10
Секреты сверхвыносливости верблюдов
Решения, предложенные животными, – дело эволюции. Это следствия экспериментов, которые проводились без пристрастий и предубеждений на протяжении миллионов лет. Их результаты поучительны, потому что миллионы экспериментов дали множество очень разных вариаций, и в этом многообразии мы находим как возможности, так и ловушки на пути к конкретным целям. Животные эволюционировали, чтобы решить различные задачи, которые не обязательно совпадают с нашими или с теми, с которыми мы, возможно, хотели бы справиться. Вместо бега некоторые из них развили такие тяжелые средства защиты, как панцири и шипы (черепахи и дикобразы), или химическую защиту (скунсы). Для нас и, вероятно, для других крупных позвоночных животных, в том числе многих динозавров, скорость передвижения была и есть первостепенной, будь то хищники или их добыча. Для верблюдов первостепенную важность имеет дальность расстояний, а потому именно они, а не антилопы могут кое-что рассказать нам о выносливости.
Верблюдов не считают быстрыми бегунами. По сравнению с антилопами это флегматичные, неловкие копытные. Они интересны своей удивительной способностью выживать в жару и в суровых условиях засухи. Они показывают, как справляться с избыточным теплом при недостатке воды. Тем не менее перед ними стоит та же проблема, с которой часто сталкиваются ультрамарафонцы. Что есть у верблюдов, чего не хватает людям и многим другим животным? Ответы на некоторые из этих вопросов есть в одной прекрасной книге. Хильда Готье-Пильтерс и Энн Иннис Дегг в течение многих лет наблюдали и изучали дромадеров – одногорбых верблюдов – в пустыне Сахара.
Во время любого забега на значительное расстояние все участники супермарафона сталкиваются с одной и той же проблемой: необходимостью справиться с перегревом, сопровождающимся потерей жидкости и энергии. С этой проблемой всю свою жизнь сталкивается и верблюд. Разница между бегуном на длинные дистанции и верблюдом в том, что многие верблюды вынуждены справляться с обезвоживанием почти непрерывно, в то время как марафонцу приходится иметь с этим дело только во время забега. У бегуна, который бежит дистанцию в одну милю, с этим проблем не будет, а вот на десятом километре может случиться перегрев. Я же планирую бежать 100 км, где нехватка жидкости и энергии будет иметь решающее значение. Для верблюдов эта сотня – привычная дистанция, так что их пример может стать поучительным, ведь экстремальные условия наиболее ярко освещают проблемы и их решение.
В отличие от антилоп и лошадей, верблюды не показывают хороших результатов в спринте. Считается, что максимальная скорость их бега составляет около 16 км/ч, в то время как лошадь Секретариат, общепризнанный мировой рекордсмен, выиграла полуторамильную гонку Бельмонта в 1973 году за 2:24, то есть в среднем ее скорость составила 60 км/ч. Тем не менее верблюды могут пройти 160 км за 16 часов. Они могут пересечь 300 км между Каиром и Газой за два дня. В однодневном забеге между лошадью и верблюдом на 176-километровой трассе лошадь выиграла, но это едва ли можно считать убедительной победой, поскольку на следующий день она пала, а верблюд продолжил путь. Люди пробегали 600 км за четыре дня и еще долго жили, продолжая бегать. Янис Курос, грек, ныне проживающий в Австралии, возможно величайший ультрамарафонец за всю историю, за 10,4 дня пробежал 1000 миль (1600 км), что в среднем составляет 153,4 км в день.
Верблюды
Не нужно напрямую сравнивать результаты человека и верблюда, поскольку люди-бегуны свободно подкреплялись едой и напитками. Верблюды такого снабжения не получали. Тем не менее они преподают нам урок: медленный и непоколебимый побеждает в гонке.
Верблюды, как правило, ходят, а не бегают. Когда они все же бегут, их передняя и задняя ноги с одной стороны двигаются вперед одновременно, после чего одновременно перемещаются передняя и задняя ноги с другой стороны. При такой походке тело раскачивается из стороны в сторону, опираясь сначала на две ноги с одной стороны, а затем – с другой. Эта походка, противоположная движению наших ног и рук во время бега, бережет силы верблюда, так как позволяет ему меньше использовать мышцы-антагонисты, которые могут контролировать раскачивание и обеспечивать большую стабильность и маневренность. Стабильность и быстрая маневренность не нужны большому верблюду на широких открытых пространствах пустыни, где ему практически не угрожают хищники.
Верблюды не являются неуязвимыми. Они могут умереть от переутомления или плохого ухода. Это выяснили французы в 1883 году в египетском Судане, когда создали верблюжий корпус, участвовавший во всех их военных операциях до 1921 года. В 1900 году 20 из 34 тысяч верблюдов умерли, по-видимому, от большой нагрузки и ненадлежащего ухода. Позже французы нанимали всадниками пустынных кочевников, и эти мехаристы на верблюдах добились больших успехов в пустыне. У мехариста всегда было два верблюда: один работал, а другой отдыхал. При передвижении на большие расстояния каждый из них проходил половину пути. При этом мехаристы, которых обычно возглавлял французский офицер, преследовали мятежных кочевников, таких как выносливые туареги, на поразительно долгие расстояния. Во время одного знаменитого рейда в марте 1932 года капитан Ле Кок и его мехаристы за восемь дней преодолели 770 км, преследуя эмира Адрара, убившего несколько французов. В 1911 году капитан Шарле и его верблюжий корпус на протяжении 7 тысяч километров преследовал туарегов, которые незаконно торговали рабами. После таких долгих ультрамарафонских подвигов боевым верблюдам обычно требовалось от шести до восьми месяцев отдыха, а чересчур переутомленным животным для полного восстановления нужен был целый год.
Если передвигаться нужно быстро, а расстояния длиннее тех, что привычны верблюдам, то высокие затраты энергии способствуют повышенной выработке внутреннего тепла. Дополнительное поступление тепла из внешней среды увеличивает угрозу перегрева животного. Физиологически верблюд может противостоять этому, потея. Какое-то время. Поскольку вода в пустыне – ограниченный ресурс, то выносливость животного наиболее заметно отражается в экономии воды. Я подозреваю, что переутомленный верблюд, погибший в состязании или в длительном походе, вероятно, был обезвожен. Неудивительно, что верблюды разработали изящные способы экономии воды, которые снижают обезвоживание и его отрицательное воздействие. О них ничего не было известно до серии блестящих экспериментов, поставленных в 1950-х годах Кнутом и Бодил Шмидт-Нильсен с коллегами. Уже тогда было ясно, что легендарная выносливость верблюда не связана с диетой. Верблюды довольствуются той едой, которую могут достать. Они едят практически любую растительность, даже жесткие колючки.
Почти две тысячи лет считалось, что секрет выносливости верблюда – в запасах воды. Плиний Старший (23–79) утверждал, что верблюды хранят воду в своем желудке, и это исстари принималось как факт. С Плинием согласились авторы вышедшей в 1950 году научной публикации, в которой подробно описаны водные мешки (железы с пищеварительными жидкостями?), расположенные по бокам рубца (первый из двух желудков жвачных животных). Когда Шмидт-Нильсены заинтересовались, как верблюды могут неделями обходиться без питья в жарком пустынном климате, сваливающем человека с ног за один день, они обнаружили у них не больше водных запасов, чем у тех крупных травоядных, которым необходимо пить ежедневно.
Шмидт-Нильсены с помощью нескольких простых расчетов опровергли и еще один миф, заключавшийся в том, что жир в горбе верблюда является ключом к водному балансу. Горб дает тень, а жир участвует в регуляции жидкости, но только косвенно. Горб весом 10–15 кг действительно резко сокращается у голодающего и обезвоженного верблюда, но это происходит из-за того, что жир используется в качестве источника энергии.
В результате метаболизма съеденной пищи образуются побочные продукты – углекислый газ и вода. При сжигании определенного веса корма вырабатывается большее количество этой метаболической воды, чем белков или углеводов. В то же время кислород, необходимый для любого обмена веществ, требует процесса дыхания, а дыхание приводит к выдоху насыщенного водой воздуха. В самых сухих пустынных условиях с выдыхаемым воздухом теряется больше воды, чем если бы жир окислялся только для получения воды. Поэтому утверждение о том, что верблюды перерабатывают жир в своем горбу, чтобы получить воду, неверно.
На самом деле горб верблюда – это скорее аналог поясной сумки, которую иногда используют участники ультрамарафона, если «заправочных станций» мало и они расположены далеко друг от друга. В ней не только вода. Чаще это концентрированная еда, вроде популярных ныне энергетических батончиков. Преимущество перетаскивания жира на спине вместо равномерного распределения по всему телу заключается в том, что это оставляет живот и другие находящиеся в тени участки менее изолированными от окружающей среды и, следовательно, позволяет им терять тепло тела. Возможно, еще важнее то, что толстый горб служит, как и волосы у нас на голове, тепловой защитой от солнца в середине дня, так что меньше воды теряется при потоотделении.
Среди прочего секрет верблюда заключается просто в его выносливости и способности выживать в засушливых условиях. Мы окажемся при смерти, если потеряем часть воды, равную примерно 12 % массы тела, а верблюды могут пережить потерю воды до 40 % массы тела. После обезвоживания верблюд может выпить воды в количестве около 20–25 % от массы тела за один прием. Как и у людей, жидкость поступает в плазму крови из желудка относительно медленно. Нужно около часа, чтобы достичь 25-процентного баланса. Верблюды могут перенести такую степень разжижения крови, которая невыносима для других млекопитающих, в том числе для человека. Наши клетки крови набухают и разрываются при разжижении, и мы можем заболеть или даже умереть от гипергидратации, если выпьем слишком много жидкости, особенно когда она близка к дистиллированной (не содержит солей или сахаров) и из-за этого поглощается быстрее. Невозможно определить конкретное количество воды или концентрацию веществ в ней для восстановления водного баланса во время бега. Эти показатели варьируются в зависимости от условий бега и от конкретного организма. Чаще всего бегуны пьют слишком мало и страдают от теплового удара. Верблюды не испытывают проблем от чрезмерного потребления воды; их кровяные клетки могут разбухнуть до 240 % не разорвавшись.
В организме человека и верблюда плазма крови содержит около 16 % общего количества воды. Когда верблюд теряет 25 % жидкости, объем его крови снижается лишь на 1 % или даже меньше, в то время как у человека он падает более чем в три раза. Эритроциты остаются, но кровь густеет. Загустевшая кровь становится вязкой, как холодная патока; это сильно нарушает кровоток и напрягает сердце, снижая способность крови легко циркулировать и переносить тепло, выделяющееся с поверхности кожи. Появляется риск смерти от теплового удара. Эритроциты верблюда (красные кровяные клетки) имеют уникальную овальную форму и маленький размер, снижая вязкость крови и обеспечивая циркуляцию через капилляры, несмотря на потерю жидкости.
Характерная особенность поддержания водного баланса у верблюдов связана с их способностью уменьшать потери воды с мочеиспусканием. Мы можем производить только мочу, которая содержит меньше солей, чем морская вода. В противоположность этому мощные почки верблюдов могут сделать мочу вдвое более концентрированной, чем морская вода, что позволяет им избавляться от большого количества отходов, не растрачивая много жидкости. Верблюды не страдают и при употреблении солоноватой или соленой воды, из-за которой у нас будет обезвоживание, поскольку мы, напротив, расходуем воду для вымывания попавших в организм солей. Верблюды еще больше снижают выработку мочевины (и, следовательно, потерю воды с мочой) за счет использования микробной флоры в рубце. Их кишечные микробы перерабатывают отходы мочевины от белкового метаболизма обратно в белки, которые затем поглощаются в качестве питательного вещества, а не вымываются из организма. Сочетание этих механизмов позволяет верблюдам экономить больше воды для потоотделения, что в свою очередь помогает им перемещаться на более далекие расстояния в жару.
Как и многие другие пустынные млекопитающие, верблюд обладает одним из основных адаптационных механизмов увеличения выносливости при ограниченных запасах пищи и воды: способностью к регуляции метаболизма через температуру тела. Чем выше температура тела, тем выше скорость метаболизма и выработка тепла. Одновременное снижение скорости метаболизма и температуры тела имеет решающее значение, когда поступление тепла становится чрезмерным и организм должен удерживать планку при критической высокой температуре, которая требует расхода ценной жидкости через пот.
Животные пустыни, находясь под прямым солнечным светом, должны разрешить парадокс. Они должны стараться увеличить отдачу метаболического тепла, для чего нужен более тонкий мех, и уменьшить поступление солнечного тепла, для чего нужен мех более толстый. Решение проблемы находится в распределении изоляции. На затененных участках тела мех очень тонок или отсутствует вовсе, а на тех, что наиболее подвержены воздействию солнца, мех очень толстый. Как уже говорилось выше, потребление солнечного тепла у верблюда снижается за счет теплоизолирующего горба и толстого меха на спине. Температура поверхности меха на спине верблюда может достигать 70–80 °C (158–176 °F) при нормальном солнечном свете, не нанося вреда животному. Дело в том, что такие температуры воздействуют только на наружный слой меха. Сама кожа не может перенести такую температуру, и, оставленная голой, без регуляции, она быстро нагреется до этого состояния под воздействием прямых солнечных лучей. Верблюды не позволяют температуре поверхности своей кожи превышать 45 °C (113 °F). Есть только одно средство снижения температуры кожи: потоотделение, которое в условиях жаркой пустыни является основным водоотводом верблюдов и людей. Сравнивая потери воды у голых (стриженых) и обычных верблюдов, Кнут Шмидт-Нильсен обнаружил, что стриженый верблюд потерял летом на 50 % больше воды, чем полностью покрытый мехом.
Основным источником тепла во время активности конечно же является внутреннее тепло, вырабатываемое в результате метаболизма тела. Хотя дневная температура воздуха в пустыне может регулярно достигать 40–45 °C (104–113 °F), ночью она обычно резко падает и едва превышает 30 градусов. Верблюды, лишенные воды, пользуются преимуществами ночных низких температур, понижая температуру тела до 34 °C (93 °F). Днем они позволяют температуре тела достигать 40,4 °C (104,7 °F). Низкая температура тела в ночное время суток снижает скорость обмена веществ в состоянии покоя и, следовательно, выработку внутреннего тепла. Относительно низкая температура тела по утрам также ведет к тому, что в начале пути верблюды идут медленно, зато какое-то время их температура тела не повышается и не требует потоотделения или остановки. Кроме того, чем выше температура тела, которую они могут вынести, тем дольше они могут задерживать расход воды для терморегуляции (с другой стороны, напившись, верблюды регулируют температуру своего тела в гораздо более узких пределах – 36–39 °C (97–102 °F). Кажущееся неумение верблюда регулировать температуру тела, как и медленный темп, долгое время считались недостатком. Однако и то и другое – изящные приспособления для хорошей выносливости при длительных переходах по пустыне. Неизвестно, являются ли их эволюционные решения, связанные с выносливостью и экономией воды, результатом многовекового воздействия тепла и жажды, генетического кода или того и другого вместе. Наша собственная температура тела, как и у верблюда, опускается по ночам на 2–3 °F (1–1,5 °C) ниже «нормальной», и с ней падает частота сердечных сокращений. Большинству из нас требуется время, чтобы разогреться и набрать скорость.
Таким образом, верблюды способны преодолевать большие расстояния в жару по пустыне, потому что они мастерски экономят воду. Это достигается за счет медленного старта при относительно низкой температуре тела и переносимости обезвоживания и высокой температуры тела. Они по возможности снижают температуру тела, защищаясь от солнца, и обладают замечательным набором физиологических приспособлений, которые сводят к минимуму расход воды для выделения отходов жизнедеятельности. Химический состав их крови помогает им спокойно переносить обезвоживание. Беря пример с верблюда, участник ультрамарафона, который бежит в жару, должен иметь длинные волосы на голове или же шляпу, а его тело должно быть защищено свободной одеждой. Частые небольшие глотки лучше обильного питья, потому что у нас нет эволюционных приспособлений для регуляции водного баланса, какие есть у верблюда, поскольку вместо этого мы развивали способность к большей скорости за счет больших потерь воды. Кроме того, бегуну на марафонские дистанции не следует брать пример с верблюда и пить соленую воду, поглощать за раз огромное количество пресной воды или перекусывать верблюжьими колючками.
