С развитием эволюции живые организмы научились приспосабливаться к самым экстремальным условиям нашей планеты. В рамках знаменитых Рождественских лекций Королевского института (The Royal Institution) 1998 года профессор Нэнси Ротвелл (Nancy Rothwell) наглядно демонстрирует пределы выживания человека и животных. Ключом к выживанию в агрессивной среде оказывается способность организма поддерживать постоянство внутренней среды — гомеостаз.
🌡️ Жизнь на температурных полюсах: от Сибири до Сахары 1:23
Большинство видов на Земле обитает в умеренных зонах, где условия наиболее благоприятны. Однако жизнь существует и в экстремальных точках планеты.
Зимой в Сибири температура падает до -65°C без учета ветра. На станции «Восток» в Антарктиде зафиксирован абсолютный рекорд холода — -88°C, при котором углекисмый газ превращается в твердое тело.
В то же время в Сахаре воздух прогревается до 50°C, а поверхность песка раскаляется так, что на ней можно приготовить яичницу.
Человеческий организм, зародившийся, как считают исследователи, в теплом климате Африки, неплохо адаптируется к жаре с помощью потоотделения. Каждые несколько недель пребывания в жарком климате увеличивают способность организма выделять пот.
Пример экстремальной выносливости — ультрамарафон через Сахару (Marathon des Sables), участники которого пробегают 130 миль за неделю. В таких условиях бегуны выделяют до 10 литров пота в день и вынуждены выпивать до 18 литров воды во избежание смертельного обезвоживания.
Чтобы показать последствия нехватки воды на клеточном уровне, Нэнси Ротвелл провела демонстрацию с кровью добровольца Ребекки. Под микроскопом нормальные эритроциты выглядят округлыми и здоровыми. При добавлении солевого раствора, имитирующего сильное обезвоживание, клетки мгновенно сжимаются и сморщиваются, теряя воду.
🐪 Секреты пустыни: как выживают верблюды и сурикаты 8:31
Верблюды — признанные мастера выживания в пустыне, способные часами идти при температуре 40°C без капли воды. Добравшись до водопоя, верблюд способен поглотить 120 литров воды всего за 10 минут.
У верблюда есть уникальные анатомические и физиологические особенности:
- Хранение воды: вопреки мифам, верблюд запасает влагу не в горбу, а в крови — его эритроциты могут увеличиваться в объеме в 2,5 раза.
- Терморегуляция: длинные ноги увеличивают площадь поверхности тела для эффективной теплоотдачи, а блестящая шерсть отражает солнечные лучи.
- Жировой горб: концентрация жира в одном месте избавляет тело от теплоизоляционного слоя, мешающего охлаждению.
Схожий эволюционный трюк с распределением жира используют люди из племени ботсвана, у которых жировые отложения концентрируются преимущественно на ягодицах.
Другую стратегию демонстрируют сурикаты, обитающие в засушливых районах Намибии. Животных по кличке Раф, Тамбл, Снэтч, Грэб и Дуду в студию принесла специалист Пенни.
Сурикаты приспособились к ночному холоду пустыни и дефициту пищи. Ночью они позволяют температуре своего тела упасть на несколько градусов и сбиваются в кучу, чтобы согреться.
Утром они греются на солнце, а днем их спасает уникальный метаболизм — уровень выработки тепла у сурикатов на 40% ниже, чем у других млекопитающих аналогичного размера.
Подобно сурикатам, австралийские аборигены тоже способны немного понижать температуру тела в холодные пустынные ночи. Это позволяет им спать без дрожи и экономить энергию, в то время как европейцы в аналогичных условиях бодрствовали бы от холода.
В условиях бега экстремальную терморегуляцию демонстрирует газель, спасающаяся от гепарда. Тело газели может разогреваться до смертельных для мозга 46°C, однако сложная сеть сосудов в голове перенаправляет кровь к носу, где вдыхаемый воздух охлаждает ее до безопасных 42°C.
❄️ Ледяной плен: антифриз, лягушки и умные хаски 15:14
Жизнь в холодной морской воде осложняется тем, что вода проводит тепло гораздо быстрее воздуха. В ходе эксперимента с добровольцем Генри выяснилось, что соленая вода не замерзает даже при температуре -2°C.
Морские организмы выживают в этой ледяной воде благодаря биологическому антифризу в крови, препятствующему кристаллизации.
Некоторые существа, например канадская древесная лягушка, зимой полностью замерзают вместе с окружающим льдом, превращаясь в "камень", а весной оттаивают и возвращаются к жизни.
Лягушка относится к пойкилотермным (холоднокровным) животным, но гомойотермные (теплокровные) млекопитающие не могут позволить себе такую заморозку и вынуждены постоянно поддерживать высокую температуру тела.
Сибирские хаски идеально приспособлены к экстремальному холоду. Гостями студии стали собаки Коис и Апач с хозяином Уорреном.
Они обладают двойным слоем густой шерсти (мягкий подшерсток и жесткий верхний слой), пушистыми ресницами и шерстью между подушечками лап, а их перепончатые лапы помогают не проваливаться в снег.
Поскольку лапы хаски постоянно соприкасаются со льдом, кровь, возвращающаяся от конечностей к сердцу, должна быть критически холодной. Чтобы сердце не остановилось, природа создала в ногах хаски систему противоточного теплообмена.
Сплетение вен, несущих холодную кровь от лап, оборачивает артерии с теплой кровью (38°C), идущей от центра тела. В результате возвращающаяся кровь нагревается почти на 10°C по сравнению с обычной собакой, защищая сердце от переохлаждения.
🇦🇳 1500 миль по Антарктиде: экстремальный вызов Майкла Страуда 22:25
Антарктида — самое суровое место на планете, где температура падает до -50°C, а с ветром ощущается как -100°C. Исторический поход капитана Скотта к Южному полюсу наглядно показал жестокость этих мест.
Однако исследователи доктор Майкл Страуд (Mike Stroud) и сэр Ранульф Файнс (Ranulph Fiennes) совершили беспрецедентный автономный переход через весь континент протяженностью 1500 миль. Они вручную тащили сани весом 220 кг через горы высотой 3000 метров.
При температуре -50°C лед не тает под полозьями, из-за чего скольжение пропадает, и сани приходится тянуть словно по гравию. Чтобы продемонстрировать это, Нэнси Ротвелл пригласила на сцену добровольцев Джессику и Мину, которые попытались сдвинуть подиум.
Приглашенный в студию доктор Майкл Страуд поделился уникальными деталями экспедиции:
- Одежда: при тяжелой физической работе тело выделяет огромное количество тепла. По словам Страуда, работающего человека можно сравнить с двухконтурным электрокамином, а сидящего — с обычной лампочкой. Из-за этого исследователи шли в тонких рубашках и легких хлопковых куртках.
- Защита рук: главной проблемой стали руки — из-за сужения сосудов на холоде кровь перестает поступать к пальцам. Приходилось надевать три пары перчаток и рукавиц разного размера.
- Гигиена: по воспоминаниям Майкла Страуда, процесс мочеиспускания на морозе приходилось осуществлять чрезвычайно быстро.
Питание в походе требовало экстремального количества жира. Майкл Страуд рассказал, что они планировали потреблять 5500 калорий в день, хотя реальные энергозатраты составляли в среднем 8000 калорий, а на пиках достигали рекордных для человека 15 000 калорий в сутки.
Их рацион состоял из сублимированных каш, шоколада и огромного количества чистого сливочного масла, которое добавляли во все блюда, включая какао.
В результате исследователи потеряли по 25 кг веса. По словам Страуда, на финише уровень сахара в их крови упал до значений, которые обычно считаются смертельными.
Тем не менее, после возвращения их гомеостатические механизмы сработали идеально. В течение 6 недель они непрерывно ели, полностью восстановили вес, после чего аномальный аппетит мгновенно исчез.
В завершение беседы Страуд поделился планами на будущее: он надеется пробежать 7 марафонов на 7 континентах за 7 дней.
🌊 Бездна и высота: законы давления и декомпрессии 31:53
Гравитация удерживает атмосферу Земли, создавая нормальное давление на уровне моря. При подъеме в горы воздух разрежается, а при погружении под воду давление резко возрастает из-за веса водного столба.
Эксперимент с добровольцем Ричардом показал, что даже на глубине 2 метров запечатанная пластиковая бутылка сжимается, теряя 20% своего объема — то же самое происходит с воздухом в легких человека.
Другая опасность — декомпрессионная болезнь (кессонная болезнь). На примере бутылки с газированной водой и юной Люси лектор продемонстрировала, как при резком падении давления растворенные в крови газы закипают и образуют смертельно опасные пузырьки.
В то время как люди могут погружаться лишь на небольшую глубину, морские животные бьют рекорды:
- Кайра (птица): ныряет на глубину более 100 метров.
- Тюлени: опускаются до 700 метров.
- Кашалоты и синие киты: уходят на глубину от 1000 до 2000 метров, выдерживая двухсоткратное давление.
Животные избегают декомпрессии тем, что перед погружением полностью выдыхают воздух, выталкивая его в трахею, где газы не могут раствориться в крови.
Тюлень Уэдделла способен находиться под водой 1 час и 15 минут. Для этого он замедляет метаболизм, буквально засыпает на глубине и снижает частоту сердцебиения до нескольких ударов в минуту.
Подобный адаптивный рефлекс Ротвелл продемонстрировала на мальчике Редже. При погружении лица в ледяную воду его пульс мгновенно упал со 100 до 80 ударов в минуту.
Противоположная проблема возникает в горах, где на вершине Эвереста (9000 метров) содержится лишь треть от объема кислорода на уровне моря.
Постоянные поселения людей существуют на высоте до 5000 метров в Южной Америке. Местные жители адаптировались к гипоксии: они имеют увеличенный объем грудной клетки, а их кровь богата эритроцитами и гемоглобином.
По этой же причине лучшие бегуны на длинные дистанции часто рождаются в высокогорных странах. Выше всех забираются птицы: горные гуси легко перелетают через Гималаи благодаря уникальной адаптации к экстремально разреженному воздуху.
🛩️ На пределе гравитации: перегрузки и высотная авиация 43:41
Развитие авиации заставило человека столкнуться с перегрузками (G-forces). При выполнении фигур высшего пилотажа пилоты испытывают перегрузки в 6–7G.
Командир эскадрильи Пат Кааки (Pat Kaaki) из агентства Dera рассказал, что для защиты пилотов используются специальные противоперегрузочные костюмы (G-trousers). Они надуваются, выталкивая кровь от конечностей обратно к сердцу и мозгу, чтобы пилот не потерял сознание.
Обычный шлем пилота весит около 2,5 фунтов, но при перегрузке в 6G его вес увеличивается шестикратно, что Ротвелл продемонстрировала на добровольце Дэнни.
Пилоты тренируются в центрифугах, укрепляя мышцы шеи. По словам Пата Кааки, новые истребители Eurofighter требуют от человека выдерживать перегрузки до 9G. При катапультировании на креслах Martin Baker пилот мгновенно испытывает колоссальную перегрузку в 25G.
Вторая проблема авиации — декомпрессия на больших высотах (около 55 000 футов или 8 миль).
Доктор Крис Эдж (Chris Edge) продемонстрировал защитное снаряжение, принудительно подающее воздух под давлением в маску, жилет и брюки Пата Кааки, зафиксированного в кресле.
Под воздействием давления лицо пилота багровеет и раздувается, вены на руках наливаются кровью. В таком состоянии человеку тяжело говорить и глотать.
По словам Пата Кааки, без подобной защиты на высоте 8 миль пилот потерял бы сознание всего за 5–10 секунд.
🌌 За пределами Земли: космос и абсолютный ноль 52:03
Самой враждебной средой для земной жизни остается открытый космос, где полностью отсутствуют кислород, вода, пища и гравитация, а температура приближается к абсолютному нулю и составляет -270°C.
В космосе поддерживать гомеостаз внутренними силами невозможно — человеку необходим скафандр (продемонстрированный на ассистенте Илье), который искусственно регулирует температуру, подачу кислорода и удаление отходов.
Профессор Нэнси Ротвелл резюмирует: выживание человека зависит от сложнейшей сети датчиков и сигналов гомеостаза.
По мнению лектора, в будущем ученые — возможно, кто-то из юных слушателей в зале — смогут открыть иные формы жизни во Вселенной и узнать, используют ли они те же механизмы выживания.
