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

Теперь обратимся к арктическому суслику (Spermophilus parryii

), чтобы рассказать одну из самых удивительных историй, связанных со спячкой и выживанием зимой у млекопитающих. Арктический суслик – представитель наземных беличьих, золотисто-серый с мелкими белыми пятнышками, по размеру крупнее бурундука, но меньше сурка. Это самое северное млекопитающее во всей канадской и сибирской тундре, для которого характерна спячка. В течение восьми месяцев зверек лежит, свернувшись комочком, в вечномерзлом грунте вблизи от слоя льда и поддерживает температуру тела на уровне точки замерзания воды и ниже. Брайан Барнс и его коллеги в Аляскинском университете в Фэрбенксе много лет пытались выяснить, как выживают эти животные. Ученые проводили полевые исследования на биостанции на озере Тоолик у подножий хребта Брукс-Рейндж, а также на огороженных участках и в лаборатории в Фэрбенксе.

Как и другие виды наземных беличьих, на время спячки арктические суслики роют норы и строят подземные гнезда. Но поскольку они обитают в зоне вечной мерзлоты, то не могут закопаться достаточно глубоко, чтобы избежать отрицательных температур зимой. Вместо этого они роют почву в конце лета и осенью, когда начинает холодать. Температура окружающей среды падает всю осень и зиму, и ученые, постоянно регистрируя температуру тела животных с помощью радиопередатчиков, установили, что во время оцепенения тела сусликов охлаждаются одновременно с почвой. Примечательно, однако, что температура в норке продолжает падать и к декабрю достигает –15 °C, а температура тела арктического суслика до этого значения не опускается. Она стабилизируется где-то между –2 °C и –2,9 °C. Таким образом, с этого момента температура тела оцепенелого животного уже не изменяется пассивно, а регулируется. Она поддерживается на уровне 8–9° ниже, чем у зимующего бурундука в спячке, но на 12–13° выше температуры почвы. Ни для какого животного ранее не удавалось показать, чтобы оно поддерживало температуру тела около 0 °C, не говоря уже о двух и более градусах ниже точки замерзания воды. Более того, при температуре тела целых –2,9 °C арктические суслики не заледеневают. Барнс заинтересовался, нет ли в их крови криопротектора. Чтобы выяснить это, он взял у суслика в спячке плазму крови и в лаборатории определил точку ее замерзания. Кровь замерзала примерно около –0,6 °C. Следовательно, веществ, снижающих температуру замерзания, в ней не было

. Эти результаты только усугубили загадку: почему в лаборатории кровь замерзает, а в теле животного нет? Пока эта тайна не раскрыта, но наилучшая гипотеза состоит в том, что суслики прибегают к переохлаждению.

Чистая вода замерзает при 0 °C. Если добавить один моль вещества на литр воды, точка замерзания понизится на –1,86 °C. Для чистой воды и растворов известной концентрации можно точно предсказать точку замерзания (и таяния), но иногда температуру можно опустить ниже предсказанной точки замерзания, так чтобы кристаллы льда не образовались. Такие растворы называют переохлажденными. Переохлаждение происходит, когда нет «ядер кристаллизации» – мест, где начинают расти кристаллы льда. Лучшие ядра кристаллизации – это другие кристаллы льда. Таким образом, если добавить один кристалл, например снежинку, в сосуд с чистой жидкой водой, переохлажденной до –10 °C, весь сосуд мгновенно затвердеет и превратится в кусок льда. При этом лед не растает, пока его не разогреют до 0 °C. Эта разница между точкой замерзания и таяния (или температурный гистерезис) – определяющая характеристика переохлаждения. Переохлажденная жидкость нестабильна: она может внезапно превратиться в лед при малейшем стимуле извне. Для этого ее достаточно слегка помешать. Чем больше тепловой гистерезис, тем больше вероятность, что жидкость застынет, и тем быстрее образец «схватывает» льдом, причем в этом процессе выделяется поддающаяся измерению порция тепла, поскольку освобождается энергия движения молекул жидкости, когда те занимают места в кристаллической решетке.