Пламенный насос. Естественная история сердца - Билл Шутт

Когда некоторые рептилии начали эволюционировать в млекопитающих, у них сохранились такие черты, как торпор и гетеротермия (способность регулировать температуру тела в соответствии с температурой окружающей среды). Хотя эндотермы меньше подвержены влиянию температуры окружающей среды, чем их эктотермические родственники, им требуется много энергии для обеспечения метаболических процессов и поддержания стабильной температуры тела. Когда наступает зима и температура воздуха падает, потребность в энергии только возрастает, а пищи становится недостаточно.

– Таким образом, – сказала мне Данбар, – зимой, когда животным практически негде добыть энергию, они впадают в оцепенение, которое может продлиться весь сезон – зимнюю спячку.

Я полюбопытствовал, каким образом могла возникнуть зимняя спячка у летучих мышей, учитывая, что их предки, судя по всему, эволюционировали в тропиках.

– Кажется нелогичным, – говорит Данбар, – думать, будто летучие мыши будут использовать спячку и торпор в тропиках, но они имеют такое приспособление.

Она объяснила, что в очень жарком климате мелкие млекопитающие, такие как летучие мыши, развили способность отключать химические реакции, которые обычно помогают им поддерживать стабильную температуру тела. Поскольку окружающая среда обеспечивает источник нагрева, им не нужно тратить энергию питательных веществ, чтобы оставаться в тепле. Это замедление метаболических процессов на самом деле похоже на то, что происходит, когда летучие мыши впадают в торпор в более холодном климате. Предположительно, когда они вышли из тропиков, эволюция просто изменила эти способности, чтобы справиться с другим температурным экстремумом.

Хотя летучие мыши славятся тем, что впадают в спячку в термически стабильных местах, таких как пещеры и шахты, многие из них могут обойтись практически любым местом.

– Мы видели, как они остаются в спячке под рыхлой корой деревьев и в дуплах, в искусственных сооружениях и даже на земле, под опавшими листьями, – сказала мне Данбар. – Но, вероятно, самый странный пример – летучие мыши Японии, которые зимуют в снегу.

В недавней статье, посвященной уссурийскому трубконосу (Murina ussuriensis), исследователи отметили, что зимующих под снегом мышей обычно находят только после начала зимней оттепели39. В 21 из 22 случаев они были обнаружены в одиночестве в небольших конусообразных углублениях тающего снега. Летучие мыши свернулись в сферу или полусферу, такие позы оптимальны для сохранения тепла. Если исследователи Хирофуми Хиракава и Ю Нагасака правы в своих выводах, это всего лишь второй зарегистрированный случай спячки млекопитающего в снегу. Первый случай – это белые медведи (Ursus maritimus), хотя вопрос о том, действительно ли они впадают в спячку, остается открытым.

Самцы белых медведей активны круглый год, а самки близки к спячке, когда устраиваются в зимние берлоги вместе с детенышами, но температура их тела никогда не падает так сильно, как это обычно бывает во время подобного физиологического состояния. По-видимому, это адаптация, которая позволяет самкам выкормить детенышей. Таким образом, взрослые самки медведей ничего не едят в течение этого периода (до 8 месяцев), и скорость их метаболизма уменьшается (например, частота сердечных сокращений может упасть с 40 до 8 ударов в минуту), но истинная спячка предполагает снижение температуры тела в течение длительного периода. То есть вполне вероятно, что трубконосы могут считаться единственными, кто переносит зимнюю спячку под снегом[69].

Помимо уменьшения температуры, важная особенность зимней спячки – снижение скорости метаболизма, потому что это позволяет летучим мышам и другим существам, впадающим в нее, использовать за зиму меньше кислорода и питательных веществ. Точно так же, как частота сердечных сокращений медведя падает с 40 ударов в минуту до 8, частота сердечных сокращений летучей мыши может снизиться с 500–700 ударов в минуту до 20. Во время спячки кровь отводится от конечностей в середину тела, как и у замерзших людей, чтобы греть и снабжать наиболее жизненно важные органы. Однако существенная разница между людьми и впадающими в спячку животными заключается в том, что сердца последних приспособились функционировать при низких температурах и низком содержании кислорода, что могло бы вызвать фибрилляцию – катастрофически быстрое, нерегулярное и несинхронизированное сокращение мышечных волокон сердца – у тех, кто не впадает в спячку, например людей.

Поскольку пищи нет, питание для впавших в спячку поступает из накопленного вещества под названием «бурая жировая ткань», которая у летучих мышей хранится в небольших отложениях между лопатками. В отличие от большей части жировой ткани, здесь жир расщепляется с помощью химических реакций, которые непосредственно производят тепло, не расходуя энергию на промежуточные стадии. Бурая жировая ткань есть и у человеческих младенцев. Это связано с тем, что младенцы особенно уязвимы к холоду. Требуется некоторое время, чтобы механизмы регулирования температуры новорожденного (например, способность дрожать) установились и начали работать. Более того, поскольку дети маленькие, площадь поверхности их тела относительно велика – та же проблема соотношения поверхности к массе, с которой сталкиваются летучие мыши и другие мелкие животные. В результате дети теряют тепло примерно в четыре раза быстрее, чем взрослые. Недоношенные дети и дети с низким весом при рождении особенно подвержены проблемам, связанным с регулированием температуры, потому что у них меньше бурого жира, который можно сжечь. Это одна из причин, по которой недоношенные дети часто проводят первые недели своей жизни в теплых инкубаторах.

Бурый жир объясняет и пухлый период в развитии детей, который длится до тех пор, пока большая часть этой ткани не сгорит. У взрослых людей остается очень мало (если вообще остается) бурого жира, причем эти небольшие количества обычно ограничиваются такими местами, как верхняя часть спины, шея и позвоночный столб.

У летучих мышей и других впадающих в спячку видов бурый жир расходуется в течение всего периода гибернации, метаболизируясь для высвобождения тепла всякий раз, как температура тела животного опускается до некоторой отметки. Проблемы могут возникнуть, если впавших в спячку животных неожиданно будят, побеспокоив (например, любознательные люди). Поскольку небольшая часть бурого жира сжигается во время каждого возбуждения, существует реальная угроза того, что животные умрут от голода, если их жировые запасы сгорят до того, как улучшение погодных условий позволит им искать альтернативные формы энергии (то есть пищу).

Один из интересных побочных эффектов зимней спячки – она позволяет животным жить дольше и стареть медленнее. Летучие мыши могут жить в дикой природе более 20 лет, что необычно долго для такого маленького млекопитающего. Подавляющее большинство подобных животных имеют чрезвычайно короткую продолжительность жизни, как, например, малая бурозубка (Sorex minutus). Эти крошечные хищники весят около шести граммов и прожигают свою гиперактивную жизнь примерно за 18 месяцев.