Зимний холод – это серьезное испытание для живых организмов. Мороз, ветер, снег и ледяная вода создают условия, в которых сохранить тепло бывает важнее, чем добыть пищу. При этом животные не могут просто «надеть куртку потеплее» или включить отопление.
Зато они могут приспособить свой организм, обзавестись пушистым мехом, накопить жировые запасы, за тысячи лет эволюции приобрести самые правильные формы и освоить самые эффективные повадки.
Почему песец выглядит как пушистый шар, а фенек – как хрупкая подставка для огромных ушей? Почему птицы спокойно стоят на льду и плавают в ледяной воде, не обмораживая лапы? Что общего между пухлыми бочками тюленя и термосом? Ответы на эти вопросы находятся на стыке биологии и физики.
Согреться или не остыть?
Если очень грубо обобщить, то температура тела для поддержания функционирования большинства живых существ находится в диапазоне от 0 до 40°С. Или, если брать уже – то всего 37-42°С для теплокровных, о которых и пойдет речь. Получается, что с наступлением низких или и вовсе отрицательных температур животные начинают непрерывно терять тепло. Ведь с точки зрения физики все довольно просто: тепло всегда уходит от теплого к холодному. Животное с температурой тела около +37 °C в морозной среде постоянно теряет тепло – через незащищенную кожу, дыхание и более выступающие части тела.
Поэтому, главная задача зимой – не столько «согреться», сколько замедлить потери тепла. И здесь особенно важны размеры тела, его форма и изоляция. Именно поэтому стратегии выживания в холоде часто можно описать как инженерные решения, а не биологические особенности.
Правила Бергмана и Аллена
Еще в XIX веке биологи заметили закономерность, близкие виды животных в холодных регионах, как правило, крупнее своих родственников из теплого климата. Это наблюдение получило название правило Бергмана.
Причина проста, у большого тела меньшая площадь поверхности по отношению к объему. А значит, через кожу теряется меньше тепла. Поэтому белый медведь значительно крупнее малайского медведя, а полярные волки массивнее южных собратьев.
Дополняет эту закономерность правило Аллена – у животных холодных регионов короче выступающие части тела – уши, хвосты, лапы. Чем они меньше, тем меньше «точек утечки» тепла.
Достаточно сравнить песца и фенека или арктического беляка и зайца-русака. Форма тела в холодном климате стремится к компактности – округлой, «экономной» с точки зрения теплообмена.
Главное в пухе
На первый взгляд кажется, что мех и перья сами по себе «греют». Но на самом деле их главная функция – удерживать воздух. Воздух плохо проводит тепло. Чем больше его задерживается между волосками шерсти или пуха, тем лучше работает изоляция. Именно поэтому подшерсток, а не находящиеся на поверхности остевые волосы, играет основную роль в поддержании температуры, в той же мере, что и пух у птиц. Многие животные «распушаются» на морозе, увеличивая тем самым воздушную прослойку. Например, синица зимой выглядит почти вдвое крупнее летней – но это иллюзия. Она просто показывает вам, как работает живой пуховик.
По этой же причине промокшая насквозь шерсть или перья может стать настоящей катастрофой. Вода вытесняет воздух и резко увеличивает теплопотери. Поэтому водоплавающие птицы так тщательно ухаживают за оперением, а мех морских млекопитающих дополняется толстым слоем жира.
Жир: запас энергии или теплоизоляция?
В организме животных жир выполняет сразу две важные функции: запасает энергию, позволяя обогревать организм и тратить меньше сил на поиск пищи, и служит отличной теплоизоляцией.
У морских млекопитающих, обитающих зачастую в ледяной воде, тюленей, китов, моржей, подкожный слой жира работает как термос, защищая организм от теплопотери. Слой жира у гренландского кита может достигать 50 сантиметров и составлять до 45% массы тела.
Немного меньше, в процентном отношении, жировая прослойка у тюленей. Обычный жировой запас, защищающий этих ластоногих от холода составляет примерно 30% от их массы, но перед линькой, во время которой животные не охотятся, запас может увеличиваться и до 50% от массы животного.
У наземных животных ситуация сложнее. Толстый слой жира увеличивает массу тела и снижает подвижность, поэтому у копытных и хищников он выражен умеренно. Здесь важнее мех и форма тела. Тем не менее, значительные запасы жира накапливают белые медведицы перед рождением медвежат и … самцы пингвинов, которые делают этот перед высиживанием яиц.
Холодные лапы – теплое тело
Многие животные спокойно касаются льда или снега «голыми» лапами и не получают обморожений. Секрет в особом механизме кровообращения – противоточном теплообмене.
Теплая артериальная кровь, идущая от тела к лапе или ласту, проходит рядом с холодной венозной кровью, возвращающейся обратно. В результате тепло «перетекает» обратно в организм, а конечность остается холодной, но не замерзает. Именно по такому принципу работают:
* лапы птиц, спящих на льду;
* плавники китов и ластоногих;
* уши некоторых млекопитающих.
Да, лапы могут быть почти нулевой температуры – но жизненно важные органы при этом надежно защищены.
Все дело в форме
В экстремальных условиях одной только шерсти недостаточно. Тогда на первый план выходит форма тела и поведение. Пингвины – отличный пример, у них нет густого меха, но зато есть:
* обтекаемая форма тела с минимумом выступающих частей;
* плотное оперение;
* толстый слой подкожного жира;
* коллективное поведение – «живые обогреватели», когда птицы по очереди оказываются снаружи плотной группы.
Тюлени и моржи тоже минимизируют выступающие части тела, превращаясь в почти идеальные «тепловые капсулы» и также греются в коллективе. В какой-то мере, этом метод используют и овцебыки, весьма шарообразные и сбивающиеся в плотные группы во время пурги.
Приспособившись к низким температурам, животные подсказали нам массу полезных идей – воздушные пуховики, многослойную одежду для холода и согревающее тепло близких. Мы позаимствовали у природы не только материалы и формы, но и сами принципы сохранения тепла. Изучая подобные зимние адаптации, мы видим, как одни и те же физические закономерности определяют образ жизни и людей и животных.
Вам было интересно узнать что-то новое о мире вокруг нас?
Хотите узнать больше?
Приходите в Дарвиновский музей и подписывайтесь на наш канал!