Как же удается животным сохранять жизнеспособность замороженными? Подобно тому, как при наступлении холодов в радиатор машин добавляют антифриз, замерзающий при 37 °С, в жидкостях тел некоторых холоднокровных зимой образуются белки-антифризы, которые при появлении в организме кристаллов льда связываются с ними и блокируют дальнейшую кристаллизацию воды. У многих рыб, наземных членистоногих, включая пауков и клещей, эффективность белков-антифризов настолько велика, что предотвращает образование льда даже при 15 °С. Кроме специальных белков, в организме некоторых холоднокровных существ вырабатываются и углеводы-антифризы, еще больше снижающие точку максимального переохлаждения. Например, в тканях многих насекомых зимой накапливается углевод-антифриз глицерол, успешно препятствующий промерзанию. У гусениц галлообразующей бабочки к середине зимы глицерол составляет 19% всего тела, позволяя переохлаждаться до 30 °С. А волосатые гусеницы арктической бабочки в замороженном состоянии проводят до десяти месяцев в году при 50 °С и более! Оригинально приспосабливаются к низким температурам воды некоторые рыбы, живущие в северной части Атлантического океана и в арктических водах: они меняют состав крови. С понижением температуры воды осенью в их крови скапливаются соли в такой концентрации, какая характерна для морской воды, что усиливает криозащитный механизм, затрудняя замерзание крови. Сравнительно недавно в крови этих рыб были обнаружены и специальные белки-антифризы, понижающие точку замерзания раствора в еще большей степени, чем соли.
Если предстоит очень суровая зимовка, то осенью у холоднокровных животных (особенно насекомых) до первых заморозков в организме накапливаются защищающие их ото льда криогенные протекторы, которые повышают прочность оболочек клеток и препятствуют так называемому осмотическому стрессу, когда вода из клеток стремится вытечь во внеклеточную среду со льдом, уменьшая объем клеток и делая их уязвимыми для кристаллов льда, протыкающих сморщенные клеточные оболочки. Криопротекторы служат и замедлителями обмена веществ. У лягушки, например, как только начинается образование льда на поверхности кожи, происходит быстрый синтез криопротектора глюкозы из животного крахмала печени. В результате через восемь часов ею насыщаются все органы, замедляется до минимума обмен веществ, ограничивается энергопотребление. Рекорд такого рода использования криопротекторов принадлежит черепахам: у них обмен веществ падает до уровня, обеспечивающего выживание без потребления кислорода (!) в течение всей зимы. Причем при высоких концентрациях глюкозы в организме отсутствуют явления, присущие человеку с высоким содержанием глюкозы в крови, сахарный диабет и старение. Морозоустойчивость холоднокровных животных всегда вызывала пристальный интерес ученых.
В анабиотическое состояние впадают и некоторые виды высших растений. Рекорд в этом отношении принадлежит северному растению бронец, встречающемуся в прериях Северного Американского континента. Помещенное в гербарий, это растение выдержало целых 11 лет в высушенном состоянии, не потеряв своей жизнеспособности. Неизбежно возникает вопрос: что помогает растениям переносить сильное обезвоживание и впадать в состояние анабиоза, при котором обмен веществ протекает настолько замедленно, что практически почти равен нулю? По мнению ученых, при обезвоживании у растений, способных впадать в анабиотическое состояние, не нарушается процесс дыхания, который сохраняет свою так называемую энергетическую полноценность. При обезвоживании у растений продолжают образовываться богатые энергией соединения, например АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия, образующаяся у этих растений в процессе дыхания практически до полного высушивания, передается почти всем клеточным структурам и всему клеточному содержимому, которое, обезвоживаясь, переходит в желеобразное состояние, и клетки могут годами сохранять свою жизнеспособность.
Есть ли птицы, впадающие в зимнюю спячку?
Итак, мы выяснили, что большинство животных с непостоянной температурой тела, которая зависит от окружающей среды, впадают в состояние зимней спячки. Но удивительно, что и многие животные с постоянной температурой тела, например птицы, тоже могут впадать в зимнюю спячку во время неблагоприятных сезонов года. Известно, что большая часть птиц избегает неблагоприятных зимних условий путем перелетов. Однако стало ясно, что некоторые виды птиц могут впадать в состояние спячки в неблагоприятные сезоны года. Есть наблюдения, что некоторые виды ласточек (деревенская и скалистая) зимой впадают в зимнюю спячку. Состояние кратковременного оцепенения, которое ученые называют торпидностью, наблюдалось у только что вылупившихся птенцов черного стрижа, которые впадают в это состояние, когда родители покидают их на несколько дней при неблагоприятных условиях (например, во время приближающегося циклона). В состоянии оцепенения температура тела этих птенцов падала с 39 до 20 °С и даже ниже, пульс и дыхание замедлялись, и в подобном состоянии они выдерживали 712 дней. Появившись снова, родители отогревали их своими телами, и птенцы возвращались к жизни. В благоприятное время года молодые стрижи вылетали из гнезда через 3335 дней, а в неблагоприятные, когда они впадали в состояние оцепенения, им были необходимы 4050 дней.
Издавна известно, что в подобное торпидное состояние впадают и птенцы некоторых видов колибри, если мать, улетев за пищей, задержится более чем на десяток минут (у колибри только самки выкармливают потомство). Вновь согретые материнским теплом, они возвращаются к жизни. Установлено, что взрослые колибри нескольких видов, обитающие на Северном Американском континенте, также способны впадать в состояние оцепенения в особенно холодные ночи, когда температура их тела понижается до 8,8 °С. Доказано, что вес различных видов колибри колеблется от 1,7 до 19,1 г, а потребность в кислороде у мелких экземпляров в состоянии покоя 11 16 мл на 1 г веса за час, во время полета 7085 мл, а в состоянии оцепенения только 0,17 мл. Расход энергии у колибри высокий, и существует опасность, что колибри с температурой тела 44 °С не смогут выдержать без пищи тот период, когда они спят, так как им не хватит энергетических запасов, организм при чрезмерном охлаждении от истощения ночью лишится возможности снова согреться в начале своей активной фазы. Между тем, как известно, ночи на южно- и центральноамериканских высоких плато, где обитают колибри, холодные. Вот почему организм этих птиц обладает защитным механизмом: ночью впадают в торпидное состояние, причем температура тела колибри сравнивается с температурой окружающей среды; таким образом они не отдают свое тепло и сохраняют энергию, которая не расходуется для образования тепла в организме. В этом случае действует закон голландского физиолога Ван Гофа, отражающий связь между скоростью реакций химических процессов и температурой (если температура тела понизится на 10 °С, процессы обмена начнут протекать медленнее почти в три раза). Так что если температура тела колибри понизится с 44 до 34 °С, это приведет к трехкратному сокращению обмена веществ и, соответственно, к значительному сохранению энергии.
Подобная регуляция температуры тела во время оцепенения была обнаружена и у пурпурных колибри, которые, как и другие колибри, легко впадают в торпидное состояние. В состоянии оцепенения температура тела этого вида колибри обычно близка к температуре воздуха, но если последняя падает ниже 18 °С, то температура тела птицы больше не понижается и остается на уровне 1820 °С.