Температура
Первое, что приходит в голову, когда речь заходит о полярных морях, - там слишком холодная вода. Однако огромное количество видов, оказывается, обитает именно в холодных водах и никогда не встречается в более тёплых, казалось бы, более приспособленных для жизни. Более того, студёная вода арктических морей вместе с долгой полярной ночью и ледяной коркой, сковывающей океан значительную часть года, создают условия, которые вполне пригодны для животных, населяющих обычно глубоководные впадины. В результате многие виды животных, которые в Северной Атлантике встречаются на глубине более километра, а то и несколько километров, в северной части Карского моря и моря Лаптевых могут жить на глубине 100-200 м.
Низкая температура среды требует от животных набора приспособлений для выживания. Неприспособленные погибают задолго до того, как клетки тела замёрзнут: у попавшего в ледяную воду человека дыхание остановится, если температура его тела опустится ниже 25°С. С понижением температуры тела замедляется большинство процессов в организме, например уменьшается скорость химических реакций. Наиболее важны те реакции, в которых принимают участие ферменты. Это сложные молекулы белковой природы. В организме они регулируют все превращения веществ. Каждый фермент остается активным и продолжает "работать" лишь при определённых температурах. Естественно, что животные, вся жизнь которых проходит в холодной воде, которые не умеют регулировать температуру тела, должны иметь низкотемпературные ферменты.
Особенную опасность для любого живого существа представляет замерзание. Вы знаете, что основной единицей строения животного организма является клетка. Клетки животных не имеют прочных стенок. Мембрана, которой они покрыты, - тончайший слой жироподобного вещества, толщиной всего в две молекулы. Вы помните, что вода при замерзании расширяется. А клетка содержит более 70 % воды. Образующиеся ледяные кристаллы легко рвут клеточные мембраны, и организм погибает. Всем известно, что в шкале Цельсия за 0° принята температура замерзания воды. Но многие вещества, растворяясь в воде, понижают температуру замерзания. Поэтому морская вода замерзает позже, чем пресная. Значит, чтобы не погибнуть при замерзании воды, её обитателям надо повысить содержание в клетках растворённых веществ, например солей или органических веществ. В этом случае замерзает в основном межклеточная жидкость, а концентрация раствора в клетках всё время растет, "отодвигая" образование опасных кристаллов. Если же льда внутри клеток нет, то они оказываются неповрежденными, и животные после оттаивания продолжают питаться и размножаться. Человек использует похожий приём: для того чтобы не замерзала вода в системе охлаждения автомобильных двигателей, в неё добавляют вещества, которые называются антифризы (буквально - "против замерзания").
Брюхоногие моллюски
Из морских обитателей особенно важно переносить замерзание жителям приливно-отливной зоны. Например, усоногие раки - морские жёлуди, брюхоногие моллюски - литторины и двустворчатые - мидии - зимой испытывают промерзание от - 10 до -20°С. При этом замерзает больше половины воды в организме, но животное выживает. Обитателям пресноводных водоёмов - рек, озёр и луж - приходится переносить многократное глубокое замерзание. Личинки комара-звонца не погибают при температуре -32°С, а некоторые инфузории выдерживают -95°С.
У обитателей морских впадин та же проблема может решаться по-другому. Например, в глубоких фиордах Лабрадора, где температура воды круглый год равна -1,7°С, были обнаружены рыбы, температура замерзания крови которых -0,9°С. Оказалось, что для замерзания воды мало одной только пониженной температуры, нужны ещё "ядра кристаллизации" - центры, вокруг которых начинают образовываться ледяные кристаллы. Если их нет, то вода остывает, не превращаясь в лёд. Физики называют это состояние переохлаждённой жидкостью. Если таких рыб поднять на поверхность, где ледяные кристаллы есть, то их тело быстро замёрзнет и они погибнут. Подобный способ существования в переохлаждённой воде обнаружен и у некоторых видов камбалы.
Кровеносная система холоднокровной рыбы
Обычным в живой природе следствием приспособленности к экстремальным условиям является неспособность выживать в других, более мягких условиях обитания, ведь для этого надо иметь несколько наборов приспособлений на разные случаи жизни. Поэтому виды, предпочитающие холодную воду, часто плохо переносят прогрев воды и погибают.
Вместе с тем, судя по лабораторным исследованиям, есть животные, которые зимой способны вынести переохлаждение, но гибнут в тепле. Летом же они чувствуют себя хорошо при повышенных температурах, но теряют способность переносить холод, например аквариумная рыбка фундулюс.
Некоторые животные приобрели универсальные приспособления, пригодные в разных условиях обитания. К таким приспособлениям можно отнести способность регулировать температуру тела, сохраняя её постоянной, и, следовательно, меньше зависеть от температуры окружающей среды.
На первый взгляд, легко разделить животных по их способности согреваться: есть холоднокровные и теплокровные. К первым относят всех беспозвоночных, рыб, земноводных и пресмыкающихся, ко вторым - млекопитающих и птиц. Однако если измерить температуру крови или замещающей её жидкости у летящего шмеля, плывущей рыбы или греющейся на солнце ящерицы, то может оказаться, что она намного теплее воздуха. Значит, было бы странным относить их к холоднокровным. Напротив, у некоторых птиц и млекопитающих, особенно у тех, кто впадает в зимнюю спячку, температура тела может падать до +2°С. В связи с постоянной путаницей биологи употребляют другие термины, характеризующие отношение животного к температуре: гомойотермные (имеющие постоянную температуру тела) и пойкилотермные (имеющие изменяющуюся температуру). На самом деле все животные располагаются между этими двумя полюсами и могут частично регулировать свою температуру, одни лучше, другие хуже. Одни, как звери и птицы, в первую очередь используют внутренние источники тепла (эндотермы), другие, как нагревающиеся на солнце насекомые и рептилии, - внешние (экзотермы). В воде сложно найти источник тепла. Она гораздо лучше проводит тепло, чем воздух. Разницы температур там значительно меньше, чем в воздушно-наземной среде, поэтому трудно сказать, есть ли в воде экзотермы, за исключением паразитов, живущих в организме теплокровных, и обитателей горячих подводных источников, которым всё равно, где они обитают: в Ледовитом океане или в Индийском.
Кровеносная система теплокровной рыбы
Традиционно считается, что рыбы - холоднокровные и не умеют регулировать температуру своего тела. Однако сначала у тунцов, а затем и у сельдевых акул была обнаружена способность регулировать температуру тела за счёт особого устройства кровеносных сосудов, обеспечивающих кровью основную плавательную мускулатуру. Эти сосуды устроены так своеобразно, что получили название "чудесное сплетение" (по лат. - rete mirabile). Артерии, несущие богатую кислородом, но холодную артериальную кровь, поступающую от жабер к мышцам, сплетаются с сосудами, которые отходят от мышц. При сокращении мышц всегда выделяется тепло, поэтому кровь в сосудах, отходящих от мышц, тёплая. Хотя кровь в сосудах не перемешивается, тепло передаётся через стенки, и кровь, идущая к мышцам, нагревается. Такой способ передачи тепла давно известен в технике и называется там принцип противотока. За счёт "чудесного сплетения" акула поддерживает в работающих мышцах температуру, которая на 10°С и более выше, чем температура поверхности тела, мало отличающаяся от температуры воды. Конечно, для поддержания такого состояния животное должно непрерывно находиться в движении.
У самых теплокровных среди животных - зверей и птиц - тоже, конечно, выделяется тепло, когда они активно двигаются. Однако главное приспособление, которое отличает их от других живых существ, заключается в работе их клеток. Любая клетка способна поглощать питательные вещества и превращать их в свои собственные или окислять, извлекая энергию. Но организм птиц и зверей умеет регулировать выделение тепла. При понижении температуры клеткам подаётся сигнал, они начинают активно разрушать накопленные органические вещества - белки, жиры и углеводы, и, как печка, выбрасывать тепло. Попробуйте окатить себя ледяной водой. Вам мгновенно станет тепло, кожа покраснеет, как в бане. По всему телу проходит как бы мобилизация ресурсов, это прекрасная тренировка для сердца и сосудов. Если же задержаться в холодной воде, то организм начинает тратить слишком много энергии на разогрев, может "надорваться" и начать остывать, а это уже опасно, это путь к заболеванию или даже гибели от переохлаждения.
В конструкции тела зверей и птиц многое связано с теплокровностью. Например, четырёхкамерное сердце позволяет ко всем тканям доставлять кровь, богатую кислородом. Процесс дыхания мало отличается от горения, при этом происходят те же химические реакции. Хорошо известно, что для поддержания огня нужен постоянный приток "свежего", т.е. богатого кислородом воздуха. Роль дров в организме выполняет пища. Для постоянного поддержания тепла её надо много, поэтому птицы и звери должны есть больше и чаще, чем ящерицы или многие рыбы, а пищу переваривать гораздо быстрее. Для сохранения выделяющегося тепла теплокровные животные накапливают толстый слой жира и одеваются в мех или плотный слой пуха и перьев.
Мы часто говорим, что шуба греет, но она только удерживает тепло нашего тела. Если надеть её на ледяную скульптуру, то лёд не растает, а только дольше сохранится, спрятанный от внешнего тепла. Главное, что бережёт тело теплокровных от охлаждения, - это прослойка неподвижного воздуха, которая удерживается внутри слоя шерсти или перьев. Например, у ондатры шёрстный покров содержит 21,5 % воздуха. Обитатели суши, когда понижается температура, приподнимают шерсть или перья, увеличивая толщину защитного слоя. В воде это действие не помогает, влага начнет проникать в глубину покрова. Стоит шерсти или перьям намокнуть, они слипаются и перестают согревать. Защита от намокания может заключаться в том, что покров смазывается жиром, причём и зверям и птицам приходится тратить немало времени на уход и укладку своих "шубок". Жир не растворяется в воде. Нефть, которой покрывается вода после аварий на танкерах и нефтепромыслах или просто по человеческой небрежности, легко смывает защитный слой, покровы слипаются и перестают удерживать воздух. Животное может погибнуть от переохлаждения даже в очень тёплой воде.
Самка гаги на гнезде
У птиц, в отличие от зверей, есть только одна жировая железа, кобчиковая. Часто можно наблюдать, как водоплавающие выдавливают надклювьем капельку жира, а потом тщательно покрывают оперение водоотталкивающим слоем. Наружный слой оперения - контурные перья - плотно уложен, а под ним лежит рыхлый слой пуха. Наиболее знаменит гагачий пух. Морская утка гага выстилает им гнездо, выщипывая его на груди и животе. Для того чтобы этих птиц полностью не истребили, разоряя их гнезда, их пришлось взять под охрану. Тем из водоплавающих птиц, у кого совсем нет жировых желёз, например бакланам, приходится "носить" очень плотное оперение и просушивать его после купаний, подолгу сидя с раскрытыми крыльями на солнце и ветерке, время от времени встряхиваясь всем телом.
Из морских млекопитающих воздушную прокладку используют не очень многие. Например, "морская выдра" - калан. Подшерсток у этих зверьков очень густой, и на одном квадратном сантиметре количество волосков превышает количество волос на голове человека. Для того чтобы насытить воздушными пузырьками свою шерсть, калан имеет обыкновение быстро вращаться, лёжа на поверхности воды, вокруг своей оси. Надо заметить, что густая и прочная шерсть каланов, настоящее чудо природы, стала причиной того, что они едва не были уничтожены человеком. То же можно сказать и о морских котиках.
У воздушной теплоизолирующей прокладки есть одно ограничение: она не позволяет слишком глубоко нырять. Вспомните, что вода - плотная жидкость, её плотность принята за единицу. Литр (кубический дециметр) воды имеет массу один килограмм, значит, кубометр воды весит тонну. Легко подсчитать, что на тело, с площадью поверхности 1 м², погруженное в воду на метровую глубину, будет давить столб воды весом в тонну, а на пятидесятиметровой глубине - 50 тонн. Значит, чем глубже ныряет животное, тем сильнее сдавливается, уменьшается защитный слой, тем больше энергии надо тратить на поддержание температуры тела. Поэтому каланы чаще всего питаются на глубине до 30 метров. На больших глубинах они сокращают время пребывания под водой и интенсивнее кормятся.
Если млекопитающие и пингвины имеют второй слой защиты от холода - подкожный жир, то летающие птицы вынуждены "выбирать" между уменьшением веса тела, необходимым для полёта, и увеличением подкожного жирового слоя, дающего возможность уходить за кормом на большую глубину. Это одна из причин, по которой лучшие летуны добывают корм в верхних слоях воды, а лучшие ныряльщики обычно хуже летают.
Размеры животных
Морские млекопитающие, способные дольше всего находиться под водой и добывать пищу с глубины до ста метров (кашалоты - даже до 500 метров), уже должны "полагаться" только на слой подкожного жира. Китообразные имеют особенно толстый слой жира под кожей. Он может достигать нескольких десятков сантиметров и надежно сохранять тепло в глубине тела, в то время как температура на поверхности кожи мало отличается от температуры окружающей воды. Даже тело мёртвого кита долго сохраняет тепло, остывая примерно на 1°С за 28 часов. Кроме того, жиры - это очень ценное "топливо", которое при "сжигании" в клетках даёт больше тепла, чем, например, сахара. Свойства жиров зависят от строения их молекул. Жидкие жиры обычно имеют растительное происхождение (подсолнечное, оливковое масло и т.д.), а животные жиры - обычно твёрдые (свиное сало, сливочное масло).
У животных, которые должны переносить пониженные температуры, повышается процент жидких жиров, похожих на растительные. У этих жиров ниже температура замерзания. Они остаются активными, т.е. могут вступать в химические реакции в более холодных условиях.
Есть сведения, что жидкие жиры лучше изолируют тело животного от холода. По крайней мере, известно, что содержание жидких жиров выше всего в тех частях тела животных, которые подвергаются наибольшему охлаждению, - в конечностях. Это проверено как для ласт китообразных и ластоногих, так и для лап наземных зверей: северных оленей и песцов, а также белого медведя.
Схема кровеносных сосудов в ласте дельфина
Конечно, надо понимать, что подкожный жир - это один из внутренних слоёв организма, он содержит, в отличие от выступающих из кожи частей перьев и волос, живые клетки, пронизан кровеносными сосудами и нервными окончаниями, а значит, способен реагировать на изменение условий внешней среды. Когда организм нуждается в экономии тепла, сосуды выносят к поверхности тела меньше теплой крови из глубины. Если же организму необходимо защититься от перегрева, то сосуды, по которым кровь поступает к коже, расширяются и тепло уходит в окружающую среду. Надо заметить, что птицы и звери, обитающие в Арктике, периодически сталкиваются с проблемой перегрева, ведь на Севере не всегда холодно. У человека, который вылезает из холодной воды, синие губы и бледная кожа, а если он попарился в бане, то кожа становится красного цвета. Морж, который долго ныряет за моллюсками, тоже приобретает синеватый оттенок, а когда он сутками лежит на пляже под незаходящим солнцем, - краснеет.
Выше мы уже упоминали "чудесное сплетение" кровеносных сосудов у некоторых рыб. Кровеносная система птиц и зверей тоже оборудована подобной конструкцией. Особенно хорошо развиты системы противотока в конечностях, например, у китов, морских и околоводных птиц, северных оленей. Разумеется, эти системы имеют свои особенности: всё тело производит тепло, по артериям течёт горячая кровь. В ластах китообразных, для того чтобы терять поменьше тепла, артерия лежит глубоко, а вены, несущие уже остывшую кровь от плавников, оплетают артерию снаружи. К поверхности тела подходит уже остывшая кровь, а к сердцу уходит более тёплая. В результате животное экономно расходует энергию, не пытаясь обогреть своим телом мировой океан.
В тех случаях, когда теплокровному животному угрожает перегрев, тёплая артериальная кровь начинает притекать к конечностям по кожным сосудам и поверхность тела теряет избыточное тепло. Видимо, именно поэтому многие тюлени, перегревшись во время приёма "солнечных ванн", начинают элегантно помахивать ластами.
В ногах и руках человека сосуды тоже обладают подобной способностью, но она выражена слабее, чем, например, у северного оленя.
Отношение площади поверхности к объёму у крупных и мелких животных
Массивному эндотермному животному легче сохранять постоянную температуру тела. Причину этого покажет расчёт. Для простоты возьмём тело, имеющее форму куба. Если куб имеет ребро 1 см, то площадь одной его грани окажется равна 1 см², площадь всей поверхности - 6 см², а объём - 1 см³, если он будет состоять из воды, то его масса составит 1 г. Теперь увеличим ребро в 10 раз. Площадь грани теперь равна 100 см², а всей фигуры - 600 см². Объём при этом составит 10 х 10 х 10 = 1000 см³, а масса - 1 кг. При увеличении грани в десять раз площадь увеличилась в сто раз, а объём и масса возросли тысячекратно. Какое же отношение всё это имеет к животным? Давайте представим себе, что наши кубики - теплокровные животные. Весь объём их тела производит тепло, а теряется оно через поверхность. В меньшем кубике на единственный кубический сантиметр объёма приходилось 6 см² поверхности, а в большем на каждый кубический сантиметр приходится только 0,6 см². Значит, меньший кубик будет быстрее терять тепло и должен больше есть, чтобы компенсировать потери.
Разумеется, таким способом нельзя рассчитать то, что происходит в организме реального животного, однако сравнение рациона животных, питающихся в Антарктике планктонными рачками, крилем, показало что такие рассуждения верны. Китам требуется каждый год количество криля, превышающее их вес в 4 раза; тюленям-крабоедам - в 20-25 раз, а пингвинам - в 70 раз. К глубокому сожалению, это данные исследований антарктических вод. Синие киты, самые крупные известные нам за всю историю Земли животные, достигающие иногда веса в 150 тонн при длине до 33 метров, сейчас внесены и в отечественную и в международную Красную книгу, где им присвоена тревожная I категория: "Вид находится на грани исчезновения".
Закономерность, согласно которой гомойотермные животные более холодных районов имеют более крупные размеры, чем их родственники, живущие в тёплом климате, у биологов называется правилом Бергмана. В популярной литературе часто упоминается и правило Аллена - уменьшение относительных размеров хвоста, ушей, морды, т.е. всех выступающих частей тела у обитателей более холодных областей.
Правило Аллена также можно объяснить исходя из геометрии и физики. Среди тел, имеющих одинаковый объём, самую маленькую поверхность будет иметь шар (можете сами найти формулы и подсчитать). Увеличение размеров, например, ушных раковин прибавляет площадь поверхности, мало изменяя объём тела, значит, животное будет быстрее терять тепло в холодных условиях.
Эти закономерности первоначально были замечены в природе, а затем обоснованы теоретически. Правила в науке необходимы, чтобы составить планы дальнейших исследований, однако они не означают, что им подчиняются всегда и все животные. Размеры и форма тела - это не единственное, что определяет отношение к температуре, а температура - не единственное, что важно для животного. Все физические (температура, давление, влажность, освещённость и т.д.) и химические (какие вещества и в каких количествах присутствуют в среде обитания) факторы действуют на живой организм совместно, да ещё и изменяются в различные сезоны. Кроме того, есть и многочисленные биологические факторы (например, наличие доступной пищи, присутствие хищников и конкурентов).