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

Поскольку ранее Шмид выяснил, что разные виды лягушек достаточно хорошо приспособлены к выживанию каждый в своей особой среде обитания, ученый усомнился, что найденное им животное совершило смертельную ошибку и недостаточно глубоко закопалось или выбрало плохое место, чтобы зимовать. Он доверился интуиции, которая подсказывала ему, что замороженная лягушка все еще может быть жива, и так появилось ставшее теперь классическим исследование выживания лягушек на холоде. Шмид опубликовал работу в престижном журнале Science под скромным названием «Выживание лягушки при низкой температуре» (Survival of Frogs in Low Temperatures). Насколько мне известно, в этой статье толерантность к заморозке впервые была описана как стратегия выживания зимой у позвоночных животных. Вероятно, Берроуз не поверил своим глазам, когда увидел, что лягушка моргает под замерзшей листвой, сидя на затвердевшей от мороза почве. Судя по его описанию, он нашел лягушку в таких условиях, что она тоже должна была

замерзнуть. Для большинства животных заморозка – это верная смерть.

Кеннет и Джанет Стори в Карлтонском университете в Оттаве подобрали знамя изучения толерантности к замерзанию и исследовали физиологическую основу этого явления у лягушек. Они подтвердили и расширили открытие Шмида, и теперь нам известно, что в Северной Америке распространено несколько видов зимоспящих лягушек – лесная лягушка, изменчивая квакша, свистящая квакша и трехполосная квакша (Pseudacris triseriata

), – которые устойчивы к замерзанию. У таких лягушек в полости тела и межклеточном пространстве образуется лед (у лесной лягушки в лед может превратиться до 65 % воды в теле), но у тех, кто при этом выживает, в самих клетках кристаллы льда не образуются. Обычно, если кристаллы льда появляются в клетке, это смертельно: острые как нож, они рассекают мембраны, протыкают органеллы и рушат клетку. Смертельный порог температуры для лягушки – всего –8 °C, поскольку при температуре ниже этой лед все же начинает возникать в клетках. Но в местах, где проводят зиму лесные лягушки, под листьями и снегом, температура редко опускается ниже. (Где проходит гибернация свистящей, трехполосной и изменчивой квакш, не совсем известно. Осенью я часто слышу свист свистящих квакш в лесу, так что, видимо, где-то там они и зимуют. Один коллега рассказывал мне, что нашел зимой изменчивую квакшу под отошедшей от дерева корой, а у другой сотрудницы животное приготовилось зимовать в цветочном горшке, который она внесла осенью в дом.)

Все четыре упомянутых вида лягушек, зимующих на поверхности земли, способны выжить, если половина воды у них в теле обратится в лед, но это невозможно без химических средств, которые решают две основные проблемы. Одно соединение (чаще всего это спирт глицерин) в случае замерзания лягушки защищает мембраны, а другое (в основном глюкоза) участвует преимущественно (но не исключительно) в осмотической реакции, благодаря которой лед образуется только снаружи клеток. Однако, в отличие от многих затвердевающих на холоде насекомых, которые тоже используют спирты и сахара и пропитывают ими свои ткани перед зимой, лягушки осенью перед замерзанием не накапливают в теле эти вещества. Они ждут

, когда начнет образовываться лед, и тогда за один день перестраиваются и становятся морозоустойчивыми. Лягушки получают способность переносить замерзание благодаря модифицированной адреналиновой реакции страха, характерной для других позвоночных, например человека.

У всех позвоночных животных есть физиологическая реакция «бей или беги», когда от органов чувств поступает информация об угрозе, скажем, о нападающем льве, и это вызывает выброс гормона адреналина из надпочечных желез. Адреналин вызывает разнообразные эффекты, но в целом они складываются в готовность тела противостоять ситуации. Ускоряется сердцебиение, в крови повышается уровень глюкозы, больше крови поступает к мышцам. Эта адреналиновая реакция у лесных лягушек изменилась таким образом, чтобы противостоять замерзанию, которое для всех водных лягушек и, конечно, для человека смертельно.

Когда первые кристаллы льда начинают формироваться у лесной лягушки на поверхности кожи или внутри ее, запускается реакция тревоги. Рецепторы кожи передают сообщение о замерзании в центральную нервную систему (ЦНС), а ЦНС активирует мозговой слой надпочечников, чтобы те выделяли адреналин в кровеносную систему. Поступая в печень, адреналин активирует в ней ферменты, которые преобразуют запасы гликогена в этом органе в глюкозу. В результате лягушка реагирует резким ростом глюкозы в крови. У лесной лягушки это очень мощная реакция, и, прежде чем лед достигнет клеток, они оказываются наполнены глюкозой, которая действует как криопротектор.