Чтобы оперативно избавиться от излишков тепла, животным приходится пользоваться форточками: голыми ногами и другими незащищенными мехом и перьями местами тела. Тут годится все: и петушиный гребень, и хорошо снабжаемые кровью рога антилопы. Значительное увеличение объема крови, проходящей по обнаженным участкам, увеличивает теплоотдачу в 5—6 раз.
Сосудистые реакции обязательно затрагивают теплообменники, если они есть у животного. В жару вены в теплообменниках сжимаются, и они перестают выполнять свою функцию. Кровь, поступающая к обнаженным частям тела, возвращается теперь через венозные сплетения кожи и по дороге отдает вовне много тепла.
Сосудистые реакции – первый ответ организма на перегревание. Если они не дали ожидаемого эффекта и температура тела продолжает повышаться, включается аварийная система, работа которой направлена на резкое увеличение испарения воды.
На испарение грамма воды, доведенной до точки кипения, то есть нагретой до 100 градусов, требуется 539, а при 35, обычной температуре кожи человека и теплокровных животных, – 580 калорий. Это очень много! Вот почему с помощью испарения удается поддерживать температуру тела ниже температуры окружающей среды. Правда, для этого необходим целый ряд условий, и главные из них – доступность воды и низкая насыщенность воздуха влагой.
Существует несколько способов резко усиливать испарение. Человек и некоторые млекопитающие, когда им жарко, потеют. Потовые железы есть у большинства млекопитающих. Только у грызунов и зайцев они отсутствуют. Однако далеко не все пользуются этим механизмом. Потеть нужно квалифицированно, а это не каждый умеет делать.
Обычно потовые железы открываются в волосяные фоликулы или в непосредственной близости у них. У человека и других приматов они меньше связаны с волосами. У нас их 2—4 миллиона, по 150—350 на 1 квадратном сантиметре поверхности тела. На человеческой коже нет участков, свободных от потовых желез, что обеспечивает участие в испарении всей поверхности тела и делает механизм охлаждения весьма эффективным. Интенсивность потоотделения резко возрастает, когда температура кожи повышается до 30—32 градусов и при дальнейшем ее подъеме на каждый градус продолжает усиливаться примерно на 20 граммов в час. Благодаря эффективности потоотделения мы способны переносить длительное повышение температуры окружающей среды до 49,3 градуса. Человек – выходец из тропиков и приспособлен к жаре лучше многих животных, даже своих ближайших родственников. У крупных обезьян бабуинов при повышении температуры воздуха всего до 45 градусов температура тела возрастает до 40,6 градуса.
Секреция пота у лисиц, волков, других собак и у диких свиней происходит непрерывно, но на поверхность кожи он вытекает только в момент сокращения специальных клеток, то есть циклически. Частота циклов потоотделения и количество выделяемой при этом жидкости никак не связаны ни с наружной температурой, ни с температурой тела, а потому не могут обеспечить надежной терморегуляции. Однако несмотря на цикличность, потоотделение спасает антилоп от теплового удара. Интересно, что у некоторых из них пот выделяется синхронно сразу во всех частях тела и с достаточно большой частотой – 1—2 раза в секунду!
Хотя потоотделение и самый совершенный способ снижения температуры тела, но и он имеет ряд недостатков. У человека потовые железки устроены так, что образовавшиеся внутри секреторных клеток крохотные капельки пота выдавливаются из них без серьезного повреждения оболочки клетки. Это несомненно выгодно для организма. Плохо другое, пот не просто вода. В нем 1—2 процента азотистых веществ, аминокислот, жирных кислот и солей щелочных металлов, среди которых больше всего хлорида натрия – 0,5 процента. Немного! В нормальных условиях человек с потом теряет всего 360 миллиграммов азота и 134 миллиграмма натрия на каждые 100 миллилитров пота. Попробуйте подсчитать, сколько человек потеряет хлористого натрия, если, попав в тропики, будет выделять в сутки 5—10 литров пота.
Другие млекопитающие, не относящиеся к приматам, не теряют с потом такого количества солей, но у них другая проблема. Их потовые железки относятся к типу апокриновых. Чтобы освободиться от капельки пота, секреторная клетка расстается со своей вершиной. Поэтому в их поте много липидов, жироподобных веществ, входящих в состав клеточных оболочек. Для восстановления железистых клеток и восполнения их числа тратится много стройматериалов и энергии.
Амфибии тоже охлаждаются за счет испарения влаги всей поверхностью тела. В тихую погоду, когда на деревьях не шевельнется ни один листок, температура тела лягушек и жаб в глубине влажного тропического леса близка к температуре воздуха. У травяной лягушки в обычных условиях европейского лета испарение снижает температуру тела всего на 0,7—1,1 градуса. Может показаться, что эффект весьма скромен. Однако нужно учитывать, что при 20 градусах теплопродукция лягушки поддерживается на уровне 6 калорий в час. От этого дополнительного тепла и помогает избавиться испарение. Другое дело, если поднимется ветерок или приходится жить в кронах высоких деревьев, когда температура квакш становится значительно ниже температуры окружающей среды.
Чем суше воздух, тем легче происходит испарение. У серой жабы при внешней температуре 28 градусов и относительной влажности воздуха 82 процента температура тела поднимается до 27, а если влажность снижается до 27 процентов, температура тела опускается до 18 градусов. Разница 10 градусов – отличный эффект. Однако цена температурного комфорта обходится недешево. Регулярная жаба, чтобы поддерживать температуру тела на 4,5 градуса ниже температуры воздуха, должна отдавать 1,1 грамма воды в час. Это весьма расточительно, ведь сама жаба весит всего 20 граммов.
У собак, кошек и других хищников потовых желез мало. Они охлаждаются за счет дыхания, то есть испарения воды из легких, трахеи, из полости рта, с поверхности языка. В этом случае испаряется влага слизистой оболочки и слюны. Такой способ имеет ряд преимуществ перед потоотделением.
Во-первых, он не сопровождается потерей солей. Сколько бы их ни было в слизи, покрывающей стенки трахеи и бронхов, или в слюне, все они останутся здесь же на слизистой оболочке и отсюда поступят обратно в организм.
Во-вторых, испарение с дыхательных путей меньше зависит от влажности окружающего воздуха. Ведь ветер всегда сохраняет способность отрывать от влажной поверхности молекулы воды и уносить их с собою. Вот и животные, устраивая в своей глотке ветерок, создают условия для принудительного испарения.
Но у дыхательного охлаждения есть и серьезные недостатки. Усиленная вентиляция легких приводит к выносу из организма слишком большого количества углекислого газа. Может показаться, что это хорошо, ведь дыхательная система для того и существует, чтобы снабдить организм кислородом и освобождать его от СО2, однако полное удаление углекислоты не менее вредно, чем ее избыток. Чтобы этого не происходило, у птиц вдыхаемый воздух направляется не столько в легкие, сколько в дополнительную воздухоносную систему, в так называемые воздушные мешки, а млекопитающие дышат хотя и часто, но очень поверхностно. В этом случае лишь незначительная часть вдыхаемого воздуха добирается до легких. Основная остается в крупных бронхах, трахее, носоглотке. Здесь обмена газов не происходит.
Кроме того, увеличение легочной вентиляции требует дополнительных усилий. Это существенно повышает выработку тепла, от которого тоже нужно освобождаться. Насколько возрастает нагрузка, можно показать на примере собаки. Если в обычных условиях частота дыхания лежит в диапазоне 20—40 дыхательных циклов в минуту, то при существенном повышении температуры она возрастает до 300 – 400. Еще значительнее увеличивается частота дыхания у птиц. Она может достигать 600– 700 дыхательных циклов в минуту.
Интересно, что темп дыхания вовсе не следует за подъемом ртутного столбика, а сразу устанавливается на очень высоком уровне. У каждого вида животных существует свой наиболее удобный им ритм. Если не слишком жарко, учащенное дыхание поддерживается в течение коротких интервалов времени, перемежающихся с периодами нормального дыхания. Меняя продолжительность обоих периодов, животные добиваются необходимого эффекта.
Птицы пользуются еще одним способом охлаждения, тоже связанным с дыханием – трепетанием горла, точнее тонкого дна ротовой полости и верхней части глотки. Его частота может достигать чудовищных величин – более тысячи колебаний в минуту. При этом частота дыхания может не повышаться.
Трепетание горла долгое время вызывало недоумение ученых. Казалось, расход энергии и объемы создаваемого при этом тепла должны сводить на нет охлаждающий эффект испарения. Однако благодаря эластичности дыхательных органов энергоемкость интенсификации испарения невелика. Дело в том, что в эластичном теле в ответ на внешнее воздействие возникают колебания (сжатия и расширения), идущие в собственном, присущем только данному телу ритме. Для поддержания колебаний с такой частотой, ее называют резонансной, не требуется больших усилий.
Когда дыхательный темп набран, приходится затрачивать энергию лишь на растяжение воздухоносных путей, да и то не полностью, так как оно частично происходит по инерции, а сжимаются они сами собою за счет своей эластичности. Это отчасти напоминает прыжки мячика, подвешенного на тонкой резинке. Вот почему, когда животному становится по-настоящему жарко, частота дыхания скачкообразно возрастает и дальше практически не меняется или возникает трепетание горла. Его темп определен резонансной частотой тканей дыхательных органов.
Трудно сравнивать эффективность существующих систем охлаждения, но, видимо, у потоотделения она выше. Использование дыхательных органов не всегда спасает от повышения температуры тела. Например, у собаки в 45-градусную жару она с 38 подскакивает до 40,5 градуса. Между тем расход воды велик. Спящий козодой при 35 градусах тратит 2,9 миллиграмма воды в час на каждый грамм своего тела, а при 47—23 – почти в восемь раз больше.