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

Хайнрих Берндт

Способность захватывать солнечную энергию породила многоклеточные организмы и то поразительное разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня в живой природе. Вслед за тем, как развилась эта способность, а может быть, одновременно на клеточном уровне произошло еще одно вторжение, из паразитического ставшее взаимовыгодным симбиотическим [6] . Благодаря растениям появился кислород, затем образовались бактерии, поглощающие кислород и энергию, и некоторые из них, поселившись внутри других клеток, превратились в митохондрии, а их хозяева стали животными. Митохондрия в клетке – это источник сил и аппарат энергоснабжения, который при наличии доступа к кислороду позволяет клетке расходовать гораздо больше энергии. В результате стала возможна эволюция многоклеточных животных. Одно из ярчайших проявлений высокого энергетического уровня, на котором

существуют живые организмы за счет работы митохондрий, – это конечно же такие животные, как корольки, способные на протяжении всей северной зимы постоянно функционировать на оборотах, для нас практически невообразимых.

6

 В европейской и американской литературе паразитизм противопоставляется симбиозу. В авторитетной российской экологической литературе (например, см.: Н. П. Наумов. Экология животных, 1963) доминирует концепция, в которой паразитизм является одной из форм симбиотических взаимоотношений (сожительства), а также известны другие формы симбиоза – мутуализм (тесное взаимовыгодное сотрудничество), синойкия (квартирантство) и комменсализм (нахлебничество). – Прим. науч. ред.

Митохондриальный очаг метаболизма можно раздуть, если доступно много кислорода, а можно приглушить. Жизнь – это процесс, который использует порожденную метаболизмом энергию, а главное, контролирует ее поток. Метаболизм, подобно огню, дает тепло, а тепло часто равнозначно жизни.

Для нас температура – это ощущение, измеряемое по шкале от горячего до холодного. В физическом смысле температура – это молекулярное движение, которое можно измерить термометром, поскольку чем больше движутся молекулы вещества, например ртути, тем сильнее увеличивается расстояние между ними. Мы измеряем это молекулярное расширение, когда ртуть (или какая-нибудь жидкость) в столбике перемещается вдоль откалиброванной шкалы. Само по себе движение молекул – это еще не жизнь, но ее необходимое условие.

Впрочем, тепло – это энергия, которая должна поступить в систему или покинуть ее, чтобы изменилась температура. Некоторым веществам нужно поглотить больше энергии (например, солнечной), прежде чем их молекулы начнут двигаться, повышая температуру. Одна калория – это количество энергии, которое нужно, чтобы повысить температуру одного грамма воды на 1 °C. Чтобы разогреть такое вещество, как камень, нужно гораздо меньше энергии, чем для воды. Опять же, энергия не есть жизнь, но она необходима для жизни, и все живое ненасытно ее потребляет. Поэтому то, что жизнь сохраняется и даже процветает зимой, когда солнца мало, – настоящее чудо.

Верхнего предела температуры не существует. В нашей Солнечной системе температура поверхности Солнца составляет около 6000 °C, а центр звезды примерно в 3000 раз горячее, то есть его температура около 18 000 000 °C. А вот нижний предел температуры во Вселенной конечен. Это точка, где всякое молекулярное движение останавливается и количество тепловой энергии равно нулю. Жизнь при такой температуре невозможна, но приспособления к зимнему миру, о которых я расскажу, говорят о том, что эта температура не обязательно уничтожает живое. По крайней мере, в теории при самой низкой температуре во Вселенной жизнь может приостановиться, но сохраниться.

Чтобы задать шкалу Цельсия, содержание тепловой энергии в воде поделили на 100 условных единиц между точкой, когда молекулы воды покидают кристаллическую структуру, чтобы стать жидкостью (0 °C), и точкой 100 °C, где жидкая вода закипает, если находится на уровне моря. Нижний предел температуры во Вселенной, или самое низкое содержание энергии в веществе, определяют как 0 ° по шкале Кельвина, и он соответствует –273,15 °C (или –459,7 ° по шкале Фаренгейта). Поскольку вода лежит в основе всех известных нам живых организмов, активная клеточная жизнь, знакомая большинству, возможна лишь в очень узком диапазоне температур между точками замерзания и кипения воды (которые немного меняются в зависимости от давления и наличия в воде растворенных веществ), где можно использовать энергию в контролируемых количествах. Мы в основном состоим из воды, и, замерзая, то есть превращаясь в лед, вода в наших клетках рвет клеточные мембраны, а это смертельно.

Вода воздействует на живое и на уровне экосистем, причем не менее существенно, чем на клеточном уровне. Каждую осень в северных умеренных широтах можно наблюдать, как влияют на экосистему различные физические свойства воды. Согласно опыту большинства существ на Земле, вода – это прозрачная жидкость, текущая вниз по наклонной плоскости, удержать

которую можно только с помощью препятствия. Часть года некоторые из нас также наблюдают воду в виде белого рассыпчатого вещества, которое налипает на деревья и склоны холмов и придает лесу сказочный вид. Это вещество можно сгребать в кучи, можно рыть в нем тоннели и делать из него жилища для человека и зверя. Скапливаясь, оно способно стать таким плотным и глубоким, что через него не пройдешь. Оно порой закрывает растения от света и ломает их. При определенном наклоне земной оси это вещество подолгу накапливается в северных областях и образует ледники, которые изменяют окружающий пейзаж, стирая в порошок горы и выглаживая долины. При изменении температуры всего на 1 °C или меньше вода также может стать прозрачным веществом, похожим на стекло, и запереть поверхность озера, так что по ней можно будет спокойно ходить.

В зимнем мире практически все решает кристаллизация воды. Всего за несколько часов это явление может изменить физическую поверхность земли, а за миллионы лет оно в корне изменило физиологические, морфологические и поведенческие свойства всех организмов, которым приходится противостоять магическому превращению жидкости в кристаллы.

Каждую осень зимний мир постепенно и неумолимо наступает на обитателей Северного полушария. Ночи становятся все длиннее и холоднее. На землю попадает меньше солнечной энергии. Сначала замерзает и образует твердое покрытие вода в плодородном слое почвы (если та еще не покрылась снегом). Последними замерзают самые быстрые речки и ручьи, потому что здесь вода постоянно смешивается с холодным воздухом в месте соприкосновения этих сред. Холод, замораживающий воду, поступает от воздуха прямо над водой. Вода хотя бы немного теплее воздуха. Если она перемешивается (как в быстрых потоках), ее поверхность не так стремительно остывает до 0 °C.

Затем в одну прекрасную ночь происходит неизбежное: водоемы замерзают. Температура падает настолько, что движение молекул воды на стеблях прибрежных трав, веточках и листьях, плавающих по краю водоема, замедляется достаточно, чтобы эти молекулы заняли устойчивое положение и образовали кристаллическую структуру. Теперь стебли, веточки и листья служат ядрами кристаллизации для формирования льда. Молекулы воды, как закатывающиеся в лузу бильярдные шары, занимают свои места, сначала без разбора на любом предмете, который им встретится, а затем на других молекулах, которые уже пришли в состояние покоя, и образуется ледяная кристаллическая решетка. То небольшое количество энергии, которое еще оставалось у этих молекул, теперь выделяется в виде тепла – теплоты кристаллизации в размере 76,7 калории на каждый грамм жидкой воды, превратившейся в лед (этого тепла недостаточно, чтобы температура в пруду или озере хоть сколько-то заметно повысилась, потому что масса воды гораздо больше и очень быстро поглощает теплоту; однако, если резко заморозить отдельную капельку, часто возникает ощутимый «экзотермический эффект» – повышение температуры на несколько градусов Цельсия).

Кристаллы льда образуются и вытягиваются по поверхности воды, как острые пальцы. Они встречаются, смыкаются, и к утру весь пруд может покрыться прозрачной пленкой, которой водные обитатели теперь физически отделены от тех, что на суше. Всего одна ночь, и уже можно буквально ходить по воде – очевидно, не в силу сверхъестественных способностей, а благодаря физическим свойствам этой жидкости при температуре ниже нуля.

Когда вода в водоеме превращается в лед, происходит одна примечательная, простая, но очень существенная вещь. Вспомните, что бывает, то же самое случается в облаке. Здесь ледяные кристаллы начинают падать, потому что вода и лед тяжелее воздуха и воды в газообразной фазе. Но, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, она становится легче. Иначе кристаллы льда, образовавшись на поверхности водоема, сразу тонули бы. Сначала тепло у дна постоянно растапливало бы поступающие сверху кристаллы, но в какой-то момент температура здесь опустилась бы до 0 °C или ниже. Тогда вода замерзала бы снизу вверх, а не сверху вниз. В экологическом плане это явление привело бы к тому, что на севере не было бы водоемов. Летом на солнце таяли бы только верхние слои льда, и любой дерзнувший появиться здесь водоем вскоре превращался бы в огромную вечную ледяную линзу.

Также в экологическом аспекте большое значение в поведении воды имеет то, что при изменении температуры меняется ее плотность. Холодная вода более плотная, чем горячая, так что первая опускается, а вторая поднимается. То же верно и для воздуха. Но плотность воды меняется не так равномерно. Она достигает наибольших значений при 4 °C. Поэтому, когда весной озера прогреваются от 0 до 4 °C и лед тает, поверхностные воды опускаются. Более плотные, они вытесняют со дна холодную воду с ее питательными веществами – те поднимаются к поверхности и питают живые организмы наверху.