Как животные и растения переживают зиму. Отрывок из бестселлера The New York Times

Микроскопические живые организмы возникли около 3,5 млрд лет назад, в докембрийский период, — в истории жизни это была первая и самая длинная глава, охватывающая около 90% всего геологического времени. Какой была Земля, когда появились микроорганизмы, неизвестно, но мы знаем, что в какой-то момент здесь было жарко, как в аду, а в атмосфере не было кислорода. Древние микроорганизмы, вероятно, синезеленые водоросли или организмы, подобные бактериям, изобрели фотосинтез, чтобы получать энергию из солнечного света. В качестве пищи они извлекали из воздуха углекислый газ, а в качестве отходов выделяли кислород, который в дальнейшем изменил атмосферу и, как следствие, климат. Они разработали ДНК для хранения информации, придумали половое размножение, обеспечившее изменчивость для естественного отбора, — и вот стартовала эволюция, ход которой нескончаем и часто непредсказуем.

Молекулярная дактилоскопия предполагает, что сегодня все живое на Земле происходит от одного и того же предка, сходного с бактериями. Этот предок в конце концов породил три основные существующие сегодня ветви живого — архей, бактерий и эукариот (эукариоты — это организмы, клетки которых содержат ядро, в том числе простейшие, водоросли и другие растения, грибы и животные).

Остатки первых бескислородных живых организмов древности, вероятно, дошли до нас слабо изменившимися. Считается, что это потребляющие серу бактерии, которые сегодня живут лишь в немногочисленных оставшихся местах с древними условиями обитания, для человека невыносимыми. В число таких сред обитания входят горячие источники и глубоководные термальные выходы, где с океанского дна поднимается вода температуры 300°C (она остается жидкой и не превращается в пар, потому что на глубине около 3600 метров находится под большим давлением). Один из видов, проживающих на краю таких горячих водяных скважин, — это Pyrolobus fumarii, этот представитель архей активен при температуре от 90°C и выдерживает температуру 113°C. По мере того как Земля остывала, появились новые среды обитания, и от этих или похожих видов произошли новые одноклеточные, а затем и многоклеточные организмы, которые стали заселять появляющиеся более прохладные места.

Много позже некоторые клетки покинули среду обитания своих предков другим способом: они проникли в другие клетки, обнаружили, что условия здесь благоприятны для выживания, и приспособились к ним. В конце концов у таких исходно паразитических организмов с хозяевами установились отношения сотрудничества, или симбиоза. В итоге эти связи оказались взаимовыгодными, а судьбоносной среди них, пожалуй, оказалась та, в рамках которой некоторые докембрийские зеленые водоросли стали успешно расти внутри других клеток и в результате превратились в хлоропласты, а их хозяева — в зеленые растения.

Способность захватывать солнечную энергию породила многоклеточные организмы и то поразительное разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня в живой природе. Вслед за тем, как развилась эта способность, а может быть, одновременно на клеточном уровне произошло еще одно вторжение, из паразитического ставшее взаимовыгодным симбиотическим. Благодаря растениям появился кислород, затем образовались бактерии, поглощающие кислород и энергию, и некоторые из них, поселившись внутри других клеток, превратились в митохондрии, а их хозяева стали животными. Митохондрия в клетке — это источник сил и аппарат энергоснабжения, который при наличии доступа к кислороду позволяет клетке расходовать гораздо больше энергии. В результате стала возможна эволюция многоклеточных животных. Одно из ярчайших проявлений высокого энергетического уровня, на котором существуют живые организмы за счет работы митохондрий, — это конечно же такие животные, как корольки, способные на протяжении всей северной зимы постоянно функционировать на оборотах, для нас практически невообразимых.

Митохондриальный очаг метаболизма можно раздуть, если доступно много кислорода, а можно приглушить. Жизнь — это процесс, который использует порожденную метаболизмом энергию, а главное, контролирует ее поток. Метаболизм, подобно огню, дает тепло, а тепло часто равнозначно жизни.

Для нас температура — это ощущение, измеряемое по шкале от горячего до холодного. В физическом смысле температура — это молекулярное движение, которое можно измерить термометром, поскольку чем больше движутся молекулы вещества, например ртути, тем сильнее увеличивается расстояние между ними. Мы измеряем это молекулярное расширение, когда ртуть (или какая-нибудь жидкость) в столбике перемещается вдоль откалиброванной шкалы. Само по себе движение молекул — это еще не жизнь, но ее необходимое условие.

Впрочем, тепло — это энергия, которая должна поступить в систему или покинуть ее, чтобы изменилась температура. Некоторым веществам нужно поглотить больше энергии (например, солнечной), прежде чем их молекулы начнут двигаться, повышая температуру. Одна калория — это количество энергии, которое нужно, чтобы повысить температуру одного грамма воды на 1°C. Чтобы разогреть такое вещество, как камень, нужно гораздо меньше энергии, чем для воды. Опять же, энергия не есть жизнь, но она необходима для жизни, и все живое ненасытно ее потребляет. Поэтому то, что жизнь сохраняется и даже процветает зимой, когда солнца мало, — настоящее чудо.

Верхнего предела температуры не существует. В нашей Солнечной системе температура поверхности Солнца составляет около 6000°C, а центр звезды примерно в 3000 раз горячее, то есть его температура около 18 000 000°C. А вот нижний предел температуры во Вселенной конечен. Это точка, где всякое молекулярное движение останавливается и количество тепловой энергии равно нулю. Жизнь при такой температуре невозможна, но приспособления к зимнему миру, о которых я расскажу, говорят о том, что эта температура не обязательно уничтожает живое. По крайней мере, в теории при самой низкой температуре во Вселенной жизнь может приостановиться, но сохраниться.

Чтобы задать шкалу Цельсия, содержание тепловой энергии в воде поделили на 100 условных единиц между точкой, когда молекулы воды покидают кристаллическую структуру, чтобы стать жидкостью (0°C), и точкой 100°C, где жидкая вода закипает, если находится на уровне моря. Нижний предел температуры во Вселенной, или самое низкое содержание энергии в веществе, определяют как 0° по шкале Кельвина, и он соответствует –273,15°C (или –459,7° по шкале Фаренгейта). Поскольку вода лежит в основе всех известных нам живых организмов, активная клеточная жизнь, знакомая большинству, возможна лишь в очень узком диапазоне температур между точками замерзания и кипения воды (которые немного меняются в зависимости от давления и наличия в воде растворенных веществ), где можно использовать энергию в контролируемых количествах. Мы в основном состоим из воды, и, замерзая, то есть превращаясь в лед, вода в наших клетках рвет клеточные мембраны, а это смертельно.

Вода воздействует на живое и на уровне экосистем, причем не менее существенно, чем на клеточном уровне. Каждую осень в северных умеренных широтах можно наблюдать, как влияют на экосистему различные физические свойства воды. Согласно опыту большинства существ на Земле, вода — это прозрачная жидкость, текущая вниз по наклонной плоскости, удержать которую можно только с помощью препятствия. Часть года некоторые из нас также наблюдают воду в виде белого рассыпчатого вещества, которое налипает на деревья и склоны холмов и придает лесу сказочный вид. Это вещество можно сгребать в кучи, можно рыть в нем тоннели и делать из него жилища для человека и зверя. Скапливаясь, оно способно стать таким плотным и глубоким, что через него не пройдешь. Оно порой закрывает растения от света и ломает их. При определенном наклоне земной оси это вещество подолгу накапливается в северных областях и образует ледники, которые изменяют окружающий пейзаж, стирая в порошок горы и выглаживая долины. При изменении температуры всего на 1°C или меньше вода также может стать прозрачным веществом, похожим на стекло, и запереть поверхность озера, так что по ней можно будет спокойно ходить.

В зимнем мире практически все решает кристаллизация воды. Всего за несколько часов это явление может изменить физическую поверхность земли, а за миллионы лет оно в корне изменило физиологические, морфологические и поведенческие свойства всех организмов, которым приходится противостоять магическому превращению жидкости в кристаллы.

Каждую осень зимний мир постепенно и неумолимо наступает на обитателей Северного полушария. Ночи становятся все длиннее и холоднее. На землю попадает меньше солнечной энергии. Сначала замерзает и образует твердое покрытие вода в плодородном слое почвы (если та еще не покрылась снегом). Последними замерзают самые быстрые речки и ручьи, потому что здесь вода постоянно смешивается с холодным воздухом в месте соприкосновения этих сред. Холод, замораживающий воду, поступает от воздуха прямо над водой. Вода хотя бы немного теплее воздуха. Если она перемешивается (как в быстрых потоках), ее поверхность не так стремительно остывает до 0°C.

Затем в одну прекрасную ночь происходит неизбежное: водоемы замерзают. Температура падает настолько, что движение молекул воды на стеблях прибрежных трав, веточках и листьях, плавающих по краю водоема, замедляется достаточно, чтобы эти молекулы заняли устойчивое положение и образовали кристаллическую структуру. Теперь стебли, веточки и листья служат ядрами кристаллизации для формирования льда. Молекулы воды, как закатывающиеся в лузу бильярдные шары, занимают свои места, сначала без разбора на любом предмете, который им встретится, а затем на других молекулах, которые уже пришли в состояние покоя, и образуется ледяная кристаллическая решетка. То небольшое количество энергии, которое еще оставалось у этих молекул, теперь выделяется в виде тепла — теплоты кристаллизации в размере 76,7 калории на каждый грамм жидкой воды, превратившейся в лед (этого тепла недостаточно, чтобы температура в пруду или озере хоть сколько-то заметно повысилась, потому что масса воды гораздо больше и очень быстро поглощает теплоту; однако, если резко заморозить отдельную капельку, часто возникает ощутимый «экзотермический эффект» — повышение температуры на несколько градусов Цельсия).

Кристаллы льда образуются и вытягиваются по поверхности воды, как острые пальцы. Они встречаются, смыкаются, и к утру весь пруд может покрыться прозрачной пленкой, которой водные обитатели теперь физически отделены от тех, что на суше. Всего одна ночь, и уже можно буквально ходить по воде — очевидно, не в силу сверхъестественных способностей, а благодаря физическим свойствам этой жидкости при температуре ниже нуля.

Когда вода в водоеме превращается в лед, происходит одна примечательная, простая, но очень существенная вещь. Вспомните, что бывает, то же самое случается в облаке. Здесь ледяные кристаллы начинают падать, потому что вода и лед тяжелее воздуха и воды в газообразной фазе. Но, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, она становится легче. Иначе кристаллы льда, образовавшись на поверхности водоема, сразу тонули бы. Сначала тепло у дна постоянно растапливало бы поступающие сверху кристаллы, но в какой-то момент температура здесь опустилась бы до 0 °C или ниже. Тогда вода замерзала бы снизу вверх, а не сверху вниз. В экологическом плане это явление привело бы к тому, что на севере не было бы водоемов. Летом на солнце таяли бы только верхние слои льда, и любой дерзнувший появиться здесь водоем вскоре превращался бы в огромную вечную ледяную линзу.

Также в экологическом аспекте большое значение в поведении воды имеет то, что при изменении температуры меняется ее плотность. Холодная вода более плотная, чем горячая, так что первая опускается, а вторая поднимается. То же верно и для воздуха. Но плотность воды меняется не так равномерно. Она достигает наибольших значений при 4°C. Поэтому, когда весной озера прогреваются от 0 до 4°C и лед тает, поверхностные воды опускаются. Более плотные, они вытесняют со дна холодную воду с ее питательными веществами — те поднимаются к поверхности и питают живые организмы наверху.

В геологической истории Земли случаются регулярно повторяющиеся ледниковые периоды, связанные с астрономическим циклом наклона земной оси (Imbrie, Imbrie, 1979) — циклом Миланковича (по имени Милутина Миланковича, который его открыл). В данный момент Земля находится в фазе похолодания, начавшейся 7000 лет назад. Но сейчас вместо похолодания мы испытываем глобальное потепление, потому что климатические изменения, вызванные деятельностью человека, перевешивают похолодание вследствие астрономического цикла. Углекислый газ, выделяющийся при сжигании ископаемого топлива, накапливается в атмосфере быстрее, чем его поглощают лесные деревья и другие растения. Он работает как термальное покрывало и удерживает солнечное тепло. В отличие от астрономического цикла, который протекает постепенно и к которому можно приспособиться в процессе эволюции, это новое явление в истории планеты возникло внезапно. Оно еще повлияет и на корольков, и на человека.

Больше текстов о политике и обществе — в нашем телеграм-канале «Проект “Сноб” — Общество». Присоединяйтесь ‎