Пчелы в клубе и воскресающие лягушки

Пчелы в клубе и воскресающие лягушки

Почему пчелы любят танцевать и проводят зиму в клубе? Как лягушки могут помочь криобиологам научиться сначала замораживать людей, а потом возвращать их к жизни? Как бобрам удается замедлять сердцебиение и нырять на 15 минут? Об этих и других секретах выживания  растений и животных в самые суровые месяцы рассказывает в своей книге «Зима» известный американский натуралист Бернд Хайнрих.

Бобры: в тесноте, да не в обиде

Источник: Wikipedia

Каково это — целые месяцы проводить в тесноте и почти полной темноте, если не считать, может быть, одного в день заплыва за кормом в покрытой льдом и снегом темной ледяной воде? А ведь именно так выживают бобры в суровое зимнее время. 

Вода играет важную роль в обеспечении бобров пищей зимой. Осенью эти животные принимаются за работу и усердно трудятся, как и положено бобрам. Вся семья участвует в деле и валит деревья в близлежащем лесу. В основном животные предпочитают молодые, быстро растущие деревья, которые утаскивают целиком. 

Деревья расчленяют, их части оттаскивают в воду и подгоняют по воде к хатке. К моменту, когда встанет лед, бобры собирают возле хатки кучу хвороста весом в десятки килограммов. Она упирается в дно пруда, а верхушка торчит из воды. Толщиной в треть метра и твердые, как бетон, стены хатки обеспечивают ее обитателям безопасность и тепло в самые сильные морозы. Когда встанет лед, если бобру нужно поесть, он выбирается из хатки под водой и плывет к складу за ветками, которыми будет питаться. Во время таких заплывов, как и у других ныряльщиков, у бобра замедляется сердцебиение и снижается потребление энергии, что позволяет продлить нырок (примерно до 15 минут). 

Зимой бобры запасают деревья возле хатки. Источник: Wikipedia

Бобры запасают много пищи, но в целом в ней мало полезных калорий. Как и многие другие травоядные животные, в том числе термиты и тараканы, к тому, чтобы компенсировать этот недостаток, они приспособили переваривающих целлюлозу бактерий у себя в кишечнике. Бобры используют свою богатую целлюлозой пищу повторно, поедая собственные свежие фекалии. Несмотря на все это, осенью они также набирают жир. Наконец, взрослые особи (но не растущие детеныши) зимой экономят энергию: они становятся способны вынести большие колебания температуры тела и в среднем снижают ее примерно на 1 °C. 

Поиски пищи под водой зимой также ограничивает температура. Бобры относятся к особой группе животных, способных плавать в ледяной воде благодаря своему исключительному меху, который сохраняет кожу сухой, удерживая около нее слой воздуха. Это отчасти решает проблему, а изолирующий слой воздуха получается за счет густого и тонкого пушистого подшерстка и защищающей его более толстой высокоспециализированной «ости», длинной и лоснящейся (шерсть бобров чуть не навлекла на них полное уничтожение, потому что из нее валяли шляпы). 

Пчелы: любовь к танцам и зима в клубе

Источник: Wikipedia

Медоносные пчелы — единственные насекомые Северного полушария, способные сохранять активность и не замерзать в течение всей северной зимы. Они умеют поддерживать зимой определенный микроклимат, защищая и себя, и развивающееся потомство. Если в это время года пчела отделится от общей группы, то почти мгновенно замерзнет насмерть, подобно клетке, которую извлекли из тела животного. А если каким-то чудом насекомое сможет перенести холод, то неизбежно погибнет от голода.

За прошлый век ученые узнали об этих насекомых много неожиданного, в частности исследовали явление, которому принято почти не придавать значения, — терморегуляцию в колонии. Даже зимой центр пчелиного клуба (прим. клуб — скопление, в которое пчелы собираются в гнезде зимой, чтобы провести холодное время года) остается в пределах 1–2° от 36 °C. Снаружи улья может быть –40 °C или +40 °C, а пчелы поддерживают внутри одну и ту же температуру.

Самое главное в этом деле — правильно выбрать укрытие или место для гнезда. В гнезде медоносных пчел должно хватить места не только для полчища из десятков тысяч насекомых: нужно разместить еще и яйца, личинок и куколок, а также выделить большой склад для энергетических запасов. 

Правильно подобрать место для гнезда очень важно. Это происходит весной или в начале лета, когда колония разделяется: в это время старая матка покидает семью, а если она не улетает сама, ее изгоняют дочери. Старая матка берет с собой 10000–20000 дочерей-помощниц. Вместе с маткой они образуют рой, которому в тот момент некуда идти. Сначала рой временно прививается на ветке дерева, а оттуда на поиски нового дома вылетают пчелы-разведчицы. Подобно тому как человек осматривает дом, где подумывает поселиться, пчелы вымеряют размеры потенциального места для гнезда и оценивают другие важные параметры. Затем разведчицы многократно возвращаются туда с проверками. Постепенно каждая пчела принимает решение, и если считает место подходящим, то оставляет пахучую метку и докладывает рою. 

«Докладывает» может показаться надуманным антропоморфизмом, но пчела делает именно это. Она совершает телом серию движений, которые называются пчелиным танцем (ритуальное изображение полета к потенциальному новому дому или хорошему источнику пищи), и таким образом не только обозначает на поверхности роевой грозди расстояние до места для гнезда и нужное направление, но и примерно оценивает пригодность этого участка по результатам тщательного осмотра. Пчелы, которые скоро полетят исследовать указанное ею место, «читают» сообщение разведчицы, танцуя вместе с ней и следуя ее инструкциям: они наблюдают за языком ее тела и успешно расшифровывают ее движения с помощью собственных. Пчела передает информацию настолько точно, что другие насекомые, которые никогда не были в указанном месте, могут полететь и осмотреть его сами, даже если оно находится за несколько километров. 

Пчелиная семья может за одно лето приготовить до 90 кг меда. Источник: Wikipedia

Когда рой устроился на новом месте для гнезда (в дикой природе это обычно полое дерево), следующая первостепенная задача — собирать нектар и пыльцу и строить для хранения пыльцы и меда приемники (из воска, который выделяется в специальных железах в брюшке насекомого). Мед служит пчеле топливом для производства тепла, а из пыльцы получается «пчелиный хлеб», преимущественно белковая пища, которой кормят личинок, чтобы они росли. Мед — практически чистый концентрат сахаров, рабочие пчелы набирают его в виде нектара в желудок и отрыгивают в восковые хранилища-соты. 

В северных умеренных широтах пчелиная семья, живущая среди пышных полей, за одно лето может приготовить почти 90 килограммов меда. Этого более чем достаточно, чтобы обогревать улей всю зиму, так что избытки можно с чистой совестью собирать и есть без вреда для колонии.

Конечно, сам по себе мед не дает тепла, пока его не сожжешь, то есть не включишь в обмен веществ. При этом, чтобы извлечь энергию из углерод-углеродных связей в молекулах сахаров, нужен кислород, а выделяться будут углекислый газ и вода. Медоносные пчелы перерабатывают мед (то есть сахара из него) в ходе обмена веществ во время полета, когда собирают пыльцу и опять же мед, а помимо этого исключительно при дрожи, чтобы согреться. При дрожи работают те же мышцы, что и при полете, только крылья не движутся, потому что и поднимающая, и опускающая крыло мышцы находятся в состоянии длительного тетанического сокращения и тянут в противоположных направлениях, пока обе не окажутся туго натянуты. 

Поскольку на дрожь расходуются ценные запасы меда, пчелы прибегают к ней как можно реже. Вместо этого зимний клуб, во многом похожий на роевую гроздь, сперва начинает сберегать энергию. Когда температура снаружи, а затем и внутри улья понижается, пчелы собираются вместе и образуют все менее объемное и более плотное скопление. 

Пчелиный рой временно прививается на ветке дерева. Источник: Wikipedia

Общий эффект регуляции температуры в клубе можно объяснить, если разделить пчел на тех, что находятся в его внешних слоях (в корке), и тех, что находятся в центре (в ядре). Чем ниже температура снаружи, тем сильнее корковые пчелы стремятся заползти внутрь клуба. Когда клуб сожмется до минимальных размеров, пчелы самого внешнего слоя корки могут втиснуть внутрь уже только переднюю часть туловища. Они затыкают все дырки, и тепло, которое вырабатывается благодаря метаболизму у пчел внутренних слоев, оказывается замкнуто в клубе. Конечно, часть тепла все же уходит за счет конвекции и теплопроводности, и какое-то время оно все еще в достаточной степени согревает корковых пчел. Но в конце концов корка остынет настолько, что пчелам в ней придется дрожать и использовать собственное тепло. И наоборот, если температура окружающей среды растет, перепад между температурой внутри и снаружи клуба уменьшается. Тогда уходит меньше тепла, и пчелы внутри нагреваются. Когда им становится слишком жарко, они выползают туда, где прохладнее, — на корку, и во всем клубе образуются полости и отверстия. За счет того, что пчелы бегут от жары, клуб расширяется, в нем везде возникают новые воздушные каналы и уходит еще больше тепла. 

В отличие от других местных северных насекомых, медоносные пчелы не могут пережить заморозку. Им нужно постоянно поддерживать температуру тела выше примерно 15 °C, чтобы оставаться активными (или способными ползать), а чтобы управлять крыловыми мышцами и развить достаточную мощность для подъема в воздух и горизонтального полета, температура мышц должна быть хотя бы 30 °C. В улье зимой многие пчелы испытывают падение температуры тела до 12–15 °C. Это нижний предел, при котором пчела способна ходить, и именно за эту низшую точку насекомые «борются» в корке клуба или роевой грозди, потому что при более низкой температуре тела они не могут двигаться. При температуре тела ниже примерно 12 °C пчела начинает терять физиологический контроль. Собственный метаболизм уже не позволяет ей снова разогреться дрожанием, и она не может заползти назад в общественный клуб, чтобы согреться за счет общего метаболизма колонии. Таким образом, если пчеле пришлось отделиться от семейного зимнего клуба, оказавшись снаружи улья, она погибает, как только температура вокруг нее (например, на снегу) окажется на 3–4° ниже нуля, а при температуре тела в –2 °C ее убьют образующиеся в теле кристаллы льда. Поэтому, вылетая по нужде при температуре около 0 °C, медоносная пчела не должна позволить себе сильно остыть, прежде чем вернется в тепло пчелиного клуба в улье. 

Лягушки: надежда на вечную жизнь

Источник: Wikipedia

Заморозить тело и вернуть его к жизни, разморозив, — давняя голубая мечта криобиологов. Лягушки, зимующие в состоянии гибернации на земле в лесу, делают это регулярно: с наступлением весны, когда пора спариваться, они выходят из заморозки. Лягушки — чудо живой природы и способны пошатнуть наши представления о пределах возможного. 

В Северной Америке распространено несколько видов зимоспящих лягушек — лесная лягушка, изменчивая квакша, свистящая квакша и трехполосная квакша (Pseudacris triseriata), — которые устойчивы к замерзанию. У таких лягушек в полости тела и межклеточном пространстве образуется лед (у лесной лягушки в лед может превратиться до 65 % воды в теле), но у тех, кто при этом выживает, в самих клетках кристаллы льда не образуются. Обычно, если кристаллы льда появляются в клетке, это смертельно: острые как нож, они рассекают мембраны, протыкают органеллы и рушат клетку. Смертельный порог температуры для лягушки — всего –8 °C, поскольку при температуре ниже этой лед все же начинает возникать в клетках. Но в местах, где проводят зиму лесные лягушки, под листьями и снегом, температура редко опускается ниже. 

Все четыре упомянутых вида лягушек, зимующих на поверхности земли, способны выжить, если половина воды у них в теле обратится в лед, но это невозможно без химических средств, которые решают две основные проблемы. Одно соединение (чаще всего это спирт глицерин) в случае замерзания лягушки защищает мембраны, а другое (в основном глюкоза) участвует преимущественно (но не исключительно) в осмотической реакции, благодаря которой лед образуется только снаружи клеток. Однако, в отличие от многих затвердевающих на холоде насекомых, которые тоже используют спирты и сахара и пропитывают ими свои ткани перед зимой, лягушки осенью перед замерзанием не накапливают в теле эти вещества. Они ждут, когда начнет образовываться лед, и тогда за один день перестраиваются и становятся морозоустойчивыми. Лягушки получают способность переносить замерзание благодаря модифицированной адреналиновой реакции страха, характерной для других позвоночных, например человека. 

У всех позвоночных животных есть физиологическая реакция «бей или беги», когда от органов чувств поступает информация об угрозе, скажем, о нападающем льве, и это вызывает выброс гормона адреналина из надпочечных желез. Адреналин вызывает разнообразные эффекты, но в целом они складываются в готовность тела противостоять ситуации. Ускоряется сердцебиение, в крови повышается уровень глюкозы, больше крови поступает к мышцам. Эта адреналиновая реакция у лесных лягушек изменилась таким образом, чтобы противостоять замерзанию, которое для всех водных лягушек и, конечно, для человека смертельно. 

Когда первые кристаллы льда начинают формироваться у лесной лягушки на поверхности кожи или внутри ее, запускается реакция тревоги. Рецепторы кожи передают сообщение о замерзании в центральную нервную систему (ЦНС), а ЦНС активирует мозговой слой надпочечников, чтобы те выделяли адреналин в кровеносную систему. Поступая в печень, адреналин активирует в ней ферменты, которые преобразуют запасы гликогена в этом органе в глюкозу. В результате лягушка реагирует резким ростом глюкозы в крови. У лесной лягушки это очень мощная реакция, и, прежде чем лед достигнет клеток, они оказываются наполнены глюкозой, которая действует как криопротектор. 

Ровно наоборот все происходит снаружи, в пространстве между клетками, где особые белки индуцируют образование кристаллов льда и стимулируют его образование в областях с жидкостью низкой концентрации. В результате образуются камеры концентрированной жидкости, которые путем осмоса вытягивают воду из клеток, и те становятся еще более устойчивы к образованию льда. Примерно через 15 часов лягушка замораживается до твердого состояния, за исключением внутреннего содержимого клеток. Сердце останавливается. Кровь не течет. Дыхания нет. Почти по всем параметрам животное мертво. Но готово вернуться к жизни.