Біоенергетика птахів
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Птахи – дуже енергійні істоти. Біологію птахів неможливо розуміти, якщо не знати, скільки енергії витрачає птах в польоті або на переліт через океан, скільки їжі необхідно йому щодня, що вартує корольку вагою в п’ять грамів підтримувати температуру тіла в сорок градусів протягом вісімнадцятигодинної зимової ночі при температурі повітря мінус сорок, скільки енергії витрачає дятел, довбаючи дзьобом дупло в живому дереві, або скільки її йде у кулика, що важить 25 грамів, для підтримки нормальної температури при висаджуванні чотирьох яєць майже рівної з ним ваги, що лежать прямо на гальках з температурою близько нуля. Але щоб відповісти на ці питання (а відповіді на них вже є), біоенергетику птахів потрібно бути дуже винахідливим. Адже птахи – самі рухливі і вільні істоти, вивчати їх енергетику придатними для інших тварин лабораторними методами часто неможливо.
Не дивно, що енергетикою птахів займаються багато талановитих орнітологів, — це і важливо, і цікаво. Дивно інше – біоенергетика птахів, незважаючи на складність об’єктів (а може бути, завдяки їй), з великим відривом лідирує серед біоенергетики інших груп тварин.
У побуті наші можливості обмежують два фактори – час і гроші. Час – явище фізичне, інтерпретації не вимагає. Гроші ж, якщо аналізувати їх природничо, виявляються еквівалентом енергії, тобто наших ресурсів біологічної та технічної енергії і нашої потужності (теж як біологічної, так і технічної).
У птахів спосіб життя знаходиться під контролем лише двох ресурсів — часу і енергії. Одноразові можливості птахів дуже великі — вони можуть підвищити витрату енергії на підтримку температури тіла на холоді в чотири-шість разів, вони можуть летіти багато годин поспіль, вони можуть спати протягом багатьох днів дві-чотири години на добу, а протягом декількох днів не спати зовсім і зберігати при цьому високу працездатність, вони можуть годуватися весь день, а деякі продовжувати годівлю і вночі.
Але все життя або хоча б тривалий час птахи цих своїх якостей проявляти не можуть: їм не вистачить на це ресурсів. Звідси стратегія життя повинна бути такою, щоб на неї вистачило і часу, і енергії. Багато апріорі мислимих образів життя виду неможливі для нього, бо на такий спосіб життя не вистачить або часу, або енергії.
З таких простих міркувань орнітологи стали формувати новий оригінальний підхід до вивчення різноманітності життя. Ми почали розуміти: якби знати, з яких «статей витрат» складаються бюджети часу і енергії диких птахів, скільки коштує їм кожна форма їх активності, наскільки один спосіб добування їжі або розмноження дорожче або дешевше іншого, то ми мали б кількісну міру для розуміння того розмаїття стратегій життя, яке досі могли тільки вивчати і описувати, але не могли порівнювати.
Як же можна підібратися до вирішення цього завдання? З бюджетом часу шлях відразу був ясний: його можна хронометровувати, тобто стежити за птахом, і записувати, на яку активність скільки часу за добу він витрачає. Звичайно, в реальних польових умовах це не завжди просто зробити, але тут все ж можна примудритися. Наприклад, скільки часу витрачає на нічне полювання сова, скільки вона при цьому літає, скільки разів промахується, кидаючись на здобич, з’ясували за допомогою радіотелеметрії (тобто радіоспостереження за совами, що несли на собі маленькі радіопередавачі). Вже перші бюджети часу птахів у природі принесли багато несподіваного. Наприклад, виявилося, що більшість видів птахів дуже мало літають, менше однієї години на добу, а багато – менше п’яти хвилин! Політ енергетично коштує дуже дорого, і саме на ньому птахи економлять найбільше часу.
З бюджетом енергії справи йшли багато складніше. Як виміряти витрати енергії у вільноживучої птиці? Всі лабораторні методи тут безсилі. Першим був знайдений ізотопний метод. Всі речовини, що окислюються в організмі виходять з нього у формі вуглекислого газу і води. Іншими словами, атоми кисню, що пішли на їх окислення частково йдуть у вуглекислому газі, а частково — у воді.
Якщо ми зловимо птаха, введемо йому мічений кисень, візьмемо пробу крові, потім відпустимо птаха на свободу, а через добу зловимо його знову і знову візьмемо пробу, то міченого кисню в другій пробі буде менше, ніж в першій. Але з цієї різниці ми не дізнаємося, скільки його пішло на окислення, так як частина його вийшла з організму з тією водою, яка йде при диханні, при випаровуванні з шкіри і з виділеннями нирок і кишечника. Якщо ж ми одночасно введемо птаху ще й мічений водень, то його втрати покажуть нам втрати води. Значить, по зміні концентрації в крові мічених кисню і водню одночасно ми можемо розрахувати, скільки кисню пішло з вуглекислим газом. А далі вже просто, так як ми вже знаємо, якій кількості енергії еквівалентно споживання одного міліграма кисню в організмі. Так виник метод двічі важкої води.
Цей метод дозволив виміряти, скільки енергії витрачають ластівки, полюючи за комахами в повітрі, шпаківня, насиджуючи яйця в шпаківні, на скільки збільшується витрата енергії у хвилястого папужки у вітряну погоду, скільки енергії витрачає на охолодження себе в спеку в пустелі шовковиста мухоловка і т. п.
Однак три недоліки обмежують використання методу двічі важкої води. По-перше, він вимагає складної і дорогої апаратури, недоступної в багатьох місцях, де доводиться працювати орнітологам. По-друге, він пов’язаний з втручанням в пташине життя, так як птахів потрібно неодноразово ловити. А по-третє, в більшості випадків ми не отримуємо бюджету енергії «за статтями витрат», а отримуємо лише сумарну відповідь — скільки енергії витрачено за даний проміжок часу. Але в поєднанні з іншими методами він дуже хороший тим, що дозволяє нам перевірити правильність рішення, як школяр звіряє свої рішення задач з відповідями, поміщеними в кінці задачника.
Пізніше орнітологи знайшли один дуже простий метод, що дозволяє оцінити, скільки енергії птах витрачає за добу. Суть його полягає в тому, що в природі часто вдається зібрати добову порцію посліду, виділеного птахом. Далі нам не важко розрахувати добову кількість їжі, що з’їдається, якщо ми знаємо, яку їжу птах їсть, і якщо в лабораторії ми виміряємо питому калорійність подібних зразків їжі і посліду, а на що містяться в клітинах птахів того ж виду — коефіцієнт засвоєння її. Ці розрахунки вдалося дуже спростити, створивши великі таблиці калорійності і засвоюваності їжі птахів.
Але головний напрямок пошуків – це розробка методів перерахунку бюджетів часу до бюджетів енергії. Ідея методу дуже проста. Всю складну активність птаха в природі можна розкласти на ряд простих актів (відпочинок, сидіння на місці, ходьба, стрибки, політ і т.п.), витрата енергії при яких може бути виміряна в лабораторних умовах. Далі, якщо ми маємо бюджет часу, витраченого на кожен з цих актів протягом доби у вільної птиці, і знаємо енергетичну їх ціну, то, перемноживши і склавши їх, ми отримаємо добовий бюджет витраченої енергії. До нього потрібно ще додати витрати на процеси, приховані від спостерігача (терморегуляція, зростання, синтез оперення, синтез яєць, витрата енергії на зігрівання яєць в гнізді і т.п.), і ми отримаємо повний бюджет енергії.
Після цього ми можемо розрахувати витрати часу і енергії на добування їжі, розмноження і тому подібні процеси. Якщо ми отримуємо такі відомості про різні або про один і той же вид, але в різних умовах, то маємо можливість вивчати стратегію виживання у різних видів на кількісному рівні.
Автор: В. Дольник, доктор біологічних наук.