защитной реакции, которая ему подчас обходится дорого.

Для того, чтобы остановить рост растения, вовсе не нужно сильного холода, достаточно, чтобы температура опустилась всего на несколько градусов.

И даже вершина эволюции — человек — не может не считаться с окружающими его температурными условиями. Существенная часть его активности посвящена борьбе с холодом и защите от него.

Способность жить в холоде

Несмотря на это, жизнь существует, казалось бы, в самых неблагоприятных для нее местах, таких, как полярные области. Способность жить в холоде — черта, свойственная самым различным видам. Что, например, можно найти общего в поведении рептилии и тюленя во время зимы?

Обоим — предстоит пережить трудное время, но рептилия впадет в зимнюю спячку, а тюлень будет продолжать нормальную активную жизнедеятельность. В отношении приспособления к холоду это две крайности, а между ними — целая серия вариантов.

Арктика – зеленая Арктика и древняя колония норманнов

Но это основное различие — приспособленность, допускающая или не допускающая продолжения активной деятельности, — всегда остается, так как основано на главном биологическом факте: наличии (или отсутствии) у животного внутреннего климата, то есть постоянной температуры тела, не зависящей от внешней среды.

У организма есть потребность в тепле. Его функционирование является следствием целой серии химических реакций, скорость прохождения которых тесно связана с температурой.

Когда температура повышается, возрастает скорость реакций, повышается обмен веществ, усиливается функционирование и в конечном итоге активность организма.

Если животное должно заимствовать тепло извне — это холоднокровные или пойкилотермные животные — их температура и активность будут меняться с изменением внешней среды.

Хорошо известно, например, что на солнце ящерица активна, а в тени или ночью она неподвижна.

Ящерица.

Если же температура тела животного, постоянна и не зависит от условий внешней среды, то не зависит от нее и его активность.

Таковы птицы и млекопитающие, животные гомойотермные. Преимущества гомойотермии особенно проявляются тогда, когда животному надо приспособиться к холоду.

Животное уже не просто пассивно сопротивляется холоду, а продолжает свою психомоторную деятельность. Простое явление выживания в холоде независимо от гомойотермии.

Детеныши тюленя хорошо защищены от холода своей теплой шубкой, которая выдерживает самые жестокие морозы.

Птенцы быстро перенимают у родителей технику борьбы с холодом, и уже через несколько часов после рождения начинают собираться в «черепаху».

Наоборот, представляется, что примитивные организмы, у которых нет механизмов, поддерживающих внутреннюю температуру постоянной, отлично переносят холод.

Таковы, например, насекомые. Яички тутового шелкопряда выдерживали во время экспериментов температуру минус 270°. Один из видов ногохвостки живет на ледниках.

Есть рыбы, которые постоянно живут во фьордах Лабрадора при температуре воды минус 1,7°, а точка замерзания их крови — минус 0,8°. Это любопытное явление объясняется особым состоянием крови — стоянием переохлаждения.

Это значит, что при соприкосновении с кристаллом льда она может сразу же замерзнуть. Заметили, что у рыб с наступлением зимы содержание солей в крови увеличивается и приближается к концентрации солей в морской воде.

Что же касается амфибий и рептилий, они практически в полярных областях не встречаются. Не только потому, что очень низка температура внешней среды, с которой тесно связана их активность, но и потому, что у них нет возможности найти убежище во льду или в замерзшей земле.

А для тех, которые все-таки упорствуют и живут либо на больших высотах, либо в тундре, единственная возможность избавиться от холода — это выбрать относительно благоприятное место для зимней спячки: или под камнями, или под толщей льда.

Здесь, защищенные от температурных скачков, они засыпают. Их сон в некоторых случаях продолжается до девяти месяцев, и таким образом итог их приспособления к холоду отрицательный, так как оставляет им для активной жизни 3 — 4 месяца в году.

Большинство рептилий и амфибий холодных областей — живородящие. Альпийская саламандра, например, рождает в год всего двух детенышей, но они уже совершенно развиты и достигают значительной величины, тогда как эта же черная саламандра из более южных областей откладывает несколько дюжин личинок.

Альпийская саламандра.

Необходимость живорождения в данном случае очевидна. Ведь если яйца или личинки будут оставлены на холоде, у них мало шансов увидеть себя взрослыми. Все здесь как будто бы предусмотрено для того, чтобы род не угас.

Но, поскольку известно, какая тяжелая жизнь ожидает этих вновь явившихся на свет, становятся более понятными преимущества гомойотермии. Правда, и она далека от того совершенства и эффективности, которые ей подчас приписывают.

Бывают случаи, когда она становится роскошью, иногда дорогостоящей, бесполезной, а порой и опасной. Но даже при условии, что такие крайние ситуации встречаются не так уж часто, одна гомойотермия все же не способна обеспечить жизнь в холоде.

Математические подсчеты показывают, что для того, чтобы сохранить температуру своего тела постоянной, животное должно либо в десять раз уменьшить потерю тепла эффективной защитой, либо в десять раз увеличить производство тепла.

Механизмы снижения потери тепла

Снижение потерь тепла достигается целым рядом всевозможных ухищрений и уловок. В конечном счете весь блестящий механизм гомойотермии сводится к целой серии «трюков».

Уже давно было замечено, что величина животного, размер его ушей, хвоста, лап играют важную роль в экономии тепла. Уши всегда меньше у животных холодных областей, чем у животных, обитающих в теплых местах. Это ясно видно, например, при сравнении арктической лисицы с ее родственником из пустыни Сахары — фенеком.

Уши у северных животных обычно меньше, чем у южных. Слева фенек с его огромными ушными раковинами, в центре лисица умеренного климата, справа — лисица арктическая.

С другой стороны, потеря тепла, пропорциональная поверхности тела, тем лучше балансируется его воспроизводством, чем больше животное. Отсюда было сделано заключение, что животное имеет тенденцию быть более крупным на полюсах, чем на экваторе.

Но даже если эти законы в ряде случаев и справедливы, у них слишком много исключений. Поэтому сейчас считают, что величина животного и размер его конечностей сами по себе не обусловливают экономию необходимого тепла.

Прежде всего важен защитный покров, будь то мех, перья или жировой слой. Защитная роль меха хорошо известна. Благодаря меху ездовая собака, например, может спать на снегу при температуре минус 50°С, не ощущая при этом потребности увеличивать производство тепла.

С приближением зимы мех густеет, становится длиннее. Но до определенных пределов. Иначе он уже не защищал бы животное, а стеснял его. Изолирующая способность меха важнее его количества, хотя, конечно, собаки полярных областей имеют гораздо более роскошную шубу, чем их собратья из теплых мест.

Не менее эффективны перья. Пингвины, например, прекрасно существуют при самых низких температурах. Перья и мех не просто пассивная оболочка. Распушив мех, раздув перья, животные образуют воздушную подушку, изоляционные свойства которой тем больше, чем она толще.

Что же до защитной роли жира, ее не нужно доказывать. Несмотря на то, что у китов, тюленей, моржей голая шкура, эпидермис которой имеет толщину 2 — 3 миллиметра, они часами плавают в ледяной воде.

Находящейся под кожей 30 сантиметров — в среднем — жира хорошо задерживают утечку тепла. Жировые запасы императорского пингвина к приближению зимы достигают 10 — 15 килограммов на 35 килограммов общего веса.

Можно ли говорить о защитной системе от холода у человека с его голой кожей, без изолирующего жирового слоя? Защита сведена у него к нагромождению одежды.

Интересно, что одежда эскимоса весит 5 — 7 килограммов, тогда как европеец в том же климате наденет на себя не менее 10 килограммов!

Северный олень – как олени выживают в сильный мороз

Как известно, ни одно животное не покрыто мехом, перьями или жиром целиком. Слишком мохнатые лапы затрудняли бы ходьбу, покрытым волосами носом животное могло бы не почувствовать опасности.

Значит, кончик носа и кончики лап должны быть открытыми. А в таком случае через них будет происходить значительная утечка тепла.

Если бы не существовало механизмов препятствующих этой утечке, пингвины и тюлени, плавающие в ледяной воде, белые куропатки, прогуливающиеся по снегу, очень быстро замерзли бы, так как выработка тепла не успевала бы покрывать его утечку.

Механизмы для восстановления тепла в незащищенных местах похожи на те, которые употребляются в доменных печах: тепло артериальной крови, идущей изнутри тела, обогревает венозную кровь, возвращающуюся от конечностей, которые были в соприкосновении с ледяной водой или снегом.

Этот теплообмен посредством противотока происходит в пучке капилляров, где вены и артерии соприкасаются. Эти пучки расположены таким образом, что не только не допускается растрата тепла, но, поскольку кровь обогревается еще до ее поступления внутрь тела, не расходуется тепло, которое было бы необходимо, если бы она поступала холодной.

Температура лапы (или плавника) постепенно снижается и на конце достигает температуры среды. Температура тела белой куропатки выше температуры ее лап на 38°. Это тоже важно.

Если бы лапы, соприкасающиеся со снегом, были теплыми, снег бы под ними таял, и птица быстро примерзла бы к месту.

Радиатор имеет две функции: он экономит тепло, но в то же время должен выводить его наружу. Парадоксально, но борьба с холодом обязательно приводит к борьбе с теплом.

Если тепло одетый человек побежит, то через несколько минут ему станет жарко. Когда бежит карибу, избыток тепла быстро выделяется через его конечности.

Приспособление к холоду достигло своего совершенства у китов, моржей, тюленей, а также у свиньи благодаря комбинации изолирующей жировой защиты и механизма циркуляции крови.

Поверхность тела становится настоящей изоляцией. Благодаря слою жира, практически лишенному циркуляции крови, свинья начинает повышать производство тепла только при 0°. А человек — примерно с 28°, то есть когда температура среды всего лишь на несколько градусов ниже его внутренней температуры.

Охлаждение животного может распространиться на четверть его общей толщины. В конечном счете только центральная часть организма — брюшная и грудная полости — сохраняет температуру постоянной; в ее пользу принесена в жертву гомойотермия периферии.

Но охлажденные — с целью уменьшения потери тепла — ткани полностью сохраняют свои функции. Хотя температура лап карибу равна температуре снега, олень ведет себя так, как будто бы ничто не мешает его передвижению.

Главная роль в приспособлении к холоду принадлежит системе кровообращения. Лапы, например, снабжены пучком капилляров, где теплая артериальная кровь обогревает холодную венозную, идущую от конечностей. Температура кончиков лап близка к температуре снега или ледяной воды.

На схеме указана температура различных частей тела ездовой собаки, и пингвина карибу.

Известно, что животный жир с понижением температуры затвердевает и становится хрупким. Казалось бы, что лапы должны моментально на морозе одеревенеть. Этого не происходит потому, что у одного и того же животного жир, который находится на конце ноги, отличается по составу от жира верхней ее части.

Фермерам Лабрадора это известно издавна, и они пользуются жиром из ног их скотины для сохранения эластичности конской упряжи и ко- жаной обуви. Дело в том, что точка замер- зания жира конечностей гораздо ниже, чем жира внутреннего.

Итак, поддержание внутренней температуры на одном уровне требует целого ряда ухищрений и трюков. Благодаря им животные могут сохранять активную жизнь на холоде.

Но в некоторых случаях, когда всех перечисленных способов приспособления к холоду оказывается все-таки недостаточно, в действие вступает еще один.

Животные отыскивают те редкие зоны, где условия жизни менее суровы. Типичный пример такого приспособления к холоду императорские пингвины. Они размещаются на ограниченных — в несколько квадратных километров территориях, где климатические условия несколько мягче, чем вокруг: не так низка температура и не столь жестоки ветры.

Императорские пингвины.

Благодаря этому микроклимату температура тела пингвинов поддерживается постоянной. Правда, птицы ограничены в движении, в то время как ценность гомойотермии именно в том, что она предоставляет животным возможность для активной деятельности.

Гомойотермия заставляет дорого платить за те преимущества, которые она доставляет.

Но зима идет, жировые запасы истощаются, и индивидуальная защита животного от холода слабеет. Тогда появляется другое средство борьбы — коллективное: группировка колонии в компактную массу. Таким образом, три четверти животного оказываются защищенными от холода и ветра.

Если по какой-либо причине пингвин отдаляется от «черепахи», у него потеря в весе идет вдвое быстрее, чем у тех, кто находится в коллективе. В «черепаху» пингвины сбиваются при особо сильных ветрах и при особо низкой температуре, и эти группы не распадаются очень долго — порой до 36 часов.

В конце концов пингвины не так уже много извлекают из своей принадлежности к гомойотермным животным. Их перемещения ограничены зонами микроклимата, а коллективная защита от холода делает их неподвижными в течение многих часов.

Грызуны также используют микроклимат; они роют норы под слоем снега, который благодаря своим хорошим изоляционным свойствам поддерживает внутри гнезда температуру, если не высокую, то по крайней мере постоянную.

Снег, который мы обычно ассоциируем с холодом, в действительности скорее является защитой от холода.

В тех случаях, когда холод становится слишком сильным и экономия тепла не уравновешивает его потери, входит в строй еще один механизм: термогенез — увеличение производства тепла за счет сэкономленной клеточной энергии.

Значение термогенеза второстепенно. Он не может продлить жизнь животного надолго. Вступление в действие термогенеза целиком зависит от защитной системы животного.

Так, у ездовой собаки термогенез включается только при температуре воздуха минус 40°, тогда как у собаки из тропиков он заявит о себе уже тогда, когда температура среды опустится на несколько градусов ниже ее собственной температуры.

Ездовые собаки.

Итак, животное на холоде, чтобы сохранить тепло, а следовательно, свою активность, должно вести постоянную и изнурительную борьбу. Некоторые животные находят эту борьбу чересчур тягостной. И предпочитают вообще отказаться от своей независимости, то есть от всех преимуществ гомойотермии.

Они просто-напросто впадают в зимнюю спячку. Таков сурок. С приближением зимы он удаляется в свою заботливо приготовленную нору, предварительно накопив солидные запасы жира.

Его внутренняя температура понижается до 3°, ритм сердечных сокращений с 88 в минуту доходит до 10, а количество дыхательных движений — с 16 до 2. Минимальный обмен веществ обеспечивает его необходимой энергией.

Сурок.

За 160 дней спячки сурок теряет почти четверть своего веса. И хотя животное совершенно отказывается от свободы, предоставляемой гомойотермией, этот баланс явно для него благоприятен и определенно экономичен.

Чтобы сохранить свою активность, сурок должен был бы сражаться с холодом и с большим трудом добывать себе пищу, необходимую для выработки энергии. Во время спячки ничего этого не требуется, так как функционирование жизненных органов существенно замедлено.

Зимняя спячка легко решает, таким образом, проблему питания и является очень мудрым средством борьбы с холодом.

Но какова бы ни была эффективность механизмов, позволяющих экономить тепло или усиливать его производство, животное все же в больших количествах это тепло расходует. Оно обязательно должно восстанавливать энергию, и поставляет ему ее только пища.

Отсутствие пищи гонит животное на ее поиски. Перемещаются в поисках пищи олени и волки, перелетают птицы. Полярная крачка каждую осень предпринимает длиннейшее путешествие, чтобы найти необходимые ей свободные воды.

Растения в холодных областях

Положение растений в холодных областях еще более непрочно, чем положение животных. Как и животные, растения заимствуют необходимую для их роста энергию извне, и низкие температуры существенно замедляют их обменную активность.

Но к этому прибавляется еще один неблагоприятный фактор: очень короток период, когда возможен рост. Может, скажем, случиться так, что растение для активного роста будет располагать всего лишь одним — единственным днем в году.

В таких трудных условиях выживают только примитивные, относительно нетребовательные растения, такие, как мхи и лишайники.

На 400 видов лишайников и 76 видов мхов, населяющих территорию Антарктиды, приходится всего лишь три вида цветущих растений. В Арктике, где условия несколько более благоприятны, растут 2 тысячи видов лишайников и 500 видов мхов.

Растения, как и животные, могут лишь стремиться к тому, чтобы как-то уменьшить причиняемый холодом ущерб. Часто концентрация сахаров и липидов в растительных клетках увеличивается таким образом, чтобы, когда поднимается осмотическое давление, одновременно понижалась точка замерзания.

С помощью обезвоживания можно уменьшить опасность того, что свободная вода превратится в иголки льда и разорвет ткани. Обезвоживание приводит к тому, что растения холодных областей часто напоминают растения пустынь. И в том и в другом случае листья у растений толстые, глянцевитые, маленькие и иногда изогнутые.

Полярные растения максимально используют микроклимат, прилепляясь к земле и собираясь подушечками. Их способ защиты от холода в конечном счете так же примитивен, как у пойкилотермных животных, но, как и у них, удивительна их сопротивляемость холоду. При температуре минус 20° мох остается зеленым и свежим.

Немногие из северных растений имеют годичный биологический цикл. Большинство их многолетние. Многие отказались от размножения с помощью цветов. Они выбрасывают округ себя многочисленные побеги, которые пускают корни.

Так, например, размножается камнеломка. Те, которые сохранили за собой роскошь приносить цветы, часто заканчивают цветение осенью, зимуют, а в очень короткий благоприятный весенний период образуют семена. И только арктический мак успевает дать семена за месяц.

В тундре, где климат заметно более мягкий, флора, достаточно обильная, уже способна обеспечивать пищей многочисленных животных. В полярных областях этого нет. Однако и там должны кормиться тысячи птиц и животных. Пищу им предоставляет море.

Как бы это ни показалось странным, но арктические воды одни из самых богатых. Литр морской воды содержит здесь в среднем 2500 организмов, а в теплых морях — 700. Изобилие живых существ маскирует относительно небольшое количество видов. Это, кстати, верно и для высших организмов.

В теплых краях разнообразие видов компенсируется малым количеством каждого из них. Изобилие живых организмов холодных областей объясняется тем, что низкая температура существенно замедляет проявление жизненных функций. Рост затягивается на несколько лет, и многие поколения сосуществуют.

Кит - властелин океана — Кит — властелин океана

Неоспоримо то, что появление гомойотермии представляет собой важный этап эволюции. Благодаря ей приспособление к холоду целиком, достигает своей цели, то есть сохраняется постоянная активность живого существа.

Но порой она предъявляет организму так много требований, что утрачивает часть своей эффективности. Приспособление к холоду человека лишь в слабой степени зависит от гомойотермии. Он может противостоять холоду исключительно благодаря своему разуму.

Альбуа Д.