Биоэнергетика птиц

Птицы — очень энергичные существа. Биологию птиц невозможно понимать, если не знать, сколько энергии тратит птица в полете или на перелет через океан, сколько пищи необходимо ей ежедневно, что стоит корольку весом в пять граммов поддерживать температуру тела в сорок градусов в течение восемнадцатичасовой зимней ночи при температуре воздуха минус сорок, сколько энергии тратит дятел, долбя клювом дупло в живом дереве, или сколько ее уходит у кулика, весящего 25 граммов, для поддержания нормальной температуры при насиживании четырех яиц почти равного с ним веса, лежащих прямо на гальках с температурой около нуля. Но чтобы ответить на эти вопросы (а ответы на них уже есть), биоэнергетику птиц нужно быть очень изобретательным. Ведь птицы — самые подвижные и свободные существа, изучать их энергетику пригодными для других животных лабораторными методами часто невозможно.

Неудивительно, что энергетикой птиц занимаются многие талантливые орнитологи,— это и важно, и интересно. Удивительно другое — биоэнергетика птиц, несмотря на сложность объектов (а может быть, благодаря ей), с большим отрывом лидирует среди биоэнергетики других групп животных.

В быту наши возможности ограничивают два фактора — время и деньги. Время — явление физическое, интерпретации не требует. Деньги же, если анализировать их естественнонаучно, оказываются эквивалентом энергии, то есть наших ресурсов биологической и технической энергии и нашей мощности (тоже как биологической, так и технической).

У птиц образ жизни находится под контролем лишь двух ресурсов — времени и энергии. Однократные возможности птиц очень велики — они могут повысить расход энергии на поддержание температуры тела на холоде в четыре — шесть раз, они могут лететь много часов подряд, они могут спать в течение многих дней два-четыре часа в сутки, а в течение нескольких дней не спать вовсе и сохранять при этом высокую работоспособность, они могут кормиться весь день, а некоторые продолжать кормежку и ночью.

Но всю жизнь или хотя бы длительное время птицы этих своих качеств проявлять не могут: им не хватит на это ресурсов. Отсюда — стратегия жизни должна быть такой, чтобы на нее хватило и времени, и энергии. Многие априори мыслимые образы жизни вида невозможны для него, ибо на такой образ жизни не хватит либо времени, либо энергии.

Из таких простых соображений орнитологи стали формировать новый оригинальный подход к изучению разнообразия жизни. Мы начали понимать: если бы знать, из каких «статей расхода» складываются бюджеты времени и энергии диких птиц, сколько стоит им каждая форма их активности, насколько один способ добывания пищи или размножения дороже или дешевле другого, то мы имели бы количественную меру для понимания того разнообразия стратегий жизни, которое до сих пор могли только изучать и описывать, но не могли сравнивать.

Как же можно подобраться к решению этой задачи? С бюджетом времени путь сразу был ясен: его можно хронометрировать, то есть следить за птицей, и записывать, на какую активность сколько времени за сутки она тратит. Конечно, в реальных полевых условиях это не всегда просто сделать, но тут все же можно исхитриться. Например, сколько времени тратит на ночную охоту сова, сколько она при этом летает, сколько раз промахивается, бросаясь на добычу, выяснили с помощью радиотелеметрии (то есть радиослежением за совами, несшими на себе маленькие радиопередатчики). Уже первые бюджеты времени птиц в природе принесли много неожиданного. Например, оказалось, что большинство видов птиц очень мало летает, меньше одного часа в сутки, а многие — менее пяти минут! Полет энергетически стоит очень дорого, и именно на нем птицы экономят больше всего времени.

С бюджетом энергии дела обстояли много сложнее. Как измерить расход энергии у свободноживущей птицы? Все лабораторные методы здесь бессильны. Первым был найден изотопный метод. Все окисляемые в организме вещества выходят из него в форме углекислого газа и воды. Иными словами, пошедшие на их окисление атомы кислорода частично уходят в углекислом газе, а частично — в воде.

Если мы поймаем птицу, введем ей меченый кислород, возьмем пробу крови, затем отпустим птицу на свободу, а через сутки поймаем ее вновь и снова возьмем пробу, то меченого кислорода во второй пробе будет меньше, чем в первой. Но по этой разнице мы не узнаем, сколько его пошло на окисление, так как часть его вышла из организма с той водой, которая уходит при дыхании, при испарении с кожи и с выделениями почек и кишечника. Если же мы одновременно введем птице еще и меченый водород, то его потери покажут нам потери воды. Значит, по изменению концентрации в крови меченых кислорода и водорода одновременно мы можем рассчитать, сколько кислорода ушло с углекислым газом. А дальше уже просто, так как мы уже знаем, какому количеству энергии эквивалентно потребление одного миллиграмма кислорода в организме. Так возник метод дважды тяжелой воды.

Этот метод позволил измерить, сколько энергии тратят ласточки, охотясь за насекомыми в воздухе, скворчиха, насиживая яйца в скворечнике, на сколько увеличивается расход энергии у волнистого попугайчика в ветреную погоду, сколько энергии тратит на охлаждение себя в жару в пустыне шелковистая мухоловка и т. п.

Однако три недостатка ограничивают использование метода дважды тяжелой воды. Во-первых, он требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, недоступной во многих местах, где приходится работать орнитологам. Во-вторых, он связан с вмешательством в птичью жизнь, так как птиц нужно неоднократно ловить. А в-третьих, в большинстве случаев мы не получаем бюджета энергии «по статьям расхода», а получаем лишь суммарный ответ — сколько энергии израсходовано за данный промежуток времени. Но в сочетании с другими методами он очень хорош тем, что позволяет нам проверить правильность решения, как школьник сверяет свои решения задач с ответами, помещенными в конце задачника.

Позднее орнитологи нашли один очень простой метод, позволяющий оценить, сколько энергии птица расходует за сутки. Суть его состоит в том, что в природе зачастую удается собрать суточную порцию помета, выделенного птицей. Дальше нам не трудно рассчитать суточное количество съедаемой пищи, если мы знаем, какую пищу птица ест, и если в лаборатории мы измерим удельную калорийность сходных образцов пищи и помета, а на содержащихся в клетках птицах того же вида — коэффициент усвоения ее. Эти расчеты удалось очень упростить, создав обширные таблицы калорийности и усвояемости пищи птиц.

Но главное направление поисков — это разработка методов пересчета бюджетов времени в бюджеты энергии. Идея метода очень проста. Всю сложную активность птицы в природе можно разложить на ряд простых актов (отдых, сидение на месте, ходьба, прыжки, полет и т. п.), расход энергии при которых может быть измерен в лабораторных условиях. Далее, если мы имеем бюджет времени, потраченного на каждый из этих актов в течение суток у вольной птицы, и знаем энергетическую их цену, то, перемножив и сложив их, мы получим суточный бюджет потраченной энергии. К нему нужно еще прибавить затраты на процессы, скрытые от наблюдателя (терморегуляция, рост, синтез оперения, синтез яиц, расход энергии на согревание яиц в гнезде и т. п.), и мы получим полный бюджет энергии.

После этого мы можем рассчитать затраты времени и энергии на добывание пищи, размножение и тому подобные процессы. Если мы получаем такие сведения о разных или об одном и том же виде, но в разных условиях, то имеем возможность изучать стратегию выживания у разных видов на количественном уровне.

Автор: В. Дольник, доктор биологических наук.