ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Давно утвердилось мнение, что жара экваториальных районов планеты, тем более прямые солнечные лучи, совершенно не переносимы для европейцев. Англичане, колонизировавшие в прошлом веке огромные территории, лежащие между тропиками Рака и Козерога, были твердо убеждены, что без защитного пробкового шлема находиться днем на открытом воздухе ни в коем случае нельзя. Между тем огромное количество животных сумело приспособиться к условиям тропиков и, видимо, чувствует себя в этих краях неплохо.

Может показаться, что с жарой бороться легче, чем с холодом: снизил до минимума жар в «печах» своего организма, и температура тела упала. Безусловно, этот путь используют все четвероногие и пернатые обитатели лесов, но он недостаточно эффективен, так как уменьшить интенсивность обычного метаболизма покоя можно совсем ненамного, лишь до определенного уровня, ниже которого жизнь невозможна. Так что этим способом серьезно сократить производство тепла не удается.

В особенно трудном положении находятся крупные животные. В их теле вырабатывается слишком много тепла, главным образом в постоянно работающих органах. Низкая теплопроводность тканей не позволяет оперативно избавляться от его излишков. Чтобы не довести «ядро» своего тела до кипения, организму приходится форсировать вынос тепла на поверхность. Эта задача возложена на кровеносную систему. Кровоток – легко регулируемый процесс. В жару, когда возникает опасность перегревания, артерии, выносящие кровь на периферию, и кожные сосуды расширяются, сюда начинает поступать гораздо больше крови, которая частично отдает здесь свое тепло во внешнюю среду, а вернувшись в глубинные районы организма, отбирает там на свое нагревание немало калорий.

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.

Несмотря на существенные недостатки, дыхательный способ охлаждения пользуется в лесу популярностью, так как позволяет освободиться от жестких ограничений, накладываемых на испарение высокой влажностью, царящей в дебрях. Часто животные владеют обоими способами снижения температуры тела и в зависимости от обстановки пользуются ими и одновременно и попеременно.

У грызунов и у сумчатых, вроде опоссумов Нового Света, обычные способы охлаждения не дают надежного эффекта, и когда животным становится невмоготу, они прибегают к дополнительным мерам: обильно смачивают слюною мех на груди и животе. Птицы в критической ситуации опрыскивают ноги жидким пометом. Пользоваться этими способами можно лишь в течение непродолжительного времени, так как они требуют много воды, а охлаждающий эффект не так велик, как хотелось бы. Тем не менее это дает возможность приостановить дальнейший подъем температуры тела, а иногда даже снизить ее и спасает животному жизнь.

Любые теплые объекты способны излучать инфракрасные лучи. Это в полной мере относится и к живым существам. Для некоторых из них это важнейшее звено процесса терморегуляции, и они активно им пользуются. Инфракрасные лучи излучает все тело, но для терморегуляции имеют значение главным образом голые участки кожи с подкожной клетчаткой, имеющей богатую сосудистую сеть, позволяющую выносить к поверхности вместе с кровью глубинное тепло организма. Это могут быть уши, особенно их внутренняя поверхность, ноги, у антилоп – рога, у птиц – гребни на голове, вроде хорошо нам знакомого петушиного, голое, не защищенное кожей брюхо.

В жаркое время суток слоны отдыхают, укрывшись в тени высоких деревьев. Они не ложатся на землю – это бы сократило площадь поверхности их тел. Гиганты дремлют стоя, неторопливо обмахиваясь ушами, имеющими богатое кровоснабжение. Взмахи ушей‑вентиляторов не препятствуют излучению ими тепловых лучей, которое достаточно велико, и вызывают движение воздуха. Львица, укрывшись после сытного обеда в тени акаций, если ей жарко, ложится на бок. Голое брюхо зверя излучает много тепловых лучей.

С помощью излучения животное может понизить температуру тела, только когда испускает гораздо больше инфракрасных лучей, чем поглощает их. Для этого необходима тень – укрытие от прямых солнечных лучей и от тепловых лучей, исходящих от особенно сильно нагретых солнцем предметов. Объекты, находящиеся в тени, излучают гораздо меньше инфракрасных лучей, чем тела теплокровных животных.

Температура лучей, испускаемых северным сектором небосвода в самое жаркое время дня, даже в тропиках не превышает +13 градусов. Для животных нагретые солнцем предметы должны казаться пышащей жаром печью, а северное небо – холодной стеной, находясь возле которой даже в теплой комнате можно чувствовать озноб. Разница между количеством поступающего в организм и излучаемого им тепла в этом случае будет велика. Если исходить из возможной температуры кожи животного, испытывающего тепловой дискомфорт: 35–40 градусов, то она составит 22–27! При достаточно большой поверхности излучения этот способ мог бы быть надежен. Однако когда в глухом лесу температура окружающего воздуха поднимется до 33–36, а все предметы окажутся нагретыми до 31–34 градусов, этот способ не может помочь в борьбе с перегреванием.

Эффективна ли теплоотдача путем излучения? Несомненно! По мере повышения температуры тела интенсивность излучения растет с чудовищной скоростью, увеличиваясь пропорционально абсолютной температуре тела, возведенной в четвертую степень. Так, при повышении температуры кожи животного всего на 10 градусов с 27 до 37 (с 300 до 310 градусов по абсолютной шкале температур) тепловое излучение возрастает в 135 миллионов раз! Быстрый рост излучения инфракрасных лучей, сопровождающий повышение температуры периферийных отделов тела, и существенная разница между интенсивностью поглощения и излучения лежат в основе этого способа терморегуляции.

Животным в тропиках жилось бы более вольготно, если бы их наружные покровы отражали тепловые лучи. Почему‑то это не получило в животном мире широкого распространения. Впрочем, может быть, мы еще плохо знаем обитателей нашей планеты. В настоящее время известно лишь два примера использования этого принципа. У тропических древесных лягушек – африканских центроленид и южноамериканских филломедузин. Их кожа, окрашенная в различные оттенки зеленого цвета, обладает удивительным свойством: она отражает лучи инфракрасной части спектра примерно так же, как листья растений, на которых живут эти лягушки. Им нет необходимости прятаться в тень. Прикрепившись к стволам или листьям деревьев, они весь день проводят на солнцепеке и при этом не нагреваются.

У большинства теплокровных животных нет специальных механизмов, позволяющих основательно затормозить течение метаболических процессов, а испарение не всегда обеспечивает нужное снижение температуры. Приходится пользоваться дополнительными приемами. Показателен способ борьбы с перегреванием, который используют коала. Когда жара становится нестерпимой, зверьки перебираются на те виды эвкалиптов, листья которых содержат жаропонижающие вещества. Интересно, что коала оказались знающими фармакологами. Поскольку далекие экскурсии для сбора лекарственных растений они совершать не способны, зверьки в зависимости от обстоятельств пользуются веществами, усиливающими выведение тепла или снижающими теплопроизводство. В первом случае действующие начала, содержащиеся в листьях, или расширяют кожные сосуды, способствуя выносу тепла из недр организма к его поверхности и рассеиванию его в окружающей среде, или стимулируют процессы испарения, в том числе и через дыхательную систему.

О снижении теплопродукции стоит рассказать подробнее. Процесс терморегуляции не является чисто нервным. В нем есть химическое звено – использование специально вырабатываемых веществ для стимуляции высокого темпа производства тепла. У сумчатых высокий уровень обмена веществ поддерживается с помощью простагландинов – биологически активных веществ, синтезируемых различными тканями, в том числе мозгом. Их производство усиливается, когда температура организма начинает снижаться. Листья некоторых эвкалиптов содержат вещества, угнетающие у сумчатых выработку простагландинов, что позволяет коала несколько понизить температуру тела, приблизив ее к норме.