Тепло ли тебе, Odobenus rosmarus? // Как спасаются от холода членистоногие, крылатые и хвостатые.⁠⁠

Животные преодолевают трудности, которые создаёт им внешняя среда, благодаря различным адаптивным механизмам. Например, человека эволюция наделила развитым мозгом и руками. Поэтому с наступлением морозов мы не впадаем в спячку (как бы нам этого ни хотелось), а надеваем шубу или пуховик, топим печь или включаем на максимум электрообогреватель. А как пережить холод тем, у кого нет рук?

Авторы: Елена Шафеи, Дмитрий Лебедев, Надежда Павлова

Иллюстрации: Наталья Дюкова

Опубликовано в журнале "Кот Шрёдингера": http://kot.sh/statya/3127/teplo-li-tebe-odobenus-rosmarus

Насекомые

// Моли дрожащие и другие беспозвоночные

Температура тела насекомых непостоянна и зависит от температуры окружающей среды, которая определяет фактически всё: скорость развития, плодовитость, прожорливость, продолжительность жизни этого класса животных.

У каждого вида насекомых свой диапазон комфортных температур. Например, божья коровка Semiadalia undecimnotata при 27 °C развивается из личинки в имаго (во взрослую особь) около 16 дней, а при 22 °C — 30. Платяная моль (Tineola biselliella), наоборот, активнее в более прохладной обстановке: при температуре 20 °C она съест больше шуб, чем при 30 °C.

Огромное значение для терморегуляции имеет окрас. Насекомые холодных регионов (Сибирь, Арктика): комары, слепни и другой гнус — чаще всего серые или бурые, ведь тёмные цвета поглощают больше солнечного света.

Ещё насекомые способны изменять уровень нагрева, принимая разные позы. Так, в относительно прохладную погоду бабочки распахивают крылья, искушая энтомологов. Широкие тонкие крылья быстро нагреваются на солнце — тёплая гемолимфа (жидкость, замещающая у беспозвоночных кровь) бежит по сосудам, оживляя тело. Кроме того, бабочки согреваются в ­полёте. Температура тела летящих чешуе­крылых достигает 35–40 °C и мало зависит от температуры воздуха.

У всех насекомых на туловище, антеннах и конечностях есть терморецепторы. И когда у моли, например, переохлаждаются грудные терморецепторы, её мышцы начинают хаотично подёргиваться — напоминает мышечную дрожь млекопитающих. При этом может раздаваться тихий скрежет. Так что если услышите эти звуки в квартире холодной зимней ночью, не пугайтесь: это дрожат в шкафах замёрзшие моли.

Рыбы

// Антифриз в крови и активный образ жизни

Рыбы относятся к пойкилотермным, или холоднокровным, животным. Но это вовсе не значит, что кровь у них холодная и не зависит от температуры воды.

Рыбы бывают теплолюбивыми, как обитающая близ коралловых ­рифов рыба-клоун (Amphiprion ­ocellaris) или привычный нам сазан (Cyprinus carpio); холодолюбивыми, как налим (Lota lota), который активен осенью, а летом апатичен. Отдельные рыбы переносят даже минусовую температуру, например представители семейства Notothenioidei, обитающие в антарктических морях. Они не превращаются в ледышки благодаря тому, что в их крови содержатся гликопротеины — белки-криопротекторы, которые тормозят процесс замерзания жидкости лучше, чем автомобильные антифризы.

А ещё холодолюбивым рыбам приходится вести более активный образ жизни. Обеспечить организм энергией в суровых климатических условиях можно только потребляя много пищи, которую нужно вначале как-то добыть.

Теплолюбивые рыбы, обитающие в наших широтах, к зиме накапливают жир, зарываются в ил или прячутся под коряги и впадают в анабиоз. В таком состоянии процессы в организме сильно замедляются, сердечный ритм падает до нескольких ударов в минуту, и животное может совсем не питаться, так как энергозатраты сведены к ми­нимуму. Однако если температура воды резко упадёт — например, при сильных заморозках осенью, — обитатели водоёмов могут заболеть. Простуженные рыбы, как и простуженные люди, грустны, вялы и апатичны. Чешуя становится тусклой, жабры темнеют, и на них могут поселиться болезнетворные бактерии и грибы.

Амфибии

// Обезвоживание и гибернация

Система терморегуляции амфибий примитивна — противостоять зимним морозам они не в силах, поэтому предпочитают впадать в спячку.

Лягушки зарываются в ил на дне водоёмов и могут провести в состоянии гибернации несколько месяцев. У животных замедляется метаболизм, а для дыхания хватает и того кислорода, который они получают из воды через кожу. К примеру, травяная лягушка (Rana temporaria), один из лидеров по времени гибернации среди земноводных, проводит в спячке по 160–200 дней в году.

Но есть существо ещё более удиви­тельное. В местах его обитания почти нет непромерзающих водоёмов, поэтому порой спать приходится прямо во льду. Это хвостатое животное, напоминающее тритона, — сибирский углозуб (­Salamandrella keyserlingii), — пожалуй, наиболее холодоустойчивая амфибия из известных науке. С наступлени­ем серьёзных холодов сей организм максимально обезвоживается, а в печени образуется запас глицерина. К началу зимовки его доля доходит до 37 %. По-видимому, это вещество работает как криопротектор, мешая росту кристаллов льда в тканях. С таким защитным механизмом углозубы способны переносить почти полное замораживание, а при потеплении возвращаться к жизни.

Рептилии

// От яйца к живорождению

Рептилии тоже существа холоднокровные и при этом весьма чувствительные к изменению температуры внешней среды. Точнее, так: температурные колебания отражаются на их потомстве. Формирование пола пресмыкающихся зависит не от генетических факторов, а от температуры среды, в которой находится яйцо. У черепах в прохладных условиях развиваются самки, в тёплых — самцы; у крокодилов почти обратная ситуация.

Но как создать оптимальный температурный режим, чтобы вообще хоть кто-то вылупился из яиц, если ты сам холоднокровный? Некоторые строят инкубатор. Аллигаторы и кайманы создают гнёзда из свежей травы и глины. Глина хорошо сохраняет влагу, а трава начинает гнить, разогреваясь изнутри. Самкам остаётся лишь охранять гнездо и следить, чтобы яйца не перегрелись.

Но это всё относится к рептилиям, живущим в местах с тёплым климатом и некритичными температурными колебаниями. В средних широтах России и на территории Европы многие ­пресмыкающиеся живородящие. Это ещё один вид адаптации к нестабильным климатическим условиям: эмбрионы развиваются в организме самки при одинаковой температуре, при этом пол детёнышей определяется генетически. Ареал самой холодоустойчивой живородящей ящерицы (Zootoca vivipara) простирается до Северного Ледовитого океана.

В самые лютые холода, конечно, никто не рвётся размножаться. Предчувствуя наступление заморозков, большинство ящериц и змей, живущих в наших широтах, находят убежище в земле и впадают в спячку.

Птицы

// Строй легионеров и вахтовый метод

По уровню приспособленности к ­холоду с птицами могут соперничать разве что млекопитающие, да и то не во всех регионах. В Антарктиде, например, пингвинам (Pygoscelis antarctica) точно нет равных. Как все птицы, они теплокровны и могут поддерживать постоянную температуру тела — была бы еда. Тёплые пуховые перья и внушительный слой жира защищают пингвинов от холода при ловле рыбы под водой.

Но чтобы не замёрзнуть на суше во время студёной и тёмной антарктической зимы, одной жиро-пуховой шубы недостаточно. Её ­дополняет поведенческая адаптация. ­Ледяная вьюга легко уносит тепло с ­тела одинокого пингвина, но что, ­если несколько сотен птиц собьются в кучу? Конечно, в компании им будет значительно теплее. Тесную группу греющихся друг о друга пингвинов называют «черепахой» по аналогии с известным построением древнеримских легионеров. Снаружи «черепахи» может быть –50 °C при скорости ветра 200 м/с, но внутри температура стабильно держится на уровне 37 °C. Пингвины на границе строя несут свое­об­раз­ную вахту, постоянно сменяясь, чтобы не замёрзнуть. В общем, зимняя Антарктида не место для со­цио­па­тов.

Млекопитающие

// Сферическое тело и очень много жира

Самая совершенная система терморегуляции у млекопитающих. Помимо различных поведенческих реакций она включает химические и физические механизмы. Суть химической терморегуляции в том, что при снижении темпера­туры окружающей среды организм животного начинает вырабатывать больше тепла. Это довольно затратный способ и применяется лишь для краткосрочного обогрева, так как зверю приходится ­либо больше есть, либо тратить накопленные жировые запасы. Поэтому животные, обитающие в ­холодных регионах, например в Арктике и Антарктике, предпочитают фи­зическую адаптацию.

Одно из самых физически приспособленных к холоду млекопитающих — морж (Odobenus rosmarus), недаром так называют любителей искупнуться зимой в открытом водоёме. Лежать на снегу и плавать в ледяной воде ластоногим помогает форма тела. В 1847 году немецкий учёный Карл Бергман заметил, что среди сходных видов теплокровных животных «северяне» всегда крупнее и тяжелее. Этот вывод был потом не раз подтверждён и стал называться правилом Бергмана. Так, вес взрослого самца белого медведя (Ursus maritimus) составляет 400–800 кг, в то время как медведь-губач (Melursus ursinus), обитающий в тёплой Индии, ­весит от 80 до 140 кг. Американский биолог Джоэл Аллен через 30 лет сформулировал ещё одно правило: среди родственных форм теплокровных, ведущих сходный образ жизни, те, кто обитает в более холодном климате, имеют относительно меньшие выступающие части тела (уши, ноги, хвост и т. д.). Лучше всего этот тезис иллюстрируют лисы. Так, мордочка полярной лисицы, или песца (Vulpes lagopus), короткая, уши маленькие. При этом у фенека (Vulpes zerda), североафриканской лисы, морда вытянутая, уши непропорционально большие, ноги длинные — это позволяет ей отдавать больше тепла и не перегреваться в пустыне.

Но вернёмся к нашим моржам. Их физиология в точности соответствует обоим правилам. Эти животные не просто крупные, их выступающие части сведены природой к минимуму. По сути, форма тела моржа близка к сферической: у него нет даже наружного уха, как у всех млекопитающих, только слуховое отверстие. При погружении в воду оно закрывается с помощью специальных мышц.

А какая у моржей теплоизоляция! Очень толстая шкура, до 4 см толщиной, а под ней 10-сантиметровый слой жира… Такая прослойка позволяет почти всё вырабатываемое тепло сохранять в организме, а не отдавать наружу. Именно поэтому под моржами, часами лежащими на снегу, не образуется проталин, хотя температура их тела около 38 °C.

Ещё одна удивительная адаптивная особенность этих млекопитающих, чемпионов по морозоустойчивости, состоит в том, что сосуды, несущие согретую кровь от сердца, тесно контактируют с сосудами, идущими в обратную сторону — от ласт и хвоста. Таким образом кровь от конечностей согревается, а подогретая сердцем и другими органами слегка охлаждается. Большая часть тепла удерживается в противоточной ловушке, не теряясь в ластах.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1-2 (27-28) за январь-февраль 2017 г.