Сопротивление холоду

Попробуйте снежным зимним днем выйти на улицу в шортах и футболке – от холода у вас сразу перехватит дыхание. Кожа побелеет, голые руки и ноги покроются мурашками, начнется дрожь. Так организм реагирует на холод, снижая теплоотдачу и увеличивая теплопродукцию.

Тепло передается от более теплых предметов к более холодным, поэтому любое животное, чья температура выше температуры окружающей среды (а значит, и человек), будет постоянно терять тепло. Как более подробно объяснялось в главе 3, объем теплоотдачи определяется количеством теплой крови, приливающей к поверхности кожи: чем сильнее кровоток, тем больше теплоотдача. Таким образом, для сохранения тепла необходимо сократить приток крови к коже. Однако перекрывать его без пагубных последствий можно лишь на ограниченное время, поскольку в противном случае ткани лишатся кислорода и питательных веществ.

Когда понижается температура воздуха, кровеносные сосуды сужаются, не подпуская кровь к поверхности, поэтому кожа белеет, но тепло сберегается. При этом, как ни парадоксально, когда температура падает ниже 10° С, поверхностные сосуды, наоборот, расширяются, а если она остается холодной, то расширение сосудов чередуется с сужением. Эти колебания не дают коже пострадать от сильного мороза и обеспечивают достаточный, хоть и непостоянный доступ кислорода. Именно этим явлением объясняется покраснение носа и рук на холоде, особенно заметное у тех, кто много работает в холодных местах на открытом воздухе, например у рыбаков. Вы легко можете проверить этот феномен на себе, опустив руку в холодную воду. Сперва кровеносные сосуды сожмутся под воздействием холода и кожа побелеет. Потом руке станет больно, и боль будет усиливаться. Это, скорее всего, результат скопления токсических метаболитов (продуктов обмена веществ) из-за недостаточного притока крови. Однако где-то через пять – десять минут кожа покраснеет и боль утихнет – сосуды снова расширятся.

На очень сильном холоде отдача тепла через кожу может быть чрезмерной даже при прерывистом притоке крови. При этих условиях кровеносные сосуды остаются суженными постоянно, обескровленные участки охлаждаются до температуры окружающей среды и может возникнуть обморожение.

Очевидным признаком охлаждения служит «гусиная кожа». Ее вызывает сокращение мышц, окружающих волосяные фолликулы. У человека она никакой полезной функции не несет, поскольку волосы у нас на теле слишком редкие, чтобы, «встав дыбом», как-то способствовать утеплению. Однако у других млекопитающих, как будет видно ниже, дело обстоит иначе.

Организм реагирует на холод, не только сокращая теплоотдачу, но и увеличивая теплопродукцию. Основным источником тепла у взрослого человека является мышечная активность, поскольку сокращение мышц обладает заведомо низким КПД, и в качестве побочного продукта выделяется тепло. Запасенная таким образом химическая энергия превращается в теплоту. Когда прохладным летним вечером солнце заходит за облако, мы начинаем дрожать. Дрожь – это непроизвольные сокращения, заставляющие мышцы вибрировать. Она начинается в мышцах тела и рук, но постепенно распространяется и на мышцы челюстей, вызывая стук зубов и сотрясая все тело.

Дрожь помогает увеличить теплопродукцию в пять раз, при этом за счет тряски увеличивается и конвективная теплоотдача. Полезность дрожи, таким образом, снижается, особенно у детей, у которых соотношение площади поверхности к объему выше. Повысить теплопродукцию можно также физическими упражнениями. Как известно, от прыжков, топанья ногами и хлопанья в ладоши становится теплее – понаблюдайте, например, за болельщиками на футбольном матче. Однако теплопродукция, непроизвольная или произвольная, ограничена запасами «топлива» в человеческом теле. Так, продолжительность и эффективность дрожи определяется количеством гликогена, отложенного в мышцах, – обычно предельный срок составляет несколько часов. Физическая активность также ограничивается общей физической формой, выносливостью и запасами «топлива». Таким образом, в конечном итоге теплопродукция зависит от доступа к пище.

У младенцев показатель отношения площади поверхности к объему гораздо выше, чем у взрослых, поэтому тепло они теряют еще быстрее. Они крайне чувствительны к холоду, но при этом не дрожат. Вместо этого у них есть своя, особая система теплопродукции. На плечах, в верхней части спины и вокруг почек у малышей находятся жировые подушки, составляющие около 4 % общего веса тела. Этот жир отличается от обычных жировых отложений и известен как бурый жир. Если белая жировая ткань служит изоляцией, то бурый жир функционирует, скорее, как электроодеяло. Характерный бурый цвет придают этой жировой ткани пигментированные органеллы под названием митохондрии. Митохондрия – это своего рода биохимическая топка, которая, сжигая «горючее», преобразует его в химическую энергию, поэтому их часто называют клеточными электростанциями. Митохондрии, сжигая топливо, производят тепло. Достигается это за счет специального белка, который разобщает переработку топлива и производство энергии. Кроме того, он регулирует энергетический баланс и защищает от холода взрослые особи некоторых животных – так, мыши, у которых этот белок отсутствует, куда более чувствительны к холоду, чем особи, его имеющие.

Выработка тепла в буром жире стимулируется гормоном стресса адреналином. Жировая ткань пронизана сетью тончайших кровеносных сосудов, забирающих тепло для обогрева остального организма. У человека бурый жир имеется только в младенчестве и к зрелости он практически исчезает. Остаются лишь отдельные клетки, затерянные среди белого жира. Однако у многих мелких млекопитающих, особенно зимующих – таких, как летучие мыши, суслики, ежи и сурки, – бурый жир имеется в достаточном количестве. Выработанное им тепло они используют, чтобы согреваться, проснувшись после зимней спячки.

Логично предположить, что повышение активности разобщающего белка будет способствовать сбрасыванию веса. И действительно, у худых людей базальная активность разобщающего белка выше, поэтому они сжигают калории, вырабатывая тепло, а не откладывают их в виде жира. Этим объясняется, почему один из двоих одинаково питающихся людей будет толстеть, а другой нет. Несмотря на то что у взрослых бурый жир содержится в ничтожных количествах, новейшие исследования показывают, что родственные разобщающие белки содержатся и в других тканях. Одно из доказательств состоит в том, что мутировавшие мыши с недостатком разобщающего белка в буром жире хоть и чувствительны к теплу, однако ожирением не страдают. Это значит, что имеется еще какой-то тип разобщающего белка, способствующий регуляции веса в организме.

Еще один особенный вариант биообогревателя имеется у рыбы-меча и у марлиновых (семейства океанских рыб, куда входят синий и черный марлины), радующих рыболовов-спортсменов своими акробатическими прыжками при вытаскивании из воды. Их теплопроизводящая ткань – это модифицированная глазная мышца, расположенная под мозгом и обеспечивающая мозгу и глазам относительно постоянную температуру в 28° С, тогда как температура остального тела варьируется в зависимости от температуры окружающей среды. Во время зимнего глубокого погружения в холодные воды она может опускаться и до 8° С. Через нагревательный орган пропускается большая часть крови, поступающей в мозг. Перед ним кровеносные сосуды разветвляются на сеть мелких артерий, плотно прилегающих к венам, ведущим из мозга. Таким образом, теплая кровь, покидающая мозг, отдает тепло поступающей холодной крови, облегчая работу обогревательной ткани. Теплопроизводящий орган состоит из модифицированных мышечных клеток, почти лишенных сократительных элементов и плотно набитых митохондриями. В отличие от бурого жира, производство энергии и топливный метаболизм там не разобщены. Вместо этого энергия, вырабатывающаяся в процессе метаболизма, немедленно уходит на биохимические циклы, единственная функция которых – производство тепла в качестве побочного продукта.

Как ни удивительно, растения тоже регулируют свою температуру повышением теплопродукции. В знакомом мне с детства Дорсете по окраинам дорог в изобилии цвел аронник пятнистый (Arum maculatum), на местном диалекте прозываемый «кукушечья пинта», «дамы-и-господа» и «Джек-проповедник». Последним вариантом растение обязано, скорее всего, своему лиловатому початку, в котором содержится пыльца. Вырабатывая огромное количество тепла, этот початок испускает химические вещества, издающие сильный запах, на который слетаются мухи и другие насекомые-опылители. Теплопродукция у него достаточно мощная, повышающая температуру до 45° С. Остается только удивляться, как цветок не сжигает сам себя, однако початок определенно приспособлен к таким температурам. Еще удивительнее обстоит дело с горной сольданеллой (Soldanella montana). Этот симпатичный колокольчик вырабатывает столько тепла, что растапливает прилегающий слой снега, тем самым спасаясь от обморожения.