Текст книги "Живое и неживое. В поисках определения жизни"

Поддержание постоянства условий жизни во внутренней среде

Однажды снежным утром в горах Адирондак я взбирался вверх по склону к заброшенной графитовой шахте. Я следовал за двумя биологами – Карлом Херцогом и Кэтлин Рицко. Они остановились у входа в штольню, возле студеного ручья. Биологи стали переодеваться, чтобы войти внутрь, и я, насколько мог, последовал их примеру. Я скинул один за другим туристические ботинки и засунул ноги в носках в вейдерсы[136]136
  Прорезиненные штаны-сапоги. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], стараясь не бухнуться в ручей. Мы надели шлемы с налобными фонарями. Стянули с себя верхнюю одежду из фланели и шерсти. Пора было сменить защиту от снега и зимнего ветра на средства спасения от холодной воды и острых камней. Херцог огласил список неприятностей, с которыми мы можем столкнуться в шахте. «Главная опасность – поскользнуться и упасть, – объяснил он. – К потолку вам и прикасаться не захочется».

Пока Херцог говорил, Рицко раскладывала карандаши и блокноты по карманам своих вейдерсов и проверяла батарейки в многочисленных приборах.

«Готова?» – спросил ее Херцог.

«Пошли!» – откликнулась она. Мы ступили в ледяную воду ручья и по его дну направились в шахту.

Мы продолжали шлепать по воде вперед, и снежный свет позади становился все бледнее и бледнее. Шероховатые стены штольни были наклонены. После ночного ливня и утреннего снегопада с вершины холма по склону бежала вода. Она сочилась со стен шахты, капала с потолка и застывала ледяными сталактитами и сталагмитами. Чем дальше мы продвигались, тем темнее становилось в пещере, а ручей теперь был покрыт толстым слоем льда, прозрачным, как стекло.

Поднявшись на берег ручья, Рицко пошла по узкой полоске осыпавшихся камней вдоль правой стены пещеры. Но Херцог хотел поближе рассмотреть левую ее стену. Он ступил на прозрачный лед и начал опасливо переставлять ноги.

«Если я провалюсь, то в принципе волноваться нечего, вейдерсы меня защитят, – сказал он, не решаясь сделать следующий шаг. – Удивительно, однако, почему-то это пугает».

Херцог посветил фонариком на стену, но ничего особенного не обнаружил. Он осторожно вернулся к нам обратно по ледяной корке, и мы двинулись дальше во тьму.

Мне приходилось напоминать себе, что я не в естественной пещере, а в большой человеческой норе. В середине XIX в. лесорубы заметили возле озера Джордж под бревенчатым волоком жилы темного минерала. Это оказался графит. Лесорубы быстро переквалифицировались в шахтеров – они рыли горные склоны и извлекали минерал, который шел на изготовление карандашей и плавильных тиглей. Штольня, куда мы теперь входили, – возле поселка Гаага на берегу этого же озера – с годами разрослась в сеть туннелей с неровными стенами, тесных проходов и боковых камер. Шахта росла, туннели удлинялись, а шахтеры подпирали своды длинными бревнами; в итоге у них получилась подземная аллея деревьев-зомби.

Нью-йоркский графитовый бум продлился несколько десятилетий, а затем начались более массовые и дешевые разработки этого минерала на Мадагаскаре и в других странах. В начале XX в. шахтеры забрали из гаагской штольни часть подпорок и продали их на пиломатериалы, а затем выработка была полностью заброшена. С той поры минуло более ста лет, и я едва различал следы человеческого присутствия. В лесах поблизости там и сям попадались отвалы пустой породы, вывезенной с месторождения. В глубину одного туннеля уходила веревка – вероятно, чтобы заблудившиеся в темноте могли вернуться с ее помощью назад.

После того как шахту покинули люди, ею вновь постепенно завладели силы природы. Вода покрыла вырубленные стены блестящим слоем натеков. Она украсила своды полосками, известными под названием пещерного бекона. Некоторые оставленные шахтерами подпорки упали в ручей. Херцог показывал места, где своды и стены обрушились, – там завалы свежей породы закрыли проход.

«Вряд ли это случится при нас, – сказал Херцог, но тем не менее посоветовал мне не трогать подпорки. – Они могут сместиться, если их пошевелить».

Лучи фонариков Херцога и Рицко скользили по сводам и стенам, заглядывали в ниши, в глубокие щели. Этот холодный каменный лабиринт казался самым безжизненным местом в мире. Но спустя час нашей прогулки по пещере луч от фонарика Рицко замер. Я перебрался к ней через валун и посмотрел на освещенное пятно. На уровне глаз с крутого каменного уступа свисало что-то вроде мохнатой груши.

«Северная ночница», – шепнула Кэтлин.

Летучая мышь висела, вжавшись мордочкой в холодную стену штольни. Мне были хорошо видны ее торчащие клиновидные уши и крошечные лапки, растянутые в стороны так, что зверек напоминал якорь.

«Как она не падает?» – спросил и я шепотом.

«В их щиколотках есть что-то вроде запирающего механизма, – ответила Рицко. – Они почти не тратят энергии, когда висят здесь».

«Она вообще дышит?» – полюбопытствовал я.

«Дышит, – прошептала биолог. – Но у нее все очень замедлено».

Особь, на которую мы смотрели, влетела в эту штольню четыре или пять месяцев назад. Она отыскала себе на каменной стене местечко для свисания и прожила всю зиму без единой крошки во рту. Через несколько недель ей предстояло снова вылететь наружу, ее ждали яркая весна и знойное лето. Но даже в самые жаркие дни летучей мыши не грозит перегрев. И если она заразится бактериями, то одолеет их. Зверьку может выпасть неудачная ночь охоты, но он сумеет избежать голодной смерти. В погоне за добычей его сердце сумеет отрегулировать подачу крови так, чтобы не лопнул мозг. А осенью летучая мышь вернется в шахту вроде этой, чтобы снова перезимовать. Пока мы с Рицко рассматривали висевшую перед нами северную ночницу, я дивился тому, что это животное способно переживать столь крутые погодные повороты и резкие перемены жизни на протяжении целых 18 лет или даже больше. Летучая мышь и штольня, которую она выбрала для спячки, составляли в некотором смысле разительный контраст. Эта безжизненная шахта постепенно обваливалась. Через несколько десятилетий разрушительная сила сезонных перепадов, возможно, сотрет ее с лица земли. А маленькая летучая мышка внутри осыпающейся штольни сохраняла удивительную стабильность.

«Все жизненные механизмы, каким бы разнообразием они ни отличались, имеют только одну цель, а именно поддержание постоянства условий жизни во внутренней среде», – писал французский биолог Клод Бернар в 1865 г. Ученый заметил, что наша внутренняя среда преимущественно водная. Когда запасы воды в нашем организме начинают иссякать, мы чувствуем жажду, побуждающую нас восполнить их. В 1926 г. гарвардский физиолог Уолтер Кеннон доработал идею Бернара и дал ей современное название: гомеостаз.

Гомеостаз не материальный объект, который можно взвесить или пощупать. Это не определенный набор атомов, образующий молекулу вроде ДНК или белков. Скорее, это организующий принцип, который обнаруживается повсеместно в мире живого и проявляется одновременно на множестве уровней. У летучей мыши[137]137
  О рукокрылых и гомеостазе см.: Webb and Nicoll 1954; Adolph 1961; McNab 1969; Cryan et al. 2010; Pfeiffer and Mayer 2013; Hedenström and Johansson 2015; Johnson et al. 2016; Boyles et al. 2017; Voigt et al. 2017; Willis 2017; Bandouchova et al. 2018; Gignoux-Wolfsohn et al. 2018; Moore et al. 2018; Boerma et al. 2019; Boyles et al. 2019; Haase et al. 2019; Rummel, Swartz, and Marsh 2019; Auteri and Knowles 2020; Lilley et al. 2020.


[Закрыть] он действует в клетках, органах – даже при полете.

Немногим доводилось наблюдать этих зверьков во время спячки в пещерах, зато многие видели, как они в теплый вечер носятся в сумерках за комарами или поденками. Когда небо станет совсем темным, летучие мыши продолжат свой полет, невидимые во тьме, способные преодолевать сотни километров за одну ночь. Они остаются в воздухе благодаря полетной разновидности гомеостаза.

Летучие мыши передвигаются в атмосфере, размахивая своими исполинскими перепончатыми ладонями. Опуская их, животные создают в окружающем воздухе циркулирующие вокруг крыльев вихревые потоки, а поднимая, всякий раз сбрасывают назад порции воздуха, подобные вращающимся невесомым пончикам. Физика этих вихрей настолько сложна, что ученые пока еще мало понимают даже их базовые принципы. Но результат очевиден: давление сверху падает, а снизу растет, в итоге возникает подъемная сила крыла.

Меняя частоту взмахов, расставляя или сжимая свои длинные, похожие на шесты пальцы, сокращая одни мышцы крыла и расслабляя другие, придавая форму невидимым воздушным пончикам позади себя, летучая мышь буквально упраздняет гравитацию. Она как бы зависает на месте. А если мышь меняет наклон крыльев, то часть этой подъемной силы обращается в тягу, бросающую ее вперед. Северная ночница и другие насекомоядные рукокрылые преследуют добычу, издавая писк и прислушиваясь к отраженному от окружающих объектов эху. Многие виды, на которые они охотятся, развили способность слышать эхолокацию мыши и резко менять направление, пытаясь увернуться. Но зверьки в состоянии продолжать погоню, складывая пальцы и круто сворачивая вслед за добычей.

В полете летучая мышь постоянно рискует растерять свои воздушные вихри и камнем упасть на землю. В воздухе ее удерживает гомеостаз. Один из секретов подобной устойчивости – в расположении мельчайших волосков на почти голых крыльях животного. Волоски колеблются под воздействием окружающих воздушных потоков, и их трепет переводится на язык электрических импульсов, поступающих в мозг летучей мыши. Зверек способен улавливать сигналы, предупреждающие о том, что есть опасность потерять вихревые потоки, и тогда он должен отрегулировать форму и изгиб своих крыльев так, чтобы оставаться внутри этих потоков.

Летучим мышам постоянно достается из-за неожиданных порывов ветра. Когда их стаи по вечерам вылетают из пещер, животные часто врезаются друг в друга. Так как рукокрылые очень малы – северная ночница весит не больше пустого конверта, подобные происшествия могут легко сбить их полет: заминка ведет к аварии.

Биолога Шарон Шварц заинтересовало, почему летучие мыши не валятся с неба на землю каждую минуту. В своей лаборатории в Брауновском университете она со студентами снимала мышей в полете на скорости сто кадров в секунду. Чтобы изучить, как животные справляются с порывами ветра, экспериментаторы установили трубу, которая обдавала пролетающих зверьков воздушной струей. Струя, попадающая на крыло, разворачивала тельце летучей мыши примерно на 90°.

Исследовательница обнаружила, что испытуемые возвращались в нормальное положение менее чем за 0,1 с. Внимательный просмотр записей раскрыл их секрет. Если воздушная струя заставляла летучую мышь повернуться влево, та расправляла правое крыло, искусственно вызывая обратное движение. По мере того как тельце зверька выравнивалось, вращательные силы обоих крыльев идеально нейтрализовывали друг друга. Равновесие восстанавливалось.

Эта стратегия знакома инженерам. В частности, она используется в автомобильном круиз-контроле. Когда водитель включает это устройство, двигатель не просто совершает заданное число оборотов в секунду. Он постоянно регулирует свой темп, улавливая ускорение. Если машина катится под гору, сенсоры заставляют ее замедлить ход. Как только скорость автомобиля снижается больше, чем надо, он плавно набирает ее снова. Такой принцип называется у инженеров контуром отрицательной обратной связи (ООС). Он помогает системам сохранять стабильность, возвращая их в заданную точку всякий раз, когда равновесие нарушается.

Летучие мыши используют контуры ООС не только при полете, но и для поддержания химического равновесия в организме. Уровень сахара в их крови сохраняет исключительную стабильность – неважно, объедаются они насекомыми, сжигают энергию в полете или постятся во время сна. Когда этот уровень поднимается, выброс инсулина заставляет клетки зверька отложить излишек сахара про запас. Если же он немного падает, клетки отдают обратно столько, сколько нужно для восстановления баланса, и не больше.

У летучих мышей есть и другие контуры ООС – для поддержания уровня соли, калия, кислотности. Подобно людям и другим позвоночным, рукокрылые обладают системой кровообращения с сердечным мотором, а для его работы необходимо постоянное давление. Чтобы удерживать давление на заданном уровне, зверьки используют контур ООС, принуждающий кровеносные сосуды то расслабляться, то сжиматься. Так же поддерживается и постоянная температура тела. Перегреваясь, летучие мыши могут усиливать приток крови к коже, чтобы сбросить лишнее тепло в воздух, а замерзая – сжигают жир, чтобы раздуть свой метаболический костер.

Рукокрылые возникли около 60 млн лет назад, когда на планете было так тепло, что в Антарктиде росли леса. В настоящее время большинство из 1300 видов современных летучих мышей обитает в тропиках. Но некоторые, к примеру ночницы, которых мы видели в шахте под поселком Гаага, приспособились к жизни в более высоких широтах, где им приходится переживать долгие зимы – не ловить насекомых, не пить нектар, не лакомиться фруктами. Что еще хуже, низкие зимние температуры требуют дополнительных затрат энергии на обогрев тела.

Для выживания в этих негостеприимных краях летучие мыши развили необычайную стратегию, которую используют также бурые медведи и суслики: спячку. Иными словами, они перезапускают свой гомеостаз согласно новым установочным параметрам.

Всё лето проохотившись, северные ночницы начинают облетать пещеры или шахты в поиске брачных партнеров. Но каждый вечер они снова вылетают в темноту разыскивать пищу, чтобы накопить в организме побольше запасов для зимовки. Шестиграммовая ночница может набрать два дополнительных грамма жира. Представьте себе: пять месяцев выживать на половине чайной ложки масла! В конце концов зверьки выбирают себе пещеру или шахту под зимовье. Они вцепляются лапками в стены, повисают вниз головой и замедляют дыхание. Через час температура тела летучих мышей падает. Они становятся такими же холодными, как окружающий их воздух пещеры.

Рассматривая вместе со мной северную ночницу, Рицко делала заметки в своем блокноте. Закончив, она посветила фонариком дальше в глубину штольни и вскоре обнаружила новых животных. Я покинул ее и перебрался к Херцогу, который тоже отыскивал летучих мышей. Шахта служила приютом не только северным ночницам, но и другим видам: большому бурому кожану, малой бурой ночнице, ночнице Восточного побережья, даже редкому карликовому нетопырю. Для меня все они выглядели одинаково, но Херцог указывал на малозаметные различия – форму ушей, умение некоторых из них цепляться за камень не только ногами, но и коготками крыльев. Через несколько раундов объяснений он попросил меня самостоятельно определить вид летучей мыши. Я не угадал.

Херцог простил меня. Он сам путался, стоило ему на какое-то время оставить работу с этими животными. «Честно говоря, это преходящий навык», – сказал он.

Теперь нам так часто попадались летучие мыши, что мы уже начали подмечать закономерности. Условия шахты задавали множество различных установочных параметров. Некоторые виды явно предпочитали спать ближе ко входу в штольню, где из-за притока наружного воздуха было холодно и сухо. Подальше в тоннеле стоячий воздух стал прохладным и влажным настолько, что у меня запотели очки. Там мы нашли спящую малую бурую ночницу; ее мех от осевших капелек воды из бурого стал серебристым.

Когда несколько месяцев назад летучие мыши впали в спячку, оцепенение освободило их от тяжкого бремени теплокровности. Вместо того чтобы поддерживать температуру тела высокой, они позволили себе уронить ее до температуры окружающей среды. Если бы зверьки висели на дереве снаружи, эта стратегия оказалась бы самоубийственной. Суровые зимние холода заморозили бы животных до каменного состояния, разрушив клетки. Однако в штольне, где слои породы и почвы служили теплоизоляцией, они находились в холодных, но стабильных условиях. Зверьки, по сути, пользовались гомеостазом самой шахты.

К тому же летучим мышам не требовалась энергия для полета, так как до весны они охотиться не будут. Самки, спарившиеся осенью, еще не забеременели. Они хранили полученную сперму до весеннего пробуждения, когда наконец и произойдет оплодотворение яйцеклеток. Тогда будущие мамы смогут обеспечить своих голодных эмбрионов свежей пищей.

И все же эти замершие в спячке летучие мыши вполне себе живы. Они продолжают вдыхать кислород и синтезировать АТФ. Им требуется выдыхать углекислый газ, чтобы не повышалась кислотность крови. А еще с каждым выдохом они теряют чуть-чуть воды. Вода испаряется и через крылья. Количество воды, которое зверьки теряют в день, не критично. Но через две-три недели летучие мыши уже ощущают уколы гомеостаза.

Почувствовав, что обезвоживание становится угрожающим, животные ненадолго прерывают спячку. Они умеют за считаные минуты разогреваться до летней температуры. И тогда летучие мыши могут полетать по пещере и попить воды. Восполнив ее запас, они вернутся в свои холодные спальни и проспят еще несколько недель.

Всякий раз при пробуждении летучие мыши расходуют и без того иссякающие запасы топлива. Но весной, если все пойдет гладко, они выйдут из спячки с положительным гомеостатическим балансом. Должен признаться: когда я в шахте, скрючившись, рассматривал спящих летучих мышей, мне было трудно представить, что эти зверьки вообще когда-нибудь оживут. Они висели поодиночке, парами, гроздьями по 11 штук, до ужаса неподвижные.

Мы встречали все больше рукокрылых, и шахта все сильнее начинала напоминать мне переполненный зоопарк. Но в реальности это был город-призрак в сравнении с тем, что я увидел бы, если бы побывал там раньше. В 2004 г., осматривая шахту, биологи насчитали 1102 особи малых бурых ночниц. Спустя два года все изменилось. У зимовьев в окрестностях Олбани исследователи стали находить летучих мышей, валявшихся мертвыми перед входами. Некоторых объели еноты. Другие воткнулись в сугробы. У третьих носы поросли грибком. Вскоре катастрофическая напасть накрыла и другие популяции рукокрылых под Нью-Йорком, а затем последовало столь же стремительное их вымирание в других штатах. Все погибшие животные оказались заражены европейским грибком Pseudogymnoascus destructans. Его смертельная поросль дала болезни название – синдром белого носа.

Новая болезнь полностью поглотила внимание Херцога. «Она тут же вышла на первый план, задвинув все другие заботы», – сказал он мне. На его глазах буквально за три-четыре года численность целого ряда видов летучих мышей упала на 90, а некоторых – даже на 99 %. Несколько десятилетий Херцог и другие биологи накапливали данные о летучих мышах Нью-Йорка, и благодаря этому они теперь обладали уникальным видением катастрофы, которую вызвал синдром белого носа. «Если бы эпидемия началась где-то в другом месте, мы бы не узнали о ней так скоро, – сказал Херцог скорее печально, нежели с гордостью. – Не знаю, уместно ли тут сказать, что нам "повезло"».

В Европе же грибок оказался безвреден для летучих мышей. Он вызывал лишь легкие инфекции, с которыми иммунная система животных справлялась без труда. Но загадочным образом грибок попал из Европы в Северную Америку, вероятно в какой-то грот или шахту поблизости от Олбани. И почему-то на новом месте он стал для летучих мышей смертельным.

Поначалу ученые не понимали, как именно он убивал североамериканских рукокрылых. Патологоанатомы, осматривая мертвых животных, не находили системных повреждений, которые обычно вызывает смертельная грибковая инфекция. «У них как будто пелена была на глазах», – рассказывал Херцог.

Постепенно выяснилось, что синдром белого носа – болезнь гомеостаза. Мыши подхватывали споры грибка в конце лета и осенью, когда облетали пещеры и шахты. Холодолюбивый, он дремал на животных до тех пор, пока они не впадали в спячку и не остывали. Как только температура тела летучих мышей опускалась ниже 20 ℃, споры грибка прорастали, и нити мицелия проникали в кожу и мышцы.

Херцог с коллегами обнаружили, что больные зверьки просыпались чаще, чем здоровые. Возможно, они теряли больше воды через ранки, появившиеся на крыльях. Чтобы сохранить гомеостаз, им требовалось больше пить. Возможно также, что для борьбы с грибком летучие мыши чаще повышали температуру тела, чтобы их иммунная система пробудилась и вступила с врагом в короткий, но яростный бой.

Некоторым зараженным животным удавалось сохранять гомеостаз в норме до весны – когда у них появлялась возможность согреться вновь и одолеть грибок. Но другие переживали гомеостатический крах – у них заканчивались зимние запасы энергии. Порой от безысходности они вылетали из зимовий в напрасных поисках пищи прямо в снега посередь белого дня. Многие стали жертвами ястребов.

Пересчитывая мышей, мы бродили по колено в воде, но затем вскарабкались на завал камней и щебня к полоске света и выбрались наружу. Небо прояснилось, метель ушла на восток. Рицко и Херцог сопоставили свои цифры, которые они зафиксируют официально, когда вернутся в свои кабинеты в Олбани.

Больше всего оказалось больших бурых кожанов – общим счетом 54. Их численность не изменилась за три десятилетия, даже с появлением синдрома белого носа. Почему-то эти рукокрылые оказались среди тех немногих видов под Нью-Йорком, что не пострадали от Pseudogymnoascus, – возможно, потому, что они предпочитали такие уголки пещер, где для грибка было слишком холодно. А малые бурые ночницы, напротив, выбирали более теплые местечки. «У них оказался самый неудачный микроклимат», – сказал Херцог. В результате они попали в число видов, которым досталось больше всех. В ходе нашей маленькой экспедиции 2020 г. Херцог и Рицко нашли только шесть их представителей.

Оставалось загадкой, как малые бурые ночницы при таком падении численности не вымерли совсем. Херцог и его коллеги предполагали, что немногие из выживших ночниц несли в себе защитные гены. Возможно, у них в ДНК были мутации, менявшие их поведение зимой, – например, эти зверьки выбирали более холодное место для спячки – и эти изменения позволили им справиться с грибком.

На данный момент Херцог и Рицко ничего не могли поделать – только ждать и смотреть. У них не было возможности спасти летучих мышей, очистив несколько шахт от грибка и превратив их в заповедники. Такие убежища заразили бы сами рукокрылые, летая повсюду и занося грибок из других мест. Ученым оставалось лишь наблюдать, будет гомеостаз у летучих мышей подводить их по-прежнему или же перейдет к новой, безопасной форме.

«Мы так и не придумали, что здесь можем поделать, – признался Херцог, когда мы выезжали из леса. – Летучим мышам придется решать эту задачу самостоятельно».