На грани возможного: Наука выживания

Исследовать воздействие мороза на живые организмы начали достаточно давно. Еще в 1663 г. Генри Пауэр обнаружил, что в банке уксуса с «крошечными червями», помещенной в смесь льда и соли, жидкость замерзает, а черви «кристаллизуются». Однако после размораживания «черви снова плясали и носились как ни в чем не бывало». Роберт Бойль, также пораженный чудесами заморозки, пробовал замораживать рыб и лягушек – без особого успеха. Первые эксперименты на насекомых проводил Реомюр, французский ученый, работавший над созданием термометра и поэтому обладавший возможностью выражать свои наблюдения количественно. Он выяснил, что обычные гусеницы переносят морозы до –20° С, тогда как другой вид (неназванный) выдерживал только –11° С. Кроме того, он обнаружил, что их кровь замерзает при разной температуре, и сравнил их с бренди различной крепости, поскольку крепкий алкоголь замерзает хуже, чем слабый. Так впервые возникло предположение, что устойчивость к морозу может определяться физико-химическими особенностями крови насекомого. В наши дни это предположение подтвердилось исследованиями, выявившими наличие в крови естественных антифризов.

Золотой век горных и полярных экспедиций принес множество историй о чудесном спасении из смертельных объятий льда и снега. Одну из самых невероятных поведал в 1886 г. Тернер, рассказывая, как собаки, поедая замороженную черную даллию, вырубленную из ледяных глыб, отрыгивали съеденную рыбу живой некоторое время спустя. В тепле собачьих желудков рыба размораживалась и оживала. Верится в такое, конечно, с трудом, а вот слова другого полярника и мореплавателя, британца Джона Франклина, вряд ли кто-то возьмется оспаривать. Во время путешествия к северным полярным морям он писал о карпе, который, пролежав 36 часов замороженным, после размораживания принялся биться и трепыхаться. И тем не менее, несмотря на свидетельства этих путешественников, для большинства живых клеток заморозка смертельна.

Мороз губителен тем, что в клетках и межклеточном пространстве образуются ледяные кристаллы. Острые, словно бритва, ледяные иглы прокалывают тонкие мембраны, окружающие каждую клетку, и содержимое просачивается наружу. Внутриклеточные мембраны, разделяющие клетки на отделы, тоже разрываются, содержимое органелл перемешивается, приводя к нарушению биохимических реакций. В отличие от льда, состоящего из чистой воды, биорастворы содержат различные соли. Поэтому при формировании кристалла льда во внутриклеточном растворе концентрация соли в оставшейся части этого раствора повышается. Тем самым создается осмотическое давление, вытягивающее воду из клеток, заставляя их съеживаться и еще больше увеличивая содержание соли внутри. Образование льда внутри клетки повышает соленость внутриклеточного раствора напрямую. Из-за обезвоживания, наступающего в результате, разрушаются клеточная мембрана и клеточный белок. Кроме того, при замораживании могут разорваться связи между клетками, а повреждение питающих их капилляров ведет к нехватке кислорода и питательных веществ. Из главы 4 мы уже знаем, какими трагическими последствиями чревато обморожение для человека. Однако некоторые растения и животные переносят мороз совершенно безболезненно.

В борьбе с холодом у морозоустойчивых организмов имеется два основных способа. Одни понижают температуру, при которой начинают формироваться кристаллы льда, синтезируя естественные антифризы, другие же просто промерзают насквозь.

В крови многих насекомых и рыб содержатся естественные вещества, препятствующие замерзанию жидкостей организма при минусовых температурах (происходит так называемое переохлаждение ниже температуры затвердевания). Например, зимняя камбала Pseudopleuronectes americanus при падении температуры до 4° С синтезирует по меньшей мере семь различных белков-антифризов. Большой мучной хрущак Tenebrio molitor, которого рыболовы используют в качестве наживки, обладает еще более мощным антифризом. Белки-антифризы снижают точку замерзания воды, привязываясь к поверхности формирующихся кристаллов льда и препятствуя их росту. На температуру таяния уже сформировавшегося льда они никакого влияния не оказывают. Некоторые насекомые, переохлаждающиеся и до более низких температур, используют в качестве антифризов спирты с более низким молекулярным весом – например, глицерин. Они действуют по тому же принципу, что и этиленгликоль, который в Северной Европе добавляют зимой в автомобильные радиаторы, чтобы уберечь от замерзания охлаждающую воду. В организме галлообразующей бабочки Epiblema scudderiana глицерин составляет примерно пятую часть от всех жидкостей, что позволяет насекомому переохлаждаться даже до –38° С, не промерзая.