Почему эволюция наделила теплокровностью не всех животных, а только часть из них?

Все животные, у которых есть кровеносная система, делятся на холоднокровных и теплокровных. Названия эти не вполне точны: теплокровные отличаются не тем, что кровь у них теплее, чем у холоднокровных (хотя чаще всего так оно и есть), а тем, что температура их крови и тела более или менее постоянна. У холоднокровных же она колеблется вместе с температурой окружающей среды и, как правило, почти не превышает ее.

Преимущества теплокровности очевидны. Все процессы жизнедеятельности – движение, пищеварение, работа нервной системы и т. д. – в конечном счете представляют собой сложным образом согласованные химические реакции. А скорость любой химической реакции зависит от температуры.

То, что при низких температурах холоднокровные животные обычно становятся медлительными и вялыми, – это еще полбеды: эволюция может создать такие белковые молекулы, которые будут лучше всего работать именно при низких температурах. Гораздо хуже то, что температура среды всё время меняется, причем иногда очень быстро. Сделать молекулы, которые одинаково хорошо работают и при температуре чуть выше нуля, и при +30 °С, почти невозможно. И совсем плохо то, что скачки температуры ускоряют или замедляют разные реакции не одинаково – ведь в живом к организме процессы должны быть точно согласованы.

Теплокровность автоматически снимает эти проблемы. Наконец, наземные теплокровные животные могут вести активную жизнь и при температуре воздуха ниже нуля – что для холоднокровых недостижимо в принципе.

ПЛАТА ЗА ТЕПЛО

Среди современных животных теплокровностью обладают только млекопитающие и птицы – два самых молодых класса позвоночных. Они не унаследовали это качество от общих предков, а приобрели его независимо друг от друга. И не они одни: сегодня ученые уже практически не сомневаются, что древние пресмыкающиеся – птерозавры и многие динозавры – тоже были теплокровными. Шаги по направлению к теплокровности можно увидеть и в современной фауне. Например, в Южной Америке живет аргентинский черно-белый тегу – крупная (до полутора метров в длину) ящерица. Как и многие ящерицы, днем тегу греются на солнце, а на ночь прячутся в норы и там медленно остывают. Но, как совсем недавно выяснили ученые, на два-три месяца в году – в сезон размножения – тегу становятся теплокровными: температура их тела на целых 10 °С превышает температуру воздуха в норе и не меняется в течение всей ночи.

Но если теплокровность так удобна и полезна, а приобрести ее так легко, то почему этой возможностью не воспользовались другие современные рептилии? Почему тот же тегу, раз уж он способен поддерживать постоянную температуру тела, не пользуется этой способностью большую часть года?

Дело в том, что за свою теплокровность животным приходится платить очень высокую цену – прежде всего, энергетическую. Огромную часть энергии, получаемой с пищей, теплокровные существа вынуждены расходовать на «отопление Вселенной»: как бы ни отгораживались они от холодного мира шерстью или перьями, тепло обязательно будет утекать из их горячих тел в окружающую среду. Поэтому такие теплокровные хищники, как лев или тигр съедают в течение года в десятки раз больше пищи, чем крокодил или комодский варан того же веса.

МЕЛКИЕ ПРИСПОСОБЛЕНЦЫ

Для мелких зверьков и птиц теплокровность особенно разорительна. Тут действует очень несправедливый для маленьких существ закон: количество тепла, вырабатываемого животным, пропорционально массе его тела, и значит – объему. В свою очередь, потери тепла пропорциональны площади поверхности тела. Поскольку объем тела зависит от произведения трех его линейных размеров, а площадь его поверхности – от двух, то выходит, что чем меньше животное, тем большие потери тепла приходятся на единицу его веса. Например землеройка вынуждена съедать в сутки в три-четыре раза больше пищи, чем весит сама. Запасов питательных веществ, которые могут уместиться в ее тельце, хватает ненадолго: если землеройка не поест несколько часов подряд она погибнет.

Между тем холоднокровные ящерицы, весящие примерно столько же и придерживающиеся той же «диеты», могут обходиться без пищи неделями. Поэтому многие мелкие звери и птицы научились «приостанавливать» действие своей теплокровности на то время, когда они не могут обеспечить свой организм достаточным количеством еды. Чаще всего этот механизм применяется во время зимней спячки. Даже такие относительно крупные существа, как сурки, снижают на этот период температуру своего тела до 3-5 °С. «Остывают» на время спячки ежи, летучие мыши и многие другие животные.

А самые мелкие из птиц – колибри – снижают температуру своего тела каждый вечер. Правда, она падает до 17-20 °С, но в местах обитания этих птиц воздух редко бывает намного холоднее. Дальше всех пошли удивительные африканские грызуны – голые землекопы, вообще отказавшиеся от регулирования температуры тела. Само их название говорит о том, что их тела не покрыты шерстью. Она им и не нужна: там, где живут эти зверьки, – в Восточной и Южной Африке – настоящих холодов никогда не бывает. Вдобавок они проводят всю жизнь в своих подземных галереях, почти не выходя на поверхность, а в толще грунта температура практически постоянна.

СТРАННАЯ РЫБА

Но и это еще не все ограничения, которые налагает теплокровность. В прошлом номере журнала мы писали о том, что сделать жабры, с помощью которых человек мог бы дышать под водой, невозможно: так как в воде растворено слишком мало кислорода, площадь поверхности таких жабр была бы примерно равна площади футбольного поля. Но даже если представить, что такие жабры созданы, воспользоваться ими мы всё равно не сможем, ведь наша теплая кровь, проходя через эту гигантскую поверхность, неизбежно остынет до температуры окружающей нас воды. Поэтому все теплокровные животные, обитающие в воде, – китообразные, сирены, ластоногие (тюлени, моржи, морские котики…) так и не обзавелись жабрами.

Раз не может быть млекопитающих с жабрами, значит, и теплокровных рыб быть не должно. Всё так, но тут есть по крайней мере одно исключение, обнаруженное в 2015 году американскими учеными. Это красноперый опах – крупная красивая рыба длиной до двух метров. Он живет в толще океана, на разных глубинах, где температура воды может сильно различаться. Но при этом температура тела опаха постоянна: 13-14 °С, хотя температура окружающей воды обычно градусов на пять ниже. Кровоснабжение жабр опаха устроено таким образом, что сосуды, несущие кровь к жаберным лепесткам, очень тесно сплетены с сосудами, идущими в противоположном направлении. Притекающая к жабрам кровь успевает отдать почти всё свое тепло крови оттекающей, и теплопотери в жабрах минимальны. Но даже эта хитроумная конструкция позволяет опаху держать температуру всего на несколько градусов выше температуры воды. Так что и это удивительное исключение в каком-то смысле подтверждает общее правило. А вся история теплокровности в мире животных свидетельствует о другом факте: организмы приобретают полезные, но обременительные эволюционные новшества только тогда, когда выгоды от этих новшеств перевешивают неудобства.