4. Теплообмін та роль температури середовища в житгі тварин.

Для існування більшості організмів - як рослинних, так і тваринних - холод є величезною перешкодою, що або загальмовує всі життєві функції, або змушує організм до захисної реакції, яка йому іноді дорого обходиться.

У кожного організму є потреба в теплі. Його функціонування є наслідком цілої серії хімічних реакцій, швидкість проходження яких тісно пов'язана з температурою. Коли температура підвищується, зростає швидкість реакцій, підвищується обмін речовин, посилюється функціонування і зрештою активність організму^ Якщо тварина запозичує тепло із зовнішнього середовища - це холоднокровні або екзотермна тварина - її температура і активність мінятимуться із зміною зовнішнього середовища. Якщо ж температура тіла тварини постійна і не залежить від умов зовнішнього середовища, то не залежить від неї і його активність. Такі птахи і ссавці, вони теплокровні або ендотермні тварини. Переваги ендотермності особливо виявляються тоді, коли тварині треба пристосуватися до холоду. Організм вже не просто пасивно чинить опір холоду, а продовжує свою діяльність.

Просте явище виживання в холоді не залежить від теплокровності. Навпаки, вважається, що примітивні організми, у яких немає механізмів, що підтримують внутрішню температуру постійноюї, відмінно переносять холод.

Один з видів ногохвісток живе на льодовиках. Є риби, які постійно живуть у фйордах Лабрадору при температурі води мінус 1,7°С, а точка замерзання їх крові - мінус 0,8°С. Це цікаве явище пояснюється особливим станом крові - станом переохолодження. Це означає, що при зіткненні з кристалом льоду вона може зразу ж замерзнути. Помітили, що у риб з настанням зими вміст солей в крові збільшується і наближається до концентрації солей в морській воді.

Що ж до амфібій і рептилій, вони практично в полярних областях не зустрічаються. Не тільки тому, що дуже низька температура зовнішнього середовища, з якою тісно зв'язана їх активність, але і тому, що у них немає можливості знайти притулок в кризі або в замерзлій землі. А для тих, які все- таки живуть або на великих висотах, або в тундрі, єдина можливість позбавитися холоду - це вибрати відносно сприятливе місце для зимівлі; або під камінням, або під товщею льоду. Тут, захищені від температурних стрибків, вони засинають. їх сон в деяких випадках продовжується до дев'яти місяців, і таким чином підсумок їх пристосування до холоду негативний, оскільки залишає їм для активного життя 3-4 місяці в році.

Більшість рептилій і амфібій холодних областей живородячі. Необхідність живородіння в даному випадку очевидна. Адже якщо яйця або личинки будуть залишені на холоді, у них мало шансів побачити себе дорослими. Але оскільки відомо, яке важке життя чекає їх на світлі, стають зрозумілішими переваги теплокровності. Правда, і вона далека від ефективності, яку їй часом приписують. Бувають випадки, коли вона стає розкішшю, іноді даремною, а деколи і небезпечною. Одна теплокровність все ж таки не здатна забезпечити життя в холоді. Зниження втрат тепла досягається цілим рядом всіляких хитрощів і способів. Вже давно було помічено, що величина тварини, розмір його вух, хвоста, лап виконують важливу роль в економії тепла. Вуха завжди менше у тваринних холодних областей, ніж у тварин, що мешкають в теплих місцях.

З другого боку, втрата тепла, пропорційна поверхні тіла, чим більша тварина тим краще регулюється його відтворення. Звідси був зроблений висновок, що тварини мають тенденцію бути крупнішими на полюсах, ніж на екваторі. Але і у цих законів дуже багато виключень. Тому зараз вважають, що величина тварини і розмір його кінцівок самі по собі не зумовлюють економію необхідного тепла.

Перш за все важливий захисний покрив, будь-то хутро, пір'я або жировий шар. Захисна роль хутра добре відома. Завдяки хутру їздовий собака, наприклад, може спати на снігу при температурі мінус 50°С, не відчуваючи при цьому потреби збільшувати виробництво тепла. З наближенням зими хутро густішає, стає довше. Але до певних меж. Інакше він вже не захищав би тварину, а утрудняв його. Ізолююча здатність хутра важливіша за його кількість, хоча, звичайно, собаки полярних областей мають набагато розкішнішу шубу, ніж їх побратими з теплих місць. Не менш ефективне пір'я. Пінгвіни, наприклад, чудово існують при найнижчих температурах. Пір'я і хутро не просто пасивна оболонка. Розпушивши хутро, роздувши пір'я, тваринне утворюють повітряну подушку, ізоляційні властивості якої тим більше, ніж вона товща. Що ж до захисної ролі жиру, її не потрібно доводити. Не дивлячись на те, що у китів, тюленів, моржів гола шкура, епідерміс якої має товщину 2-3 міліметри, вони годинами плавають в крижаній воді. 30 сантиметрів жиру що знаходяться під шкірою добре затримують витік тепла. Жирові запаси імператорського пінгвіна до наближення зими досягають 10-15 кілограм на 35 кілограм загальної ваги.

Як відомо, жодна тварина не покрита хутром, пір'ям або жиром цілком. Дуже волохаті лапи утрудняли б ходьбу, покритим волоссям носом тварина могла б не відчути небезпеки. Значить, кінчик носа і кінчики лап повинні бути відкритими. А у такому разі через них відбуватиметься значний витік тепла. Якби не існувало механізмів, перешкоджаючих цьому витоку, пінгвіни і тюлені, плаваючі в крижаній воді, білі куріпки, що прогулюються по снігу, дуже швидко замерзнули б, оскільки вироблення тепла не встигало б покривати його витік. Механізми для відновлення тепла в незахищених місцях схожі на ті, які уживаються в доменних печах: тепло артеріальної крові, що йде зсередини тіла, обігріває венозну кров, що повертається від кінцівок, які були в контакті з крижаною водою або снігом.

Температура лапи (або плавника) поступово знижується і на кінці досягає температури середовища. Температура тіла білої куріпки вища за температуру її лап на 38°. Це теж важливо. Якби лапи, дотичні з снігом, були теплими, сніг би під ними танув, і птах швидко примерзнув би до місця.

Радіатор має дві функції: він економить тепло, але в той же час повинен виводити його назовні. Парадоксально, але боротьба з холодом обов'язково приводить до боротьби з теплом. Якщо тепло одягнена людина побіжить, то через декілька хвилин йому стане жарко. Коли біжить карібу, надлишок тепла швидко виділяється через його кінцівки.

Пристосування до холоду досягло своєї досконалості у китів, моржів, тюленів завдяки комбінації ізолюючого жирового захисту і механізму циркуляції крові. Поверхня тіла стає справжньою ізоляцією. Охолоджування тварини може розповсюдитися на чверть його загальної товщини. Кінець кінцем тільки центральна частина організму - черевна і грудна порожнини - зберігає температуру постійної; у її користь принесена в жертву теплокровність периферії. Але охолоджені з метою зменшення втрати тепла тканини повністю зберігають свої функції. Хоча температура лап карібу рівна температурі снігу, олень поводиться так, як ніби то ніщо не заважає його пересуванню.

Відомо, що тваринний жир з пониженням температури твердне і стає крихким. Здавалося б, що лапи повинні вмить на морозі одерев'яніти. Цього не відбувається тому, що у однієї і тієї ж тварини жир, який знаходиться на кінці ноги, відрізняється по складу від жиру верхньої її частини. Фермери Лабрадору користуються жиром з ніг їх худобини для збереження еластичності кінської збруї і шкіряного взуття. Річ у тім, що точка замерзання жиру кінцівок набагато нижча, ніж жиру внутрішнього.

Отже, підтримка внутрішньої температури на одному рівні вимагає цілого ряду пристосувань. Завдяки ним тварини можуть зберігати активне життя на холоді. Але в деяких випадках, коли всіх перерахованих способів пристосування до холоду виявляється все-таки недостатньо, в дію вступає ще один. Тварини відшукують ті рідкісні зони, де умови життя менш суворі. Типовий приклад такого пристосування до холоду - імператорські пінгвіни. Вони розміщуються на обмежених в декілька квадратних кілометрів територіях, де кліматичні умови дещо м'якші, ніж навколо; не так низька температура і не такі жорстокі вітри. Завдяки цьому мікроклімату температура тіла пінгвінів підтримується постійною. Правда, птахи обмежені в русі, тоді як цінність теплокровності саме у тому, що вона надає тваринам можливість для активної діяльності. Ендотермія змушує дорого платити за ті переваги, які вона надає.

Але зима йде, жирові запаси виснажуються і індивідуальний захист тварини від холоду слабшає. Тоді з'являється інший засіб боротьби - колективний: групування колонії в компактну масу. Таким чином, три чверті тварин виявляються захищеними від холоду і вітру. Якщо з якої-небудь причини пінгвін віддаляється від "черепахи", у нього втрата у вазі йде удвічі швидше, ніж у тих, хто знаходиться в колективі. У "черепаху" пінгвіни збиваються при особливо сильних вітрах і при особливо низькій температурі, і ці групи не розпадаються дуже довго - деколи до 36 годин. Врешті-решт пінгвіни не так вже багато витягують з своєї приналежності до теплокровних тварин. їх переміщення обмежене зонами мікроклімату, а колективний захист від холоду робить їх нерухомими протягом багатьох годин.

Гризуни також використовують мікроклімат; вони риють нори під шаром снігу, дякуючи його хорошим ізоляційним властивостям які підтримують усередині гнізда температуру, якщо не високу, то принаймні постійну. Сніг є захистом від холоду.

У тих випадках, коли холод стає дуже сильним і економія тепла не врівноважує його втрати, входить в лад ще один механізм: термогенез - збільшення виробництва тепла за рахунок заощадженої клітинної енергії. Значення термогенезу другорядне. Він не може продовжити життя тварини надовго.

Отже, тварина на холоді, щоб зберегти тепло, а отже, свою активність, повинне вести постійну і виснажливу боротьбу. Деякі тварини знаходять цю боротьбу занадто обтяжливої. І вважають за краще взагалі відмовитися від своєї незалежності, тобто від всіх переваг теплокровності. Вони просто впадають в сплячку. Такий бабак. З наближенням зими він віддаляється в свою дбайливо приготовану нору, заздалегідь накопичивши солідні запаси жиру. Його внутрішня температура знижується до 3°, ритм серцевих скорочень з 88 в хвилину доходить до 10, а кількість дихальних рухів з 16 до 2. Мінімальний обмін речовин забезпечує його необхідною енергією. За 160 днів сплячки бабак втрачає майже чверть своєї ваги. І хоча тварина абсолютно відмовляється від свободи, що надається ендотермія, цей баланс явно для нього сприятливий і безумовно економічний. Щоб зберегти свою активність, бабак повинен був би битися з холодом і важко здобувати собі їжу, необхідну для вироблення енергії. Під час сплячки нічого цього не потрібне, оскільки функціонування життєвих органів істотно сповільнене. Зимівля легко вирішує, таким чином, проблему живлення і є дуже мудрим засобом боротьби з холодом.

Але яка б ні була ефективність механізмів, що дозволяють економити тепло або підсилювати його виробництво, тварини все ж таки у великих кількостях це тепло витрачають. Вони обов'язково повинні відновлювати енергію, поповнюючи для цього свої жирові запаси які надходять з їжею. Відсутність їжі жене тварину на її пошуки. Олені і вовки, переміщаються у пошуках їжі, птахи перелітають за нею у теплі краї.