Человеческий род развивался на равнинах Африки, поэтому наша морозоустойчивость ограничена. Однако многие животные, в отличие от нас, замечательно приспособлены к холодному климату. От мороза их защищает густой мех или толстый слой подкожного жира, у них крупное тело и короткие конечности, что способствует уменьшению площади поверхности по отношению к объему, а значит и сокращению теплоотдачи, кроме того, у многих в тканях и крови присутствуют белки-антифризы. Другие виды просто сокращают активность в холодное время года, на период зимовки позволяя организму сильно остыть и снижая тем самым уровень метаболизма. Способ этот настолько эффективен, что для многих животных настоящую трудность обитания в условиях сурового климата представляет не холод, а скудная кормежка.

Мех (и перо) греет за счет того, что воздух, заключенный между шерстинками или ворсинками, обеспечивает дополнительный слой изоляции. Поднимая шерсть дыбом или ероша перья, животные и птицы увеличивают эту воздушную прослойку и еще больше сокращают утечку тепла. Воздух – очень хороший изолятор. Именно поэтому многослойная одежда греет лучше, чем один, пусть и теплый, слой. То же самое касается нательной майки в сетку – несмотря на свою ажурность, она греет за счет воздушных «карманов». (Сетчатую майку изобрели для британской антарктической экспедиции на Землю Грэма 1920–1922 гг., и в моем детстве они еще были в ходу, хотя сейчас вышли из употребления.)

При сильном ветре защитные функции меха снижаются, поскольку ветер уносит теплый воздух из воздушных пазух. Теплее было бы носить шубу мехом внутрь, как делают эскимосы, но самим животным эта возможность недоступна. Понятно, что в развитых странах мех носится исключительно как дань моде или статусу, а не из практических соображений, поскольку мехом внутрь надеваются только дубленки.

Мех и перья отлично защищают на воздухе, но совершенно бесполезны в воде, поскольку без воздушной прослойки изолирующие свойства теряются. В воде гораздо лучшим изолятором служит жир или ворвань. У тюленей, например, имеются значительные запасы подкожного жира, как и у белых медведей, которые много времени проводят в ледяной воде. Именно поэтому тучный человек в холодной воде продержится дольше худого.

Встав голыми ногами на плавучую льдину, человек немедленно получит обморожение, однако пингвины стоят так всю жизнь – и ничего. Секрет в том, что ласты пингвинов никогда не охлаждаются до температуры льда благодаря кровотоку, который поддерживает в них температуру на несколько градусов выше ноля. Когда температура воздуха падает ниже –10° С, императорские пингвины сокращают точки соприкосновения с поверхностью, опираясь только на пятки и хвост, приподнимая кончики ласт и прижимая плавники к бокам. На первый взгляд может показаться странным, что ласты пингвинов так слабо изолированы, однако на самом деле все просто: остальное тело пингвина изолировано очень хорошо, поэтому сбрасывать излишки тепла, выработанного физической нагрузкой, остается только через немногочисленные «голые» участки, в число которых входят и нижние конечности.

Рыбе затруднительно поддерживать температуру тела выше температуры окружающей воды, поскольку для дыхания ей требуется постоянно прогонять на высокой скорости большое количество крови через жабры, а при этом теряется много тепла. У тунца и акул сформировался сосудистый противоточный теплообменник, позволяющий поддерживать в мышцах температуру на 20° С выше, чем в остальном теле. Подобно описанной в главе 3 rete mirabile у антилоп, эта система представляет собой сеть из сотен переплетенных вен и артерий, но в данном случае тепло передается от нагретой крови, покидающей рабочие мышцы, к более холодной крови с поверхности тела. Нагретые мышцы позволяют тунцу развивать скорость до 18 км/ч. Схожие теплообменники имеются в ластах тюленей и дельфинов, а также в хвостовых плавниках китов, где они предотвращают утечку тепла в ледяные воды. Длинные голые ноги болотных птиц, которые весь день ходят по воде, тоже снабжены rete mirabile. Именно поэтому им, в отличие от человека, «траншейная стопа» не грозит.

Адаптироваться к постоянному холоду животным помогают и биохимические изменения на клеточном уровне, позволяющие функционировать при пониженной температуре. Если человеческие нервы и мускулы, охлаждаясь до 8° С, перестают работать, то у арктических животных они исправно действуют, даже охладившись почти до нуля. Разница эта обусловлена различием в жирах (липидах), которые содержатся в клеточных мембранах. У большинства животных жир при охлаждении делается твердым и ломким, однако жир в ногах у чаек и других обитателей холодных краев отличается совсем иной температурой плавления, чем жир из внутренней полости тела. Жир, добытый из стоп карибу, остается на холоде жидким, поэтому эскимосы используют его в качестве смазки, тогда как жир из верхней части ноги твердеет даже при комнатной температуре, и его употребляют в пищу. В наших краях костяное масло, добываемое из ног рогатого скота, используется для смазывания кожи, чтобы она не трескалась на холоде. Все эти различия в свойствах объясняются количеством насыщенного жира в клеточных мембранах. Насыщенные жиры, такие как сливочное масло, твердеют при низкой температуре, тогда как ненасыщенные жиры остаются мягкими или жидкими, подобно оливковому маслу. Поразительно, что жировой состав мембраны одной и той же нервной клетки может варьироваться на всем ее протяжении: на концах насыщенного жира будет меньше, а в толще глубинных тканей – больше. Таким образом обеспечивается одинаковая проходимость мембраны по всей длине клетки для поддержания нервной и мышечной деятельности даже на холоде.

Как и люди, животные меняют свое поведение, приспосабливаясь к холоду. Условия обитания императорских пингвинов (Aptenodytes forsteri) можно отнести к числу самых суровых на Земле. Птенцы у пингвинов вылупляются в самый разгар зимы, при температуре около –30° С, ужесточающейся ледяными ветрами, скорость которых доходит до 200 км/ч. Гнездовья располагаются не на плавучем льду, а на шельфовом, откуда до открытого моря многие километры. На этой ледяной пустоши нет пищи, поэтому в период высиживания пингвинам приходится голодать. В марте, когда ледяной пояс вокруг Антарктиды сужается, пингвины начинают долгий переход к местам гнездовья. Отложив в конце мая – в июне одно-единственное яйцо, самка отправляется в море охотиться, оставляя супруга высиживать потомство в специальной выводковой камере (брюшной складке) до ее возвращения через два месяца. Самец остается зимовать на ледяной пустоши. Все это время он не ест и выживает исключительно за счет жировых запасов. К возвращению самки он теряет около 40 % веса, однако на этом его голодовка не заканчивается: сдав пост супруге, он вынужден отправляться за едой к открытому морю, которое теперь лежит километрах в двухстах, поскольку за зиму намерз новый береговой лед. В итоге самцу приходится поститься свыше 115 дней – с того момента, как он покидает морской берег, и до возвращения к морю.

Ученые подсчитали, что тепла, вырабатываемого жировыми запасами, недостаточно чтобы поддерживать температуру тела пингвина на привычной для него отметке в 38° С в условиях ледяной антарктической зимы. Как же тогда выживают императорские пингвины? Секрет в их социальном поведении. Взрослые пингвины, а затем и вылупившиеся птенцы сбиваются в плотные стаи по нескольку тысяч особей. Прижимаясь друг к другу, они уменьшают поверхность тела, контактирующую с ледяным воздухом, и тем самым берегут тепло. Эти гигантские стаи находятся в постоянном движении, поскольку пингвины с краев постепенно пробираются к центру, вытесняя согревшихся на окраину.

Таким способом согреваются не только пингвины. Пчелы в холодную погоду тоже сбиваются вместе, что позволяет рою перезимовать при температуре, которая для одинокой пчелы оказалась бы смертельной. Когда температура падает, пчелы жмутся ближе к соседям, тем самым сокращая теплоотдачу. В центре роя температура может достигать 30° С при наружной температуре воздуха в 2° С. На периферии холоднее – около 9° С, но и эта температура позволяет пчеле поддерживать жизнедеятельность. Как и у пингвинов, в пчелином рое также происходит постоянная ротация от краев к центру. Группе людей, застигнутых морозом, тоже не повредит брать с них пример. Хотя человек издавна прибегал к этому способу – например, укладывание всей семьей в одну постель в традиционных сообществах служит той же цели (правда, без ротации от центра к краям эффективность несколько снижается).

Насекомым для полета требуются теплые мышцы – замерзшие летательные мышцы попросту не работают. Именно поэтому кенийцы из племени вакамба обирают гнезда диких пчел по ночам, когда пчелы обездвижены холодом. Поскольку в покое температура тела насекомого близка к температуре среды, перед первым утренним вылетом им приходится разогреваться. Одни для этого просто выползают на солнце, другие – например, мотыльки и пчелы, вырабатывают внутреннее тепло быстрым сокращением летательных мышц. Мотыльки бесшумно дрожат крыльями, а пчелы разогреваются, сокращая только мышцы и не двигая при этом конечностями. Тело шмелей покрыто «шубой», которая уменьшает теплоотдачу почти вдвое. Бабочки, в отличие от мотыльков, в отсутствии солнечного тепла не могут подняться в воздух, поэтому порхающими над цветами мы видим их только в теплые солнечные дни. Рано поутру они протягивают крылья к солнцу, и те, подобно солнечным батареям, аккумулируют тепло и передают его мышцам. Только после этого бабочка может взлететь. Когда солнце скрывается за облаками, температура падает на один-два градуса, и бабочкам снова приходится садиться.

Ящерицы, как и насекомые, относятся к пойкилотермным животным, поэтому обогреваются с помощью солнца. Замерзнув, они поворачиваются перпендикулярно солнечным лучам, чтобы вобрать как можно больше тепла. В пустыне, где земля теплее воздуха, они прижимаются к поверхности, чтобы согреться, а на холодных скалах зарываются в сухую траву. Когда становится слишком жарко, они уходят в тень или забиваются под землю. У крупных животных на обогрев уходит гораздо больше времени, и, скорее всего, именно поэтому крупные рептилии (крокодилы, вараны, комодские драконы и гигантские черепахи) обитают в тропиках. У некоторых ящериц на коже имеются специальные пигментные пятна, регулирующие поступление тепла из окружающей среды. На холоде черные пигментные клетки расширяются и увеличивают поглощение тепла, а на солнце сжимаются, открывая соседние клетки, отражающие инфракрасное излучение. Чтобы в заторможенном состоянии не стать добычей более стремительных хищников, у безухой ящерицы выработались удивительные меры предосторожности. Поутру ящерица высовывает голову из норы, подставляя солнцу большую кровеносную пазуху. И лишь когда нагретая кровь обеспечит нужную температуру тела, ящерица вылезает наружу целиком, готовая при необходимости «унести ноги».

Змеи, подобно человеку и насекомым, вырабатывают тепло сокращением мышц. В 1832 г. французский ученый П. Ламар-Пико предположил, что индийский тигровый питон, сворачиваясь кольцами вокруг кладки яиц, согревает их исключительно теплом собственного тела. В то время к его гипотезе отнеслись скептически, и она была отвергнута Французской академией наук как «спорная и опасная». Однако Ламар-Пико оказался прав. Исследования, проведенные в 1960-х гг., показали, что сокращением мышц питон способен поддерживать температуру тела на 5° С выше температуры окружающей среды.

Крайними способами поведенческой адаптации к холоду являются миграция и зимовка. Мелким млекопитающим в холодном климате не удается поддерживать внутреннюю температуру в 37° С, поскольку им просто не хватает пищи, чтобы обеспечить организм «топливом». Поэтому они на время отказываются от гомойотермности и впадают в спячку, дожидаясь пока потеплеет. Поскольку холодным тканям требуется меньше энергии, метаболические процессы замедляются, тем самым сберегая энергетические запасы, а температура тела постепенно опускается до температуры окружающей среды. Сердечный ритм, дыхание и биохимические реакции тоже затормаживаются. При этом зимняя спячка не пускается на самотек – это не просто отказ от обогрева организма, а переключение «термостата» на более низкую температуру. Если температура окружающей среды падает ниже 2° С, животные начинают активно вырабатывать тепло, поддерживая температуру тела между двумя и пятью градусами, чтобы не промерзнуть. В сильный мороз они могут даже проснуться. Механизмы, погружающие животное в спячку, регулируются температурой, длиной светового дня и доступностью пищи – сокращение этих параметров сигнализирует о приближении зимы. Весной животное выходит из спячки стремительно, поэтому внутренняя температура может в течение полутора часов подскочить на 30° С. Быстрому пробуждению способствуют гормоны, активирующие метаболизм в буром жире, который и согревает тело зверька.

Мелкие птицы отряда воробьиных мигрируют зимой в теплые широты или переселяются с гор в долины. Это помогает им избежать зимних холодов и бескормицы, но в то же время требует определенной физиологической адаптации. Большинству мелких птиц необходимо как следует откормиться перед перелетом, поскольку он отнимает много сил и энергии. Многим приходится делать по дороге остановки для пополнения энергетических запасов, поскольку перелет накладывает весовые ограничения и запасти весь необходимый объем сразу птицы не могут. Забавно, что люди, улетающие в теплые края на зимний отдых, наоборот, стараются перед поездкой сбросить вес.