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 все 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 сахарного диабета. 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[32], 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.
14. Насекомые: разнообразие и пределы возможного
То, что некоторые лягушки способны пережить несколько месяцев заморозки или что малюсенький королек может вынести хотя бы одну холодную ночь, не говоря уже о целой северной зиме, и не замерзнуть, удивительно. Но, если задуматься, что нас удивляет? Полагаю, дело в том, что мы оцениваем животных по себе. Человеку становится некомфортно, когда его температура падает всего на градус или около того, вот мы и не можем представить себе, как крошечной птичке удается не замерзнуть в метель. Между тем на каждого королька, которого вы встретите зимой в лесу, найдутся сотни тысяч беспозвоночных животных, чьи размеры на несколько порядков меньше и кто, чтобы выжить, делает совершенно невообразимые для нас вещи. Но даже зная об их достижениях, люди обычно отказывают этим существам в уважении. Почему? Потому что в основном речь идет о насекомых. Они отличаются от нас так, как будто прибыли с другой планеты, и человеку сложно примерить на себя их проблемы. А проблемы у них с людьми и корольками общие – холод, замерзание и энергетический баланс. Иногда насекомые решают их теми же способами, что и человек, иногда другими, но в любом случае это происходит в других рамках.
С точки зрения энтомолога или того, кто хочет им стать, никакие живые существа на Земле не сравнятся с насекомыми по разнообразию, выносливости и изобретательности. Планета кишит миллионами видов насекомых, они владеют миром. Они часто не нравятся людям, поскольку многие из них конкурируют с нами за пищу, волокна, древесину, сосут нашу кровь и переносят болезни, но приходится признать их упорство и успехи, к тому же нередко можно восхищаться их удивительной красотой. В целом насекомые значительно расширили в животном мире пределы возможного в плане разнообразия, красоты, зловредности, социальной организации, архитектуры, силы полета, сенсорных способностей и выживания в экстремальных климатических условиях. Размышляя об этих организмах, гораздо более древних, чем человек, которые надолго переживут нас, и гадая, в чем «секрет» их успеха, я неизбежно прихожу к мысли о том, насколько по-разному видят мир ученые, изучающие живую и неживую природу.
Физик пытается разобраться в устройстве мира с математической точностью, он сводит то, из чего мир состоит и как действует, к ограниченному набору «законов природы». Эти законы, подобно законам государства, как будто продиктованы некой высшей властью, в силу которой они работают, потому что закон по определению работает для всех. Он един. Исключений из него быть не может либо они не допускаются.
Достижения насекомых зиждутся на индивидуальных особенностях. Идеального пути не существует. Насекомые добиваются успеха благодаря разнообразию, где каждый частный случай оказывается исключением из общих правил. Каждый вид чрезвычайно специализирован и приспособлен к определенной нише, все подстраивается под конкретные индивидуальные потребности. Постоянное сужение специализации привело к тому, что размеры насекомых сильно уменьшились, а разнообразие выросло. Мир насекомых – это буйство и праздник исключений, где возможно все. Ограничений мало, потому что законы ни к чему не принуждают и не устанавливают рамок. Вот почему насекомые так успешны, и вряд ли среди энтомологов найдется теист, убежденный, что правила диктует некая сила или власть, потому что «Он» решил, что так надо. Ни один энтомолог не ответит на вопрос, зачем было сознательно создавать и выпускать в мир блох, комаров, муху цеце, перелетную саранчу и десятки других групп насекомых, которые, сколько существует человечество, без разбора причиняют невообразимые страдания миллионам ни в чем не повинных детей и взрослых.
Именно эта способность без разбора делать то, что будет лучше для отдельной группы, позволила насекомым вид за видом освоить зимний мир, опробовать его многочисленные возможности и научиться пользоваться ими.
Я полюбил насекомых еще ребенком, до десяти лет, благодаря отцу, который брал меня зимой искать находящихся в диапаузе наездников-ихневмонид[33]. Самка наездника вводит яйца под кожу гусеницы через острый полый яйцеклад (который пчеле также служит жалом), после чего белые, похожие на червячков личинки поедают гусеницу изнутри (и в конце концов убивают ее). В 80 лет папа собирал наездников с тем же энтузиазмом, что и в 20. К концу жизни он едва-едва прикоснулся к их поразительному многообразию и изобилию даже в пределах Мэна, – тогда еще только предстояло открыть многих из этих исключительно элегантных созданий, сдерживающих взрывной рост популяций других насекомых.
Самцов наездника, как и самцов почти всех перепончатокрылых, отряда, к которому также относятся муравьи, пчелы и осы, вопрос о зимовке не интересует. К осени все самцы просто умирают, потому что становятся не нужны, ведь зимующие самки уже осеменены. Место для зимовья ищут только самки: там должно быть влажно, чтобы насекомое не засохло, а температура должна быть достаточно низкой, чтобы затормозить метаболизм и сберечь ограниченные запасы энергии, накопленные в теле в виде жиров. При этом, как и для большинства насекомых, не должно быть и слишком холодно, иначе животное пострадает от заморозков. Обычно мягкие ткани, если они не приспособлены к замерзанию, оттаивая, превращаются в коричневую кашу. Известный способ быстро убить летнее насекомое (например, образец для коллекции или вредителей, которые ее поедают) – положить его в морозилку примерно при –10 °C. По сравнению с температурой, которую привыкли переносить северной зимой в дикой природе некоторые виды, это вполне умеренный холод.