Температурный режим поверхности нашей планеты варьирует в широком диапазоне: от морозов, доходящих до —88 в Антарктиде и —74 градусов на полюсе холода Северного полушария в Оймяконе, до +54,7 градуса в приземном слое воздуха долины Смерти, +83,5 градуса на поверхности почвы на побережье Красного моря и почти +100 градусов воды многих горячих источников.

И в самых суровых районах Антарктиды, и в горячих источниках существуют примитивные организмы. Для более развитых существ, если отбросить отдельные весьма немногочисленные исключения, диапазон, за пределы которого не должна выходить температура их тела, значительно уже: от —2 до +50 градусов. Это не значит, что более высокое нагревание или тем более охлаждение тела совершенно непереносимо. Многие беспозвоночные животные способны без вреда для себя непродолжительное время выдерживать значительные отклонения от этого диапазона, то есть выживать, но никто из них не в состоянии нормально жить, питаться, расти и размножаться за его пределами.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

52-градусный диапазон – зона жизни нашей планеты. Это не значит, что она годится для любого организма. Как раз наоборот. Практически нет животных, которые одинаково хорошо себя чувствуют, когда температура тела падает до —2 и когда она подскакивает до + 50 градусов. Температурная граница жизни для отдельных видов животных значительно уже, а для многих составляет всего 1—2 градуса. Более существенные колебания температуры тела немедленно вызывают нарушения жизнедеятельности или гибель животных.

Температурный фактор оказывает влияние на любые процессы, протекающие в организме. С чем это связано, понять нетрудно. При температуре выше абсолютного нуля, то есть выше —273,15 градуса, молекулы любых веществ находятся в беспрерывном движении. Кинетическая активность, или частота соударений молекул, в результате которых происходит их разрушение или образование новых, пропорциональны абсолютной температуре. При повышении или понижении температуры на 10 градусов кинетическая активность соответственно изменяется на 3 процента, а интенсивность обмена веществ в два раза. Не удивительно, что температурный фактор определяет жизненную активность животных. Это в равной мере касается и физиологических процессов и всех форм поведения: от переваривания пищи до двигательной активности. Как-то в начале лета в Московском зоопарке я видел переселение крупных рептилий на летние квартиры. Обслуживающий персонал герпетария весьма фамильярно обходился с внушительными по размеру, зубастыми и далеко не мирными крокодилами. Посетители зоопарка, с интересом наблюдавшие эту картину, удивлялись, насколько ручными могут быть кровожадные хищники. А дело объяснялось просто. Переезд происходил при такой низкой температуре воздуха (и, естественно, тела крокодилов), когда рептилии оказываются не в состоянии не только кусаться, но и совершать быстрые энергичные движения.

Совершенно иначе ведут себя крокодилы в жару. В моей лаборатории они содержались в небольшом бассейне, затянутом сверху сеткой. Чтобы обеспечить высокую активность подопытных животных, температура воды поддерживалась на уровне 30—35 градусов. В теплой воде флегматичные и равнодушные ко всему рептилии, какими их привыкли видеть посетители наших зоопарков, весьма расторопны. Утром перед началом экспериментов, чтобы убедиться в хорошей «спортивной» форме подопечных, я клал ладонь на металлическую сетку. И хотя я знал, что немедленно подвергнусь атаке, моя реакция всегда запаздывала: крокодил неизменно повисал на сетке бассейна раньше, чем я успевал отдернуть руку.

Еще сравнительно недавно животных принято было делить на теплокровных, то есть умеющих поддерживать температуру тела на постоянном уровне, и холоднокровных, чья температура пассивно следует за температурой окружающей среды. Особенности терморегуляции огромного числа животных не укладываются в эту упрощенную схему»

Сейчас в научной литературе термины «теплокровные» и «холоднокровные» почти не употребляют. Однако здесь они будут сохранены. К теплокровным мы будем относить птиц и млекопитающих, хотя некоторые из них умеют снижать свою температуру до очень низкого уровня и могут много дней находиться в таком «охлажденном» состоянии, а к холоднокровным всех остальных, хотя они способны подолгу поддерживать температуру тела значительно выше температуры окружающей среды. Использование этих терминов отражается на точности формулировок, но зато упрощает изложение.

Первым, кто не только обратил внимание на несоответствие существующей классификации фактическому положению вещей, но и попытался ее усовершенствовать, был известный советский зоолог и этнограф, один из немногих русских, кому довелось совершить путешествие в дебри Амазонки, И. Стрельников. В отрочестве монастырский служка, а в годы расцвета творческих сил профессор Сельскохозяйственного института в городе Пушкине, Стрельников всегда интересовался теоретическими вопросами биологии. Анализируя имевшиеся в его распоряжении данные о температурных параметрах живых организмов, он ввел в науку понятие об экологической терморегуляции. Под этим термином понимают способность животных изменять температуру своего тела в соответствии с экологическими потребностями и конкретной ситуацией.

Холоднокровным животным, как мы уже видели, чтобы сохранять высокую активность, необходимо поддерживать температуру тела на оптимальном уровне. Для обитателей тропических лесов он достаточно высок: 25– 35 градусов. Даже теплый климат экваториальных лесов не гарантирует его обитателям возможности в нужный момент иметь необходимую температуру. Оптимум для жителей северных и горных лесов может лежать в диапазоне 20—25 градусов или быть ниже. Но здесь погодные условия дают еще меньше возможностей его достигнуть,

Значительно сложнее теплокровным, так как диапазон температур, при которых они могут не только сохранять активность, но и саму жизнь, чрезвычайно узок. У утконоса и ехидны подъем жизненных сил происходит при температуре тела в районе 30, у сумчатых – 35, у остальных млекопитающих 38, а птицам для этого требуется около 40—42 градусов.

Откуда животные черпают тепло? Все без исключения организмы вырабатывают собственное тепло, но его доля в тепловом балансе у теплокровных и холоднокровных животных различна. Дело в том, что любая клетка в процессе обычной жизнедеятельности вырабатывает тепло, и ее температура хотя бы в ничтожной степени превышает температуру окружающей среды. Холоднокровным животным собственного тепла не хватает, и они вынуждены заимствовать его у внешних источников, а теплокровные умеют вырабатывать больше тепла, чем теряют его в самые сильные холода. Для сохранения постоянной температуры тела необходимы мощные «печи» и надежная термоизоляция. Теплокровные бережно, по-хозяйски относятся к производимому теплу и зря его не растрачивают.

Температура тела может оставаться постоянной лишь до тех пор, пока приток тепла и его потери равны. Если животное отдает во внешнюю среду больше тепла, чем производит, оно начинает мерзнуть. Но когда приток внешнего тепла или его производство превышает расходы, возникает опасность перегрева. Теоретически для восстановления status quo существует две возможности: изменить процесс воспроизводства тепла или уровень теплоотдачи. Животные используют для этого десятки различных способов.

Физиология терморегуляции тесно связана с климатическими условиями среды обитания и с прочими экологическими особенностями жизни лесных обитателей. Физиологическая экология температурных адаптации – важнейшая часть тех приспособлений, которые позволили им обжить любые районы Земли.

ПРИДЕТСЯ ПОДБРОСИТЬ ДРОВИШЕК

Нужно ли топить печи в доме, который хозяева надолго покинули? Это зависит от того, что он собою представляет. Чаще пустующие дома не отапливают, в других топят зимой, А как выгоднее поступить животным? Что для них экономичнее: круглосуточно поддерживать температуру тела на постоянном уровне или, воспользовавшись принципами экологической терморегуляции, поднимать ее лишь в периоды высокой активности, а все остальное время в целях экономии поддерживать на минимально допустимом уровне? На первый взгляд второй способ кажется более целесообразным. Однако настораживает то обстоятельство, что среди высших животных немногие придерживаются такого модуса. Попробуем, опираясь на количественные оценки, ответить на заданный вопрос.

Для этого необходимо знать, сколько нужно тепла, чтобы поднять температуру тела животного. Оказывается, много, но все познается в сравнении. Чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус, нужно затратить 1 калорию. Для большинства металлов требуется в 10 раз меньше, всего 0,1 калории, для сухого дерева – 0,4, для каучука и жира – 0,5. 1 литр воздуха, весящий чуть более 1 грамма, согреется на 1 градус, использовав всего 0,3 калории. Тела животных содержат много воды, благодаря этому их теплоемкость велика. Для млекопитающих она равна 0,82 калории. Это значит, что небольшой древесной крысе, весящей 100 граммов, чтобы поднять свою температуру на 2 градуса, требуется 164, а для трехтонного слона – почти 5 миллионов калорий!

Знакомство с теплоемкостью живых организмов позволяет сделать два важных вывода. Во-первых, гораздо выгоднее однажды вложить существенную часть ресурсов организма в создание термоизоляции, а потом поддерживать температуру па постоянном уровне, чем по нескольку раз в день отдавать накопленное тепло в окружающую среду, а затем вновь поднимать температуру. Во-вторых, если хочешь сохранять постоянную температуру, выгоднее быть большим. Хотя крупные животные согреваются медленно, зато, накопив достаточно тепла, они медленнее с ним расстаются. Только относительно мелкие существа могут себе позволить регулярно остывать и вновь согреваться.

Тепло вырабатывается любой клеткой тела, однако большинство из них производят его совсем немного. Решающего значения в общем тепловом балансе оно не имеет. Места, где в печах полыхает пламя, – скопления бурой жировой ткани, мышцы, мозг, кишечник и другие внутренние органы тела. Больше всего дает сердце. У человека до 30 калорий в час на 1 грамм сердечной мышцы. Сердце, почки, легкие, мозг и другие органы ни на минуту не прекращают своей деятельности. Видимо, именно поэтому их «печи» горят так жарко. У человека среднего роста с массой около 70 килограммов эти органы весят примерно 5,5 килограмма, то есть всего 8 процентов, а тепла вырабатывают до70 – 75 процентов. Мышцы даже при полном покое продуцируют несколько больше тепла, чем кожа, костная ткань или белый жир. Однако в общем балансе организма оно составляет всего 15—16 процентов.

Для каждого вида животных существует свой температурный диапазон, когда им не приходится предпринимать дополнительных усилий для обогрева или охлаждения. Но чуть температура опустится, выйдет за пределы нижней границы термонейтральной зоны (эту границу называют нижней критической температурой), животным приходится прибегать к дополнительным мерам, чтобы сохранить неизменной температуру тела. Нижняя критическая температура тропических животных высока, обычно она лежит в пределах 20—30 градусов, а у самых мелких еще выше. Для малого козодоя с Антильских островов она равняется 35, для серой сойки, жительницы австралийских лесов, – 36, а для садовой овсянки из южной Калифорнии даже 38 градусам.

Теплокровные животные, чуть только их тело начинает остывать, переводят свои «печи» на форсированный режим. При этом производство тепла может увеличиться в 1,5—2 раза. Жители тропиков мерзнут даже в жару. Обезьянам холодно, когда температура воздуха в кронах, где они проводят большую часть дня, падает до + 28, а при +18 градусах, чтобы сохранить постоянную температуру тела, им приходится вдвое увеличивать интенсивность обмена веществ. Это дорогая цена, но обезьяны, не испытывающие в джунглях недостатка в калорийной пище, могут позволить себе подобную роскошь. Песец только при —40 начинает немного мерзнуть, но даже при падении температуры наружного воздуха до —70 градусов повышает уровень производства тепла всего на 50 процентов.

Мощность «печей» имеет предел. Когда она исчерпана, возникает мышечная дрожь. Это приводит к существенному усилению теплопродукции, но и ее может быть недостаточно. Только серьезная работа, сопровождающаяся значительным повышением обмена веществ, позволяет в 10 раз увеличить производство в мышцах тепла. Крупным животным, размером не меньше зайца, если термоизоляция их тела ничем искусственно не нарушена, во время усиленной мышечной деятельности падение температуры тела не грозит, конечно, пока мороз существенно не превысит величин, привычных для той местности, к которой адаптировано данное существо.

Совсем не обязательно, чтобы напряженная работа мышц сопровождалась внешней двигательной активностью. Зимой 1941 года, отличавшейся жестокими морозами, мне вместе с несколькими бойцами особого разведподразделения довелось более 10 часов кряду, все светлое время суток, провести лежа в снегу в десяти шагах от дороги, по которой непрерывным потоком двигались немецкие автомашины. Малейшее неосторожное движение могло стоить жизни. Кроме теплой одежды, от холода нас спасало умение вырабатывать тепло, быстро напрягая и расслабляя все мышцы тела. Это изматывает похуже любой тяжелой работы, но действительно позволяет согреться. Несмотря на сильный мороз, никто из нас в тот день не только не обморозился, но даже не подцепил насморка.

Почему-то к усилению мышечной активности для резкого увеличения теплопродукции прибегают, главным образом, крылатые существа. Насекомым, чтобы взлететь, необходимо поднять температуру в грудной части своего тела до 32 градусов. При более низкой температуре они не в состоянии совершать быстрых сокращений, а значит, число взмахов крыльев в единицу времени будет совершенно недостаточным, чтобы животные смогли оторваться от опоры и удержаться в воздухе. В полете поддерживать температуру тела не составляет труда. Это обеспечивается напряженной работой крыльев.

Самый распространенный способ разогрева – мелкая активная дрожь или холостая работа крыльев. К этому приему прибегают бабочки, жуки, мухи. Бражники – красивые крупные ночные бабочки с толстым массивным телом, густо покрытым длинными мохнатыми чешуйками, широко распространены на всех континентах. Живут они и в тропиках, и в умеренном климате, Большинство так или иначе связаны с лесом, а латают в сумерках.

В это время и в тропиках температура воздуха, а значит, и тела насекомых ниже полетной. Бражникам приходится предпринимать дополнительные усилия, чтобы согреться. Начинается некоординированная дрожь в их летательных мышцах и легкая вибрация крыльев, а потребление кислорода увеличивается вдвое. В процессе разогрева крылья остаются относительно неподвижными, так как мышцы, поднимающие их, и мышцы, которые их опускают, сокращаются одновременно и, видимо, развивают равные усилия.

Активное производство тепла и приличная термоизоляция волосатого тела позволяют бражнику согреваться со скоростью 4 градуса в минуту. Если воздух в ночном лесу прогрет до 10 градусов, через 5—6 минут бабочка может отправляться в путь. Интересно отметить, что нервные ганглии (координационный центр, руководящий работой крыльев) чувствительнее к недостатку тепла, чем «мотор», приводящий их в движение. Некоторые неженки, вроде бражника Мандура, не в состоянии подняться в воздух, пока не согреются до 38, а в полете поддерживают температуру тела на уровне 34—45 градусов.

Чтобы подготовиться к полету, совсем не обязательно махать крыльями. Небольшие водяные жуки из рода полоскунов живут в маленьких прудах или заполненных водой ямах, но не утратили способности летать. С наступлением темноты они вылезают из воды и, прежде чем подняться в воздух, производят низкие звуки частотою до 140 герц. Видимо, гудеть басом – дело совсем не легкое. Во всяком случае, работа мышц, необходимая для исполнения «музыкального вступления» к полету, позволяет жуку согреться.

Шмели, проникающие далеко на Север, менее требовательны к температуре. Им достаточно согреться всего до 29—30 градусов, поэтому нектар с цветов шмели могут собирать до глубокой осени, когда температура воздуха даже в солнечную погоду опускается до 5—6 градусов. В такой холод никто из конкурентов летать не в состоянии, и шмель не тратит много времени на поиски еще не тронутых и богатых нектаром цветов.

Экстренное и притом значительное повышение температуры тела с помощью активной мышечной деятельности выгодно лишь мелким и очень мелким животным. Трехграммовому бражнику, чтобы поднять температуру тела на 25 градусов, приходится затрачивать 50– 60 калорий! Подсчитайте, насколько энергоемким оказался бы разогрев существа весом 100—150 килограммов.

Среди крупных существ, способных активно вырабатывать мышечное тепло, – змеи. В Ленинградском зоопарке систематически размножается большинство обитателей серпетария, в том числе гиганты змеиного царства – питоны. Эти змеи, достигающие в длину 8– 10 метров и 60 килограммов веса, – обитатели девственных тропических лесов Старого Света. Они нападают на крупных животных и, обвиваясь кольцами вокруг их тела, душат. Недаром мышцы тела развиты у питона значительно лучше, чем у других змей. Взрослый питон легко справляется с козой, свиньей, собакой, а иногда отваживается нападать даже на леопардов.

Питоны относятся к числу немногих рептилий, которые проявляют заботу о своем потомстве. Эту функцию целиком берет на себя мать. В Ленинградском зоопарке самки тигрового питона откладывают по 40—50 яиц. Закончив эту важную процедуру, мать собирает их в кучу и обвивается вокруг кладки, делая 3—4 кольца. Получается живой «кувшин», наполненный крупными змеиными яйцами. У опытных самок горловина «кувшина» оказывается достаточно узкой, и она, как крышкой, закрывает ее отверстие своей головой. Натуралисты прошлого столетия полагали, что мать просто охраняет свое потомство. Но когда в условиях зоопарка удалось измерить температуру между кольцами «сидящей» на яйцах самки, она оказалась на 10—15 градусов выше температуры окружающего воздуха. Значит, не только охраняет, а греет, высиживает.

Нужно сказать, что в огромном теле питона, больше чем наполовину состоящем из мышц, вырабатывается много тепла, поэтому температура змеи, когда она спокойно переваривает пищу, может быть на 6—7 градусов выше температуры воздуха. Однако для нормального развития яиц нужна температура 35 градусов, поэтому приходится прибегать к мышечной деятельности. Посетители зоопарка могут наблюдать, как змея, сидя на яйцах, регулярно вздрагивает всем своим могучим телом.

Она с успехом борется за создание оптимального режима насиживания, пока температура окружающей среды не снижается до 22 градусов. В этот период обмен веществ у самки увеличивается в 10 раз, и за 80-дневное насиживание, в продолжении которого змея голодает, ее вес падает на 30—35 процентов! Вот почему, готовясь к размножению, самка усиленно питается, стараясь значительно увеличить свои энергетические ресурсы, обзавестись так необходимыми в этот период запасами жирка. Произвольная выработка тепла для насиживания яиц – в среде рептилий явление уникальное.

ШУБЫ, ПОЛУШУБКИ, МАЛАХАИ

Жара, духота и постоянный полумрак – вот главные впечатления, которые выносит путешественник из поездки во влажные тропические леса, из амазонской сельвы, африканской гилей, из джунглей, покрывающих острова Тихого и Индийского океанов. Для северян тропики представляются зоной вечной изнуряющей жары. Может показаться, что животные тропической зоны озабочены только тем, чтобы не перегреться и не получить солнечного удара, а над обитателями северных листопадных лесов и приполярной тайги все время висят угроза замерзнуть.

Это не соответствует действительности. Жителям влажных тропических лесов бывает холодно ничуть не реже, чем жителям Севера. В джунглях не принято одеваться в теплые шубы, и обитающие там животные, привыкнув к оранжерейным условиям существования, становятся настолько изнеженными, что страдают при самом незначительном падении температуры окружающей среды.

Как только становится прохладно, животное начинает остывать, теряет много тепла. Львиную долю тепла вырабатывают внутренние органы. Вот почему все частя тела теплокровных животных не могут иметь одинаковую температуру. Обычно поверхностные покровы и дальняя «периферия» холоднее «ядра». Такое положение противоестественно. Тепло имеет тенденцию к рассеиванию, то есть передается от более теплых предметов к более холодным, от «ядра» тела животных к его поверхности и оттуда во внешнюю среду. Таким образом, теплоотдача начинается с перераспределения тепла внутри организма. Это происходит двумя путями.

Первый – обычная теплопроводность. Если большим толстым гвоздем пробить насквозь стену, а затем паяльной лампой нагревать его головку, температура кончика, оказавшегося в соседней комнате, тоже резко возрастет. В металлах тепло распространяется очень легко. Чтобы оценить, в какой степени это свойство присуще разным веществам и материалам, познакомимся с коэффициентами теплопроводности различных веществ:

Серебро – 0,97 кал/см-сек-град.

Алюминий – 0,5 »

Сталь – 0,11 »

Вода – 0,0014 »

Ткани тела теплокровных животных – 0,0011 ».

Как видно из приведенных данных, теплопроводность тела примерно в 1000 раз ниже, чем у серебра, и это для живых организмов благо. Низкая теплопроводность не позволяет животным ни быстро прогреваться, ни стремительно остывать. Только благодаря этому мы имеем возможность успешно бороться и с жарою, и с холодом.

Потери тепла у обитателей леса происходят главным образом за счет теплопроводности: тепло организма переходит в прилегающий к телу слой воздуха и рассеивается в нем. Благодаря низкой теплоемкости и теплопроводности воздуха потери тепла не были бы велики, однако процесс теплообмена со средой этим не исчерпывается. Плотность воздуха зависит от его температуры, с ее повышением она уменьшается. Как только соприкасающийся с телом слой воздуха нагреется и его плотность уменьшится, он начнет подниматься вверх, «всплывать», а его место занимает холодный воздух, и теперь уже он воспринимает тепло тела. Этот процесс существенно ускоряется при самом незначительном ветерке. В ветреную погоду животные остывают быстрее.

Для поддержания теплового баланса огромное, иногда решающее значение имеет термоизоляция. Теплокровные животные, за очень редким исключением, одеты в шубки из меха и перьев. Качество одежды, которую они носят, находится в прямой зависимости от климатических условий.

Давайте продолжим знакомство с коэффициентом теплопроводности различных материалов, чтобы оценить теплозащитные свойства одежды четвероногих и пернатых обитателей нашей планеты:

Сухая почва – 0,0008 кал/см-сек-град.

Сухая древесина – 0,0003 »

Воздух – 0,000057 »

Мех животных – 0,000091 »

Обитатели Севера щеголяют в замечательных шубах и малахаях. Однако секрет высокого качества их одежды не в особых свойствах материалов, из которых состоят волосы и перья, а скорее в. их конструкции.

Живая часть волоса – корень, или волосяная луковица, – спрятана в толще кожи. То, что находится снаружи, – ствол волоса. В нем различают сердцевину, корковый слой и кожицу. Сердцевина волоса пориста. Воздух, заполняющий поры, делает его теплоизолятором. Корковый слой придает волосу прочность, а кожица предохраняет от химических и механических повреждений, Волос растет только в районе луковицы. Его ствол мертв.

Для борьбы с холодом используются два типа волос: пух и ость, Тонкие и нежные пуховые волосы гораздо теплее остевых, но зато не так прочны.