Текст книги "Зима: Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года"

В геологической истории Земли случаются регулярно повторяющиеся ледниковые периоды, связанные с астрономическим циклом наклона земной оси (Imbrie, Imbrie, 1979) – циклом Миланковича (по имени Милутина Миланковича, который его открыл). В данный момент Земля находится в фазе похолодания, начавшейся 7000 лет назад. Но сейчас вместо похолодания мы испытываем глобальное потепление, потому что климатические изменения, вызванные деятельностью человека, перевешивают похолодание вследствие астрономического цикла. Углекислый газ, выделяющийся при сжигании ископаемого топлива, накапливается в атмосфере быстрее, чем его поглощают лесные деревья и другие растения. Он работает как термальное покрывало и удерживает солнечное тепло. В отличие от астрономического цикла, который протекает постепенно и к которому можно приспособиться в процессе эволюции, это новое явление в истории планеты возникло внезапно. Оно еще повлияет и на корольков, и на человека.

2. Снег и подснежное пространство

В октябре листва начинает опадать и ярким покровом ложится на лесную почву. В одно прекрасное утро на листьях появляется белая корочка ледяных кристаллов – изморозь. Может пройти еще несколько недель, прежде чем с темнеющего неба станут, кружась, падать снежинки – формирующиеся в воздухе скопления бесчисленных снежных кристаллов. Дети всех возрастов гоняются за ними, пытаясь поймать самые крупные на язык.

Уилсон Элвин Бентли, позже получивший прозвище Снежинка, тоже ловил снежные кристаллы – на предметное стекло микроскопа. Он жил на семейной ферме в городке Джерико, штат Вермонт, с братом Чарльзом, родителями, бабушкой и дедушкой, а позже с женой и детьми Чарльза. Жизнь на ферме крутилась вокруг сельскохозяйственных работ, а 9 февраля 1880 года, на свое пятнадцатилетие, Уилсон получил от матери старый микроскоп. Этот подарок определил его судьбу. «Снежинки оказались чудом красоты, – скажет он позже. – Каждый кристалл был шедевром, и ни один не повторялся».

Благодаря фотографиям и трудам Бентли на эту тему сегодня каждый ребенок знает, что двух одинаковых снежинок не существует, хотя исследователь и указывал, что «нетрудно найти два и больше кристаллов с похожими, если не одинаковыми очертаниями». Для Бентли снежные кристаллы олицетворяли красоту мира. Они открывали «путь в волшебную страну», где «даже буря может быть источником глубочайшего удовлетворения и удовольствия, когда она несет из темноты мятежный океан облаков, чьи очертания заставляют вашу душу горячо трепетать от радости».

Ученые и натуралисты писали о структуре снежинок и до Бентли, но тогда авторов занимало не столько их разнообразие, сколько шестиугольная форма. Считается, что в 1610 году Иоганн Кеплер (знаменитый множеством открытий, в частности о том, что планеты обращаются по орбитам в форме эллипса, а не окружности) первым задал вопрос: почему, когда начинает идти снег, первоначальная форма снежинок всегда соответствует шестиконечной звезде? Не знаю, есть ли ответ на него сегодня, но уверен, что такая конфигурация как-то связана с наиболее экономичным способом расположения молекул в кристалле, когда тот образуется в воздухе, где ничто не мешает ему расти в любых направлениях.

В 17 лет Бентли объединил микроскоп с новым устройством – фотоаппаратом, надеясь исполнить свою мечту и запечатлеть красоту снежного кристалла на снимках. Каким-то чудом его отец согласился заплатить сотню долларов за детали, из которых можно было собрать простенькую камеру. Бентли неделями упорно экспериментировал, и вот 15 января 1885 года в дровяном сарае семейной фермы ему удалось проявить первую в мире микрофотографию снежинки.

Наконец Бентли захотелось показать свои снимки кому-то, кто мог бы оценить их по достоинству, и он отправился за 15 километров от дома, в Вермонтский университет в Берлингтоне, чтобы встретиться с профессором Джорджем Генри Перкинсом, биологом и экологом, который уже долгое время здесь преподавал. Профессора Перкинса поразило качество работ Бентли, и он сказал, что тому обязательно нужно написать о них и показать свои снежинки миру. Бентли вернулся домой и попробовал писать, но с досадой бросил это дело. Он снова обратился к Перкинсу с просьбой составить подписи к фотографиям, и в 1898 году в журнале Appletons’ Popular Science Monthly[7]7
   Американский научно-популярный журнал, в те годы выпускался издательством Appleton.


[Закрыть] появилась статья под названием «Исследование снежинок» авторства У. Бентли и Дж. Перкинса. Перкинс, будучи не только ученым, но и джентльменом, писал, что, хотя статью по заметкам и снимкам Бентли составил он, «все факты, теории и иллюстрации выросли из работы и неустанных исследований [Бентли]».

С этой статьи началась карьера Бентли, который посвятил снежинкам всю жизнь. По-видимому, публикация также помогла ему преодолеть сложности с письмом. Бентли написал еще 50 популярных и специальных работ о снеге, которые в 1931 году, в год смерти автора, увенчала книга «Снежные кристаллы» (Snow Crystals), где было опубликовано более 2500 из его пяти с лишним тысяч снимков.

Образование снега только начинается с кристалла. Снежинки часто состоят из сотен кристаллов, столкнувшихся друг с другом по пути из облака вниз. Какого размера получится падающая снежинка, зависит от множества факторов, в том числе от количества кристаллов в облаке, расстояния, которое они пролетят, и температуры. В начале зимы обычно образуются самые крупные снежинки. Позже, при более низкой температуре, кристаллы льда, которые сеют облака, соединяются друг с другом хуже. На морозном воздухе они становятся ломкими, постоянные столкновения по пути вниз повреждают и рушат их замысловатую красивую структуру. Лучики кристаллов обламываются, и тогда снег состоит из их крошечных осколков. Ветер несет фрагменты кристаллов, которые продолжают разрушаться, а на земле прочно соединяются в плотную решетку, при достаточно низкой температуре – около –30 °C – приобретающую структуру и внешний вид пенопласта. И ходить по снегу в сильный мороз все равно что ходить по пенопласту. Снег в этом состоянии можно нарезать плитами – люди веками строили из таких плит зимние жилища.

Плотный снег – прекрасный изолятор. Иглу отлично удерживает тепло от небольшой масляной лампы и человеческих тел, не выпуская его в бездонный теплоприемник – небо над снежной крышей. Ветер не проникает за стены, а в то же время кислород и углекислый газ свободно циркулируют через толщу снега и входной коридор. Коридор позволяет снизить конвекцию, например от ветра, а у входа инуиты устраивают препятствие – возвышение, которое не впускает стелющийся по земле холодный тяжелый воздух. Обычно это возвышение покрывают шкурами северного оленя.

Многие птицы, от сероголовых гаичек[8]8
   Мелкие воробьиные (в отличие от тетеревиных) в снегу ночуют редко и для этих целей обычно не роют снег сами, а используют уже имеющиеся убежища – подземные полости или гнезда мелких грызунов. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] и до белых куропаток и воротничковых рябчиков, тоже укрываются по ночам в снегу, закапываясь в него и устраивая похожие на иглу подснежные убежища. Порой птицы оставляют явные свидетельства того, что провели в своем снежном укрытии довольно много времени: только в одной подснежной камере белой куропатки вблизи Барроу на Аляске я насчитал более 70 фекальных комочков, а в лесах Мэна постоянно нахожу не меньше 30 комочков там, где ночевал воротничковый рябчик. Птица часто остается в укрытии и в дневное время: в холодные снежные дни бывает, что она вспархивает у меня из-под ног даже в полдень.

Похоже, многих северных птиц снег, особенно первый снегопад в году, приводит в возбуждение. И во́роны, и белые куропатки заметно оживляются, начинают кататься, скользить и купаться в рыхлой, еще не утрамбовавшейся массе снежинок. Птицы из семейств совиных, врановых, вьюрковых, синицевых и корольковых тоже принимают снежные ванны (Thaler, 1982).

Воротничковый рябчик вырыл в снегу нору, чтобы переждать ночь или непогоду

В среде обитания многих северных животных снег – явление постоянное, так что те к нему хорошо приспособились и стали от него зависимы. Пожалуй, ни у кого эта зависимость не выражена настолько сильно, как у американского зайца-беляка[9]9
   Американский беляк (Lepus americanus) мельче зайца-беляка Евразии (Lepus timidus), но многие аспекты биологии и экологии у них схожи. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Его следы совершенно не пропорциональны размерам тела. Распределение нагрузки по обширной стопе позволяет зайцу ходить, прыгать и бегать, почти не погружаясь даже в самый мягкий снег. В результате чем больше рыхлого снега накопилось за зиму, тем легче зверьку добраться до пищи – свежих веточек мелких деревьев и кустарников. Получается, что веточки питают зайцев, а те перерождаются в лисиц, рысей, илек, ласок, виргинских филинов, ястребов-тетеревятников и краснохвостых сарычей. И все же, несмотря на то что зайцы быстро «перерабатываются» и преобразуются в новые живые организмы, их популяция сохраняется благодаря хитростям, позволяющим выжить отдельным особям, и легендарной способности к размножению (самка зайца приносит помет до четырех раз в год, в каждом помете до восьми детенышей, которые рождаются с мехом и почти сразу готовы бегать, а вскоре и давать потомство).

Как бы активно ни размножались зайцы, хищники быстро подчистили бы их поголовье, если бы не маскировка. Американский беляк, которого по-английски также называют varying hare – «переменчивый» заяц, как и беляк Евразии, зимой переодевается из коричневатого в чисто-белый мех. Однако следует понимать, что чем лучше маскировка работает в одно время года, тем хуже она для другого, поэтому, чтобы успешно провернуть этот трюк, зайцу нужно очень точно угадать время. Трудно правильно подобрать момент, когда пора становиться белым или коричневым, потому что на смену шерстки уходит не меньше месяца, а снегопад может преобразить все вокруг за несколько минут. Само по себе время линьки у зайца определяется продолжительностью дня, но в целом оно должно быть связано с периодом, когда земля в среднем бывает покрыта снегом. По тому, в какой момент приспособленные к местной среде зайцы под управлением генетических механизмов меняют окраску, можно понять, как распределялось время появления снежного покрова в прошлом, потому что зайцев не того цвета съедают первыми, и их мясо перерабатывается, чтобы питать уже новую жизнь – жизнь хищника.

В лесах на западе штата Мэн почти все зайцы белеют к концу ноября, когда обычно устанавливается постоянный снежный покров. Но в некоторые годы первый снег запаздывает, и на все время задержки зайцы оказываются на виду, как если бы их пометил флуоресцентной оранжевой краской охотник. Впрочем, через несколько минут после того, как пойдет снег, они станут почти невидимы. Не думаю, что зверек знает, видно ли его: мне встречались совершенно белые зайцы на бурой земле, которые не предпринимали никаких явных усилий, чтобы спрятаться. Но возможно, в их поведении все же возникают какие-то изменения, чтобы компенсировать неспособность точно подстроить время линьки под снегопады. Так, обычно в лесах Западного Мэна после ранних снегопадов в конце октября – начале ноября заячьи следы мне почти не встречаются, хотя в декабре в том же году и на том же месте их будет полно. Сначала я подозревал, что беляки мигрируют, пока однажды в ноябре не взошел на холм Маунт-Болд недалеко от своего домика. Заяц может забраться туда за считаные минуты. Среди елей вблизи вершины я неожиданно обнаружил множество заячьих следов и задумался, не могут ли животные после линьки уходить повыше, туда, где снег появляется раньше, а вниз спускаться позже, когда первый снег выпадет на болотах, которые они предпочитают в качестве мест обитания.

В марте белый пушистый зимний мех у зайцев начинает выпадать, и его снова сменяет коричневая летняя шерстка. Золотоголовые корольки пользуются тем счастливым совпадением, что зайцы меняют мех именно в это время, и собирают остатки их шерсти для утепления гнезд.

Чтобы выжить зимой, зайцу нужно не только хорошо прятаться, но при необходимости и убегать. В отличие от большинства животных, зимой зайцы остаются худыми, практически не накапливая в теле жир, потому что пища им почти всегда доступна и запасать энергию не обязательно. Легкость и большие лапы позволяют животному двигаться на снегу быстрее других. Если бегун хоть немного утопает в снегу, его это тормозит. В то же время лапы не должны быть слишком большими, чтобы ускорять, а не замедлять бег, и зайцы, вероятно, уже стали почти настолько легковесными и большелапыми, насколько возможно. При этом, если посмотреть на их следы в зимнем лесу, в глаза сразу бросается еще одна поведенческая особенность зайцев: зверьки ступают по следам друг друга и таким образом утаптывают снег, создавая проторенные трассы. Перемещаясь по этим тропам, заяц по пути подъедает веточки, а поскольку он хорошо знает дорогу, то получает преимущество перед любым хищником, который вздумает за ним погнаться.

Снег может быть и врагом. Мелкие животные порой оказываются заперты в подснежном пространстве (в снегу или под ним), если верхний слой покрова подтаял на солнце, а ночью замерз и затвердел. Рябчики, застревая под коркой наста, становятся добычей для лисиц. Землеройка, которая выбралась на поверхность наста и быстро не нашла ход обратно, вниз, где она снова будет в безопасности, может достаться хищнику или просто замерзнуть насмерть.

Белым медведям наст не страшен. Самки роют берлоги в сугробах и проводят там в зимнем сне полгода арктической зимы, рождая детенышей, которые в тепле и безопасности сосут материнское молоко. Студенты моего курса зимней экологии, подобно белым медведям и атабаскским охотникам, тоже устраивают временные укрытия в сугробах.

Каждую зиму я беру 10–13 студентов в свой лесной лагерь в Мэне, где мы живем в собственноручно построенном мной деревянном домике без электричества, зато с дровяной печью (в доме два этажа). Воду мы получаем из талого снега или носим из колодца неподалеку. Печем свой хлеб; ходит слух, что как-то жарили себе полевок. В первую неделю мы совершаем долгие прогулки по лесу без особой системы. Следующие две недели каждый ведет под моим руководством собственное исследование. Сложная часть настает, когда все возвращаются в университет на весенний семестр, анализируют результаты и пишут научные доклады.

Строительство укрытий в снегу официально в проект не входит. И все же иногда мы это делаем. Сначала сгребаем большую кучу снега. Через несколько часов после того, как он собран, ледяные кристаллы соединяются и образуют твердую массу, в которой можно выкопать уютную теплую норку для ночлега.

Ближе к верхней части покрова снег всегда уплотняется, потому что кристаллы соединяются друг с другом. В то же время возле почвы теплее, чем на поверхности, и здесь водяной пар от распадающихся кристаллов идет вверх, оседает на кристаллах верхнего покрова и примерзает к ним. Со временем сверху за счет нижних слоев нарастает все больше льда, и тогда подснежное пространство превращается в систему ледяных столбов и колонн с обширными, заполненными воздухом полостями на уровне земли – своеобразный снежный лабиринт, единую систему убежищ, где живут мыши, полевки и землеройки.

За счет определенных физических процессов в этом пространстве всю зиму сохраняется температура в пределах одного-двух градусов выше точки замерзания воды. Здесь действует несколько факторов. Как мы уже говорили, снег – хороший изолятор, и даже при –50 °C благодаря поднимающемуся от земли теплу возле почвы в основном сохраняется температура около 0 °C. А когда лед и вода под снегом приходят в равновесие около 0 °C, устанавливается стабильная температура, потому что если тепло уходит через снежный покров и становится чуть холоднее 0 °C, то вода преобразуется в кристаллы льда, и тогда снова выделяется тепло. Таким же образом, чтобы лед превратился в воду, тепло нужно затратить. Иными словами, лед и вода, находясь рядом друг с другом, действуют как термостат, поддерживая постоянную температуру. Различается только их соотношение в зависимости от количества затраченного или полученного тепла.

В Новой Англии подснежную зону населяют полевки (зверьки, напоминающие мышь с коротким хвостиком), в первую очередь луговая полевка (Microtus pennsylvanicus) и полевка Гаппера (Clethrionomys gapperi), а также землеройки: масковая бурозубка (Sorex cinerius), дымчатая бурозубка (Sorex fumeus), карликовая бурозубка (Microsorex hoyi) и обыкновенная короткохвостая бурозубка (Blarina brevicauda). Каждую весну, как только растает снег или пока тают последние несколько сантиметров, я вижу обнажившийся на поверхности почвы лабиринт оставленных полевками ходов. Открываются взору и гнезда этих грызунов, многие из которых скоро займут матки шмелей, чтобы построить в них новые колонии.

Мыши в подснежной зоне поедают кору

Весна 2001 года особенно ярко показала, насколько важен подснежный мир для луговой полевки. В марте в Вермонте выпало рекордное количество снега, и у этих зверьков, похоже, произошел демографический взрыв. У луговой полевки, как и у ее близкого родственника лемминга, удивительно высокий репродуктивный потенциал. Одна полевка на хорошем питании в неволе дала за год 17 пометов в среднем по пять детенышей, которых она вынашивала по 21 дню. Молодые самки, в свою очередь, могут приносить потомство в возрасте месяца. При таком репродуктивном потенциале полевки могли бы быстро покрыть ковром всю планету. По счастью, подобные ужасы экспоненциального роста редко воплощаются в реальность. Роль полевок в природной экономике иная: как и зайцы, они преобразуют растительность в богатый белком продукт, на котором основана зимняя диета многих хищников, особенно лисиц, ласок, илек, койотов и рысей. Летом среди прочих на смену заступают ястребы и змеи.

В некоторых местах со всех молодых деревьев клена сахарного, клена ясенелистного и ясеня американского ровно до границы снежного покрова (но не выше) оказалась снята кора. О том, какой урон полевки наносят зимой деревьям, хорошо знают садоводы, которые ежегодно теряли бы молодые плодовые деревья, если бы осенью не укрывали каждое из них имитирующим кору искусственным кожухом из пластиковых полосок до ожидаемой высоты снежного покрова. Мне пришлось учиться на ошибках: когда я посадил на поляне возле своего домика яблони, к весне со всех до единого деревьев на 30 сантиметров над землей, в той части, которая зимой находилась под снегом, кора оказалась снята. Более старым деревьям, у которых уже вырос толстый слой собственной коры, ничего не грозит. Камбий, внутренняя живая часть под корой дерева, – любимое лакомство многих травоядных животных, а толстый внешний мертвый слой коры – хорошая защита. Как обычно и бывает с защитой, ее пользу можно оценить, только когда она уже понадобилась. Деревья особенно нуждаются в толстой коре зимой, когда нет листвы, поедать которую легче.

Под защитой снежного покрова в уютной подснежной зоне полевки могут начать размножаться за два-три месяца до того, как растает снег. Всевозможные весенние полевые цветы тоже рано пробуждаются в сравнительно теплом подснежном пространстве. Некоторые из них, например подснежники в наших садах, вырастают в марте, выставляя цветки прямо из-под снега.

Питер Маршан, специалист по зимней экологии, который проводит обширные исследования снежного покрова в Центре исследований севера в Вермонте и в других местах, задавался вопросом, как погребенные под снегом организмы понимают, что пора начинать расти или размножаться. Откуда они знают – а они, похоже, знают, – что снежный покров вот-вот растает? Чувствуют ли они солнечный свет? Чтобы разобраться в этом, Маршан со своими студентами исследовал проводимость света в снежном покрове и обнаружил, что, по мере того как снег уплотняется, он пропускает света все меньше. Но только до некоторого предела. К удивлению ученых, когда они имитировали периодическое таяние и повторную заморозку, при которых плотность снега растет, как это и происходит весной, то оказалось, что по консистенции снежный покров стал близок ко льду. Тогда вопреки росту плотности, а может быть, благодаря ему снег стал пропускать больше света. Маршан предполагает, что полевки чувствуют этот проходящий через снег свет и он дает им сигнал к размножению, тем самым обеспечивая их легендарный репродуктивный потенциал. Возможно также, что первыми на свет реагируют растения: они начинают расти и выделять химические вещества, от которых животные, поедая их, получают косвенный сигнал, стимулирующий репродуктивную деятельность.

Для некоторых животных в зимнем лесу подснежное пространство никогда не бывает полностью отделено от подземного. Если бы эти зоны не были связаны, мало кто из мелких млекопитающих мог бы пережить зиму, потому что в некоторые годы отрицательная температура устанавливается на месяц-два раньше, чем образуется существенный слой снега. В этот период землеройки и полевки скрываются в пространстве под лесной подстилкой или в трухлявых пнях со множеством полостей. Порой они закапываются в почву и селятся ниже горизонта промерзания грунта. Другие животные, например напоминающая крота короткохвостая бурозубка, крот-звездонос и его двоюродный брат волосатохвостый крот, обитают в этой области постоянно. Им снежный покров просто позволяет находиться ближе к поверхности почвы, где, скорее всего, они найдут больше добычи в виде насекомых, поскольку горизонт промерзания окажется выше.

Обеспечивая укрытие множеству мелких животных, снежный покров в то же время представляет собой большую проблему для животных более крупных, которые этими мелкими промышляют. Некоторые хищники не могли бы жить зимой на севере, если бы не специальные приспособления к охоте на подснежную добычу. В число таких зимних охотников входят уже упоминавшиеся ласки, лисицы и койоты, а также бородатая неясыть.

Лисицы и койоты находят мышей по звуку и бросаются на них, ударяя по снегу передними лапами. От ударов рушатся вырытые грызунами ходы, и предполагаемая жертва на некоторое время оказывается в ловушке. У бородатой неясыти (Strix nebulosa) тоже острый слух, она с 30 метров слышит, как под снегом движется луговая полевка. Подлетев поближе, неясыть пикирует с высоты семи с половиной метров и своими скрюченными лапами может пробить толстый наст, способный выдержать вес человека. Птица ловит грызуна, на время обездвиженного обвалившимся снегом, сжимая и разжимая пальцы, длинными когтями просеивая снег. Бородатая неясыть – одна из самых крупных сов, ростом почти метр, но существенную часть ее размера составляет толстый изолирующий слой перьев. Эти птицы не такие сильные, как виргинский филин и полярная сова, которые в основном охотятся на зайцев. В спокойную погоду бородатая неясыть охотится и ночью и днем и даже при такой низкой температуре, как –43 °C, не покидает облюбованных северных мест. Однако эти птицы регулярно улетают, если добычи становится мало из-за болезней или большого числа охотников. Резкое сокращение популяции грызунов в одном месте не исключает демографического взрыва в другом, так что совы много странствуют. Странствую и я, охотник за зимними чудесами.