Зима: Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года

Чтобы понять, что такое активность и температура тела в зимнем мире, нужно знать хотя бы основные физические свойства воды, а также такие понятия и термины, как понижение точки замерзания, антифриз, ядра кристаллизации, температурный гистерезис и переохлаждение – они еще всплывут в книге позже. Обычно вода замерзает и тает при одной и той же температуре. Всем известно, что переход между твердым и жидким состоянием у чистой воды происходит в точке, которая определена как 0 °C. Растворенные в воде вещества предсказуемым образом понижают точку замерзания: например, если добавить один моль любого вещества (моль – это определенное число

молекул) на литр чистой воды, точка замерзания/таяния понизится на 1,86 °C. Многие механизмы приспособления животных к низким температурам зимнего мира связаны с «хитростями», которые позволяют изменить предполагаемую точку замерзания с помощью других физических явлений, влияющих на замерзание и таяние воды. Функция молярной концентрации растворенных в воде веществ не всегда строго задает понижение точки замерзания и таяния. Некоторые

особые вещества, которые называются антифризами, взаимодействуют с молекулами воды и понижают точку замерзания сильнее, чем можно было бы ожидать

в силу самой по себе концентрации вещества. Иногда животные (особенно насекомые) используют еще более важное явление, при котором точка замерзания и точка таяния разделяются. Эта аномалия называется температурным гистерезисом. Если вода (независимо от того, чистая ли она или содержит растворенные вещества, будь то антифризы или другие) находится в жидком состоянии при температуре ниже предполагаемой точки замерзания (то есть при тепловом гистерезисе), это называется переохлаждением

. Обычно кристаллы льда образуются на какой-нибудь молекуле и вокруг нее или на другом кристалле льда, так что переохлаждение жидкости возможно, только если нет так называемых ядер кристаллизации, вокруг которых могли бы расти кристаллы. Если в переохлажденную жидкость попадает ядро кристаллизации – например единичный кристалл льда или частичка пыли, – жидкость «мгновенно» превращается в лед. Переохлажденная жидкость находится в физически нестабильном состоянии и может замерзнуть в любой момент.

В применении к зимующим насекомым иногда используют еще один (неисключительный) термин – «диапауза», однако, согласно более строгому определению, он означает остановку процессов развития. Во время гибернации процессы развития останавливаются у всех насекомых (отчасти потому, что низкая температура, а то и заморозка тормозит или останавливает в организме биохимические процессы, если только в действие не вступают особые механизмы, призванные обойти холод), но назвать это диапаузой в строгом смысле можно, только если развитие животного не возобновляется в ответ на потепление. У многих (но никак не всех) мотыльков развитие приостанавливается на стадии куколки в конце лета и осенью, когда еще тепло, а затем они в виде куколки в состоянии диапаузы переживают зиму. У других в зависимости от вида гибернация протекает на стадии яйца, гусеницы или взрослой особи. Чтобы приостановилось развитие организма, нужны специальные приспособления, которые в совокупности с другими свойствами животного помогают ему противостоять холоду во время зимовки. Диапауза также встречается отдельно от гибернации. Так, некоторые взрослые насекомые летом входят в репродуктивную диапаузу на время миграции или пока ищут растение-хозяина.

Путаницы в терминологии, связанной с зимней спячкой, можно было бы избежать, определяя гибернацию не через температуру тела или еще какое-то конкретное явление в физиологии или поведении определенного вида, а с позиций функции этого явления, связанной с приспосабливанием. У большинства животных зимняя и/или летняя спячка – это сезонные периоды адаптационного оцепенения, благодаря которым животное может пережить регулярно наступающий голод. Холод, жара и засушливость сезонный голод усугубляют, а гибернация помогает побороть его путем развития различных механизмов приспосабливания[5].