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

Бернд Хайнрих, 2003

Поскольку наступление зимы радикальным образом влияет на состояние одного из самых важных компонентов всего живого – воду, должны произойти не менее сильные изменения в физиологии и поведении животных в ответ на изменения окружающей среды. Одни существа выживают за счет выработки специальных веществ, другие остаются в постоянном движении, чтобы поддерживать температуру тела. Избежав угрозы замерзания насмерть, животные должны еще успевать находить пищу во время ее нехватки или запасать ее заблаговременно в период летнего изобилия. Известный американский натуралист Бернд Хайнрих описывает стратегии, к которым прибегают ласки, летяги, беличьи, птица королек, черепахи, водные грызуны, лягушки, насекомые, хомяки, летучие мыши, бабочки, медведи, пчелы и многие другие представители животного царства, для выживания в суровых зимних условиях. Прекрасно иллюстрированная рисунками автора и наполненная его неиссякаемой любовью к природе, эта книга освещает особенности поведения животных и растений в самое холодное время года. В формате PDF A4 сохранен издательский макет.

О терминах и определениях

Термины помогают размышлять, а иногда почти определяют то, что мы думаем. Однако в этой книге я старался отвести решающую роль эмпирической реальности, чтобы термины служили лишь удобными условными обозначениями понятий. К сожалению, по мере появления новой информации понятия постоянно меняются, так что должны меняться и обозначающие их слова. На протяжении всего текста я использую выражения, которые в разное время и для разных людей значили разные вещи. Чтобы свести к минимуму возможную путаницу и заодно сделать небольшой обзор, я попытаюсь прояснить некоторые из терминов, связанных с механизмами приспособления к зимним условиям у животных.

Большинство терминов в книге относятся к гибернации (зимней спячке), и даже это выражение вызывает определенную путаницу из-за связанных с ним представлений. Традиционно гибернацией называли просто отсутствие активности зимой, так что этот термин был одинаково применим к лягушкам, которые зарываются в ил подо льдом, к некоторым насекомым и другим лягушкам, которые проводят зиму на поверхности почвы в замороженном виде, к поддерживающим высокую температуру тела медведям в берлогах и к летучим мышам и наземным беличьим, чья температура бо́льшую часть зимы остается низкой, но которые периодически разогреваются и в течение дня или дольше ведут активный образ жизни^[4].

Зимоспящие животные бо́льшую часть времени (но не обязательно постоянно) находятся в оцепенении (торпоре) — состоянии отсутствия активности, которое достигается в основном (но не только) путем сильного понижения температуры тела. Гибернацией, или зимней спячкой, называют именно сложившийся у данного вида комплекс приспособлений к зимнему сезону, а оцепенение может быть связано как с патологическим нарушением терморегуляции, так и с адаптационной реакцией, цель которой сохранение энергии. Это состояние может длиться несколько часов, а может несколько дней или месяцев.

Когда ученые поняли, что некоторые теплокровные животные используют зимнее оцепенение в качестве механизма приспособления, соответствующим образом отрегулировав термостат своего организма, низкая температура тела практически стала определяющей характеристикой гибернации. Затем обнаружили, что точно такой же механизм адаптационного оцепенения встречается не только у зимующих животных, но и у тех, кто переживает тяжелые сезонные условия пустыни. В этом новом контексте физиологическое состояние оцепенения, характерное для зимней спячки, стали называть эстивацией (летней спячкой).

Строгое определение, согласно которому механизм гибернации (или эстивации) оказался связан с температурой тела, исходно предполагало, что в спячку впадают только млекопитающие (и, возможно, птицы). Но, поскольку адаптационное угнетение активности зимой также свойственно другим животным, которые не поддерживают высокую температуру тела постоянно, нужно было или придумать новое слово, или отказаться от старого. В результате возник уже четвертый термин — брумация. Он появился в 1970-х годах и означает зимнюю вялость или оцепенение у предположительно холоднокровных амфибий и рептилий. Еще позднее люди узнали, что, чтобы сохранять энергию, некоторые млекопитающие и отдельные птицы регулярно входят в оцепенение не только в соответствующий сезон, но и ежедневно, в том числе и летом. Тогда связанное с оцепенением поведение и соответствующее физиологическое состояние нельзя считать определяющей чертой гибернации даже у теплокровных животных. Наконец, по мере того как у животных открывали все больше разнообразных способов выживания зимой, стало ясно, что общее определение зимней спячки дать невозможно.

Температура тела оказалась особенно неудачным критерием для определения гибернации, потому что, как выяснилось, многие предположительно «холоднокровные» насекомые периодически обеспечивают в своем теле такую же или даже более высокую температуру, что и большинство птиц и млекопитающих. Как и те птицы и млекопитающие, которые периодически позволяют температуре тела понижаться, эти насекомые дрожат (одновременно сокращая противоположные мышцы, обычно используемые для перемещения, так что вырабатывается тепло, а движение практически отсутствует), если нужно получить возможность быстро двигаться, в данном случае — летать. Другие насекомые остаются активными, никогда не разогреваясь ни дрожью, ни солнечным теплом (подставляя тело к источнику тепла), а некоторые сохраняют активность даже при температуре тела, соответствующей точке замерзания воды или чуть ниже.

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].

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.

Примечания

4

В отношении этого почти безжизненного состояния насекомых, лягушек или других не теплокровных животных (и растений) в русскоязычной литературе чаще используют понятие «анабиоз» или общее — «гибернация», «зимовка». Многое зависит от традиций специализированной литературы (например, «диапауза», «брумация» и другие понятия для отдельных групп организмов). Неглубокую спячку млекопитающих называют зимним сном (или летним сном). Она может длиться несколько недель, например в период бескормицы. Понятие «спячка» скорее ассоциируется именно с млекопитающими, а понятие «гибернация» более универсальное: это и оцепенение птиц, и зимний сон, и спячка млекопитающих, и брумация рептилий, и диапауза насекомых. — Прим. науч. ред.

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».