Zimowy świat - ebook

Seria MENAŻERIA

Andrew Westoll, Szympansy z azylu Fauna. O przetrwaniu i woli życia

Robert Pucek, Pająki pana Roberta

Bernd Heinrich, Wieczne życie. O zwierzęcej formie śmierci

Stanisław Łubieński, Dwanaście srok za ogon

Helen Macdonald, J jak jastrząb

Bernd Heinrich, Chrapiący ptak. Rodzinna podróż przez stulecie biologii

Bernd Heinrich, Umysł kruka. Badania i przygody w świecie wilczych ptaków

Robert Pucek, Sennik ciem i motyli

Arkadiusz Szaraniec, Żubry lubią jeżyny

Bernd Heinrich, Drzewa w moim lesieWprowadzenie

Jako nastoletni chłopak z zachodniego Maine zaczytywałem się opowieściami Jacka Londona o dzielnych zwierzętach i twardych ludziach, którzy czują się jak w domu w skutych mrozem północnych lasach. Marząc o takim świecie, wyprawiałem się na rakietach śnieżnych w las, a im mocniej wiało i sypało, tym lepiej. W głębi lasu wykopywałem w śniegu płytki dół i za pomocą pergaminowej kory obłażącej z brzóz oraz uschniętych gałązek świerkowych rozpalałem trzaskające ognisko. Czar iskier strzelających w czarne niebo, wonny dym wznoszący się wśród opadających płatków śniegu i mięso zająca lub ursona pieczone na kiju nad ogniskiem potęgowały romantyzm zimowej przygody. Grzejąc się, rozmyślałem o opowiadaniu Jacka Londona Rozniecić ogień – mówiącym o tym, że w północnej dziczy ciepło znaczy życie. W sytuacji bohatera tej historii, niedoświadczonego wędrowca w krainie skutego lodem Jukonu, klucz do przetrwania polega na trzymaniu się sucho i posiadaniu zapałek, ale z powodu głupich błędów nowicjusz przemacza nogi, a gdy traci ostatnie zapałki, wiadomo, że tym samym postradał życie.

London nazwał wprost fatalną skazę tego człowieka. „Chodziło o to, że absolutnie nie posiadał wyobraźni. Pięćdziesiąt stopni niżej zera oznaczało dlań osiemdziesiąt kilka stopni mrozu^(), czyli kłopot i zimno – nic więcej. Pięćdziesiąt stopni niżej zera było dla wędrowca po prostu i jedynie pięćdziesięcioma stopniami niżej zera. W głowie nie postała mu myśl, że coś więcej może kryć się za tym symbolem”^(). Nowicjusz w świecie arktycznym znał przedmiot abstrakcyjny, mróz, i jego miary liczbowe, ale nie wiedział, co one znaczą. To wręcz oczywiste, gdyż tak jak my nawykł do ciepła, które dzięki domom i odpowiedniej odzieży utrzymujemy wokół siebie przez cały rok. Większość z nas źle znosi już temperaturę trzydziestu dwóch stopni Fahrenheita (zera Celsjusza), w której zamarza woda. Skąd mielibyśmy wiedzieć, co znaczy minus pięćdziesiąt stopni Fahrenheita? Nie doświadczamy takich temperatur, wobec czego nie mamy też wyobrażenia o tym, jak w takich warunkach przeżywają zwierzęta. Z nadejściem zimy większość nas chroni się w cieple ogrzewanych domów.

Jako chłopak zafascynowany opowieściami Londona wystawiałem się czasem na chłód, ale nie aż tak bardzo, żeby skupić na nim uwagę. Wyprawiając się w zimowy las, łaknąłem przede wszystkim przygody. Pamiętam, jak wyślizgnąwszy się z łóżka w środku nocy, wespół z dwoma kolegami wędrowałem na nartach przez zalany mlecznym światłem księżyca sosnowy i choinowy las nad Martin Stream w zachodnim Maine. Wyobrażaliśmy sobie, że wędrujemy szlakiem do Dawson w krainie Jukonu, gdzie trzeba być twardym. W końcu wszystko się może zdarzyć w dziczy. W wyobraźni słyszeliśmy oddech husky, a skowytanie psów na dalekiej farmie stało się wyciem wilków. Zupełnie jak u Londona zorza polarna rozsnuła na niebie powłóczystą zielonkawopurpurową draperię, żyrując nasze fantazje. Puszczyk kreskowany zahuczał w ciemności na pobliskim mokradle porośniętym żywotnikami, w głuchej ciszy zające smyrgały w gęstych zagajnikach jodeł balsamicznych, jeleń wspinał się stromą ścieżką na skały. Ale nie miałem pojęcia o wielu innych światach tych stworzeń i w ogóle się nie zastanawiałem, w jaki sposób zwierzęta potrafią przetrwać w temperaturach sięgających minus pięćdziesięciu stopni Celsjusza. Tak samo jak Londonowski nowicjusz podczas jego pierwszej zimy na północy wskutek braku doświadczenia cierpiałem na brak wyobraźni.

Każdy gatunek doświadcza świata inaczej, a wiele stworzeń ma zdolności bardzo odmienne od naszych. Mogą pokazać nam niewyobrażalne. Im większa zatem empatia wobec rozmaitości stworzeń, tym więcej można się nauczyć. Nikt na przykład nie wpadnie samorzutnie na to, żeby zbierać łudząco podobny do wody sok drzew, który po odparowaniu daje cukier. Według Irokezów, czyli rdzennych mieszkańców stanu Nowy Jork, syrop klonowy odkrył chłopiec, który zauważył wiewiórkę zlizującą sok z rany w pniu klonu, skąd płyn po części już odparował. W ten sposób chłopiec odkrył jedno z zimowych źródeł pożywienia wiewiórek. Zaintrygowany spróbował soku, przekonał się, że jest słodki, i w rezultacie zapoczątkował użytkowanie klonów przez swoje plemię. Analogicznie bez obserwacji przeprowadzonych przy użyciu wyszukanego sprzętu elektronicznego nikt by nie przypuścił, że nietoperz widzi świat za pomocą uszu, że słoń morski nurkuje na głębokość półtora kilometra i może przebywać w głębinie nawet godzinę, że motyle wyczuwają partnera z odległości półtora kilometra lub że ptaki potrafią bez przystanku przefrunąć nad oceanem.

Jedną z pierwszych teorii na temat świata zimowego sformułował dziewiętnastowieczny niemiecki biolog Carl Bergmann. Jeden z wniosków płynących z jego badań nazwano później regułą Bergmanna. Głosi ona, że żyjące w chłodniejszym klimacie zwierzęta danego rodzaju są większe od pobratymców żyjących w klimacie cieplejszym, dzięki czemu łatwiej utrzymują ciepłotę ciała, której wytworzenie jest na ogół kosztowne. Reguła Bergmanna być może tłumaczy fakt, że największy przedstawiciel wróblowatych (najpospolitszego i obejmującego najwięcej gatunków rzędu ptaków), czyli kruk zwyczajny (Corvus corax), jest ptakiem północnym, a największe osobniki tego gatunku żyją na obszarze od Maine po Alaskę. Należy jednak podkreślić, że reguła Bergmanna odnosi się do zwierząt jednego gatunku lub blisko spowinowaconych. Tak oto najmniejszy przedstawiciel wróblowatych nawet w zimie dzieli z krukiem północne siedliska, chociaż waży trzysta dwadzieścia pięć razy mniej od dużego kruka. Ów północny towarzysz kruka to ważący około pięciu gramów (tyle co dwa centy) mysikrólik złotogłowy (Regulus satrapa). To ptaszek niewiele większy od koliberka rubinobrodego lub ryjówki malutkiej, a mimo to najwyraźniej doskonale sobie radzi w zimowych lasach północy. Widywałem te ptaszki w czasach szkolnych podczas wycieczek zimą w lasy Maine, widuję je dzisiaj i nadal odczuwam zdumienie, gdy witają mnie rankiem po mroźnej nocy. Skoro nawet my jesteśmy bezbronni wobec zimna, przetrwanie tych maleńkich stworzonek tym bardziej zakrawa na cud.

W Reflections from the North Country Sigurd F. Olson powiada: „Gdybym wiedział wszystko o złotym maku arktycznym, który rośnie na skale na dalekiej północy, znałbym całą historię ewolucji i stworzenia”. Zamiast o maku Olson mógłby powiedzieć to o mysikróliku złotogłowym. To oliwkowo ubarwiony ptaszek z płomiennie czerwonym, żółtym lub pomarańczowym czubkiem. W chwilach ekscytacji stroszy jaskrawy czubek na oliwkowej główce. Mysikrólik to jeden z najpospolitszych, ale i najsłabiej poznanych ptaków leśnych półkuli północnej. Widząc mysikrólika kicającego po gęstym świerku, nieraz wyobrażam sobie siebie na jego miejscu i zastanawiam się, jak on doświadcza świata. Będąc stworzonkiem o obwodzie mniej więcej orzecha włoskiego, tracę ciepło około stu razy szybciej, niż się go wyzbywam w ludzkiej postaci. Świat nagle robi się o wiele zimniejszy, a fatum zamarznięcia w warunkach północnej zimy zawisa nade mną niemal każdej nocy. Ale cudu przetrwania mysikrólika nie da się zrozumieć ani należycie ocenić bez wejrzenia w przystosowanie wielu innych zwierząt, które dzielą z nim zimowy świat. Dopiero ich szczególne sposoby radzenia sobie w tym świecie tworzą kontekst, który w pełni wyjawia tajemnicę przetrwania mysikrólika przy trzaskającym mrozie. W Przyszłości życia Edward O. Wilson powiada, że każdy gatunek otwiera bramę do „świata-raju”, który jest „źródłem nadziei”^(). Zgadzam się. Skoro mysikrólik potrafi przetrwać przy trzaskającym mrozie, to wszystko wydaje się możliwe.

Gdybym tylko wiedział, jak i dlaczego mysikrólik złotogłowy przeżywa w warunkach maineńskiej lub alaskiej zimy, zrozumiałbym sekret przetrwania w zimie. Podobnie jak w wypadku innych zwierząt północy życie mysikrólika rozgrywa się między młotem mrozu a kowadłem niedostatku. Aż do wiosny ptaszek ten wiedzie żywot sprowadzony do spraw absolutnie podstawowych. Mysikrólik jest więc ikoną nie tylko zimy, lecz także zdolności przystosowania się do skrajnie trudnych warunków. Symbolizuje wykształcone ewolucyjnie, zdumiewające i odkrywcze strategie, dzięki którym zwierzęta radzą sobie w zimowym świecie. Ptaszek ten jest emblematem będącego tematem tej książki zimowego świata, jako że jego maleńkie ciałko plus owadożerność w zestawieniu z mrozem i brakiem owadów, które w zimie hibernują, jawią się jako nieprzenikniona tajemnica. Właśnie zagadka mysikrólika popychała mnie do zagłębiania się w zimowy świat lasów północy i do pracy nad tą książką, do odkrywania natury cudu.Uwagi terminologiczne i definicyjne

Słownictwo specjalistyczne jest przydatne, a niekiedy w zasadzie wyznacza przedmiot myślenia. W tej książce w miarę możności staram się jednak zostawiać ostatnie słowo rzeczywistości, a słownictwo fachowe traktuję jedynie jako wygodne abstrakcje służące do wyrażania pojęć ogólnych. W miarę pojawiania się nowych informacji pojęcia niestety ewoluują, wskutek czego zmienia się też słownictwo specjalistyczne. W książce tej używam terminów specjalistycznych, których znaczenie zmieniało się w zależności od czasu i użytkownika. W imię uniknięcia nieporozumień, a także w celu krytycznego rozpatrzenia terminologii objaśnię niektóre terminy fachowe odnoszące się do przystosowań zwierząt do warunków panujących w zimie.

W Zimowym świecie jako miary temperatury używam głównie skali Celsjusza. Ciężar i długość wyrażam zarówno w systemie amerykańskim, jak i w systemie metrycznym. Czytelnikom, którzy nie są przyzwyczajeni do przeliczania miar amerykańskich na metryczne, przypominam, że uncja to 28,35 grama, a cal to 2,54 centymetra.

Większość innych wyrażeń specjalistycznych w tej książce dotyczy hibernacji. Sam termin „hibernacja” prowadzi do nieporozumień z powodu związanych z nim założeń. W sensie tradycyjnym „hibernacja” oznacza po prostu zimowy brak aktywności i odnosi się równie dobrze do żab, które zagrzebały się w błocie i tkwią w nim pod lodem, do pewnych owadów i innych żab, które zamarzają na kość na powierzchni ziemi, do niedźwiedzi leżących w gawrach, podczas gdy utrzymują wysoką temperaturę ciała, do świstaków i nietoperzy, które w zimie na ogół śpią, utrzymując obniżoną temperaturę ciała, ale okresowo rozgrzewają się i na dzień lub dłużej wznawiają aktywność.

W stanie hibernacji zwierzęta przez większość czasu (ale niekoniecznie przez cały czas) są pogrążone w torporze, odrętwieniu osiągniętym głównie (ale nie wyłącznie) dzięki znacznemu obniżeniu temperatury ciała. Termin „hibernacja” oznacza ukształtowane ewolucyjnie sposoby przystosowania się do zimy, natomiast torpor może wynikać z chorobowej dysfunkcji mechanizmu termoregulacji bądź z prawidłowej reakcji adaptacyjnej służącej oszczędzaniu energii. Torpor może trwać godziny, dni lub miesiące.

Kiedy ustalono, że odrętwienie zimowe powodowane przez obniżenie ustawienia termostatu ciała jest reakcją adaptacyjną zwierząt ciepłokrwistych, obniżenie temperatury ciała uznano w zasadzie za cechę definicyjną hibernacji. Później zaobserwowano, że taki sam mechanizm odrętwienia adaptacyjnego działa u zwierząt nie tylko w celu przetrwania zimy, lecz także okresowych niesprzyjających warunków na pustyni. W tym nowym kontekście odrętwienie „hibernacyjne” nazwano estywacją.

Z definicji łączącej mechanizm hibernacji (lub estywacji) z temperaturą ciała wynika, że hibernują wyłącznie ssaki (i być może ptaki). Skoro jednak również zwierzęta, które nie regulują wysokiej temperatury ciała, zapadają w adaptacyjne odrętwienie zimowe, to stan ów należało nazwać inaczej albo przedefiniować „hibernację”. W rezultacie w latach siedemdziesiątych wprowadzono czwartą nazwę – brumacja. Brumacja oznacza zimową ospałość czy odrętwienie nominalnie zimnokrwistych płazów i gadów. Jeszcze później uzmysłowiono sobie, że niektóre ssaki i ptaki regularnie zapadają w torpor w celu oszczędzania energii nie z powodu pory roku, lecz na co dzień w lecie. Zachowanie czy fizjologia torporu nie może być zatem cechą definicyjną hibernacji nawet w wypadku zwierząt ciepłokrwistych. Ostatecznie, w miarę jak odkrywano coraz liczniejsze i bardziej zróżnicowane sposoby przetrwania zimy, ogólna definicja hibernacji okazała się niemożliwa do sformułowania.

Temperatura ciała to szczególnie nieodpowiednie kryterium definicyjne hibernacji, ponieważ wiele owadów, zwierząt nominalnie „zimnokrwistych”, utrzymuje temperaturę ciała zbliżoną do temperatury ciała większości ssaków i ptaków lub nawet od niej wyższą. Analogicznie do ptaków i ssaków, które okresowo obniżają temperaturę ciała, niektóre owady drżą (jednocześnie napinają przeciwstawne mięśnie służące zwykle do poruszania się, przez co wytwarzają ciepło, tkwiąc w miejscu), żeby uzyskać zdolność do szybkiego poruszania się, na przykład lotu. Inne owady pozostają aktywne bez rozgrzewania się czy to przez drżenie, czy też przez wygrzewanie się (na przykład w słońcu), a nieliczne działają nawet przy temperaturze ciała bliskiej punktu zamarzania wody lub wręcz nieco niższej.

Fluktuacji aktywności i temperatury ciała w warunkach świata zimowego nie da się zrozumieć bez znajomości podstawowych własności fizycznych wody i pojęć oraz wyrażeń takich jak „obniżenie temperatury zamarzania”, „krioprotektor”, „jądro kondensacji lodu”, „histereza temperaturowa” i „przechłodzenie”, które pojawią się w naszych rozważaniach, a które tutaj krótko omówię. Woda zamarza w tej samej temperaturze, w której topi się lód. Wszyscy wiemy, że w wypadku czystej wody przemiana fazowa ze stanu stałego w stan ciekły zachodzi w temperaturze zera stopni Celsjusza lub trzydziestu dwóch stopni Fahrenheita. (Na ogół będę używał międzynarodowej skali Celsjusza). Substancje rozpuszczone w wodzie w określony sposób obniżają temperaturę zamarzania. Rozpuszczenie mola (czyli określonej liczby cząsteczek) innej substancji w litrze czystej wody obniża temperaturę zamarzania/topnienia o 1,86 stopnia Celsjusza. Wiele przystosowań zwierząt do niskich temperatur zimowego świata wiąże się z fizycznymi „sztuczkami” zmiany temperatury zamarzania, które polegają na wykorzystaniu innych zjawisk związanych z zamarzaniem wody. Po pierwsze, spadek temperatury zamarzania wody nie zawsze jest prostą funkcją stężenia molowego substancji w niej rozpuszczonej. Niektóre substancje – właśnie te nazywane „krioprotektorami” – oddziałują z cząsteczkami wody i powodują spadek temperatury zamarzania większy od tego, który wynika z samego stężenia molowego. Jeszcze istotniejsze zjawisko, wykorzystywane przez niektóre zwierzęta (w tym zwłaszcza owady), polega na rozziewie między temperaturą zamarzania a temperaturą topnienia. Zjawisko to nazywa się histerezą temperaturową. Wodę lub wodny roztwór jakichś substancji (niekoniecznie będących krioprotektorami) znajdujące się w stanie ciekłym w temperaturze niższej od odpowiedniej temperatury zamarzania (czyli podlegające histerezie temperaturowej) nazywamy przechłodzonymi. W sytuacji normalnej kryształki lodu powstają wokół jakiejś cząsteczki lub innego kryształka lodu, a przechłodzenie wody lub roztworu wodnego jest możliwe tylko pod nieobecność tak zwanych jąder kondensacji, wokół których narastają kryształy. Dodanie jądra kondensacji – na przykład jednego kryształka lub drobiny kurzu – do przechłodzonej cieczy sprawia, że owa ciecz „natychmiast” krzepnie. Skoro więc ciecze przechłodzone znajdują się w stanie niestabilnym, to mogą zakrzepnąć w każdej chwili.

Jeszcze innym (niewyłącznym) terminem oznaczającym hibernację, a używanym w odniesieniu do zimujących owadów jest „diapauza”, przy czym w ścisłym sensie diapauza to stan zatrzymania rozwoju. Podczas hibernacji wszystkie owady znajdują się w stanie zatrzymania rozwoju (chociażby dlatego, że niska temperatura, jeżeli nie regularne zamrożenie, spowalnia lub zatrzymuje procesy biochemiczne, o ile nie działają specjalne mechanizmy blokujące wpływ zimna), ale stan ten nie jest w ścisłym sensie diapauzą, o ile owad nie reaguje wznowieniem rozwoju, gdy tylko zostanie odpowiednio ogrzany. Wiele motyli (choć bynajmniej nie wszystkie) zatrzymuje rozwój w stadium poczwarki u schyłku lata i trwa w tym stanie przez jesień, kiedy nadal jest ciepło, po czym hibernuje w stanie diapauzy. Inne, zależnie od gatunku, hibernują w stadium jajeczka, larwy lub imago. Zatrzymanie rozwoju wymaga szczególnych przystosowań, które w połączeniu z innymi uwarunkowaniami pozwalają przetrwać w zimnie podczas zimowania. Diapauza występuje również bez hibernacji. Niektóre dorosłe owady wchodzą w stan diapauzy reprodukcyjnej w okresie migracji lub poszukiwania roślin żywicielskich.

Zamętu w sprawie natury hibernacji można uniknąć, jeżeli stan ten zdefiniujemy nie w kategoriach temperatury ciała lub innego szczególnego zjawiska fizjologicznego bądź behawioralnego swoistego dla danego gatunku, lecz w kategoriach jego funkcji adaptacyjnej. U większości zwierząt hibernacja i/lub estywacja to okresy sezonowego odrętwienia adaptacyjnego, które pozwalają przetrwać regularnie pojawiający się niedostatek pożywienia. Zimno, upał i susza to czynniki zaostrzające sezonowy niedostatek pożywienia, a hibernacja to sposób przetrwania zimowego głodu obejmujący rozmaite ukształtowane ewolucyjnie reakcje adaptacyjne.

Zamętu terminologicznego w jeszcze większym stopniu można uniknąć dzięki uzmysłowieniu sobie, że formułowanie coraz ściślejszych czy węższych definicji bynajmniej nie służy ścisłości rozumienia życia jakiegokolwiek zwierzęcia. Zwierzęta są dynamiczne. Zachowanie danego zwierzęcia jest tylko zbiorem punktów w szerokich kontinuach wszystkiego, co można zmierzyć i sobie wyobrazić. Rozmaite pojęcia ogólne mogą się stosować do danego zwierzęcia w różnym stopniu, zależnie od okoliczności, ale gatunek, a często również osobnik, modyfikuje zachowania, żeby sprostać sytuacji lub wykorzystać okazję. Rozumienie pogłębiamy nie przez uogólnianie i definiowanie, lecz przez odróżnianie swoistych niuansów cech ogólnych. Właściwości ogólne skłonni jesteśmy przekuwać w reguły lub prawa, które koniec końców są wywiedzionymi statystycznie opisowymi artefaktami. Zwierzęta jednak nie kierują się regułami ani nie dbają o to, że je szufladkujemy za pomocą wygodnych kategorii. „Reguła” jest jedynie stałością reakcji, którą zwierzęta przejawiają zgodnie z naszym domysłem dlatego, że służy ich interesom. Reguła to suma decyzji podejmowanych przez indywidualne osobniki. To wynik. Chaos – i artyzm – przyrody zostaje.1 Ogień i lód

Mikroskopijne organizmy żywe wyewoluowały około trzech i pół miliarda lat temu w epoce prekambryjskiej, pierwszym i najdłuższym okresie dziejów życia na Ziemi, który obejmuje dziewięćdziesiąt procent czasu geologicznego. Nikt nie zna dokładnie warunków panujących na świecie, gdy pojawiły się pierwsze mikroby, ale wiemy, że Ziemia była wtedy miejscem iście piekielnym, gorącym i o atmosferze pozbawionej tlenu. Wczesne mikroby, najprawdopodobniej sinice czy cyjanobakterie, za pomocą fotosyntezy chłonęły energię ze słońca. Odżywiały się dwutlenkiem węgla czerpanym z powietrza, a jako produkt uboczny wydalały tlen, przez co w dwójnasób zmieniały skład atmosfery i tym samym klimat. Organizmy te wykształciły DNA jako narzędzie przechowywania informacji, wykształciły rozmnażanie płciowe^(), które powoduje zmienność poszerzającą zakres doboru naturalnego, i tym samym zaczęła się niemająca końca i zasadniczo nieprzewidywalna ewolucja.

Profilowanie genetyczne skłania do wniosku, że wszystkie formy życia na Ziemi wywodzą się od jednego przodka podobnego do bakterii. Z tego praorganizmu wyłoniły się trzy przetrwałe do dzisiaj gałęzie życia, a mianowicie archeony, bakterie i eukarionty (organizmy zbudowane z komórek mających jądro, obejmujące glony, rośliny, grzyby i zwierzęta).

Niewykluczone, że niektóre organizmy żyjące dzisiaj na ziemi niewiele różnią się od pradawnych pierwszych organizmów z czasów atmosfery beztlenowej. Przypuszcza się, że taki charakter mają odżywiające się siarką bakterie żyjące w nielicznych już niszach, gdzie nadal panują pradawne warunki, zaiste piekielne z naszego punktu widzenia. Te nisze obejmują gorące źródła na powierzchni ziemi, a także znajdujące się na dnie oceanów kominy termalne, z których bucha woda o temperaturze trzystu stopni Celsjusza (i znajduje się w stanie ciekłym, nie zaś gazowym z powodu ogromnego ciśnienia panującego na głębokości trzech i pół kilometra). Jednym z gatunków żyjących w pobliżu kominów termalnych jest archeon Pyrolobus fumarii, którego okazy wzrastają dopiero w temperaturach powyżej dziewięćdziesięciu stopni, a wytrzymują sto trzynaście. W prehistorii, w miarę jak ziemia stygła, otwierały się chłodniejsze środowiska, a nowe jednokomórkowe, później zaś wielokomórkowe organizmy, które ewoluowały z owych termotolerancyjnych archeonów, podbijały te chłodniejsze i stale zmieniające się siedliska.

Dużo później niektóre komórki wyrywały się z warunków, w których przyszły na świat, kolonizując inne komórki, gdzie znajdowały środowisko sprzyjające przetrwaniu i przystosowaniu się. Takie początkowo pasożytnicze organizmy ewoluowały i w końcu zadzierzgnęły wieź symbiotyczną ze swoimi gospodarzami. Bodaj najbardziej brzemienne w skutki tego rodzaju wzajemnie korzystne stowarzyszenie powstało wtedy, gdy pewne sinice prekambryjskie skutecznie osiedliły się wewnątrz innych komórek i ostatecznie przekształciły się w chloroplasty, a ich gospodarze przeobrazili się w zielone rośliny.

Zdolność do przyswajania energii słonecznej otwarła drogę do rozwoju organizmów wielokomórkowych i tak fantastycznej różnorodności życia, jaką dzisiaj widzimy. Równocześnie lub może później doszło do jeszcze jednej brzemiennej w skutki kolonizacji komórek, która z zależności pasożytniczej przekształciła się w więź symbiotyczną. Dzięki tlenowi uwalnianemu przez rośliny wyłoniły się bakterie przyswajające wielkie ilości tlenu i energii, a gdy niektóre z nich skolonizowały inne komórki, przekształciły się ostatecznie w mitochondria, wskutek czego ich gospodarze zamienili się w zwierzęta. Mitochondria pełnią w komórce rolę siłowni czy ośrodków przetwarzania energii, a organizm mający mitochondria i dostęp do tlenu może wydatkować energię nieporównanie szybciej od organizmu pozbawionego mitochondriów. Mitochondria umożliwiły ewolucję zwierząt wielokomórkowych. Jednym z ostatecznych wytworów ewolucji na ścieżce rozwoju wysokoenergetycznych form życia wyposażonych w mitochondria są oczywiście zwierzęta takie jak mysikrólik, który jest w stanie przetrwać północną zimę, przez cały czas wydatkując energię w niewyobrażalnym dla nas tempie.

W warunkach dostępności tlenu płomień metabolizmu gorejący w mitochondriach może być podsycany lub przygaszany. Życie to proces wykorzystujący i – co ważniejsze – regulujący ten płomień. Ogień metabolizmu wytwarza ciepło, a ciepło często utożsamia się z życiem.

W naszym doświadczeniu bezpośrednim temperatura to doznanie o jakości zawartej w przedziale od gorąca do zimna. Z punktu widzenia fizyki temperatura to ruch cząsteczek. Możemy ją mierzyć na przykład za pomocą termometru, ponieważ im większy ruch cząsteczek substancji takiej jak rtęć, tym bardziej te cząsteczki są od siebie oddalone. Jeżeli słupek rtęci (lub innej cieczy) umieścimy na tle odpowiednio przygotowanej skali, to możemy mierzyć ekspansję cząsteczek. Ruch cząsteczek jako taki nie jest życiem, ale jest jego warunkiem.

Z kolei ciepło to energia, która dopływa do systemu lub z niego odpływa proporcjonalnie do zmiany jego temperatury. Substancje różnią się pod względem ilości energii, którą muszą wchłonąć (na przykład ze słońca), żeby ich temperatura wzrosła w określonym stopniu. Jedną z jednostek miary energii jest kaloria, czyli energia potrzebna do ogrzania grama wody o stopień Celsjusza. Do analogicznego ogrzania substancji takich jak skały potrzeba znacznie mniej energii niż w wypadku wody. Również energia nie jest życiem, lecz jego warunkiem, a życie nigdy nie jest jej syte. Właśnie dlatego cudem wydaje się fakt, że życie trwa, a nawet rozkwita w zimie, kiedy słońce wędruje nisko.

Nie ma górnej granicy temperatury. Na powierzchni Słońca panuje około sześciu tysięcy stopni Celsjusza, a w jego jądrze jest jakieś trzy tysiące razy wyższa, a więc wynosi osiemnaście milionów stopni Celsjusza. Z drugiej strony temperatura we wszechświecie ma minimum. Najniższa możliwa panuje wtedy, gdy ustaje wszelki ruch cząsteczek i energia cieplna wynosi zero. W takiej temperaturze nie może powstać życie, ale rozważane w tej książce przystosowania do świata zimowego wskazują, że nie musi ona niszczyć życia. Przynajmniej teoretycznie życie mogłoby przetrwać nawet tę najniższą temperaturę.

Skala Celsjusza jest określona przez arbitralne podzielenie na sto jednostek przedziału energii cieplnej zawartej w wodzie pod normalnym ciśnieniem między punktem „zero stopni”, w którym topi się lód, a punktem „sto stopni”, w którym woda wrze. Zero energii cieplnej zawartej w materii, czyli stan, w którym panuje najniższa możliwa temperatura we wszechświecie, wyznacza zero stopni na skali Kelvina, czemu odpowiada minus 273,15 stopnia Celsjusza i minus 459,67 stopnia Fahrenheita. Znane nam formy życia są uzależnione od wody, a aktywne życie organizmów zbudowanych z komórek, czyli najlepiej nam znany sposób życia, może toczyć się w bardzo wąskim przedziale temperatur między punktem zamarzania a punktem wrzenia wody (które w pewnym stopniu zależą od ciśnienia i substancji rozpuszczonych w wodzie). Tylko w tym przedziale temperatur możliwe jest regulowanie tempa przetwarzania energii. Składamy się głównie z wody, a kiedy woda w naszych komórkach zamarza, czyli zamienia się w lód, niszczy błonę i zabija komórki.

Woda w równie wielkim stopniu jak na poziomie komórkowym wpływa na życie na poziomie ekologicznym. W północnej strefie klimatu umiarkowanego każdej jesieni obserwujemy ekologiczne skutki rozmaitych fizycznych właściwości wody. Większość stworzeń na ziemi doświadcza wody jako przezroczystej cieczy, która spływa po każdej pochyłości, a zatrzymać ją może tylko stała przeszkoda. Przez część roku niektórzy z nas doświadczają wody jako białej sypkiej substancji, która oblepia drzewa, stoki wzgórz i sprawia, że las wygląda baśniowo. Z substancji tej można tworzyć kopce, można w niej drążyć tunele i komory, które mogą służyć jako schronienie ludziom i innym zwierzętom. Substancja ta może tworzyć na powierzchni ziemi warstwę tak gęstą i grubą, że nie jesteśmy w stanie przez nią przebrnąć. Może zamykać roślinom dostęp do światła i je miażdżyć. Na obszarach północnych przy odpowiednim nachyleniu terenu substancja ta może akumulować się przez długi czas, tworząc lodowce, które zmieniają krajobraz, krusząc góry i żłobiąc doliny. W temperaturze niższej już o stopień Celsjusza woda może zamieniać się w przejrzystą, podobną do szkła substancję, jaka powstaje na powierzchni jezior, dzięki czemu możemy bezkarnie po nich chodzić.

W zimowym świecie los niemal wszystkiego zależy od krystalizacji wody. W ciągu kilku godzin krystalizacja istotnie zmienia stan powierzchni ziemi, a na przestrzeni milionów lat ukształtowała fizjologiczne, morfologiczne i behawioralne cechy wszystkich organizmów przystosowanych do warunków, w których zachodzi magiczna przemiana cieczy w kryształ.

Każdej jesieni stopniowo i nieubłaganie nadciąga zimowy świat. Noce są coraz dłuższe i chłodniejsze. Ziemia chłonie coraz mniej energii słonecznej. Najpierw zamarza woda w wierzchniej warstwie gleby, tworząc twardą skorupę (o ile ziemia nie jest już przykryta śniegiem). Najbystrzejsze strumienie i rzeczki zamarzają ostatnie, ponieważ powietrze stale miesza się z wierzchnią warstewką wody. Źródłem chłodu, który powoduje zamarzanie wody, jest właśnie powietrze tuż nad powierzchnią. Woda jest odrobinę od niego cieplejsza. Kiedy woda się miesza, a tak właśnie się dzieje w bystrym strumieniu, powierzchnia stosunkowo wolno schładza się do zera stopni.

Którejś nocy wydarza się to, co nieuniknione. Akweny zamarzają. Temperatura spada wystarczająco, aby cząsteczki wody przy szuwarach, a także gałązkach i liściach pływających przy brzegu akwenu wytraciły pęd i zaczęły tworzyć trwałe konfiguracje krystaliczne. Szuwary, gałązki i liście działają jako jądra kondensacji, wokół których rosną kryształy lodu. Cząsteczki wody niczym bile wpadające do łuz zajmują stałe miejsca, pierwsze na jakimkolwiek przedmiocie, na który natrafiają, a następne na wcześniej zastygłych cząsteczkach, wskutek czego rozrasta się sieć krystaliczna. Odrobina energii kinetycznej, którą jeszcze miały cząsteczki, zostaje rozproszona jako ciepło, tak zwane ciepło krzepnięcia, które w wypadku wody wynosi 79,72 kalorii na gram. (Ciepło to nie podnosi zauważalnie temperatury stawu lub jeziora, ponieważ natychmiast rozprasza się w wielkiej masie wody. Natomiast nagłe zamarznięcie odizolowanej kropelki wody powoduje uchwytny efekt „egzotermiczny” rzędu kilku stopni Celsjusza).

Formujące się kryształy lodu rosną na powierzchni wody niczym rozcapierzające się szponiaste palce. Spotykają się, zazębiają i rankiem cały staw jest przykryty przezroczystą taflą lodu, która oddziela jego mieszkańców od stworzeń na lądzie. Dzięki tej przemianie, która może zajść z dnia na dzień, możemy w sensie dosłownym chodzić po wodzie, co jednak nie wynika z nadprzyrodzonych zdolności, lecz z właściwości fizycznych wody w temperaturach poniżej zera Celsjusza.

Zjawisko zamarzania stawu ma w sobie coś niezwykłego, prostego i bardzo istotnego. Porównajmy je z zamarzaniem wody w chmurze. Kryształki lodu powstałe w chmurze opadają, ponieważ woda i lód są cięższe od powietrza i pary wodnej. Lód jest natomiast lżejszy od wody w stanie ciekłym. W przeciwnym razie kryształki lodu powstałe na powierzchni stawu natychmiast by tonęły. Ciepła woda przy dnie początkowo roztapiałaby tonące kryształki, ale w końcu temperatura tej wody spadłaby do zera stopni Celsjusza i dalej spadała. Staw zamarzałby od dna w górę, nie zaś od powierzchni w głąb. Wskutek tego na północy nie byłoby akwenów wodnych. W lecie słońce roztapiałoby jedynie wierzchnią warstwę lodu, a potencjalne akweny wkrótce stawałyby się wielkimi wiecznie zmrożonymi soczewkami lodu.

Jeszcze jedna istotna ekologicznie właściwość wody polega na tym, że jej gęstość zmienia się w zależności od temperatury. Zimna woda jest gęściejsza od ciepłej, wobec czego opada, a ciepła się wznosi. Tak samo jest w wypadku powietrza. W przypadku wody zależność ta nie ma jednak charakteru jednostajnego. Największą gęstość ma woda o temperaturze czterech stopni Celsjusza. W rezultacie, gdy wiosną w porze topnienia lodu temperatura na powierzchni jeziora rośnie od zera do czterech stopni, wierzchnia woda opada. Ta bardziej gęsta woda wypiera zimniejszą wodę przydenną i zawarte w niej substancje odżywcze, które tym samym wznoszą się i odżywiają wyżej znajdujące się organizmy^().

W długim okresie na Ziemi regularnie występują epoki zlodowacenia związane z cykliczną zmianą nachylenia osi planety (Imbrie, Imbrie 1979). Proces ten, nazwany na cześć odkrywcy cyklem Milankovicia, od siedmiu tysięcy lat znajduje się w fazie powodującej ochłodzenie. Zamiast tego mamy jednak do czynienia z globalnym ociepleniem, ponieważ nad schładzającym efektem tego cyklu astronomicznego przeważyła zmiana klimatu wynikająca z działalności człowieka. Spalanie paliw kopalnych prowadzi do wytwarzania dwutlenku węgla w tempie przewyższającym zdolności absorpcji tego gazu przez szatę roślinną. Dwutlenek węgla działa niczym izolacja termiczna zatrzymująca ciepło słoneczne. W odróżnieniu od cyklu astronomicznego, który ma charakter stopniowy i pozwala na pojawianie się ewolucyjnych przystosowań, efekt cieplarniany jest w dziejach Ziemi zjawiskiem nowym i nagłym. Z pewnością wpłynie na mysikróliki, i wpłynie na nas.Przypisy

W krajach anglosaskich używa się skali Fahrenheita, w której temperatura zamarzania wody wynosi trzydzieści dwa stopnie. „Stopnie mrozu” to zatem liczba stopni poniżej trzydziestu dwóch, a więc w wypadku temperatur poniżej zera Fahrenheita – liczba stopni poniżej zera plus trzydzieści dwa (wszystkie przypisy pochodzą od tłumacza).

J. London, Rozniecić ogień, przeł. T. J. Dehnel, Warszawa: Iskry, 1968, s. 86, 87.

Edward O. Wilson, Przyszłość życia, przeł. J. Ruszkowski, Poznań: Zysk i S-ka, 2003, s. 186.

Bakterie rozmnażają się bezpłciowo. Pierwsze organizmy rozmnażające się płciowo pojawiły się około miliarda dwustu milionów lat temu.

W rzeczywistości w porze topnienia lodów woda przydenna w jeziorze ma temperaturę czterech stopni.WYDAWNICTWO CZARNE sp. z o.o.

czarne.com.pl

Sekretariat: ul. Węgierska 25A, 38-300 Gorlice

tel. +48 18 353 58 93, fax +48 18 352 04 75

[email protected], [email protected]

[email protected], [email protected]

Redakcja: Wołowiec 11, 38-307 Sękowa

[email protected]

Sekretarz redakcji: [email protected]

Dział promocji: ul. Marszałkowska 43/1, 00-648 Warszawa

tel./fax +48 22 621 10 48

[email protected], [email protected]

[email protected], [email protected]

[email protected]

Dział marketingu: [email protected]

Dział sprzedaży: [email protected]

[email protected], [email protected]

Audiobooki i e-booki: [email protected]

Skład: d2d.pl

ul. Sienkiewicza 9/14, 30-033 Kraków

tel. +48 12 432 08 52, [email protected]

Wołowiec 2019

Wydanie I