В настоящее время физиологическая синхронизация различных систем находит признание как в экономии энергии, так и в регулировании температуры. У бегающих четвероногих, особенно у таких энергоэффективных дальних бегунов, как собаки, дыхание сочетается с движением ног. Животное пассивно вдыхает, когда его передние ноги вытягиваются вперед, а затем выдыхает, отводя ноги назад, и объем грудной клетки уменьшается. В результате энергия, неизбежно затрачиваемая на движение, уменьшает количество энергии, которое может потребоваться дополнительно для механики дыхания. Птицы и многие насекомые также используют изменение объема грудной клетки, что автоматически происходит в результате движения конечностей, для перекачивания воздуха. Мы, люди, напротив, считались неспособными к такой связке дыхания с движением, так что мы должны вкладывать энергию специально для расширения и сжатия груди, чтобы дышать. Тем не менее я заметил за собой четкую связь взмахов рук с дыханием. Это происходит автоматически, и это трудно изменить. Эта сцепка не может сэкономить столько же энергии, сколько у летящей птицы или беговой собаки, или столько же, сколько и хорошо известное «ревущее» дыхание некоторых насекомых в полете, но она, безусловно, экономит немного энергии в дальнем забеге.
Множественные циклы переменного кровотока
Схема терморегуляции
То, что касается мотыльков, пчел и собак, по-видимому, относится и к физической активности многих других животных; так мне проще было разобраться и со своим дыханием, сердечным ритмом, потоотделением, запасами энергии, ходом и темпом бега. Во время бега я иногда пытался мысленно представить себе как можно больше этих переменных, пытаясь «увидеть», как они все работают вместе. Когда мне это удалось, стало ясно, что при средней скорости на ультрамарафоне я придерживался совершенно определенного распорядка дыхания в согласии с шагами. На каждый цикл дыхания почти всегда приходилось три шага: два на вдох и один на выдох. Когда я делал более широкие шаги, разница была только в том, что вдох длился дольше. Синхронизация поддерживалась даже при разных усилиях. Когда бежать было легко, требовалось три шага на вдох, а когда приходилось резко набирать высоту – два. Во всех случаях выдох происходил всего за один шаг, а вдох компенсировался остальными шагами. Я следил за сердцебиением и в обычной жизни, и один удар сердца соответствовал вдоху, а остальные удары во время дыхательного цикла совпадали с выдохом. Я не уверен, что понимаю смысл этой ритмичности, но подозреваю, что она как-то связана с экономией энергии. По словам Дэвида Костилла, ультрамарафонцы тратят на 5–10 % меньше энергии, чем бегуны на средние дистанции и спринтеры, а на выработку такой эффективности требуются годы тренировок; чтобы не отстать от двадцатилетнего бегуна, двенадцатилетний бегун в среднем тратит на 40 % больше энергии.
Замеченная мной синхронизация казалась разумной, и поэтому я, вероятно, бессознательно поддерживал этот ритм, а попытки осознать это облегчали задачу. Почти взрывной выдох на последнем этапе дыхательного цикла помогал максимально увеличить время, в течение которого легкие были наполнены свежим воздухом. Как антилопа-вилорог, я держал рот открытым при беге. Несомненно, это снижает сопротивление выдоху и тем самым экономит энергию.
С помощью здравого смысла можно изложить общие черты эволюции. Но вы не можете описать механизм регулирования температуры у пчел. Обычная медоносная пчела, например, оказалась необычайно выносливым спортсменом в жарких, сухих и пустынных условиях. Она может летать даже при жаре около 40 °C (104 °F), близкой к предпочтительной температуре тела. Конвективные теплопотери возможны только при резком перепаде температур между телом и воздухом. Без такого градиента потерять тепло можно только путем испарительного охлаждения. Таким образом, испарение, как правило, является необходимым следствием жизни в указанных условиях. Однако пчелы не потеют. В связи с этим возникает вопрос: в чем же хитрость?
Оказалось, что у них есть способ отводить тепло, похожий на тот, что я видел у быстро перегревающихся участников забега при жаре свыше 27 °C (80 °F) на трассе колледжа Боуден в штате Мэн. Каждые пару кругов бегуны окунали головы в бочонок с водой, который директор гонки Билл Гейтон продуманно разместил вдоль трассы. Вода, испаряющаяся с голов и спин участников соревнований, несмотря на жару, держала их охлажденными и удерживала бегунов на дистанции. Удивительно, но пчелы, собирающие нектар, используют нечто похожее. Они извергают содержимое желудка изо рта и передними лапками растирают жидкость по всему телу. Вернувшись в улей, соседи по колонии слизывают оставшиеся твердые частицы (то есть сахар), которые остаются после испарения воды. Однако нам срыгивание для испарительного охлаждения вряд ли подойдет.
У некоторых аистов и стервятников есть похожая стратегия. Они испражняются себе на ноги жидким калом. Кровь в лапах птицы охлаждается испарением, которое снижает общую температуру тела птицы на целых 2 °C. Гриф-индейка, сидящий под солнцем на заборном столбе в жаркий день, ведет себя вполне разумно, когда спокойно и сознательно испражняется на свои голые ноги. Любой, кто когда-либо много бегал в жаркий день, может понять этого грифа.
Когда я впоследствии изучал пчел в Калифорнийском университете в Беркли, я переписывался с ведущим мировым специалистом по общественным насекомым Эдвардом О. Уилсоном из Гарвардского университета. Я был приятно удивлен, узнав, что когда-то он был помешан на беге. Эд вдохновлялся бегом сам, а теперь он вдохновлял других. Выслушав мою историю, Эд неожиданно заявил: «Вы можете пробежать марафон меньше чем за 2:30», и я сразу же захотел подтвердить его слова.
Обещание участвовать в марафоне было поспешным решением. Я прочитал его письмо и вдруг понял, что не могу позволить себе ни одного оправдания, ни одной возможности передумать. Я не мог сказать: «Начну готовиться завтра». Поэтому я забежал в тренажерный зал, переоделся и отправился в Строберри-каньон. Я хотел пробежать Бостонский марафон, а потом пойти в кабинет Эда в Музее сравнительной зоологии и обменяться с ним широкими улыбками, словно я принес очко нашей команде – команде биологов с сачками и морилками.
Вскоре после начала тренировок у меня заболело колено. Я обратился к хирургу-ортопеду, который сказал: «У тебя что-то вроде дегенерации хрящей. Если ты не прекратишь бегать, мне придется вынуть твою коленную чашечку и выбросить ее в мусорный бак». Так и сказал. Эти слова еще долго звенели в моих ушах. Вместо этого я подумал, что мог бы избавиться от слабой части хряща, стачивая ее в беге, поэтому я просто стал бегать еще больше.
Эд оказался прав в отличие от ортопеда. Через полгода я почти сделал то, что он предсказал. Но удивить новостью его не удалось. Когда я прибежал к нему в кабинет, он уже прочитал бостонскую газету и поприветствовал меня, назвав мое финишное время: «Два двадцать пять!» Я пробежал на пять минут быстрее, чем он предсказывал. Нам обоим это доставило радость. В науке всегда так: вы делаете прогноз, и, если он сбывается, вы счастливы, потому что, возможно, какая-то ваша идея верна, но если все идет не так, то вы приближаетесь к другой идее, о которой даже не думали раньше. И так даже лучше.
Во время подготовки к марафону я много думал о физиологии физической активности насекомых, особенно моих нынешних объектов изучения, шершней. Мои расчеты их энергобаланса показали, что дальность их полета примерно равна моей максимальной дальности бега – марафонской. Но есть кое-кто получше – птицы.
Птицы во многом похожи на нас. У них более или менее сходное с нашим строение тела, та же система органов. Как и у нас, у них есть легкие, кровь, настоящее сердце, артерии и вены, печень, мозг и почки. У них те же базовые типы конечностей, органы чувств, железы, гормоны и биохимия. Их механизмы транспортировки газа, иммунитет, тенденции развития, система выделения и мозговая функция практически идентичны нашим. Мы отличаемся от них главным образом тем, насколько далеко и в каком направлении каждая из этих общих черт адаптировалась к конкретным сценариям. С точки зрения скорости и выносливости птицы более развиты, чем мы. Они добились в этом настоящего прорыва. Насекомые раскрыли многие секреты, связанные с температурой тела, но птицы поведали нам о пределе выносливости, на который способно существо из плоти и крови.
8Ультрамарафонцы в небе
Осенью и весной бесчисленные миллиарды птиц поднимаются в небо и летят без остановки тысячи километров, пересекая океаны и пустыни. Их выживание зависит от их физических способностей, внутренней решимости и навыков навигации. Мой октябрьский забег в Чикаго – ничто по сравнению с тем, что они проделывают каждый день. Я пробежал всего 100 км, маршрут состоял из удобных отрезков дистанции, и в пути у меня были еда и напитки, какие я хотел. Как и другие любители орнитологии, иногда по ночам я вглядывался через бинокль в силуэты перелетных птиц, скользящих в полнолуние по молочному небу. Я слышал слабые птичьи голоса в ночи, и мне было интересно, как наши братья из той же плоти и крови, что и мы, совершают такие удивительные подвиги. Могут ли они сообщить нам что-то новое о выносливости?
Хотелось бы поговорить о том, как они справляются с перелетами, но сначала хорошо бы выяснить, что они делают на самом деле. Ответы появились лишь недавно, в первую очередь благодаря деятельности тысяч людей по всему миру, занятых кольцеванием птиц. Вырисовывается удивительная картина, которая может показаться едва ли более правдоподобной, чем древнее предположение, что ласточки «явно» должны зимовать в грязи, а не перелетать с континента на континент.
Пестрогрудый лесной певун
Меня особенно впечатляют маленькие, красивые и изысканно нежные лесные певуны. Каждый июнь леса на северо-востоке Северной Америки наполняются свистящим щебетом и болтовней 35 видов певунов, которые возвращаются, чтобы обосноваться на территории, построить гнезда и выкормить своих птенчиков. Путешествия одного из видов этих птиц, пе