Большую часть тридцатилетней карьеры я провел, изучая летучих мышей. Хотя в основном люди, к счастью, вышли за рамки стереотипного представления о летучих мышах-кровососах (только три из 1400 видов питаются кровью, и все виды летучих мышей имеют больше общего с людьми, чем с грызунами), для многих летучие мыши остаются существами, окутанными тайной. Обыватель знает об этих преимущественно ночных млекопитающих только то, что многие из них впадают в спячку. Как мы вскоре увидим, зимняя спячка – это прежде всего стратегия кровообращения: сжигающая энергию система, которая переносит кислород и питательные вещества, вынуждена замедляться, чтобы приспособиться к периодам – зачастую длительным, – когда вокруг холод и негде найти пищу.

Однако обстоятельства отвлекают меня от изучения темы адаптации летучих мышей к холоду. На Лонг-Айленд и Нью-Йорк обрушилось, по выражению местных метеорологов, «опасное снижение температуры». Отчасти причиной того, что похолодание заслужило ярлык «опасного», стали многочисленные сообщения о людях, умирающих от инфаркта и, реже, от переохлаждения – состояние у людей, при котором температура тела падает ниже 35 °C.

Нетрудно понять, почему человек с больным сердцем может пасть жертвой усилий по расчистке снега – особенно тяжелого и влажного, который столь распространен на северо-востоке США, когда после бурана типичная подъездная дорога может вместить несколько тонн снега. Считается, что большая часть возникших в такую погоду инфарктов происходит из-за того, что расчистка снега – особенно если приходится его перекидывать – заставляет сердце биться быстрее и сильнее. Как и при любом упражнении, это повышает артериальное давление, что потенциально может повредить и без того зачастую не слишком исправный насос. Менее очевидно то, как холод обостряет ситуацию.

При воздействии низких температур (например, если влезть вместе с лопатой в сугроб) человеческое тело пытается сохранить тепло в основных органах, таких как мозг, сердце, легкие и печень. Для этого оно уменьшает приток крови в капиллярном русле периферийно расположенных структур – руках, ногах, кончике носа, – перенаправляя ее в ранее упомянутые важные части тела. Процесс, который это обеспечивает, называется «локальная вазоконстрикция», то есть сужение кровеносных сосудов в определенных областях тела. Такое происходит, когда крошечные мышечные клапаны, прекапиллярные сфинктеры, получают соответствующий сигнал от мозга. Когда мышечные волокна сжимаются, кровь, оставшаяся вверх по течению от клапанов, обходит капиллярные русла подобно автомобилям на шоссе, объезжающим временно закрытый участок. При этом кровь течет через ткани по сосудам, которые называются «метартериолы», не снабжая капилляры.

В домашнем тепле нечто подобное происходит после еды, но в этом случае кровь отводится в другой набор капилляров, а именно – в те, что расположены в стенках желудочно-кишечного тракта. Там прекапиллярные сфинктеры не получают сигнал закрыться. В результате кровь поступает в капиллярные русла пищеварительной системы, забирая питательные вещества, всосавшиеся через внутреннюю оболочку желудка и кишечника (привет, диффузия!), и возвращает богатую питательными веществами кровь обратно в сердце, чтобы распределить по организму.

Однако, чтобы прояснить ситуацию, нужно упомянуть, что путь, по которому венозная кровь возвращается из пищеварительного тракта, не совсем прямой. Кровь делает крюк к печени через сосуд под названием «воротная вена печени». Клетки печени, гепатоциты, извлекают сахар из крови и собирают его, выстраивая молекулу, похожую на крахмал, – гликоген, – которую можно легко хранить на всякий случай. После этого все еще насыщенная питательными веществами кровь выходит из печени и через нижнюю полую вену попадает в правое предсердие. Именно поэтому мы не получаем передозировку сахара после того, как съедим полдесятка пирожных.

Что касается судьбы гликогена, хранящегося в печени, – его можно быстро расщепить в тех же гепатоцитах и вернуть в кровь в виде глюкозы. Как правило, это происходит, когда сигнальные хеморецепторы определяют, что уровень сахара в крови слишком низок, что обычно происходит между приемами пищи. Эти структуры встроены в стенки сонных артерий (которые снабжают кровью голову) и аорты. Как следует из их названия, хеморецепторы стимулируются изменениями концентрации химических веществ (таких как глюкоза, кислород или углекислый газ), протекающих мимо них в крови, и, когда уровень глюкозы падает слишком сильно, они передают эту информацию в мозг с помощью нервных импульсов. Затем мозг инициирует соответствующую реакцию, например: «Слишком много глюкозы… Отложите часть в виде гликогена» или «Недостаточно глюкозы… Расщепите немного гликогена».

Еще в крови содержится воскообразный липид под названием «холестерин». Несмотря на свою дурную репутацию, холестерин выполняет несколько жизненно важных функций. Он входит в состав большей части клеточных мембран, помогает проводить нервные импульсы и используется как строительный материал для таких веществ, как витамин D, половые гормоны, желчь (которая помогает переваривать жир) и гормон стресса кортизол.

Холестерин переносится в крови вместе с белками, транспортирующими липиды. Они бывают двух форм: липопротеины высокой плотности (ЛПВП) и липопротеины низкой плотности (ЛПНП). Обычно они могут проникать в стенки кровеносных сосудов и выходить из них, но ЛПНП иногда застревают, вызывая накопление жировых отложений внутри этих стенок. Такие образования, атеросклеротические бляшки, вызывают болезнь – атеросклероз. Он опасен тем, что накопление бляшек может уменьшить кровоток. Простой способ продемонстрировать эту концепцию – включить садовый шланг, а затем наступить на него. По мере того, как вы надавливаете, сопротивление внутри шланга увеличивается, тем самым уменьшая поток воды. Что произойдет, если вы будете держать ногу на шланге в течение нескольких минут? Если увеличение давления выше вашей ноги достаточно велико, шланг может лопнуть – что очень опасно в случае кровеносного сосуда, так как это может привести к неконтролируемому кровотечению и даже смерти. Но об этом позже.

Итак, какое отношение вся эта информация, связанная с пищеварением, имеет к проблемам с сердцем, вызванным холодной погодой?

Коронарные артерии – это кровеносные сосуды, которые снабжают сердечную мышцу – миокард. Поскольку активное пищеварение направляет кровь к органам, расположенным вблизи вашей талии, оно уменьшает коронарный кровоток. Для людей, чьи коронарные артерии уже сужены болезнью и чьи сердца, возможно, получают едва достаточно крови, чтобы функционировать в ненапряженных условиях, дополнительный стресс от физической нагрузки на холоде может привести к значительному уменьшению количества крови, поступающей в сердечную мышцу, и, следовательно, к опасному снижению количества кислорода и питательных веществ, которые она получает ³³.

Более того, уровень холестерина в нашей крови часто бывает самым высоким – и самым опасным – зимой. Кардиолог Параг Джоши и его команда из Университета Джонса Хопкинса изучили уровень холестерина у 2,8 миллиона американцев в период с 2006 по 2013 год³⁴. Они определили, что тенденция больше есть и меньше заниматься спортом в холодные месяцы привела к увеличению уровня холестерина ЛПНП (так называемого «плохого холестерина») на 3,5 % у мужчин и на 1,7 % у женщин. Кроме того, уменьшение количества солнечного света в зимние месяцы может вызвать снижение уровня витамина D, который, как считается, уменьшает содержание холестерина ЛПНП в крови.

Теперь вам должно быть ясно, что именно я хочу сказать: избегайте перенапряжения на холоде, особенно если вы только что плотно поели, так как при этом больше крови направляется в ваш пищеварительный тракт, или если вы недавно начали есть больше продуктов с высоким содержанием холестерина, таких как обработанное мясо, жареная пища, фастфуд или десерты. Курильщикам тоже стоит быть поосторожнее, так как никотин вызывает сужение сосудов, увеличивающее сопротивление току крови. Да, и никаких коктейлей перед уборкой снега, поскольку алкоголь тоже сильное сосудосуживающее. Вместо этого, когда вы решите убрать то, что большая зимняя буря оставила перед вашим домом, оставайтесь согретыми, делайте частые перерывы, возьмите лопату поменьше и сгребайте снег, вместо того чтобы кидать его. А еще лучше заплатите мальчишке, чтобы он расчистил подъезд и тротуар у вашего дома.

Все еще полны решимости сделать это самостоятельно? Что ж, ладно. Но перед тем, как вы выйдете на холод, еще несколько слов зимнего предупреждения. В дополнение к проблемам с сердцем, связанным со стрессовой нагрузкой при низких температурах, если холодные условия оказываются сильнее попыток организма поддерживать внутреннюю температуру, могут возникнуть и другие проблемы. Например, как только температура внутри тела у людей падает ниже 35 °C, организм начинает терять больше тепла, чем способен произвести с помощью таких механизмов, как мышечная дрожь и уменьшение притока крови к пищеварительному тракту и конечностям. Когда возникает переохлаждение, системы органов – кровеносная и нервная – начинают отключаться, что вызывает опасные последствия. Снижается координация и когнитивные функции, замедляется реакция. Старая поговорка «На холоде тупеют» на самом деле бьет прямо в точку, потому что способность к здравому суждению тоже снижается. По мере того как тело остывает, необходимость беречь энергию вызывает желание перестать двигаться и притупившийся ум может не осознавать опасности заснуть в снегу. В заключительной стадии замедляются дыхание и пульс. За этим может последовать смерть. Мое повторное напутствие: наймите мальчишку (или парня со снегоочистителем).

Большинство организмов не могут просто бросить лопату для снега и отправиться в свои теплые дома, и многие из них разработали уникальные механизмы для борьбы с воздействием холодных температур и стрессов, которые их сопровождают. У теплокровных видов, в том числе тех, которые владеют лопатами для снега, организм компенсирует низкие внешние температуры, работая над поддержанием внутренних температур относительно стабильными. Обычно внутри нашего тела поддерживается температура около 37 °C. В основном это косвенный результат метаболических процессов: пищеварения и сокращения мышц, и то и другое производит тепло как побочный продукт происходящих при этом химических реакций. Нечто очень похожее происходит, когда вы заводите двигатель своего автомобиля. Бензин содержит энергию химической связи. При смешивании с воздухом и воспламенении в небольшом пространстве (один из цилиндров автомобиля) происходит контролируемый взрыв, и энергия химической связи преобразуется в механическую энергию, которая вращает колеса. Поскольку никакое преобразование энергии не бывает на 100 % эффективным, часть ее в процессе теряется, в данном случае – в виде тепла. Вы можете продемонстрировать это сами, попросив кого-то, кто вам не нравится, положить руку на двигатель автомобиля через несколько минут после запуска. То, что они ощутят, – это энергия, которая потерялась во время преобразования химической энергии в механическую. Вы можете объяснить им это, как только на вас перестанут кричать.

В организме выделенное тепло – в основном во время сокращения мышц – излучается из тканей, где происходят реакции, и согревает соседние тонкостенные капилляры вместе с кровью внутри. Теплая кровь течет обратно к сердцу и циркулирует по всему телу. В это время тепло уходит из нее и перемещается в более прохладные окружающие ткани.

Но что поддерживает постоянную температуру человеческого организма? Почему наши тела не остывают, когда мы выходим на улицу холодным утром? Причины связаны с участком мозга, называемым гипоталамусом.

Гипоталамус – это командный центр вегетативной нервной системы, той части нервной системы, которая регулирует большинство функций организма без вашего сознательного участия. Это включает в себя поддержание постоянства внутренней среды организма, в том числе и температуры тела.

Получая нервные импульсы от температурных рецепторов кожи, гипоталамус действует как своего рода термостат для поддержания стабильной температуры тела. Обнаруживая низкие температуры, гипоталамус вызывает описанное ранее шунтирование крови из периферических структур, например пальцев рук и ног. Он уменьшает и приток крови к коже, поверхностные кровеносные сосуды которой позволяют теплу быстро уходить в окружающую среду. Кроме того, гипоталамус запускает серию непроизвольных сокращений мышц, высвобождающих тепло, более известных как дрожь.

Интересно, что некоторые температурные рецепторы кожи «учатся» игнорировать несущественные раздражители, что объясняет, почему стоять под горячим душем поначалу может быть больно, но потом становится комфортно. Этот феномен называется «температурная адаптация». Нечто подобное происходит на тактильном уровне, когда вы надеваете носки. Сначала мозг получает сигналы от рецепторов прикосновения и давления на коже ступней и лодыжек, и вы чувствуете, как носки натягиваются. Однако очень скоро нервная система начинает игнорировать эти незначимые тактильные стимулы, позволяя вам сосредоточиться на более важных вещах, например убедиться, что вы надели одинаковые носки. Сенсорная адаптация также может быть связана с запахами или звуками. К счастью, у нее есть свои пределы. Например, нервная система не адаптируется к раздражителям, которые могут быть вредными, как надетый носок с соринкой внутри или повышенное артериальное давление.

Способность поддерживать стабильную температуру тела изнутри называется «эндотермия», и те, у кого она есть – млекопитающие и птицы, – «эндотермы». Эта способность отличает их от эктотермов – рыб, земноводных и большей части пресмыкающихся. Этим холоднокровным существам, чтобы поддерживать в теле температуру, при которой ткани и органы смогут нормально функционировать, нужна энергия, поступающая извне (обычно от лучей солнца).

Независимо от того, как именно поддерживается постоянная температура тела, необходимо, чтобы она поддерживалась. Мириады химических реакций (то есть метаболических процессов) в организме могут происходить, только когда такие параметры, как температура, остаются в определенном диапазоне. Так как же эктотермы справляются с холодом, особенно с температурами, которые могли бы заморозить их тела и жидкости организма вроде крови?

Как уже упоминалось, гемоглобин – это железосодержащая молекула, основная функция которой – забрать кислород в легких или жабрах, перенести его и сбросить в ткани. И да, побочный продукт этого взаимодействия кислорода и гемоглобина – характерный красный цвет крови позвоночных. Но для тех из вас, кто, возможно, задается вопросом, есть ли исключение из правила краснокровных позвоночных, ответ – да, и такая кровь у антарктических ледяных рыб (семейство Channichthyidae). Известные китобоям XIX века задолго до того, как исследователи поймали одну из них в 1928 году, ледяные рыбы – единственные обнаруженные позвоночные, у которых во взрослом возрасте нет гемоглобина. Из-за этого их кровь почти прозрачна.

Я впервые услышал об этих уникальных созданиях, когда три семестра изучал морские науки в Саутгемптонском колледже Лонг-Айленда. Говард Райсман, профессор, преподававший мне ихтиологию, учил, что в крови ледяной рыбы не только нет гемоглобина, но и содержится уникальный набор белков, препятствующих замерзанию, который позволяет ей выживать при температурах, обычно замораживающих живое существо. Эти вещества действуют подобно антифризу в радиаторе автомобиля, химически снижая температуру замерзания жидкости. В организме ледяной рыбы белки «антифриза» ограничивают рост кристаллов льда в тканях, в том числе крови, и полых структурах, таких как сердце и кровеносные сосуды. Это явление открывает некоторые интересные перспективы перед исследователями в области медицины, которые экспериментируют с препятствующими замерзанию белками для предотвращения повреждения тканей и органов, каковые хранят на льду перед тем, как использовать для трансплантации и подобных процедур.

Интересно, что это свойство побудило европейскую пищевую компанию запатентовать штамм дрожжей, генетически модифицированный для производства тех же самых белков, предотвращающих замерзание, какие содержатся в крови ледяной рыбы³⁵. Забавный поворот – сейчас компания использует этот материал для предотвращения образования кристаллов в мороженом. Более конкретно, съедобный антифриз избавляет любителей замороженных десертов от необходимости иметь дело с хрустящим льдом, который может образоваться, когда крошечные кристаллы мороженого тают, а затем снова замерзают в более крупные, менее вкусные кристаллы. Белки, препятствующие замерзанию, действуют, прикрепляясь к поверхности более мелких кристаллов и мешая им склеиваться в крупные куски³⁶.

Правда, мой основной интерес к крови ледяной рыбы не имел ничего общего с улучшением вкусовых впечатлений любителей мороженого. Вместо этого я хотел узнать, каким образом ледяная рыба смогла развить такой странный биологический выверт и все же получать достаточно кислорода для жизни. По словам эксперта по ледяным рыбам из Университета Аляски в Фэрбенксе Кристин О’Брайан, объяснение кроется в их среде обитания и связанной с ней причудой физики, а также в анатомии и поведении.

Ледяные рыбы обитают в глубоких водах, омывающих берега Антарктики. Там обитает относительно мало видов рыб и еще меньше хищников (в основном тюлени и пингвины). Поэтому ледяные рыбы практически не сталкиваются с конкуренцией за криль, мелкую рыбу и крабов, которыми они питаются. Кроме того, они хищники, которые охотятся из засады, что означает – они двигаются короткими, быстрыми и редкими рывками. Без особой физической активности их организму требуется меньше кислорода.

Холодная вода сама по себе дает ледяной рыбе, не имеющей гемоглобина, дополнительное преимущество: она содержит больше кислорода, чем теплая. Это происходит потому, что молекулы в холодной воде движутся медленнее, чем в теплой. Когда молекулы движутся быстрее, кислороду легче высвободиться из молекулы H₂O и вырваться наружу. В результате холодная вода в конечном итоге удерживает больше кислорода, что полезно для организмов, которым он необходим.

Исследования показывают, что самые первые предки ледяных рыб без гемоглобина были результатом ошибки – генетической мутации, которая произошла где-то около пяти миллионов лет назад. К счастью, из-за богатой кислородом окружающей среды эта мутация не сразу обрекла древних рыб на вымирание. По словам О’Брайан, эта мутация на самом деле вызвала масштабную реконструкцию сердечно-сосудистой системы ледяной рыбы. Это эволюционное изменение привело к тому, что у рыбы в четыре раза увеличился объем крови и в три раза – диаметр кровеносных сосудов по сравнению с краснокровной рыбой аналогичного размера, а сердце более чем в пять раз крупнее, чем можно было бы ожидать. Это означает, что, хотя кровяное давление и частота сердечных сокращений у ледяной рыбы низкие, объем крови, выходящей из сердца с каждым сокращением, высок. Кроме того, когда кровь достигает мышц и внутренних органов, чрезвычайно плотные капиллярные русла помогают повысить эффективность газообмена. Наконец, благодаря одному инновационному эволюционному повороту у ледяных рыб нет чешуи, покрывающей тело, и поэтому поглощение кислорода происходит не только через жабры, но и непосредственно через кожу.

Так что – да, изначально, возможно, предкам ледяных рыб повезло, что они жили там, где жили. Теперь они успешно компенсировали недостаток гемоглобина – жизненно важного носителя кислорода, содержащегося в крови практически всех других существующих позвоночных.

В то время как ледяные рыбы способны полностью исключить риск замерзания, вырабатывая препятствующие этому белки, другие виды выживают, позволяя себе замерзнуть. Когда температура резко падает, сердца лягушек, например североамериканской лесной лягушки (Rana sylvatica), могут остановиться на несколько недель. Это происходит потому, что они заморожены полностью, как и другие жизненно важные органы, например печень. Затем, когда приближается весна и начинает расти температура, лягушки и их сердца оттаивают, и предварительно замороженная пульсация восстанавливается.

Я поговорил с биологом из Университета Майами (Огайо) Джоном Костанцо, экспертом по этому феномену. Он сказал, что, хотя широкая общественность живо интересуется темой переносимости замораживания, сейчас ей посвящено лишь несколько исследований. По словам Костанцо, эта тема достигла пика популярности в 1990-х годах, сосредоточившись вокруг криоконсервации органов и тканей человека, но с тех пор исследования практически зашли в тупик.

Я живо припомнил сплетню, которую слышал в детстве: тело Уолта Диснея было заморожено после его смерти в 1966 году. Поговаривали, что оно оставалось в состоянии криогенной консервации на сверхсекретном объекте, расположенном в Диснейленде под аттракционом «Пираты Карибского моря». Помню свое разочарование, когда я узнал, что, по словам членов семьи, дядюшку Уолта на самом деле кремировали через два дня после смерти от рака легких.

Но почему лесные лягушки могут переносить заморозку, а лесорубы – нет? Я задал этот вопрос знатоку замороженных лягушек, который ответил, что ткани большинства живых существ не могут разморозиться целыми – их слишком сильно повреждают формирующиеся кристаллы льда. «Вообразите острые ледышки, растущие между тканями, между клетками и внутри их, – говорит Костанцо. – Они разорвут все в клочья». То есть накопление внеклеточного льда может быть проблемой, но, когда лед появляется внутри самих клеток – это, в общем, смертельно.

Кроме того, что кристаллизация льда вызывает структурные повреждения, замораживание приводит к чрезмерному усыханию клеток из-за потери жидкости, разрушает мембраны и их структурные компоненты, истощает запасы молекул, богатых энергией, и затрудняет выведение из клеток отходов, которые могут накопиться до токсичных уровней.

Так как же лесная лягушка справляется с роковыми факторами замораживания?

– Когда лесная лягушка застывает, она охлаждается до температуры ниже точки замерзания, – сказал мне Костанцо. – Они живут в лесу, поэтому к тому моменту они уже устроились под подстилкой из листьев на лесной почве. Конечно, вокруг холодает и повсюду кристаллы льда, и эти кристаллы в конце концов пропитывают влажную кожу лягушки.

Он напомнил, что переход воды из жидкой фазы в твердую – реакция экзотермическая, то есть при этом выделяется тепло. В результате температура тела лягушки на самом деле резко повышается в первые часы замораживания. Учащается и ее сердцебиение, почти вдвое, при этом сердце перегоняет в тело криопротекторы. Это вещества, которые предотвращают замораживание тканей (как белок-антифриз в крови ледяной рыбы) и защищают клетки от повреждения, когда они все же замерзают.

Одно из таких веществ на самом деле очень распространенное – глюкоза, содержащая большое количество энергии, то есть сахар, который высвобождается в кровоток из печени. Когда тело лягушки застывает, ее печень начинает расщеплять запасы крахмалистого гликогена в глюкозу. Это происходит с огромной скоростью, в кровь поступает в 80 раз больше сахара, чем обычно. Такой скачок уровня глюкозы предотвращает формирование льда внутри клеток, способствуя выведению из них воды под влиянием осмоса – еще одной версии нашей давней подруги диффузии. Вода движется из области более высокой ее концентрации – клеток – к более низкой, в насыщенное сахаром клеточное окружение. Это предотвращает набухание и разрыв клеток при замерзании. Об этом движении воды мы узнаем побольше чуть позже.

Зоолог Кен Стори предположил, что такое высвобождение глюкозы – утрированная реакция «сражайся или беги», при которой стресс заставляет мозг посылать в печень сигнал сбрасывать глюкозу в кровеносную систему. Содержащие большое количество энергии молекулы глюкозы могут быть использованы как аварийный запас, чтобы обеспечить «сражение» или «бегство». По-видимому, аналогичный сигнал тревоги возникает, когда начинается превращение лягушки в лягушачью ледышку.

Костанцо и его коллеги сосредоточили свои недавние исследования на другом криопротекторе, азоте, и их данные говорят о том, что некоторые кишечные бактерии остаются активными внутри замороженных хозяев. Бактерии выделяют фермент, который высвобождает азот из мочевины, находящейся в организме лягушки. Считается, что азот, как и глюкоза, защищает от повреждения при застывании и оттаивании, возможно, потому, что он замерзает при крайне низкой температуре (– 210 °C)³⁷.

Все вышеописанное, по словам Костанцо, происходит во время первой фазы замерзания. Через несколько часов первоначальный скачок температуры тела снижается, и лягушка снова начинает остывать. В конце концов ее сердце перестает биться и кровь замерзает в сосудах. В таком состоянии древесная лягушка остается большую часть периода замерзания, что может продолжаться от полусуток во время похолодания до нескольких месяцев в расположенных за полярным кругом частях ареала их обитания.

– Все это время, – сказал Костанцо, – нет ни дыхания, ни сердечной деятельности.

Я спросил, определял ли кто-нибудь, прекращается ли электрическая активность мозга лягушки. Если электроэнцефалограмма (ЭЭГ) не показывает электрической активности мозга, это означает, что можно констатировать клиническую смерть; и мне было любопытно, можно ли технически считать просыпающихся лягушек зомби. Костанцо рассмеялся. Он сказал, что слышал, будто ЭЭГ замороженной лягушки не показывает электрической активности, но не может привести источник, подтверждающий или опровергающий этот феномен.

Еще я узнал, что от воздействия замораживания лягушку защищают не только циркулирующие криопротекторы. По-видимому, есть еще один фактор – массивное перераспределение воды в теле амфибии.

Обычно вода движется в клетки и из них под влиянием осмоса. Поскольку жидкости внутри организма (например, кровь и межклеточная жидкость) в основном состоят из воды, жизненно важно, чтобы уровень растворенных в них веществ оставался постоянным. Иначе клетки будут терять воду или разбухать по мере того, как она будет двигаться туда-сюда, выравнивая концентрацию.

В замерзающих лягушках увеличенная концентрация глюкозы создает осмотическое давление во всем организме. Но, если вода покидает клетки, очевидно, она покидает и сами органы, в результате во время замораживания они обезвоживаются.

– Например, сердце и печень теряют более половины обычного содержания воды, – сказал Костанцо.

– И куда девается эта вода? – спросил я.

– В цело́м, полость тела, нафаршированную кишками, – ответил знаток замороженных лягушек.

Я попытался представить себе это.

– Так о каком количестве воды идет речь?

– Если бы вы заморозили древесную лягушку, а потом ее препарировали, внутренности бы выглядели как рожок мороженого.

Помню, я подумал, что этот ученый явно видел такое мороженое с лягушачьим вкусом, и мгновение спустя он подтвердил мои подозрения. С энтузиазмом, который могут полностью оценить только те, кто, например, съел человеческую плаценту во имя науки, я слушал, как Костанцо описывал, как его команда тщательно вычерпала и взвесила ледяную лягушку, чтобы определить, какой процент от общей массы тела составляет вода.

Стоит отметить, что способность переносить обезвоживание не слишком редка среди лягушек. Наземные лягушки и жабы часто проявляют толерантность к высыханию. Вполне возможно, что эволюция просто улучшила эту систему, чтобы повысить устойчивость к замораживанию. В конце концов Костанцо с коллегами пришли к выводу, что обезвоживание и перенос жидкости в цело́м позволяет лягушке заморозить в теле много воды, не рискуя повредить органы, поскольку большая часть льда накапливается за пределами жизненно важных областей. Когда наступает весна и лягушка оттаивает, полученная вода возвращается для регидратации клеток, а избыток глюкозы уходит в печень, где снова перерабатыватся в гликоген и сохраняется.

Интересно, что ни Костанцо, ни другим исследователям не ясно, что именно стимулирует сердце снова биться после оттаивания. Нельзя указать на какую-то определенную температуру или время в процессе оттаивания, когда запускается сердцебиение. Но что бы ни стимулировало оживление – его не смогли пронаблюдать в лабораторных исследованиях близкого наземного рода, северной леопардовой лягушки (Lithobates pipiens).

– После оттаивания было несколько ударов сердца, – сказал Костанцо. – И казалось, что [частота сердечных сокращений] собирается увеличиться и нормализоваться. Но потом все просто пошло прахом.

Он рассказал, что четкого объяснения разным реакциям у двух близких родов нет, но, вероятно, у этих лягушек просто не сформировались защитные приспособления как у Rana sylvatica.

Я спросил Костанцо, не остается ли у лесных лягушек каких-либо неблагоприятных последствий замораживания. Он объяснил, что, хотя нет никаких доказательств того, что замораживание влияет на продолжительность жизни лягушек, оно воздействует на эффективность спаривания, поскольку недавно оттаявшие лягушки проявляют мало интереса к противоположному полу.

В лабораторных экспериментах на самцах лесных лягушек, которых поместили в пластиковые испытательные зоны, Костанцо и его команда показали, что испытуемые проявляли мало интереса к сексу в течение суток после оттаивания. И даже по истечении этого времени, в лабораторных условиях они не могли потягаться с контрольными образцами, которых не замораживали³⁸. Одна из гипотез заключается в том, что организмы оттаявших лягушек слишком заняты избавлением от обильного количества глюкозы, чтобы справиться с трудностями спаривания. Другим существенным негативным фактором может быть то, что, хотя часть глюкозы, используемой в процессе замораживания, получается из гликогена, накопленного в печени, дополнительный гликоген поступает в результате распада собственного тела лягушки. Из-за этой формы аутоканнибализма масса прыжковых мышц ног за время спячки может уменьшиться на 40 %. В результате свежеоттаявшие самцы лягушек могут быть физически не способны преследовать самок – до тех пор пока мышцы конечностей не восстановят прежний размер и функции.

Этот временный провал в сексуальной жизни оттаявших древесных лягушек – пример компромиссов, связанных со всеми приспособительными механизмами. Например, замкнутые системы кровообращения могут транспортировать больше газов, отходов и питательных веществ, но их обслуживание обходится дороже (с точки зрения энергии). Кроме того, из-за своей сложности эти системы более восприимчивы к поломкам. Это отличительная черта эволюционной биологии: организмы, которые получают преимущество, почти наверняка одновременно платят за это. Возможно, самый известный пример компромисса связан с серповидно-клеточной болезнью, наиболее распространенной из наследственных заболеваний крови.

Как многие из нас узнали на уроках биологии в средней школе, гены – это крошечные участки наших наследственных чертежей, которые контролируют развитие одного или нескольких признаков (например, цвета волос или группы крови). Они ходят парами, причем каждый ген из пары располагается на одной из двух сходных (то есть гомологичных) хромосом. У людей 23 пары гомологичных хромосом, и в общей сложности они содержат где-то от 20 до 24 тысяч генов. Возможно, вы также помните, что мы получаем одну хромосому в каждой паре – а следовательно, один ген в каждой паре – от матери, а вторую от отца. Это происходит, когда один из папиных сперматозоидов сливается с одной из маминых яйцеклеток, образуя единую клетку, которая размножается, развивается и дифференцируется в нас.

Как выяснилось, гены, которые вызывают серповидно-клеточную болезнь, становятся проблемой, только если у кого-то оказывается две копии гена этого заболевания. И в некоторых этнических группах невероятно распространена одна унаследованная копия. Примерно 8 % афроамериканцев – носители серповидно-клеточной болезни, это означает, что они получили один ген мутантного гемоглобина либо от матери, либо от отца – но не от обоих. Эти носители, как правило, живут нормальной жизнью, без каких – либо проблем со здоровьем, связанных с серповидными клетками.

Однако, когда человек рождается с двумя мутантными генами гемоглобина, возникают серьезные проблемы из-за выработки аномальной формы этого белка, называемой гемоглобином S. В отличие от нормального гемоглобина, гемоглобин S образует длинные волокна, которые заставляют эритроциты, несущие их, скручиваться в жесткие формы полумесяца (или серпа). Эти серповидные клетки переносят меньше кислорода, чем клетки, содержащие нормальный гемоглобин, и в результате в ткани поступает меньше кислорода.

Наиболее существенная проблема заключается в том, что деформированные серповидные клетки недостаточно податливы, чтобы проскользнуть в крошечные капилляры, как это делают нормальные эритроциты. Вместо этого они в конечном итоге блокируют мелкие сосуды. Такой затор нарушает кровоснабжение определенных участков тела, например конечностей. Еще он стимулирует болевые рецепторы – это способ организма предупредить нас о том, что что-то не так. В конечном счете эта закупорка приводит к опасному для жизни повреждению органов, например почек.

Часто те, кто изучает у меня анатомию и физиологию спрашивают, почему естественный отбор со временем не уничтожил ген мутантного гемоглобина. Они обосновывают это тем, что до появления современной медицины у унаследовавших оба гена мутантного гемоглобина было гораздо меньше возможностей дожить до взрослого возраста, а следовательно, передать дефектный ген следующим поколениям. Так почему же тогда, спрашивают студенты, этот мутантный ген не исчез со временем? Как оказалось, ответ связан с самым серьезным из эволюционных компромиссов.

Первая подсказка заключается в том, что серповидно-клеточная болезнь наиболее распространена у людей, чьи предки пришли из Африки, Аравийского полуострова, Средиземноморья, Южной и Центральной Америки. В этих регионах высока заболеваемость малярией и, как оказалось, носители серповидных клеток более устойчивы к ней, чем люди, у которых нет мутантного гена. Таким образом, в местах, где переносимый комарами убийца часто становится угрозой номер один для жизни человека, наличие единственной копии мутантного гена гемоглобина фактически повышает репродуктивные возможности, так как больше носителей избегают смерти от малярии и передают свои гены дальше. По этой причине мутация остается в генофонде. К сожалению, цена этого конкретного преимущества смертельно высока для тех, кто несет две копии мутантного гена и у кого развивается серповидно-клеточная болезнь. Такова природа компромиссов.

Как мы уже видели, низкая температура окружающей среды (она же температура воздуха в непосредственном окружении) может стать значительным препятствием для выживания, и это привело к особенно заметным эволюционным компромиссам. Некоторые виды сезонно мигрируют на огромные расстояния в теплые края, другие в качестве изоляции от холода развили толстый мех. Третьи, такие как ледяные рыбы и древесные лягушки, сформировали экстремальные реакции на холодные условия. Однако гораздо чаще животные, подверженные зимним изменениям, впадают в состояние торпора или спячки, которые создают серьезные задачи для сердца и кровеносной системы позвоночных.

Торпор – явление, которое можно назвать спячкой-лайт, возникает, когда происходит контролируемое и выраженное снижение скорости метаболизма, то есть скорости расхода энергии организмом. Приступы торпора обычно длятся менее суток, в то время как спячку можно рассматривать как многодневное состояние торпора, прерываемое периодическими пробуждениями.

Долгое время ученые считали, что торпор – это приспособление млекопитающих, но недавние исследования указывают на нечто совершенно иное. Я поговорил с Мирандой Данбар, адъюнкт-профессором биологии в Университете Южного Коннектикута, чьи исследования сосредоточены на зимней спячке летучих мышей. Она объяснила, что многие эксперты теперь рассматривают торпор млекопитающих как пережиток более ранней эволюционной особенности.

Млекопитающие – эндотермы, они способны создавать и поддерживать собственную температуру тела, и эта особенность позвоночных сформировалась в ходе эволюции относительно поздно. Еще примерно четверть миллиарда лет назад большинство, если не все, позвоночные были эктотермами – состояние, при котором регулирование температуры тела зависит от внешних источников. Подобно современным рыбам, амфибиям и рептилиям, эти эктотермы справлялись с низкими температурами окружающей среды, располагая свои тела таким образом, чтобы максимально увеличить количество тепла, которое они могут получить от окружающей среды. Любой, кто видел черепаху, греющуюся на солнце на скале, видел эктотерма в действии. То же самое можно представить в отношении продрогшего хамелеона или охлажденной кобры.

Когда некоторые рептилии начали эволюционировать в млекопитающих, у них сохранились такие черты, как торпор и гетеротермия (способность регулировать температуру тела в соответствии с температурой окружающей среды). Хотя эндотермы меньше подвержены влиянию температуры окружающей среды, чем их эктотермические родственники, им требуется много энергии для обеспечения метаболических процессов и поддержания стабильной температуры тела. Когда наступает зима и температура воздуха падает, потребность в энергии только возрастает, а пищи становится недостаточно.

– Таким образом, – сказала мне Данбар, – зимой, когда животным практически негде добыть энергию, они впадают в оцепенение, которое может продлиться весь сезон – зимнюю спячку.

Я полюбопытствовал, каким образом могла возникнуть зимняя спячка у летучих мышей, учитывая, что их предки, судя по всему, эволюционировали в тропиках.

– Кажется нелогичным, – говорит Данбар, – думать, будто летучие мыши будут использовать спячку и торпор в тропиках, но они имеют такое приспособление.

Она объяснила, что в очень жарком климате мелкие млекопитающие, такие как летучие мыши, развили способность отключать химические реакции, которые обычно помогают им поддерживать стабильную температуру тела. Поскольку окружающая среда обеспечивает источник нагрева, им не нужно тратить энергию питательных веществ, чтобы оставаться в тепле. Это замедление метаболических процессов на самом деле похоже на то, что происходит, когда летучие мыши впадают в торпор в более холодном климате. Предположительно, когда они вышли из тропиков, эволюция просто изменила эти способности, чтобы справиться с другим температурным экстремумом.

Хотя летучие мыши славятся тем, что впадают в спячку в термически стабильных местах, таких как пещеры и шахты, многие из них могут обойтись практически любым местом.

– Мы видели, как они остаются в спячке под рыхлой корой деревьев и в дуплах, в искусственных сооружениях и даже на земле, под опавшими листьями, – сказала мне Данбар. – Но, вероятно, самый странный пример – летучие мыши Японии, которые зимуют в снегу.

В недавней статье, посвященной уссурийскому трубконосу (Murina ussuriensis), исследователи отметили, что зимующих под снегом мышей обычно находят только после начала зимней оттепели³⁹. В 21 из 22 случаев они были обнаружены в одиночестве в небольших конусообразных углублениях тающего снега. Летучие мыши свернулись в сферу или полусферу, такие позы оптимальны для сохранения тепла. Если исследователи Хирофуми Хиракава и Ю Нагасака правы в своих выводах, это всего лишь второй зарегистрированный случай спячки млекопитающего в снегу. Первый случай – это белые медведи (Ursus maritimus), хотя вопрос о том, действительно ли они впадают в спячку, остается открытым.

Самцы белых медведей активны круглый год, а самки близки к спячке, когда устраиваются в зимние берлоги вместе с детенышами, но температура их тела никогда не падает так сильно, как это обычно бывает во время подобного физиологического состояния. По-видимому, это адаптация, которая позволяет самкам выкормить детенышей. Таким образом, взрослые самки медведей ничего не едят в течение этого периода (до 8 месяцев), и скорость их метаболизма уменьшается (например, частота сердечных сокращений может упасть с 40 до 8 ударов в минуту), но истинная спячка предполагает снижение температуры тела в течение длительного периода. То есть вполне вероятно, что трубконосы могут считаться единственными, кто переносит зимнюю спячку под снегом.

Помимо уменьшения температуры, важная особенность зимней спячки – снижение скорости метаболизма, потому что это позволяет летучим мышам и другим существам, впадающим в нее, использовать за зиму меньше кислорода и питательных веществ. Точно так же, как частота сердечных сокращений медведя падает с 40 ударов в минуту до 8, частота сердечных сокращений летучей мыши может снизиться с 500–700 ударов в минуту до 20. Во время спячки кровь отводится от конечностей в середину тела, как и у замерзших людей, чтобы греть и снабжать наиболее жизненно важные органы. Однако существенная разница между людьми и впадающими в спячку животными заключается в том, что сердца последних приспособились функционировать при низких температурах и низком содержании кислорода, что могло бы вызвать фибрилляцию – катастрофически быстрое, нерегулярное и несинхронизированное сокращение мышечных волокон сердца – у тех, кто не впадает в спячку, например людей.

Поскольку пищи нет, питание для впавших в спячку поступает из накопленного вещества под названием «бурая жировая ткань», которая у летучих мышей хранится в небольших отложениях между лопатками. В отличие от большей части жировой ткани, здесь жир расщепляется с помощью химических реакций, которые непосредственно производят тепло, не расходуя энергию на промежуточные стадии. Бурая жировая ткань есть и у человеческих младенцев. Это связано с тем, что младенцы особенно уязвимы к холоду. Требуется некоторое время, чтобы механизмы регулирования температуры новорожденного (например, способность дрожать) установились и начали работать. Более того, поскольку дети маленькие, площадь поверхности их тела относительно велика – та же проблема соотношения поверхности к массе, с которой сталкиваются летучие мыши и другие мелкие животные. В результате дети теряют тепло примерно в четыре раза быстрее, чем взрослые. Недоношенные дети и дети с низким весом при рождении особенно подвержены проблемам, связанным с регулированием температуры, потому что у них меньше бурого жира, который можно сжечь. Это одна из причин, по которой недоношенные дети часто проводят первые недели своей жизни в теплых инкубаторах.

Бурый жир объясняет и пухлый период в развитии детей, который длится до тех пор, пока большая часть этой ткани не сгорит. У взрослых людей остается очень мало (если вообще остается) бурого жира, причем эти небольшие количества обычно ограничиваются такими местами, как верхняя часть спины, шея и позвоночный столб.

У летучих мышей и других впадающих в спячку видов бурый жир расходуется в течение всего периода гибернации, метаболизируясь для высвобождения тепла всякий раз, как температура тела животного опускается до некоторой отметки. Проблемы могут возникнуть, если впавших в спячку животных неожиданно будят, побеспокоив (например, любознательные люди). Поскольку небольшая часть бурого жира сжигается во время каждого возбуждения, существует реальная угроза того, что животные умрут от голода, если их жировые запасы сгорят до того, как улучшение погодных условий позволит им искать альтернативные формы энергии (то есть пищу).

Один из интересных побочных эффектов зимней спячки – она позволяет животным жить дольше и стареть медленнее. Летучие мыши могут жить в дикой природе более 20 лет, что необычно долго для такого маленького млекопитающего. Подавляющее большинство подобных животных имеют чрезвычайно короткую продолжительность жизни, как, например, малая бурозубка (Sorex minutus). Эти крошечные хищники весят около шести граммов и прожигают свою гиперактивную жизнь примерно за 18 месяцев.

Миранда Данбар рассказала мне, что прочитала исследование, опубликованное Комитетом по недавно вымершим организмам в Американском музее естественной истории, в котором был сделан вывод, что за последние 500 лет подтверждено вымирание 61 вида млекопитающих⁴⁰.

– Из них три вида – впадающие в спячку летучие мыши, – сказала она. – Должно быть, они что-то делают правильно.