Зачем некоторые лягушки добровольно превращаются в лёд?

Поскольку наступление зимы радикальным образом влияет на состояние одного из самых важных компонентов всего живого — воду, должны произойти не менее сильные изменения в физиологии и поведении животных в ответ на изменения окружающей среды. Одни существа выживают за счет выработки специальных веществ, другие остаются в постоянном движении, чтобы поддерживать температуру тела. Избежав угрозы замерзания насмерть, животные должны еще успевать находить пищу во время ее нехватки или запасать ее заблаговременно в период летнего изобилия.

Известный американский натуралист Бернд Хайнрих описывает стратегии, к которым прибегают ласки, летяги, беличьи, птица королек, черепахи, водные грызуны, лягушки, насекомые, хомяки, летучие мыши, бабочки, медведи, пчелы и многие другие представители животного царства, для выживания в суровых зимних условиях.

Предлагаем прочитать главу, рассказывающую о зимующих лягушках.

Осенью, когда птицы улетели, я часто слышу похожие на птичий щебет звуки, которые доносятся из леса, особенно если выдалось несколько теплых дней. Я много раз пытался аккуратно подкрасться и узнать, кто издает эти звуки, но до сих пор мне мало что удалось выяснить, кроме того, что это существо прячется на земле или возле нее. Всякий раз, как я подбирался так близко, что чуть не наступал на источник звука, тот затихал, и я так ничего и не увидел.

Я наткнулся на один отрывок у знаменитого американского писателя-натуралиста Джона Берроуза, которому, по-видимому, удалось выследить источник похожих звуков. В последний день декабря 1884 года, когда было необычно тепло, настолько, что пчелы вылетали из ульев, Берроуз гулял в лесу в своем родном штате Нью-Йорк и остановился в тени тсуги. Из-под влажных листьев на земле перед ним раздавался звук, похожий на лягушачий. Точно определив, откуда идет звук, он разворошил листья и нашел лесную лягушку. «Выходит, — заключил Берроуз, — это было место ее зимовки — она готовилась провести зиму, прикрывшись влажными слипшимися листьями, единственным, что будет отделять ее от морозного воздуха» (теперь уже многое известно о том, как именно земноводные переживают зиму, но никто по-прежнему не знает, почему некоторые из тех земноводных, что в брачный сезон, исключительно весной, когда сходит лед, устраивают громкие хоры, иногда поодиночке кричат и осенью).

Было известно, что земноводные, особенно жабы, закапываются в грунт, чтобы спастись от мороза. Садоводы, включая вашего покорного слугу, часто находят их, перекапывая землю осенью. Некоторые жабы уходят довольно глубоко, как выяснили Джон Тестер и Уолтер Брекенридж, два биолога из Музея естественной истории в Университете Миннесоты в Миннеаполисе, изучая дакотскую жабу (Bufo hemiophrys) в прерии Уобан на северо-западе Миннесоты. Эта область известна чрезвычайно холодными зимами. Жизнь жабы связана с водой во многочисленных ямках, при этом животные отходят от воды на 20–35 метров, чтобы закопаться на время гибернации в норе мешотчатого прыгуна. За три года два исследователя собрали из 8 нор 7483 жабы, снабдили их радиоактивными метками (тантал-182 активностью 100 микрокюри) и периодически отслеживали местонахождение животных с помощью сцинтилляционного счетчика, оставаясь над поверхностью земли.

Исследование показало, что жабы роют землю даже в период гибернации и в течение зимы уходят все глубже. Они закапываются на 120 сантиметров и больше, всё время оказываясь чуть ниже уровня промерзания грунта, который постоянно опускается. Жабы прекращают копать и останавливаются при температуре 1–2 °C выше нуля, что также соответствует их температуре тела.

Берроуз рассудил, что его лесная лягушка, конечно, закопалась бы в землю, как жаба, если бы ожидала суровой зимы. Но, поскольку она оставалась на поверхности земли, которая вскоре должна была замерзнуть, Берроуз решил, что будущая зима должна быть мягкой. Однако зима выдалась суровой: на реке Гудзон неподалеку лед был толще полуметра, и даже в марте, когда Берроуз вернулся снова осмотреть лягушку на место ее зимовки под листьями, стоял лютый мороз.

Слой листьев промерз и затвердел. Берроуз приподнял их и нашел лягушку «такой же свежей и невредимой, как осенью», хотя земля под ней «затвердела от мороза, как камень». Натуралист написал: «Этот случай заставил меня убедиться в двух вещах: что лягушки знают о грядущей погоде не больше нас и что на зиму они не уходят в землю так глубоко, как считалось раньше». Берроуз наверняка еще прочнее уверился бы в том, что лягушки не умеют предсказывать погоду, если бы ему попалась замороженная особь. По его словам, лягушка, которую он нашел на замерзшей земле, «моргнула и кивнула головой», когда он к ней прикоснулся.

Теперь перенесемся почти на сто лет вперед, к Уильяму Шмиду, специалисту по сравнительной физиологии из Университета Миннесоты в Миннеаполисе. Шмид ранее изучал толерантность лягушек к обезвоживанию, и, как и Берроуз, сделал «серендипное» открытие — по счастливой случайности нашел зимой лесную лягушку в неглубоком укрытии под листьями. Но находка Шмида вскоре перевернула принятые представления главным образом благодаря его второму наблюдению: взяв животное в руки, он заметил, что оно не делает того, что обычно делают лягушки в руках у человека, а именно не моргает. Похоже, лягушка была заморожена.

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 всё 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 всё 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.

Ровно наоборот всё происходит снаружи, в пространстве между клетками, где особые белки индуцируют образование кристаллов льда и стимулируют его образование в областях с жидкостью низкой концентрации. В результате образуются камеры концентрированной жидкости, которые путем осмоса вытягивают воду из клеток, и те становятся еще более устойчивы к образованию льда. Примерно через 15 часов лягушка замораживается до твердого состояния, за исключением внутреннего содержимого клеток. Сердце останавливается. Кровь не течет. Дыхания нет. Почти по всем параметрам животное мертво. Но готово вернуться к жизни.

Глюкоза — это обычный в крови позвоночных сахар, из которого клетки получают энергию. У здорового активного животного содержание глюкозы в крови в норме точно регулируют два гормона — инсулин и глюкагон. Когда в крови не хватает глюкозы, человек теряет сознание, а когда ее слишком много, страдает от ряда краткосрочных и долгосрочных последствий. Обычно у человека в крови содержание глюкозы поддерживается на уровне около 90 мг на 100 мл крови, но в ситуации стресса этот уровень слегка повышается. Если содержание глюкозы в крови повышено и хронически держится на уровне около 140 мг на 100 мл крови, ставят диагноз «сахарный диабет». Сегодня диабет можно лечить, вводя искусственный инсулин — гормон, который в одном из вариантов заболевания в недостаточном количестве поступает из поджелудочной железы (при диабете первого типа поджелудочная железа разрушается в результате аутоиммунной реакции, при диабете второго типа в теле нарушена восприимчивость рецепторов к гормону либо их мало).

Когда лягушка ощущает, что у нее всего только в пальчике лапы начинают образовываться кристаллы льда, глюкоза в ее крови достигает уровня, который человека уже несколько раз отправил бы в кому и на тот свет (в ходе реакции, которая выглядит как реакция сверхтревоги, у лягушки выделяется до 4500 мг глюкозы на 1 дл крови). Но лягушка способна это вынести, отчасти потому, что температура тела у нее в этот момент близка к нулю и метаболизм сравнительно инертен, так что это билет, который обеспечивает ей выживание и толерантность к замерзанию.

Если бы у лягушки в организме продолжал действовать обмен веществ, вскоре после того, как у нее остановилось сердце и дыхание, ее ткани начали бы испытывать кислородное голодание. Но глюкоза в высокой концентрации действует как криопротектор, механически защищая ткани от образования кристаллов льда, и как агент, который помогает вытягивать воду из клеток. Она также понижает и так уже очень низкий аэробный обмен веществ животного и подавляет метаболизм, позволяя сохранить ограниченные запасы энергии в клетках на зиму. Проникая в клетки, глюкоза также становится субстратом анаэробного метаболизма, когда в тело перестает поступать кислород.

Заморозить тело и вернуть его к жизни, разморозив, — давняя голубая мечта криобиологов. Лягушки, зимующие в состоянии гибернации на земле в лесу, делают это регулярно: с наступлением весны, когда пора спариваться, они выходят из заморозки. Как и медведи в зимнем сне, о которых я расскажу позже, лягушки — чудо живой природы и способны пошатнуть наши представления о пределах возможного.

Справка: «Зима. Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года» (перевод Александры Громовой) – книга профессора биологии Вермонтского университета Бернда Хайнриха , которую представляют издательства «КоЛибри» и «Азбука-Аттикус». Прекрасно иллюстрированная рисунками автора и наполненная его неиссякаемой любовью к природе, эта книга освещает особенности поведения животных и растений в самое холодное время года.

Про животных — в соцсетях: • Facebook • ВКонтакте • Одноклассники

По инф. rosbalt.ru