Поскольку ранее Шмид выяснил, что разные виды лягушек достаточно хорошо приспособлены к выживанию каждый в своей особой среде обитания, ученый усомнился, что найденное им животное совершило смертельную ошибку и недостаточно глубоко закопалось или выбрало плохое место, чтобы зимовать. Он доверился интуиции, которая подсказывала ему, что замороженная лягушка все еще может быть жива, и так появилось ставшее теперь классическим исследование выживания лягушек на холоде. Шмид опубликовал работу в престижном журнале Science под скромным названием «Выживание лягушки при низкой температуре» (Survival of Frogs in Low Temperatures). Насколько мне известно, в этой статье толерантность к заморозке впервые была описана как стратегия выживания зимой у позвоночных животных. Вероятно, Берроуз не поверил своим глазам, когда увидел, что лягушка моргает под замерзшей листвой, сидя на затвердевшей от мороза почве. Судя по его описанию, он нашел лягушку в таких условиях, что она тоже должна была замерзнуть. Для большинства животных заморозка – это верная смерть.
Кеннет и Джанет Стори в Карлтонском университете в Оттаве подобрали знамя изучения толерантности к замерзанию и исследовали физиологическую основу этого явления у лягушек. Они подтвердили и расширили открытие Шмида, и теперь нам известно, что в Северной Америке распространено несколько видов зимоспящих лягушек – лесная лягушка, изменчивая квакша, свистящая квакша и трехполосная квакша (Pseudacris triseriata), – которые устойчивы к замерзанию. У таких лягушек в полости тела и межклеточном пространстве образуется лед (у лесной лягушки в лед может превратиться до 65 % воды в теле), но у тех, кто при этом выживает, в самих клетках кристаллы льда не образуются. Обычно, если кристаллы льда появляются в клетке, это смертельно: острые как нож, они рассекают мембраны, протыкают органеллы и рушат клетку. Смертельный порог температуры для лягушки – всего –8 °C, поскольку при температуре ниже этой лед все же начинает возникать в клетках. Но в местах, где проводят зиму лесные лягушки, под листьями и снегом, температура редко опускается ниже. (Где проходит гибернация свистящей, трехполосной и изменчивой квакш, не совсем известно. Осенью я часто слышу свист свистящих квакш в лесу, так что, видимо, где-то там они и зимуют. Один коллега рассказывал мне, что нашел зимой изменчивую квакшу под отошедшей от дерева корой, а у другой сотрудницы животное приготовилось зимовать в цветочном горшке, который она внесла осенью в дом.)
Все четыре упомянутых вида лягушек, зимующих на поверхности земли, способны выжить, если половина воды у них в теле обратится в лед, но это невозможно без химических средств, которые решают две основные проблемы. Одно соединение (чаще всего это спирт глицерин) в случае замерзания лягушки защищает мембраны, а другое (в основном глюкоза) участвует преимущественно (но не исключительно) в осмотической реакции, благодаря которой лед образуется только снаружи клеток. Однако, в отличие от многих затвердевающих на холоде насекомых, которые тоже используют спирты и сахара и пропитывают ими свои ткани перед зимой, лягушки осенью перед замерзанием не накапливают в теле эти вещества. Они ждут, когда начнет образовываться лед, и тогда за один день перестраиваются и становятся морозоустойчивыми. Лягушки получают способность переносить замерзание благодаря модифицированной адреналиновой реакции страха, характерной для других позвоночных, например человека.
У всех позвоночных животных есть физиологическая реакция «бей или беги», когда от органов чувств поступает информация об угрозе, скажем, о нападающем льве, и это вызывает выброс гормона адреналина из надпочечных желез. Адреналин вызывает разнообразные эффекты, но в целом они складываются в готовность тела противостоять ситуации. Ускоряется сердцебиение, в крови повышается уровень глюкозы, больше крови поступает к мышцам. Эта адреналиновая реакция у лесных лягушек изменилась таким образом, чтобы противостоять замерзанию, которое для всех водных лягушек и, конечно, для человека смертельно.
Когда первые кристаллы льда начинают формироваться у лесной лягушки на поверхности кожи или внутри ее, запускается реакция тревоги. Рецепторы кожи передают сообщение о замерзании в центральную нервную систему (ЦНС), а ЦНС активирует мозговой слой надпочечников, чтобы те выделяли адреналин в кровеносную систему. Поступая в печень, адреналин активирует в ней ферменты, которые преобразуют запасы гликогена в этом органе в глюкозу. В результате лягушка реагирует резким ростом глюкозы в крови. У лесной лягушки это очень мощная реакция, и, прежде чем лед достигнет клеток, они оказываются наполнены глюкозой, которая действует как криопротектор.
Ровно наоборот все происходит снаружи, в пространстве между клетками, где особые белки индуцируют образование кристаллов льда и стимулируют его образование в областях с жидкостью низкой концентрации. В результате образуются камеры концентрированной жидкости, которые путем осмоса вытягивают воду из клеток, и те становятся еще более устойчивы к образованию льда. Примерно через 15 часов лягушка замораживается до твердого состояния, за исключением внутреннего содержимого клеток. Сердце останавливается. Кровь не течет. Дыхания нет. Почти по всем параметрам животное мертво. Но готово вернуться к жизни.
Глюкоза – это обычный в крови позвоночных сахар, из которого клетки получают энергию. У здорового активного животного содержание глюкозы в крови в норме точно регулируют два гормона – инсулин и глюкагон. Когда в крови не хватает глюкозы, человек теряет сознание, а когда ее слишком много, страдает от ряда краткосрочных и долгосрочных последствий. Обычно у человека в крови содержание глюкозы поддерживается на уровне около 90 мг на 100 мл крови, но в ситуации стресса этот уровень слегка повышается. Если содержание глюкозы в крови повышено и хронически держится на уровне около 140 мг на 100 мл крови, ставят диагноз сахарного диабета. Сегодня диабет можно лечить, вводя искусственный инсулин, гормон, который в одном из вариантов заболевания в недостаточном количестве поступает из поджелудочной железы (при диабете первого типа поджелудочная железа разрушается в результате аутоиммунной реакции
[32], при диабете второго типа в теле нарушена восприимчивость рецепторов к гормону либо их мало).
Когда лягушка ощущает, что у нее всего только в пальчике лапы начинают образовываться кристаллы льда, глюкоза в ее крови достигает уровня, который человека уже несколько раз отправил бы в кому и на тот свет (в ходе реакции, которая выглядит как реакция сверхтревоги, у лягушки выделяется до 4500 мг глюкозы на 1 дл крови). Но лягушка способна это вынести, отчасти потому, что температура тела у нее в этот момент близка к нулю и метаболизм сравнительно инертен, так что это билет, который обеспечивает ей выживание и толерантность к замерзанию.
Если бы у лягушки в организме продолжал действовать обмен веществ, вскоре после того, как у нее остановилось сердце и дыхание, ее ткани начали бы испытывать кислородное голодание. Но глюкоза в высокой концентрации действует как криопротектор, механически защищая ткани от образования кристаллов льда, и как агент, который помогает вытягивать воду из клеток. Она также понижает и так уже очень низкий аэробный обмен веществ животного и подавляет метаболизм, позволяя сохранить ограниченные запасы энергии в клетках на зиму. Проникая в клетки, глюкоза также становится субстратом анаэробного метаболизма, когда в тело перестает поступать кислород.
