CC BY
38Владимир Романович Алексеев,
доктор географических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории инженерной геокриологии Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН
Введение
Холод... Мало найдётся людей, у которых это слово вызывает приятные ощущения. А вот слова «мороз», «морозная погода» воспринимаются несколько иначе - мягче, сдержаннее, а то и вовсе с радостью и восхищением. Многое зависит от состояния здоровья человека, его настроения, возраста, профессии, социального положения. Бывают случаи, когда понижение температуры ниже 0 °С ожидают с нетерпением, чтобы избавиться от снежной слякоти, сырости, промозглости, встать на коньки и лыжи, отправиться на прогулку за город, в зимний лес, подышать свежим, морозным воздухом.
Почти половина населения земного шара живёт в холодном климате. Для них холод, мороз, снег и лёд -привычные, хорошо знакомые явления. На территории Северной Азии и Северной Америки, а также в высокогорных районах мира, люди воспринимают холод как естественную неизбежность, не задумываясь о его сущности и экологическом значении. Может быть именно поэтому на полках библиотек и книжных магазинов очень редко встречается популярная литература, раскрывающая специфические условия жизнедеятельности человека, животных и растений в криогенной среде. Да и в научных изданиях этот аспект освещается весьма скромно. Между тем, даже
В. Р. Алексеев Э1: 10.24412/1728-516Х-2022-2-97-106
беглый взгляд на историю развития и современное состояние биосферы свидетельствует об исключительно важной роли холода и его производных (снега и льда) в обустройстве северных земель, в структуре, динамике и поведенческих функциях живых организмов. Как не знать об этом? Недавно друзья подарили мне книгу «Якутский холод. Популярная энциклопедия» (составители: Г. С. Угаров, Н. П. Андросова, У А. Семёнова, 2019) [1]. Прекрасное произведение! Яркое, ёмкое, доступное и очень полезное. Такую книгу могли написать только люди, хорошо знающие и любящие свой край, свою землю.
И то правда: Якутия - не самая привлекательная часть нашей планеты. Это область полюса холода Северного полушария Земли, единственная из субъектов Российской Федерации общей площадью более 3 млн км2, где вечная мерзлота занимает практически всю территорию. Это страна лютой стужи с долгой и снежной зимой и весьма скромными биологическими и тепловыми ресурсами. Но - удивительно! Именно здесь сохранились и успешно развиваются самые жизнеспособные народности Севера - якуты, эвенки, эвены, юкагиры, долганы и др. Здесь сформировался специфический, неповторимый растительный и животный мир. Я прочитал книгу с неослабевающим интересом и, размышляя о проблемах
криологии, пришёл к твёрдому заключению, что холод -не просто супостат, т.е. извечный враг, пугающий, угнетающий, подавляющий и уничтожающий всё живое, но и могучий фактор эволюции и прогресса, преобразователь природы и общества, создатель божественной красоты и хранитель величайших тайн мироздания. Оказывается, постоянно низкие отрицательные температуры, помимо всего прочего, могут формировать архетипы человека, его культуру, образ жизни, форму поведения, нравственность, религиозные представления и ещё многое из того, что характеризует самобытность народов, населяющих холодное пространство Земли. В качестве подтверждения этого тезиса сошлюсь на другую монографию, опубликованную якутским издательством «Бичик» [2]. Уверен, люди не так часто задумываются на данную тему, поэтому в предлагаемой статье я попытался хотя бы в самых общих чертах раскрыть значение холода в жизни человека, животного и растительного миров, а также обратить внимание на необходимость развития молодого актуального направления в комплексе наук о Земли -криоэкологии.
Что такое холод и как его измеряют?
Слово «холод» известно каждому. В Толковом словаре русского языка [3] приводится несколько его значений: 1) лишённое тепла, холодное состояние чего-нибудь; 2) температура ниже нуля градусов; 3) холодная погода, холодное время года; 4) холодное, не нагретое место, помещение; 5) ощущение озноба; 6) неприязненное или равнодушное отношение к кому-нибудь. Известно, по меньшей мере, 50 синонимов этого слова: мороз, стужа, зима, дубак, холодрыга и пр., а также бесчисленное множество однокоренных слов, обозначающих связанный с этим понятием дискомфорт С физической точки зрения понятие «холод» сугубо субъективное, так как по сути обозначает отсутствие тепла. А что такое тепло, теплота? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, обратимся к некоторым элементарным представлениям термодинамики.
Теплота - это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая движением молекул и ато-
мов, из которых состоит данное вещество. Чем больше скорость движения составных частей какой-либо материальной субстанции, тем выше её теплосодержание, т.е. скрытая тепловая энергия. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Она же определяет сущность бытового понятия «холод». Степень охлаждения предметов можно определить на ощупь, сравнивая контактные ощущения с температурой своего тела. Но это не совершенный способ. Для точного определения температуры требуются специальные приборы - термометры. Их конструкция бывает разной (рис. 1), но все они основаны на использовании единой температурной шкалы, начинающейся от абсолютного нуля. Абсолютным нулём называют температуру, при которой прекращается движение молекул. Эта цифра гипотетическая, поскольку при любой технологии от предмета невозможно забрать (отвести) всю тепловую энергию. Для этого нужен хладоагент с температурой ниже абсолютного нуля, а его у нас нет. При нагревании тел скорость движения молекул не может возрастать до бесконечности и ограничивается так называемой план-ковской температурой, которая приблизительно равна 1,417*1032 Кельвинов или градусов Цельсия (это температура «кипения» физического вакуума).
Известны пять температурных шкал, названных по именам их изобретателей: Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Ранкина и Реомюра (табл. 1). Условной единицей измерения на шкалах является градус, представляющий собой набор изменений температуры между какими-либо реперными точками. Например, один градус по Цельсию составляет одну сотую между точками плавления льда и кипения воды. На практике наиболее широко используются шкалы Фаренгейта (в США, Англии) и Цельсия (в остальных странах). Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия ^ °С) соотношением t °С = 5/9 ^ Т - 32), t Т = 9/5 • t °С + 32. Шкала Цельсия также принята в технике, медицине, гидрометеорологии и во многих других науках. Она очень удобна тем, что может фиксировать замерзание воды (0 °С) и более низкие температуры, при которых начинается ограничение деятельности
Рис. 1. Различные виды термометров со шкалами Цельсия (°С) и Фаренгейта (°F)
Таблица 1
Сравнение некоторых температурных шкал (https://ru.wikipedia.org/wiki/)
Температура Кельвин, К Цельсий, °С Фаренгейт, °F Ранкин, °R Реомюр, °Rë
Абсолютный нуль 0 -273,15 -459,67 0 -218,52
Таяние смеси (лёд, соль)* 255,37 0 -17,78 459,67 -14,22
Замерзание воды 273,15 0 32 491,67 0
Человеческое тело 309,75 36,6 98,2 557,9 29,6
Кипение воды 373,15 100 212 671,67 80
Плавление титана 1941 1668 3034 3494 1334
Солнце 5800 5526 9980 10440 4421
Примечание - *На шкале Фаренгейта это смесь льда, соли и хлорида аммония.
живых организмов. Степень охлаждения объектов определяется как разность температур, измеренных в заданных точках пространства единовременно или через некоторый промежуток времени.
Ледотермические условия и пределы жизни на Земле
Полтора века назад классик естествознания Фридрих Энгельс в книге «Диалектика природы» определил жизнь, как способ существования белковых тел, указав на их постоянный обмен с внешней средой. Вещественный и энергетический баланс живых организмов очень сильно зависит от температуры окружающего пространства, а поскольку большинство биологических объектов состоит из воды, то отрицательные температуры играют решающую роль в их развитии. Ведь Холод не просто лимитирует активность биологических систем, он убивает саму жизнь. Поэтому в задачу экологии, как науки в широком её понимании, непременно должно входить изучение низкотемпературных условий бытия.
Земля - уникальная планета. Она имеет холодную оболочку - криосферу - с отрицательными температурами, господствующими не только в воздушном пространстве, но и проникающими на многие сотни метров в Мировой океан, а также в толщу земной коры на глубину до 1,0-1,5 км. Криосфера Земли пульсирует в вековых, многолетних и сезонных циклах своего развития. В июле, когда в Северном полушарии тепло, нижняя граница холодного пространства поднимается вверх и сдвигается на Север; в это время в Южном полушарии наступает зима, граница криосферы опускается и распространяется ближе к экватору. В январе процесс развивается с точностью до наоборот: на севере наступает зима, а на юге - лето (рис. 2, а). Примерно одна треть земного шара всегда находится в экстремальных низких температурных условиях, когда жизнь или сильно затруднена, или надолго замирает. Взгляните на карты распределения температур (см. рис. 2). В январе около половины Северного полушария сковано морозом, при этом средние январские температуры воздуха на подавляющей части территории опускаются ниже -10 °С. В Арктике они составляют 2-3 десятка градусов, а в Якутии и Магаданской области достигают феноменальных значений: - 46 °С (рис. 2, б). На северо-востоке Евразийского континента располагается
январь
«юль
аяздаамг - =дм
Рис. 2. Средняя многолетняя температура воздуха на земном шаре:
а - в целом на планете (https://ru.wikipedia.org/ wiki/температура); б - на территории России (geographyofrussia.com); в - в Антарктиде (https://www. prostudenta.ru/article-1245.html)
Рис. 3. Зависимость температуры Т, °С замерзания (1) и температуры наибольшей плотности воды (2) от её солености S, % (график Хелланд-Хансена) (
https://studfile.net/preview/6207875/page6/)
полюс холода Северного полушария Земли, зафиксирована максимальная мощность вечной мерзлоты (около 1,5 км). Ледовитый океан охлаждён на 3-4 градуса ниже нуля, но не проморожен до самого дна, как следовало бы ожидать, если бы его воды были пресными. Как известно, замерзание воды очень сильно зависит от количества растворённых в ней солей и соответствующей плотности раствора (рис. 3). Эту зависимость установил сподвижник Фритьофа Нансена, известный норвежский океанограф Хелланд Хансен (1877-1957). На графике (см. рис. 3) видно, что при солёности Б = 24,7 %о плотность воды достигает максимальных значений, при этом температура её замерзания опускается до Т = -1,33 °С. Именно поэтому моря, омывающие Евразию и Северную Америку, долго не замерзают, хотя температура воздуха давно перешагнула нулевую отметку.
В Арктике и Субарктике, да и на значительной части умеренного климатического пояса, большую часть года господствует Его Величество Холод. Казалось бы, эта часть света должна представлять безжизненную пустыню. Однако - парадокс! Именно здесь обнаруживается большое разнообразие растительного и животного мира; миллионы квадратных километров заняты хвойными и смешанными лесами, цветущими степями, животворной мохово-лишайниковой тундрой. Сюда для разведения потомства из тёплых стран прилетает бесчисленное количество птиц. Наконец, здесь проживает значительная часть человечества.
Далее мы рассмотрим причины этого загадочного явления, а пока обратим внимание на противоположную часть планеты - Антарктиду. Это не только самая холодная, но и самая недоступная и безлюдная область Земли. На материке зафиксированы рекордно низкие температуры воздуха. 21 июля 1983 г. на советской станции «Восток» на высоте 3488 м над уровнем моря столбик спиртового термометра опустился до отметки -89,2 °С (!), а 9 декабря 2013 г. американские иссле-
дователи сообщили об измерении ещё более низкой температуры -93,2 °С. Правда, последнее значение не было признано рекордным, так как оно определено дистанционно в результате анализа спутниковых данных НАСА. Тем не менее, Антарктида по неблагоприятным условиям жизнедеятельности остаётся в лидерах. Зимой здесь свирепствуют лютые морозы с постоянными ураганными ветрами, и даже летом (в январе) отрицательные средние месячные температуры в несколько десятков градусов господствуют на большей части территории (рис. 2, в). Несмотря на это, жизнь в Антарктиде, так же как и в Арктике, активно пробивается сквозь ледотермические барьеры, особенно по свободным от льда окраинам материка и в омывающих его водах Мирового океана. Вспомним колонии удивительных нелетающих птиц - пингвинов, лёжки тюленей и стаи китов.
Для рождения и функционирования любого живого существа необходима тепловая энергия. Иначе не будут развиваться биохимические процессы внутри клеток, организм погибнет. Чем выше, сложнее организация биологических объектов, тем больше требуется им тепловой энергии. Для каждого вида живых существ природа установила определённые температурные границы, за пределами которых жить невозможно. Самая высокая температура воздуха вблизи поверхности земли (+56,7 °С) наблюдалась 10 июля 1913 г. на ранчо Гринленд в Долине Смерти (штат Калифорния, США). Средняя летняя температура здесь составляет +47 °С. Обнажённая поверхность почв, горных пород и инженерных конструкций нагревается до плюс 65-70 °С. Таким образом, диапазон зафиксированных температур на Земле составляет около 150 градусов. В пределах этого интервала часто совершается резкий краткосрочный перепад температур, достигающий десятков градусов в течение нескольких часов, что весьма негативно сказывается на поведении животных и растений, особенно если понижение сопровождается переходом через 0 °С. Например, в городке Браунинге (штат Монтана, США) в январскую ночь 1912 г. температура упала с +6,7 до -48,8 °С. Это вызвало массовую гибель многих видов животных и растений.
Жизнь большинства организмов на Земле протекает в интервале температур от -4,0 до +40-45 °С, однако благодаря приспособленческим функциям, многие виды биологических организмов оставляют далеко позади указанные рубежи. Микробиологи считают, что нижняя граница распространения жизни в толще горных пород (литосфере) ограничивается изотермой Т = 100 °С. Подтверждением этого являются сведения о существовании живых существ в горячих источниках, озёрах и прудах-охладителях атомных и тепловых станций. Так, например, водоросли живут в горячих озёрах при температуре воды Т = 90 °С. В термальных источниках подземных вод с температурой до 81 °С обнаружены круглые черви-нематоды; при Т = 69 °С - личинки мух, при Т = 50 °С -улитки. Более того, некоторые микроорганизмы сохраняются на пределе тепловой деструкции клеток, в условиях перегретого водяного пара при температуре 130-150 °С. Но их немного. А вот численность видов, способных
Таблица 2
Экстремальные температуры воздуха °С на земном шаре в 09 часов 14 декабря 2022 г. по данным синоптических метеостанций. Время иТ, по Гоинвичу
(http://www.pogodaiklimat.ru/extremal1.php)
Самые холодные места Самые суровые места
Пункт Субъект РФ Температура Пункт Субъект РФ Температура эффективная*
Оймякон Якутия -56,7 Томпо Якутия -60
Эльген Магаданская обл. -54,5 Ягодное Магаданская обл. -59
Сусуман Магаданская обл. -54,5 Коркодон Магаданская обл. -59
Сеймчан Магаданская обл. -53,5 Усть-Бохапча Магаданская обл. -58
Балыгычан Магаданская обл. -52,5 Оймякон Якутия -57
Усть-Бохапча Магаданская обл. -51,4 Эльген Магаданская обл. -55
Чурапча Якутия -51,3 Сусуман Магаданская обл. -55
Ытык-Кюёль Якутия -50,6 Амбарчик Чукотка -55
Амга Якутия -50,4 Верхоянск Якутия -55
Усть-Мома Якутия -50,1 Сеймчан Магаданская обл. -54
Примечание - *Показатель, характеризующий комплексное воздействие на человека температуры, влажности окружающего воздуха и скорости ветра. Комфортным признан диапазон эффективных температур от 17,2 до 21,7 °С.
перенести лютый холод, неизмеримо больше. На северо-востоке России, в районе полюса холода насчитывается более 1000 видов сосудистых растений, которые прекрасно переносят морозы минус 50-60 °С (табл. 2). В Антарктиде десятки видов беспозвоночных животных и низших растений сохраняют жизнеспособность после длительных морозов в -60.. .-70 °С.
Воздействие указанных температур легко переносят многие виды насекомых и паукообразных. Гусениц кукурузного мотылька охлаждали до температуры -78 °С, и после оттаивания они оживали. Некоторые особи, претерпев предварительное закаливание, успешно перенесли двухсуточное пребывание в жидком азоте с температурой -196 °С. Удивительно, но некоторые виды относительно примитивных организмов (коловратки, тихоходки, нематоды и др.) не погибают при температурах, близких к абсолютному нулю. Такой же способностью обладают споры и семена растений. Опытами установлено, что высокую жизнеспособность сохраняют те организмы, которые перед замораживанием обезвоживаются или впадают в состояние анабиоза и спячку, не лишаясь клеточной влаги. Вопрос о способности живых тканей переносить экстремальные отрицательные температуры, которые в настоящее время не наблюдаются на планете Земля - один из самых актуальных в современной криобиологии.
Современной науке очень важно знать также временные пределы существования биологических объектов в холодной среде. Пока известно не так много фактов. В основном они касаются микроорганизмов, захороненных в толще вечной мерзлоты или обнаруженных во льдах и подледниковых озёрах. В 1990-х годах профессор Давид Гиличинский (1989-2012 гг.) из Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН начал изучение метаболической
активности микроорганизмов в холодной среде Сухих долин Антарктиды [4], где средняя годовая температура воздуха достигает -30°С, а атмосферные осадки ни в виде дождя, ни в виде снега не выпадали в течение двух миллионов лет (рис. 4). Это одно из самых холодных мест на земном шаре. Выяснилось, что, несмотря на экстремальные условия, здесь обитают простейшие водоросли и бактерии. Микроскопические организмы гнездятся в тонких трещинах горных пород или на контакте льда с подстилающим литогенным основанием. В сухой долине Тейлор был обнаружен необычный буро-красный водопад, который не замерзает даже при температуре -10 °С благодаря высокой концентрации растворённых в воде солей. Причиной необычного цвета воды и льда стали анаэробные бактерии из ледникового озера, активно перерабатывающие железо и серу. Их жизнедеятельность приводит к тому, что в подлёдной воде накапливается двухвалентное железо, которое при выходе на поверхность окисляется кислородом до трёхвалентного ^е203). От этого ледяной водопад и приобретает такой зловещий вид. Как тут не вспомнить красную планету Марс, где природные условия очень похожи на сухие долины Антарктиды. Неслучайно сейчас эти участки ледяного континента стали своеобразным научным полигоном для изучения условий возможного возникновения и развития жизни на ближайших планетах криогенного типа.
Интересы Д. Гиличинского не ограничились Антарктидой. Изучение проблемы сохранения жизни в низкотемпературной геологической среде стало очень актуальным в связи с обнаружением линз отрицательно температурной незамёрзшей воды (криопэгов), залегающих на разных глубинах в толще вечной мерзлоты. Специальное биологическое опробование буровых скважин, пройденных на приморских равнинах
Рис. 4. Сухая долина Мак-Мёрдо в Антарктиде (а) и реальный ландшафт Марса (б). Снимки демонстрируют удивительную схожесть современных экстремальных условий существования микроорганизмов на Земле и на ближайшем к нам Марсе
Северо-Востока России, вскрыло феноменальное явление. Оказалось, что во многих ячейках незамёрзшей воды морского происхождения находятся сотни тысяч клеток на один миллилитр жидкости, при этом возраст их измеряется десятками тысяч лет. А когда клетки доставили в в лабораторию Института почвоведения (Пущино) и поместили в питательную среду, они вдруг ожили. http://www.itogi.rU/archive/2004/8/69926.html Более того, группе учёных под руководством Д. А. Гили-чинского удалось культивировать цветковое растение «смолёвка узколистая» (Silene stenophylla Ledeb.) из ткани незрелых плодов, которые пролежали в вечной мерзлоте в районе р. Колымы в Магаданской области почти 30 тысяч лет. Такого никто не ожидал, хотя ещё с тридцатых годов прошлого века были известны факты об оживших насекомых из буровых скважин в районе г. Сковородино (Амурская область) и в Якутии [5, 6]. Дело в том, что долгое время достоверность этих данных подвергалась сомнению, поскольку якобы нарушалась стерильность буровых растворов при проходке скважин. Совокупность данных, полученных российским учёным по Антарктиде, Западной и Восточной Сибири, Северо-Американскому континенту, другим районам земного шара с соблюдением всех правил безопасности, гарантирующих привнос инородного биологического материала, позволило ему выдвинуть гипотезу о функ-
ционировании особой части биосферы Земли (крио-биосферы), в которой микробиологические комплексы могут находиться в анабиотическом состоянии на протяжении 3-7 млн лет, а глубина их захоронения превышать 400 м [7]. Этот фундаментальный вывод блестяще подтвердился исследованиями американских и других учёных. Так, в 2021 г. в образцах льда из Тибетского нагорья обнаружено 33 вида вирусов, из которых 28 науке неизвестны. Возраст их составил 15 тыс. лет. Предполагается, что в Антарктиде, где зафиксировано более 140 подлёдных озёр, существуют микробиоценозы, появившиеся ещё до формирования 3-4-километровой толщи ледникового льда, т.е. примерно 150 млн лет назад. Вероятно, именно здесь существует самая древняя биологическая система на Земле.
Как видим, холод не только ограничивает и убивает жизнь, он также и сохраняет её в течение многих тысяч и миллионов лет. Причём объём биологического материала, захороненного в криогенных толщах и находящегося ныне в анабиотическом состоянии, поражает воображение. Общая численность микробных клеток в образцах мёрзлых горных пород Арктики и Антарктики составляет 103-108 кл/г и 102-104 кл/г соответственно. Они представлены широким спектром жизнеспособных организмов -простейшими, зелёными водорослями, мицелиальными грибами, дрожжами, а также высшими растениями [8]. В ледниковых льдах количество захороненных микроорганизмов значительно меньше, примерно 101-102 кл/мл, но они встречаются практически по всей их толще, поскольку попали туда из воздушной среды и законсервированы в процессе анагенного роста ледяных массивов. Так, в образцах льда из скважины, пробуренной на глубину более 3 км (до поверхности подледникового озера Восток), жизнеспособные клетки встречены по всему разрезу ледникового щита Антарктиды. Аналогичное распределение микроорганизмов зафиксировано в ледниковом покрове Гренландии, а также в горных ледниках Тибета [8].
Характерно, что количество микроорганизмов в ледниковом льду убывает с глубиной, по мере увеличения возраста льда, и связано в основном с запыле-нием ледяной поверхности. Предполагается, что жизнь сосредоточена главным образом в тонких прослоях солёной воды во льду, которые образовались вследствие вымораживания содержимого так называемых криоконических ёмкостей, возникающих в результате вытаивания льда вокруг инородных предметов (примесей) под воздействием проникающей солнечной радиации. Подобные образования широко встречаются в приповерхностных слоях льда самого различного происхождения - на наледях, морском, речном и озёрном льду, на современных ледниках. Криоконические лунки во льду имеют причудливую форму и размеры (от нескольких мм до десятков сантиметров) в зависимости от конфигурации и состава инородного материала, аккумулирующего тепло солнечной радиации. Это могут быть пыль, песок, гравий, экскременты животных, насекомые, почки, листья, споры, семена и ветви растений, частицы почвы, остатки мёртвых птиц и животных и многое, многое другое.
В погребённом состоянии лунки промерзают не полностью, несмотря на очень низкие температуры; значительная часть воды превращается в высококонцентрированные рассолы. Они постепенно погружаются в лёд, «прожигая» его, или перекрываются новыми порциями снега и льда в процессе роста ледникового массива. Эти очаги «замёрзшей жизни» присутствуют не только в ледниках, но и в захороненных подземных льдах, о чём свидетельствуют найденные остатки трупов многих животных. Примечательно, что некоторые организмы вполне комфортно чувствуют себя в толще снежного покрова, окрашивая его в различные цвета - красный, пурпурный, жёлто-коричневый, зелёный, голубой. Выявлено более 300 видов и разновидностей криофильных водорослей, способных выдерживать очень низкие температуры, сильное ультрафиолетовое облучение, недостаток или избыток света, что характерно для полярных областей Земли и высокогорья. Например, водоросль Chlamydomonas nivalis (Bauer) окрашивает снег в красный цвет, водоросль Chlamydomonas flavor-virens - в зелёный и оранжевый [9]. В процессе метаморфизма снежников такие организмы переходят в лёд и в дальнейшем могут включаться в состав ледников или мёрзлых горных пород.
В погребённом состоянии часто оказываются также некоторые виды насекомых. Часть из них заносится ветром из отдалённых районов, другие является местными жителями, в том числе обитающими в снежно-ледяной среде. Зимовка насекомых в снегу и во льду кажется невозможной. Но ведь сохраняются же они под корой и в дуплах деревьев, в промерзающем почвенном слое! Живут они и здесь. Зимних насекомых делят на две большие группы — хионобионты и хионофилы. Первые (в переводе с греческого «жители снега») встречаются только в холодное время года, а вторых («любители снега») можно найти и летом, хотя предпочитают они зимний период. Среди хионобионтов наиболее
известны два вида: ледничник (близкий родственник блох) и хионея - комар долгоножек. Оба вида не имеют крыльев, так как им нет нужды совершать полёты. Кормятся они местными криофильными водорослями. А вот у хионофилов (их около 100 видов), внешне похожих на комаров-долгоножек, крылья есть. Весной и осенью они собираются роями над поверхностью льда и над талой водой. Кроме названных видов, летом на снегу и на льду можно встретить жуков, ногохвосток, бабочек и паукообразных [10].
Надо сказать, что нижняя граница криобиосфе-ры простирается на значительную глубину не только в земную твердь (литосферу), в толщу ледников и ледниковых покровов, но и в водную оболочку Земли. Моря, охлаждённые ниже точки замерзания пресной воды, занимают огромные площади (табл. 3). К числу холодных относятся также моря северной части Тихого океана -Берингово ^ = 2315 тыс. км2; h = 5500 м) и Охотское ^ = 1603 тыс. км2; h = 3916 м). Многие полярные моря представляют собой отрицательно температурные воды - криопэги, которые составляют основную, в том числе придонную массу морских вод. Эта часть гидросферы полна жизни, причём она существенно отличается от обитателей пресноводных водоёмов по видовому составу, структуре и жизненным формам.
Биологический нуль профессора Г. С. Угарова
Влияние холода на человека, животных и растения давно привлекало учёных. Сведения об этом накапливались спонтанно, в процессе освоения холодных регионов, в опытах и экспериментах и в конечном итоге оформились в виде совокупности знаний - криобиологии, которая успешно развивается учёными разных стран, в том числе и России [11-13].
Охлаждение живых организмов почти всегда сопровождается подавлением, а затем и прекращением жизненно важных функций, при этом пороговые значения
Таблица 3
Площадь бассейнов и наибольшая глубина холодных морей Северного Ледовитого и Южного океанов (по данным Википедии)
Северный Ледовитый океан (Арктика) Южный океан (Антарктика)
Моря Характеристика Моря Характеристика
Площадь, тыс. км2 Глубина, м Площадь, тыс. км2 Глубина, м
Баренцево 1414 600 Амундсена 98 589
Баффина 511 2414 Белинсгаузена 487 4470
Бофорта 495 3749 Дюрвиля 315 3610
Восточно-Сибирское 889 358 Космонавтов 698 4798
Гренландское 1181 5527 Лазарева 929 4500
Карское 885 600 Моусона 333 1000
Лаптевых 663 3385 Сомова 1150 3000
Чукотское 587 1256 Росса 439 2972
Уэдделла 2920 6820
Всего 6625 Всего 7369
температуры начала развития этих процессов (биологический нуль) у разных растений и животных не совпадают. Например, деградация рефлекторной деятельности мозга у крыс происходит в интервале температур минус 25-18 °С, а у собак - 30-27 °С. Потеря чувствительности и прекращение движений (холодовой наркоз) у крыс наблюдается при температуре тела минус 15 °С, у кроликов - 20 °С, кошек - 24°С, у человека - при 31-25 °С. Термин «биологический нуль» используется не только применительно к определённым видам растений и животных, но и к разным частям (тканям) одного вида. В сельскохозяйственной литературе биологическими нулями называют минимальные температуры роста растений в различные фазы их функционирования -всходов, вегетации, репродукции или плодоношения. Вся эта «разноголосица» стала причиной неопределённости и разнобоя в использовании понятия. Необходимость его унификации назрела давно, однако для этого нужно было разработать фундаментальную научную базу, опирающуюся на современные представления о физиологических явлениях в широком спектре температур во всех сферах географического пространства. Эту трудную, но очень важную задачу решил известный якутский учёный проф. Г. С. Угаров [14]. В основу своей теории биологического нуля он положил зависимость молекулярной структуры воды от её температуры.
Ещё в середине двадцатого столетия было установлено, что вода по своей структуре гетерогенна и состоит из двух модификаций - плотноупакованной и льдоподоб-ной. Плотноупакованная (свободная) вода представляет собой совокупность обособленных молекул-мономеров и молекул с одной или двумя водородными связями, а льдоподобная образуется из кластеров-ассоциатов, сгруппированных из 4, 5 и 6 молекул (рис. 5). Оба вида структур находятся в подвижном равновесии и контро-
Рис. 5. Двухструктурная модель воды H2O [10].
Голубым цветом выделены молекулы свободной воды, оранжевым - кластеры льдоподобной воды
лируются тепловым движением молекул, т.е. температурой жидкости: при низких температурах преобладает льдоподобная вода, при высоких - свободная (рис. 6, правая часть графика). Однако эта закономерность проявляется только в интервале температур от +37 °С (температура минимальной теплоёмкости воды) до +4 °С (температура максимальной плотности воды). При дальнейшем понижении температуры до 0 °С количество льдоподобной воды уменьшается в связи с её замещением кристаллами твёрдого льда и полностью исчезает при формировании ледяного монолита (средняя часть рис. 6). Смесь мельчайших кристаллов льда с гексагональной структурой и льдоподобной воды Г С. Угаров назвал «жидким льдом». В работах других учёных такая вода именуется упорядоченной, рыхлой, структурированной, квазикристаллической, полимерной, талой и пр. По нашему мнению, термин «жидкий лёд» не совсем удачный, так как не отражает физические свойства субстанции (жидким лёд не может быть, хотя он и течёт под нагрузкой). В данном случае вода представляет своего рода суспензию, и потому более правильно и удобно называть её ледяной.
Лед
-Т0»е Т1«(ИЫЙГ*Д Дилган ^ Жили» ГШ» ^С
Рис. 6. Принципиальная схема структурного состояния воды при различных температурах [14]
Следует обратить внимание на то, что наличие ледяной воды (или «жидкого льда» и льдоподобных структур, по Г. С. Угарову) наиболее вероятно в процессе таяния массивов льда и снега и последующего нагревания талой воды, а не в результате охлаждения тёплой воды, вплоть до температуры её кристаллизации. Это два разнонаправленных физических процесса, которые сопровождаются разными эффектами. Первый приводит к ярко выраженной криогенной метаморфизации природных вод любого генезиса. Он проявляется на огромных пространствах умеренных и полярных широт, причём не только на подвижной границе криосферы, но и в зоне постоянных отрицательных температур - на ледниках, наледях, в толще вечной мерзлоты и пр. Изменение свойств воды происходит в течение суточных, сезонных и многолетних циклов промерзания-протаивания. Второй процесс (без фазового перехода «вода ^ лёд») распространён в тёплых странах, где господствует испарение; оно не приводит к коренному изменению свойств воды, а лишь трансформирует её минерализацию и химический состав. Вопрос об идентичности свойств воды, претерпевшей разнонаправленные процессы теплообмена, по нашему мнению, остаётся открытым. Сравнительный анализ свойств воды в интервале температур
от +4 до 0 °С, сформировавшейся в результате указанных процессов, показывает гигантскую разницу в данных, и именно это обстоятельство не учёл автор. Тем не менее, якутский учёный достаточно убедительно обосновал позиции нового научного направления - ги-побиологии. Г. С. Угаров показал, что интервал температур 0...+4 °С является своеобразной «ареной» развития аномальных процессов в жизнедеятельности живых организмов. В этих условиях «ассоциированные в льдо-подобные структуры молекулы воды, имея крупные размеры и невысокую подвижность, обладают меньшей растворяющей и, особенно, проникающей способностью через мембрану, чем деструктурированная вода. К тому же при понижении температуры липиды мембраны загустевают, аквапоры сужаются или закупориваются. В результате этого происходит нарушение водообмена между отдельными органоидами клетки, затем между клетками и тканями, что приводит к резкому снижению интенсивности физиолого-биохимических процессов или гипобиометаболизму в организме» [14, с. 11]. Проще говоря, живой организм обезвоживается, начинает перестраиваться, замирает и в конечном итоге переходит в состояние обратимого или необратимого анабиоза, в зависимости от уровня дальнейшего понижения температуры. При этом верхним порогом начала развития этого процесса является температура наибольшей плотности воды +4 °С. Это значение температуры окружающей среды, неблагоприятной для живых организмов, при которой вода становится недоступной для метаболизма (обмена веществ), Г. С. Угаров и назвал биологическим нулём.
Новая интерпретация старого понятия, обоснование его физиологической (и физической) сущности открыло перед учёным широкий простор для научных обобщений и практической рационализации. В частности, возникла возможность определить температурные границы между широко известными, но мало определёнными понятия-
ми «тепло», «холод» и «мороз». Для этого Г. С. Угаров построил специальную биологическую шкалу распределения положительных и отрицательных температур с точкой отсчёта +4 °С или 0 °и. В соответствии с этой шкалой, нашли своё конкретное место современные бытовые понятия, а также сопряжённые с ними представления о состоянии воды и живых организмов (табл. 4). Шкала Угарова идеально согласуется с известными шкалами Цельсия, Кельвина, Фаренгейта и др., что делает её удобно применимой не только в биологии, но и в быту - тем более, что мы, на удивление, до сих пор не имели термометрического инструмента, указывающего на благоприятные или неблагоприятные условия жизнедеятельности человека, животных и растений.
Используя разработанную биологическую шкалу, С. Г. Угаров совместно с В. Г. Угаровым сконструировали такой термометр (рис. 7, а). Он был запатентован в Германии (патент № 20 2008 017 522.4) и отмечен Национальным сертификатом качества Российской академии естествознания в номинации «Новый продукт» (2008 г.). На термометре выделены следующие физиологически значимые температурные зоны:
- зной (от 27 °и и выше). При этой температуре (31 °С) у человека развивается гипоксия - состояние, при котором к тканям и органам не поступает необходимое для нормальной жизнедеятельности количество кислорода; у растений подавляется процесс фотосинтеза;
- жара (от 23 °и до 27 °и). Интервал температур, когда у человека начинается потоотделение;
- тепло (от 0 °и до 23 °и). Положительная температура, при которой деятельны все живые организмы. Этот интервал температур делится на три подзоны -комфортную, прохладу и низкие положительные температуры. Комфортная температура (от 19 °и до 21 °и) наиболее благоприятна для животных и растений; человек при ней чувствует себя хорошо, не потеет и не тратит энергию для выработки дополнительного тепла
Таблица 4
Зависимость состояния воды и живых организмов от температуры среды по шкалам Г. С. Угарова и А. Цельсия [14]
Состояние среды (температура)
Мороз Холод Тепло Жара
Космический холод (ниже -74 °и или -70 °С) Планетарный холод (от 0 °и до -74 °и или от -4 °С до -70 °С) от 0 °и до -4 °и или от +4 °С до 0 °С Выше 0 °и или +4 °С от 27 °и или от 31 °С и выше
Состояние воды
Лёд Лёд Льдоподобная + лёд Свободная / льдоподобная
Общая ангидрия (обезвоживание) Физиологическое обезвоживание Нормальный водообмен
Состояние живых организмов
Анабиоз Гипобиоз Актиобиоз Пиробиоз
необратимый обратимый
Видимые признаки жизни отсутствуют Спячка, оцепенение, диапауза, покой. Обмен веществ сильно подавлен, однако внешние признаки жизни проявляются Активная жизнь. Рост, развитие, размножение
«щтитнли
■ ГИ1 т П* KOI «МН ■ Г ш&пг.г.лj IIHB¥UK11H WI"
мишлцтт
CJUACKM
HOIWH Mai LH
■F *С "Ü
в"
Г
&
i
Г
-я
Í-JE
4Н-4
&
-■-В 1-е
Ь-я
4
ДЙ
"51!;
ПАТЕНТ г
чЛННМип
на поддержание комфортного состояния. Прохлада (от 12 °и до 0 °и). Человек в бездействии или плохо одетый начинает зябнуть, может простудиться. Низкие положительные температуры (от 0 °и до +6 °и). Интенсивность метаболических процессов слабая. Рост растений, особенно у теплолюбивых, замедлен. У пойкилотермных (холоднокровных) животных наблюдается гипометаболизм -снижение энергозатрат в ответ на экстремальное воздействие внешней среды;
- холод (от 0 °и до -4 °и). Интервал температур вреден для человека и всех живых организмов;
- мороз (от -4 °и и ниже; на существующем термометре до -72 °и). Опасный и особо опасный диапазон температуры для живого вещества. Разделен на ряд категорий: слабый мороз, крепкий мороз, стужа, трескучий, жгучий и жестокий морозы.
Есть надежда на то, что новый прибор придёт на замену обычным техническим термометрам со шкалой Цельсия и будет востребован населением самых разных районов земного шара. К этому располагают его простота и достаточно большой объём информации, заключённой в цветовой гамме выделенных температурных зон. И это не единственный вариант инструмента. Другой прибор, сельскохозяйственного назначения, сконструированный по тому же принципу (рис. 7, б), показывает скорости роста холодостойких и тепличных растений в зависимости от температуры среды, зоны покоя, криогенных повреждений, гибели, анабиоза и др. Возможность отразить на шкале Угарова другие характеристики природной среды не исчерпана. Например, можно создать термометр, на шкале которого показать влияние ветра, влажности воздуха, солнечной радиации и пр. Всё это открывает заманчивые перспективы практической реализации научных идей учёного.
(Окончание следует)
Список литературы
1. Якутский холод : популярная энциклопедия / Сост.-ли: Г. С. Угаров, Н. П. Андросова, У. А. Семёнова; отв. ред. В. В. Шепелёв. - Якутск: Бичик, 2019. - 208 с.
WI
-МИ* к
■ i uiih
Рис. 7. Термометры со шкалой Г. С. Угарова [14]:
а - бытовой (биологический); б - сельскохозяйственный
2. Тырылгин, М. А. Истоки феноменальной жизнеспособности народа Саха р~екст] / М. А. Тырылгин. - Якутск : Бичик, 2000. - 298 с.
3. Ожегов, С. И. Словарь русского языка / С. И. Ожегов. -М. : Советская энциклопедия, 1975. - 846 с. https://ozhegov. slovaronline. сот/37968-HOLOD.
4. Gilichinsky, D., Wagener, S., Microbial Life in Permafrost // Permafrost and Periglacial Processes, 1995. - Vol. 5. -P. 143-150.
5. Каптерев, П. H. Опыты оживления микроорганизмов из вечной мерзлоты / П. Н. Каптерев //Докл. АН СССР. - 1936. -Т. 12, № 6. - С. 137.
6. Крисс, А. Е. О микроорганизмах в вечной мерзлоте / А. Е. Крисс // Микробиология. - 1940. - Т. 9, вып. 9-10. -С. 879-886.
7. Гиличинский, Д. А. Крио-биосфера позднего кайнозоя вечная мерзлота как среда сохранения жизнеспособных микроорганизмов // Дисс... докт. геол.-мин. наук, 25.00.36.-2002.-212 с.
8. Криобиосфера Земли и поиск жизни на Марсе / Н. Э. Демидов [и др.] // Криосфера Земли. - 2012. - Т. XVI, № 4. -С. 67-82.
9. Новаковская, И. В. География водорослей, вызывающих красное цветение снега в горных экосистемах / И. В. Новаковская, Е. Н. Патова. elar.urfu.ru 978-5-7741-0341-6_2018_129.pdf.
10. Лысенков, С. Насекомые на снегу / С. Лы-сенков // Квантик. - 2016. - № 12. https://elementy.ru/ nauchno-populyarnaya_biblioteka/433892/Nasekomye_ na_snegu.
11. Лозина-Лозинский, Л. К. Очерки криобиологии / Л. К. Лозина-Лозинский. - Л. : Наука, Ленингр. отд-ние,1972. - 300 с.
12. Пушкарь, Н. В. Введение в криобиологию / Н. В. Пушкарь, А. М. Белоус. - Киев : Изд-во «Наукова думка», 1975. - 344 с.
13. Белоус, А. М. Криобиология / А. М. Белоус, В. И. Гоищенко ; под ред. Ю. В. Калугина и И. И. Никитина. - Киев : Наукова думка, 1994. - 432 с.
14. Угаров, Г. С. Гипобиология / Г. С. Угаров; отв. ред. Р. З. Алексеев. - М. : Издательский дом Академии естествознания, 2019. - 228 с.
И nil ILIKlMI I
Id hi'.un
