Зачем мы бежим, или Как догнать свою антилопу. Новый взгляд на эволюцию человека

Не имея возможности снизить выработку тепла при перегреве во время бега, мы вместо этого потеем, чтобы избавиться от избыточного тепла. Таким образом, мы можем продолжать бежать и вырабатывать еще больше тепла без перегрева до тех пор, пока у нас достаточно жидкости для потоотделения. Я не обнаружил пота у мотыльков, но они все же стабилизировали температуру тела. Как они сохраняли тепло при низких температурах, было ясно, но как они охлаждались при высоких температурах? Как избавиться от лишнего тепла, чтобы стабилизировать температуру мышц и продолжить полет на жаре? Чтобы выяснить это, я провел ряд экспериментов, которые доказали наличие у бражников уникального биологического механизма. Они отводят тепло из груди в обычно остающееся прохладным брюшко, используя кровь в качестве теплоносителя. Ветер, обдувающий слабо термоизолированное брюшко, охлаждает его путем конвекции. Это так называемое конвективное охлаждение из брюшной полости аналогично охлаждению автомобиля, в котором тепло рассеивается радиатором после того, как передается от двигателя с помощью охлаждающей жидкости.

«Брюшной радиатор» мотылька может оберегать насекомое от перегрева во время непрерывного полета даже при температуре воздуха 30 °C (86 °F). Однако я сократил продолжительность его полета до двух-трех минут, сделав операцию, эквивалентную пережиманию шланга радиатора автомобиля, и отсоединив их сердечно-сосудистую структуру, которая перекачивает кровь. Мотыльки потеряли способность переносить тепло в брюшко; температура грудной клетки повысилась, а брюшко осталось прохладным. Температура грудных мышц, управляющих крыльями прооперированных бабочек, резко поднялась до недопустимо высокой температуры 44–45 °C (111–113 °F), и как марафонцы, у которых закончилась вода для испарительного охлаждения, насекомые падали на землю с тепловым ударом. Я знал, что перегрев, а не отказ органов, качающих кровь, был причиной ограниченной выносливости бабочек в полете. Если я удалял «шубу», прикрывающую их «двигатель»-грудь, чтобы они могли пассивно терять больше тепла, бабочки хорошо летали, несмотря на операцию на сердце. Может показаться странным, что бражникам требуется удерживающий тепло мех на груди. Толстый мех действительно является помехой во время полета при высоких температурах, но он полезен при низких температурах, когда насекомые сталкиваются с противоположной проблемой.

Меня удивили и обрадовали эти и другие результаты по той же теме, и я опубликовал пять работ, три из них – в престижном журнале Science. Вскоре последовал шквал других публикаций, показывающих, что физическая выносливость у различных млекопитающих также ограничена перегревом. Кролики, красные кенгуру и гепарды – все покрыты шерстью, чтобы согреться, но все они перегреваются до того, что вынуждены прекращать бег даже при умеренной жаре. Люди, однако, благодаря превосходному потоотделению поразительно выносливы при беге в жару.

Проблема, связанная с тем, что иногда приходится сохранять тепло для физической активности, а иногда – избавляться от него для ее продолжения, также связана с точной синхронизацией дыхательного цикла с кровообращением. Как я объясню далее, дыхание влияет на ток крови и охлаждение, что придает некоторым насекомым выносливость в жару.

Перед тем как рассказать об элегантных решениях у насекомых, вроде тех, которые мы обнаружили в шмелях, нужно вернуться назад и пересмотреть некоторые основы. Во-первых, у пчел брюшко прикрепляется к грудной клетке лишь крошечной, узкой талией – петиолем. Все тепло, количество которого у летящей пчелы в несколько сотен раз превышает количества тепла в состоянии покоя (точное количество зависит от той температуры тела, при которой фиксируется базальный метаболизм – сравнивать нужно именно с этим), вырабатывается летательными мышцами, покрывающими грудную клетку. У насекомых нет мышц в крыльях – все мышцы, которые управляют крыльями, находятся внутри самого тела. Температура брюшка обычно близка к температуре воздуха, если только, как у мотыльков, оно не используется в качестве радиатора, выводящего избыток тепла в грудной клетке.