На грани возможного: Наука выживания Эшкрофт Фрэнсис

Вот пал туман на океан,

О, чудо! – жжет вода!

Плывут, горя, как изумруд,

Сверкая, глыбы льда.

Сэмюэл Тейлор Колридж. Сказание о Старом Мореходе[6]

Холод подстерегает нас на больших высотах, на полюсах и в океанских глубинах. Половина суши и одна десятая Мирового океана, по крайней мере какую-то часть года, покрыты снегом и льдом. Зима превращает пейзаж в царство неземной красоты, однако наш организм плохо приспособлен к холоду, и красота может оказаться губительной. Большинство живых существ, включая человека, страшатся холода и морозов, поэтому неудивительно, что Данте, создавая свой «Ад», поместил перед огненными кругами ледяные.

Самая холодная температура на Земле (–89° С) была зафиксирована 21 июля 1983 г. на советской научно-исследовательской станции «Восток», расположенной на антарктическом ледяном куполе. Однако по сравнению с другими планетами у нас, можно сказать, еще тепло – температура поверхности Плутона составляет –220° С. Сильные морозы, хоть и не такие суровые, как в Антарктиде, встречаются в Арктике, в горных районах и других местах обитания человека. Например, в Сибири столбик термометра зимой часто опускается ниже –60° С. Британии повезло больше. В Бремаре, который считается у нас самым холодным, рекордом мороза стали жалкие –27° С.

На каждые сто метров подъема в гору температура понижается на 1° С, поэтому горные вершины всегда покрыты снегом и льдом, оспаривая у полярных широт звание самых холодных мест на Земле. На вершине Эвереста к обычным –40° С добавляется пронизывающий ледяной ветер, который еще более усиливает ощущение мороза. В океанских глубинах гораздо теплее, чем на суше. В большей части океанской толщи поддерживается хоть и невысокая, но постоянная температура в 2° С, хотя на поверхности антарктических вод она может достигать и –2° С, поскольку большая концентрация растворенных солей понижает точку замерзания.

Борьба с холодом

Каждый год миллионы людей по всему миру попадают в погодные условия, грозящие обморожением. Человек может выдерживать достаточно сильный холод – если будет тепло одет, хорошо накормлен и обеспечен надежным убежищем. Поэтому в мирные времена холод обычно не несет тяжких последствий, кроме тех случаев, когда человек оказывается жертвой стихийного бедствия – например, лавины или землетрясения. Пострадать от холода могут оказавшиеся вдруг без еды и убежища полярники, альпинисты и лыжники, а также те, кто намеренно или случайно погружается в холодную воду. Однако в общем и целом в мирное время холод не особенно опасен.

Другое дело война. Мороз нередко влиял на исход военных кампаний. Из 90 000 пехотинцев, 12 000 кавалеристов и 40 знаменитых боевых слонов, которых Ганнибал в 218 г. до н. э. повел через Альпы, Северной Италии достигла едва ли половина. Остальные погибли от холода в пути. В 1812 г. Наполеон с полумиллионной армией пошел на Москву. Однако разоренные отступающими русскими войсками деревни не смогли обеспечить пищей такое количество захватчиков, и тысячи погибли от голода. «Генерал Мороз», традиционный союзник русских войск, довершил дело. Температура упала до –40 ° С, злая метель сбивала с ног, французская армия замерзала в снегах, и холод унес еще не одну тысячу жизней. Из полумиллиона вернулось менее 20 000. Как сказал один из выживших, «армия задохнулась под необъятным снежным покровом». Гитлер, которому печальный урок Наполеона не пошел впрок, тоже потерял суровой русской зимой не одну тысячу солдат. В ноябре и декабре 1941 г. 10 % немецкой армии (около 100 000 человек) получили серьезные обморожения, потребовавшие 15 000 ампутаций. Немалый урон нанес холод и в американской войне между Севером и Югом, в Первой мировой, в Корейской войне и Фолклендской кампании.

Сильно страдают от холода беженцы, лишаясь сразу и крова, и пищи. Ледяной дождь, обрушившийся на тысячи албанцев, бежавших весной 1999 г. из Косова, унес жизни многих пожилых людей и детей, вынужденных ночевать под открытым небом.

Как учат нас горькие уроки войн и полярных экспедиций, голод и гипотермия часто неотделимы друг от друга. Наше тело способно вырабатывать необходимое для обогрева количество тепла только при достаточном питании, а на холоде потребность в калориях резко возрастает. В 1991 г. сэр Ранульф Файнс и доктор Майк Страуд совершили пеший переход через Антарктиду, таща всю провизию с собой на санях. Изначально Страуд (врач и физиолог) составлял рацион из расчета 6500 кал в день. Однако в таком случае поклажа получалась неподъемной, поэтому путешественники решили снизить норму до 5500 кал и смириться с неизбежной потерей веса. Но даже в этом случае им пришлось тянуть по 220 кг каждому{23}. Переход оказался куда более напряженным, чем предполагалось, поскольку на сильном морозе сани с трудом ехали по иззубренному льду. Сани и коньки скользят на тонкой водяной пленке, образующейся из-за таяния льда под давлением груза, но мороз, в который попали Файнс и Страуд, был настолько суровым, что лед под лыжами и полозьями не таял, и сани скребли, как по песку. Продвижение затрудняли свирепый ветер и пурга. Южного полюса путешественники достигли сильно истощенными, больными и голодными, потеряв более 20 кг каждый (т. е. затраты энергии составляли около 7000 кал в день). Страуд подсчитал, что за какой-то день он потратил ошеломляющее количество энергии – 11 650 кал, установив рекорд когда-либо учтенных у человека энергозатрат. Однако большинство из нас ведет настолько малоподвижный образ жизни, что обычной нормы в 2500 кал для мужчины и 2000 для женщины хватает с избытком.

Какой холод способен выдержать человек?

Максимальный холод, который способен вынести человек, зависит от времени и степени воздействия. Это значит, что, в отличие от прочих экстремальных условий, описанных в этой книге, четкую цифру назвать нелегко. Обнаженный человек начинает замерзать, когда температура окружающей среды падает ниже 25° С. Если он не попытается как-то исправить положение (не оденется, например, или не включит обогрев), то в ход пойдут физиологические реакции. Эти реакции позволяют упитанному взрослому человеку поддерживать внутреннюю температуру при температуре окружающей среды (в условиях штиля) между 0° и +5° С даже в легкой одежде. На более сильном холоде, а также когда теплоотдача повышается из-за ветра, дождя или погружения в холодную воду, температура тела начнет падать, вызывая переохлаждение. Однако, закутавшись потеплее, можно выдержать даже суровый мороз. Тем не менее охлаждения конечностей до температуры ниже –0,5° С (при которой замерзают ткани организма) допускать нельзя.

Широко известно, что ветер усиливает ощущение холода. Коэффициент охлаждения ветром (или «ветро-холодовый индекс») ввел американский исследователь Пол Сайпл, чтобы описать увеличение теплоотдачи под воздействием ветра (ветер сдувает поверхностный слой теплого воздуха, замещая его холодным). Побывав в 1941 г. в Антарктиде, он вместе с Чарльзом Пасселом провел серию простых, но изобретательных экспериментов, сравнивая время, за которое заполненные водой банки из-под печеной фасоли замерзали при разной температуре в неподвижном воздухе и под сильным ветром. Обнаружив существенные различия в скорости замерзания, они вывели формулу, позволяющую оценить охлаждающую силу ветра в цифрах «ветро-холодового индекса».

При безветрии и морозе в –29° С для человека, одетого соответственно погоде, опасности нет. Однако стоит подняться ветру хотя бы в 4–5 м / с, и температура упадет, по ощущениям, до –44° С, при которых кожа замерзает за одну-две минуты. Если ветер усилится до 6–7 м / с, эквивалентная температура составит –66° С. Это уже по-настоящему опасно, поскольку при таком морозе в течение 30 секунд замерзают ткани. С учетом ветро-холодового индекса даже при нулевой температуре человек может отморозить конечности. Однако не стоит излишне драматизировать полученные с помощью широко распространенной ныне формулы Сайпла данные применительно к человеку – ведь в ветреную погоду мы и одеваемся теплее, и только незащищенным участкам тела грозит участь консервных банок из-под фасоли.

Не замерзнуть на морозе коже помогает активно подгоняемая к ней горячая кровь. Однако при этом слишком много тепла уходит в окружающую среду, и тело начинает охлаждаться. Поэтому приходится искать разумный компромисс между потерей тепла организмом и замерзанием периферических тканей. На руки, ноги, уши, нос (выступающие части и конечности) приходится самая высокая степень теплоотдачи из-за высокого соотношения площади поверхности к объему, поэтому при сильном морозе организм вынужденно жертвует конечностями, чтобы сохранить высокую общую температуру. Как ни печально потерять несколько отмороженных пальцев, но это может существенно повысить шансы на выживание.

Между тем на сильном морозе даже хороший кровоток не может предотвратить обморожение кожи. При –50° С, например, ничем не прикрытая кожа замерзает за минуту. Ледяной ветер, дующий в лицо, может заморозить внешнюю оболочку глаза, как иногда случается с горнолыжниками, забывающими про очки. Ресницы смерзаются, склеивая веки, а борода покрывается гирляндой из сосулек от влажного дыхания. Дыхание на сильном морозе повисает в воздухе мельчайшей ледяной дымкой, получившей поэтичное название «шепот звезд».

Если большую часть тела можно укутать одеждой, то от проникновения холодного воздуха в легкие не скрыться никак. Проходя по дыхательным путям, воздух прогревается, поэтому обморожение легким обычно не грозит. Однако если воздух оказывается одновременно морозным и сухим, слизистая дыхательных путей может разрушиться и отслоиться, как наглядно описывает Т. Сомервелл, хирург, чуть не погибший от означенного явления при подъеме на Эверест в 1936 г.: «С наступлением темноты у меня начался очередной приступ кашля, и что-то застряло в горле, так что я не мог ни вдохнуть, ни выдохнуть. Подать знак Нортону или остановить его я тоже не мог, поскольку мы уже сняли связку, и я просто опустился на снег умирать, глядя ему вслед. Раз или два я еще попытался вдохнуть, но безуспешно. Наконец я надавил на грудь обеими руками и одним мощным толчком заставил образовавшийся комок выскочить».

Обморожение легких встречалось также у лошадей и ездовых собак, однако у людей, работавших в Антарктиде, таких случаев не отмечено.

Стремительное замерзание может произойти при контакте кожи с металлом (из-за его высокой теплопроводности). Во времена Второй мировой серьезные обморожения возникали у верхних стрелков B-17 и B-24. Их самолеты летали на высоте от 7600 до 10 700 м, где температура за бортом составляет от –30 до –40° С. Для стрельбы приходилось открывать наружные люки, поэтому внутрь проникали ледяные вихри. Зачастую стрелки пренебрегали рукавицами, затруднявшими движение, и обслуживали пулеметы голыми руками. Соприкосновение с ледяным металлом в условиях разреженного воздуха, напряжения и усталости всего на протяжении одной-двух минут заканчивалось серьезными обморожениями.

На морозе кожа рук прилипает к поверхности металла, поскольку при соприкосновении с ним моментально замерзает покрывающая кожу тонкая пленка влаги. При попытке отлепить ладонь слой кожи может остаться на металле. Отец моей школьной подруги был врачом в антарктической экспедиции, и я очень хорошо помню тот день, когда мы нашли у них на чердаке его заметки. Там говорилось, что, если вдруг вы «приклеились» на морозе к металлу, необходимо помочиться на примерзший участок, теплая моча растопит ледяную пленку и можно будет без ущерба освободить руку. Понятно, что в состав экспедиции, как и всех предыдущих, входили исключительно мужчины, поскольку у женщины следование этим рекомендациям вызвало бы очевидные затруднения.

Вода поглощает тепло нашего тела еще быстрее, чем воздух, поэтому сроки выживаемости в воде гораздо ниже, чем на воздухе при той же температуре. Поскольку холодные антарктические моря замерзают лишь при –2° С (из-за высокой солености), погружение незащищенной руки в воду тоже может привести к обморожению. У рыбы, обитающей в антарктических широтах, имеется в крови вещество, которое служит естественным антифризом, препятствуя образованию кристаллов льда.

Даже умеренный холод оказывает воздействие на организм. Он ослабляет нервные импульсы, уменьшая чувствительность и нарушая моторику. Именно поэтому так нелегко застегивать пальто на морозе – замедляются нервные сигналы от мозга к пальцам. Замерзшие мышцы тоже работают медленнее, поэтому пальцы не слушаются, делаясь неуклюжими и жесткими. Моторика начинает ухудшаться при –12° С, тактильная чувствительность – при –8° С. Кроме того, низкая температура снижает чувствительность нервов, проводящих болевые сигналы, поэтому для облегчения боли при растяжении или ожоге мы прикладываем лед.

Анестезирующие свойства холода использовались французскими солдатами при отступлении из Москвы зимой 1812 г., когда лошадей превращали в «живые консервы». Убивать их на мясо по такому морозу было сложно, поскольку у людей немели руки, да и лошадиные туши просто окаменели бы на холоде. Поступали, по свидетельству старшего сержанта Второго кирасирского полка Огюста Тирьона, так:

«Мы отрезали кусок от крупа еще стоящей на ногах и передвигающейся лошади, и эти канальи не подавали ни малейших признаков боли, демонстрируя онемение и потерю чувствительности, вызванную лютым морозом. При любых других условиях подобная операция вызвала бы кровотечение и смерть, но не при –28 ° С. Место отреза тут же замерзало, не давая лошади истечь кровью. Мы видели не одну лошадь, шедшую несколько дней с обрезанным по обе стороны крупом».

У людей встречается редкое наследственное заболевание под названием «врожденная парамиотония», делающее мышцы особенно чувствительными к холоду и вызывающее паралич при низкой темперетуре. Недуг дает о себе знать неожиданно, когда человек не может оторвать руки от велосипедного руля или черенка снегоуборочной лопаты, или чувствует слабость и одеревенение после игры в футбол на улице. У других вдруг немеет язык и становится нечленораздельной речь от мороженого или холодных напитков. Врожденная парамиотония вызывается мутацией одного гена, который кодирует белок, служащий «натриевым каналом» – проводником электрических сигналов по мышечным волокнам. Эти сигналы необходимы для того, чтобы вызвать сокращение мышц, и их отсутствие приводит к временному параличу. Заболевание это не смертельное (если только не затрагивает дыхательные мышцы), но крайне неприятное.

Большинству людей знаком еще один аспект воздействия холода – он увеличивает выработку мочи. Происходит это потому, что объем производимой мочи связан с объемом циркулирующих в организме жидкостей, и любое увеличение этого объема улавливается барорецепторами и стимулирует производство мочи. Когда поверхностные кровеносные сосуды сужаются под воздействием холода, объем кровеносной системы сокращается и кровяное давление растет. Кроме того, при крайне низких температурах снижается способность почек производить концентрированную мочу. Обезвоживание, вызванное большой потерей жидкости, – проблема для тех, кто долгое время вынужден работать на холоде, например, для альпинистов.

Холод вызывает немало бытовых проблем. При –55°С не могут летать самолеты: замерзает топливо и радиаторы, и их приходится отогревать, прежде чем заводить двигатель машины; батареи не держат заряд. На большей части территории Канады машины, оставленные в ветреный день на улице, приходится подключать к источнику электричества, чтобы водитель мог после работы доехать до дома. Ограниченные возможности современного транспорта при сильном морозе наглядно продемонстрировала зима 1998 г., когда во многих сибирских деревнях, куда можно добраться только в течение короткого лета, обнаружилась нехватка продовольствия и топлива. Даже при современных технологиях путь к ним зимой оказался отрезан, и они продолжали страдать от голода и холода. На сильном морозе рвутся синтетические ткани, поэтому приходится носить мех. Металлические провода линий электропередач натягиваются и рвутся под весом сосулек, оставляя людей без электричества. Без спиртового термометра даже уличную температуру толком померить не удается, поскольку ртуть замерзает уже при –39° С. Но есть и плюсы. Например, молоко можно продавать удобными замороженными брикетами, а запасы еды хранить просто на балконе, без всяких холодильников.

Сопротивление холоду

Попробуйте снежным зимним днем выйти на улицу в шортах и футболке – от холода у вас сразу перехватит дыхание. Кожа побелеет, голые руки и ноги покроются мурашками, начнется дрожь. Так организм реагирует на холод, снижая теплоотдачу и увеличивая теплопродукцию.

Тепло передается от более теплых предметов к более холодным, поэтому любое животное, чья температура выше температуры окружающей среды (а значит, и человек), будет постоянно терять тепло. Как более подробно объяснялось в главе 3, объем теплоотдачи определяется количеством теплой крови, приливающей к поверхности кожи: чем сильнее кровоток, тем больше теплоотдача. Таким образом, для сохранения тепла необходимо сократить приток крови к коже. Однако перекрывать его без пагубных последствий можно лишь на ограниченное время, поскольку в противном случае ткани лишатся кислорода и питательных веществ.

Когда понижается температура воздуха, кровеносные сосуды сужаются, не подпуская кровь к поверхности, поэтому кожа белеет, но тепло сберегается. При этом, как ни парадоксально, когда температура падает ниже 10° С, поверхностные сосуды, наоборот, расширяются, а если она остается холодной, то расширение сосудов чередуется с сужением. Эти колебания не дают коже пострадать от сильного мороза и обеспечивают достаточный, хоть и непостоянный доступ кислорода. Именно этим явлением объясняется покраснение носа и рук на холоде, особенно заметное у тех, кто много работает в холодных местах на открытом воздухе, например у рыбаков. Вы легко можете проверить этот феномен на себе, опустив руку в холодную воду. Сперва кровеносные сосуды сожмутся под воздействием холода и кожа побелеет. Потом руке станет больно, и боль будет усиливаться. Это, скорее всего, результат скопления токсических метаболитов (продуктов обмена веществ) из-за недостаточного притока крови. Однако где-то через пять – десять минут кожа покраснеет и боль утихнет – сосуды снова расширятся.

На очень сильном холоде отдача тепла через кожу может быть чрезмерной даже при прерывистом притоке крови. При этих условиях кровеносные сосуды остаются суженными постоянно, обескровленные участки охлаждаются до температуры окружающей среды и может возникнуть обморожение.

Очевидным признаком охлаждения служит «гусиная кожа». Ее вызывает сокращение мышц, окружающих волосяные фолликулы. У человека она никакой полезной функции не несет, поскольку волосы у нас на теле слишком редкие, чтобы, «встав дыбом», как-то способствовать утеплению. Однако у других млекопитающих, как будет видно ниже, дело обстоит иначе.

Организм реагирует на холод, не только сокращая теплоотдачу, но и увеличивая теплопродукцию. Основным источником тепла у взрослого человека является мышечная активность, поскольку сокращение мышц обладает заведомо низким КПД, и в качестве побочного продукта выделяется тепло. Запасенная таким образом химическая энергия превращается в теплоту. Когда прохладным летним вечером солнце заходит за облако, мы начинаем дрожать. Дрожь – это непроизвольные сокращения, заставляющие мышцы вибрировать. Она начинается в мышцах тела и рук, но постепенно распространяется и на мышцы челюстей, вызывая стук зубов и сотрясая все тело.

Дрожь помогает увеличить теплопродукцию в пять раз, при этом за счет тряски увеличивается и конвективная теплоотдача. Полезность дрожи, таким образом, снижается, особенно у детей, у которых соотношение площади поверхности к объему выше. Повысить теплопродукцию можно также физическими упражнениями. Как известно, от прыжков, топанья ногами и хлопанья в ладоши становится теплее – понаблюдайте, например, за болельщиками на футбольном матче. Однако теплопродукция, непроизвольная или произвольная, ограничена запасами «топлива» в человеческом теле. Так, продолжительность и эффективность дрожи определяется количеством гликогена, отложенного в мышцах, – обычно предельный срок составляет несколько часов. Физическая активность также ограничивается общей физической формой, выносливостью и запасами «топлива». Таким образом, в конечном итоге теплопродукция зависит от доступа к пище.

У младенцев показатель отношения площади поверхности к объему гораздо выше, чем у взрослых, поэтому тепло они теряют еще быстрее. Они крайне чувствительны к холоду, но при этом не дрожат. Вместо этого у них есть своя, особая система теплопродукции. На плечах, в верхней части спины и вокруг почек у малышей находятся жировые подушки, составляющие около 4 % общего веса тела. Этот жир отличается от обычных жировых отложений и известен как бурый жир. Если белая жировая ткань служит изоляцией, то бурый жир функционирует, скорее, как электроодеяло. Характерный бурый цвет придают этой жировой ткани пигментированные органеллы под названием митохондрии. Митохондрия – это своего рода биохимическая топка, которая, сжигая «горючее», преобразует его в химическую энергию, поэтому их часто называют клеточными электростанциями. Митохондрии, сжигая топливо, производят тепло. Достигается это за счет специального белка, который разобщает переработку топлива и производство энергии. Кроме того, он регулирует энергетический баланс и защищает от холода взрослые особи некоторых животных – так, мыши, у которых этот белок отсутствует, куда более чувствительны к холоду, чем особи, его имеющие.

Выработка тепла в буром жире стимулируется гормоном стресса адреналином. Жировая ткань пронизана сетью тончайших кровеносных сосудов, забирающих тепло для обогрева остального организма. У человека бурый жир имеется только в младенчестве и к зрелости он практически исчезает. Остаются лишь отдельные клетки, затерянные среди белого жира. Однако у многих мелких млекопитающих, особенно зимующих – таких, как летучие мыши, суслики, ежи и сурки, – бурый жир имеется в достаточном количестве. Выработанное им тепло они используют, чтобы согреваться, проснувшись после зимней спячки.

Логично предположить, что повышение активности разобщающего белка будет способствовать сбрасыванию веса. И действительно, у худых людей базальная активность разобщающего белка выше, поэтому они сжигают калории, вырабатывая тепло, а не откладывают их в виде жира. Этим объясняется, почему один из двоих одинаково питающихся людей будет толстеть, а другой нет. Несмотря на то что у взрослых бурый жир содержится в ничтожных количествах, новейшие исследования показывают, что родственные разобщающие белки содержатся и в других тканях. Одно из доказательств состоит в том, что мутировавшие мыши с недостатком разобщающего белка в буром жире хоть и чувствительны к теплу, однако ожирением не страдают. Это значит, что имеется еще какой-то тип разобщающего белка, способствующий регуляции веса в организме.

Еще один особенный вариант биообогревателя имеется у рыбы-меча и у марлиновых (семейства океанских рыб, куда входят синий и черный марлины), радующих рыболовов-спортсменов своими акробатическими прыжками при вытаскивании из воды. Их теплопроизводящая ткань – это модифицированная глазная мышца, расположенная под мозгом и обеспечивающая мозгу и глазам относительно постоянную температуру в 28° С, тогда как температура остального тела варьируется в зависимости от температуры окружающей среды. Во время зимнего глубокого погружения в холодные воды она может опускаться и до 8° С. Через нагревательный орган пропускается большая часть крови, поступающей в мозг. Перед ним кровеносные сосуды разветвляются на сеть мелких артерий, плотно прилегающих к венам, ведущим из мозга. Таким образом, теплая кровь, покидающая мозг, отдает тепло поступающей холодной крови, облегчая работу обогревательной ткани. Теплопроизводящий орган состоит из модифицированных мышечных клеток, почти лишенных сократительных элементов и плотно набитых митохондриями. В отличие от бурого жира, производство энергии и топливный метаболизм там не разобщены. Вместо этого энергия, вырабатывающаяся в процессе метаболизма, немедленно уходит на биохимические циклы, единственная функция которых – производство тепла в качестве побочного продукта.

Как ни удивительно, растения тоже регулируют свою температуру повышением теплопродукции. В знакомом мне с детства Дорсете по окраинам дорог в изобилии цвел аронник пятнистый (Arum maculatum), на местном диалекте прозываемый «кукушечья пинта», «дамы-и-господа» и «Джек-проповедник». Последним вариантом растение обязано, скорее всего, своему лиловатому початку, в котором содержится пыльца. Вырабатывая огромное количество тепла, этот початок испускает химические вещества, издающие сильный запах, на который слетаются мухи и другие насекомые-опылители. Теплопродукция у него достаточно мощная, повышающая температуру до 45° С. Остается только удивляться, как цветок не сжигает сам себя, однако початок определенно приспособлен к таким температурам. Еще удивительнее обстоит дело с горной сольданеллой (Soldanella montana). Этот симпатичный колокольчик вырабатывает столько тепла, что растапливает прилегающий слой снега, тем самым спасаясь от обморожения.

Замерзнуть насмерть

Ежегодно горноспасателям по всему миру приходится вызволять застигнутых неожиданным бураном, погребенных под лавинами, заблудившихся, а также обездвиженных обморожением в результате неправильного подбора одежды. Большинство пострадавших в полной мере испытывают на себе воздействие холода.

Самой древней жертвой переохлаждения можно, наверное, назвать Эци – пастуха, погибшего более 5200 лет назад в долине Эцталь, расположенной высоко в Альпах между Австрией и Италией. Его мумифицировавшееся тело было найдено в 1991 г. туристами – наполовину вытаявшим изо льда на краю ледника. Одет Эци был вполне подходяще для перехода через снег – соломенный плащ от дождя, кожаные ноговицы, меховая шапка и куртка. Однако три сломанных ребра и отсутствие припасов заставляют предположить, что он покинул дом в спешке, пережил нападение по дороге, а затем был застигнут морозом.

Нормальная внутренняя температура человеческого тела (температура глубинных тканей грудной клетки и брюшной полости) составляет 36–38° С. Переохлаждение классифицируется в медицине как падение этой температуры ниже 35° С. Симптомы его меняются по мере понижения температуры.

При легком переохлаждении возникает дрожь, руки не слушаются, ухудшается моторика. Сложные действия – например, спуск на лыжах, вызывают затруднения, человек ощущает усталость, холод, становится вспыльчивым и несговорчивым. Легкое переохлаждение сложно выявить, тем более что его активно отрицает сам пострадавший. Однако оно может быть опасным. Невозможность застегнуть куртку или надеть перчатки ведет к дальнейшему переохлаждению и обморожению. Падение внутренней температуры даже на один градус замедляет реакцию и может помешать адекватной оценке обстановки – так, легкое переохлаждение нередко приводит к авариям на дороге. Особенно страдают от этого мотоциклисты, замерзающие во время длинных зимних перегонов, и рыночные торговцы, которые садятся за руль, простояв весь день на холоде.

Умеренное переохлаждение возникает, когда внутренняя температура опускается ниже 35° С. Оно характеризуется сильной дрожью, ухудшением мелкой моторики и координации, поэтому человек движется медленно, с трудом, часто спотыкается и может упасть. Страдают и умственные способности. Речь делается неразборчивой, мыслительные процессы замедляются, решения принимаются нецелесообразные. Хочется лечь в снег и заснуть, сбросить слишком тяжелый рюкзак или даже начать раздеваться, поскольку холод не чувствуется. Альпинисты могут неправильно застегнуть страховку, что тоже приводит к трагическим последствиям. Жертвы переохлаждения делаются апатичными, вялыми, погружаются в себя, не идут на контакт и невпопад отвечают на вопросы. Нередко не могут вспомнить недавних событий.

Как только внутренняя температура опускается ниже 32° С, дрожь прекращается, поскольку энергия организма к тому времени уже истощена. После этого температура снижается более стремительно, ведь мышцы уже не вырабатывают тепло. В конце концов человек уже не может идти и в полубессознательном состоянии сворачивается клубком на снегу, позабыв об остальных. Сознание теряется где-то при 30° С. Как рассказывал позже один из пострадавших: «Мне делалось все холоднее и холоднее. Лицо замерзало. Руки замерзали. Я не чувствовал своего тела, а потом стало совсем невозможно сосредоточиться и я просто впал в беспамятство».

При глубоком переохлаждении замедляется сердечный ритм, пульс становится нитевидным, дыхание – поверхностным и хаотичным, трудноуловимым. Частота дыхания снижается до одного-двух вдохов в минуту, то же самое происходит с сердцебиением. Кожа бледнеет и на ощупь делается ледяной, конечности не гнутся, зрачки расширяются и не реагируют на свет. Человек выглядит как мертвый, хотя на самом деле может быть еще жив. Такое состояние называют иногда «метаболической морозилкой», поскольку жизненные процессы замедляются, будто в глубоком анабиозе.

Сердечный ритм замедляется, потому что холод угнетает сердечную деятельность. При падении внутренней температуры ниже 28° С может возникать сердечная аритмия, самым опасным видом которой является мерцание желудочков – нерегулярные судороги сердечной мышцы, препятствующие нормальному перекачиванию крови и приводящие к смерти. Однако даже без мерцания, если внутренняя температура упадет до 20° С, сердце остановится.

В арктических водах

13 января 1982 г. рейс 90 авиакомпании Air Florida вылетел по обычному маршруту из Национального аэропорта Вашингтона. Двадцать восемь секунд спустя самолет врезался в продолжение 14-й стрит – мост через Потомак. Погибло 78 человек. Не для всех причиной смерти стали тяжелые раны – часть пассажиров умерли от переохлаждения, окунувшись в ледяную воду реки. Снег, мороз и темнота затрудняли спасательные работы, поэтому многим пришлось бултыхаться в воде достаточно долгое время. В этой трагической ситуации люди проявляли героизм, и тех, кто уступал свое место в спасательном вертолете другим, к следующему заходу уже выловить не удавалось.

Каждый год в холодной воде гибнут тысячи людей. Гибнут, вероятнее всего, именно из-за гипотермии. Тело, погруженное в воду, отдает тепло гораздо быстрее, поскольку вода служит хорошим проводником (ее теплопроводность в 25 раз выше, чем у воздуха), и погружение в воду температурой ниже 20° С приводит к потере тепла и в конце концов может оказаться причиной смерти от переохлаждения. Чем холоднее вода, тем быстрее наступает смерть. В Британии температура морской воды в июле равна в среднем 15° С, поэтому раздетый человек продержится максимум несколько часов. В январе, когда температура падает до 5° С, этот срок сократится до получаса. При погружении в воду нулевой температуры гипотермия наступит через 15 минут, а смерть – в промежутке от получаса до полутора часов. Без спасательного жилета, да еще в бурных волнах человек умирает еще быстрее, поскольку погружается на дно, как только теряет сознание. Новобранцам на британском флоте обычно показывают видео с олимпийской чемпионкой Шарон Дэвис, плывущей в ледяной воде, демонстрируя, насколько быстро холод может одолеть даже спортсменку мирового уровня (разумеется, красота олимпийской чемпионки производит на моряков не меньшее впечатление).

То, что люди на воде зачастую гибнут именно от гипотермии, а не от неумения плавать, было подмечено достаточно давно, хотя и не всегда признавалось официально. Так, например, спасенные с «Титаника» говорили, что их товарищи по несчастью, оказавшиеся в спасательных жилетах в спокойной (но ледяной) воде, погибли прежде всего от холода, хотя официальное следствие придерживалось иной точки зрения.

Научные исследования причин гибели в холодной воде были начаты британскими и немецкими ВМС во время Второй мировой войны, когда массово гибли спасающиеся с тонущих судов моряки. Самый дотошный (и самый отвратительный) эксперимент в этой области был проведен нацистами над узниками концлагеря Дахау. Данные о пределах термической стойкости человеческого организма, полученные ими в результате, до сих пор в ходу – благодаря им устанавливаются безопасные пределы в экспериментах с участием добровольцев (при испытании изолирующих костюмов). Однако этическая дилемма возникает нешуточная – допустимо ли использовать данные, полученные в результате бесчеловечного концлагерного эксперимента и намеренного доведения участников до смерти, даже если эти данные помогают уберечь других от гибели.

Существует немало невероятных историй о людях, выживших в холодной воде (иногда при совершенно немыслимых обстоятельствах, когда уже не оставалось никакой надежды). Некоторые из этих людей оказались просто уникумами, обладающими редчайшей (и очень удачной) невосприимчивостью к холоду. Но есть и другие примеры, гораздо менее сверхъестественные. В 1997 г. яхта Тони Буллимора, участника кругосветной регаты, перевернулась в отдаленной части Южного океана, погребая яхтсмена под собой. Спасатели добирались до места крушения четыре дня и, учитывая близкую к нулевой температуру воды, пострадавшего уже не чаяли увидеть живым. Однако, когда подводники австралийских ВМС начали простукивать перевернутый корпус яхты, Тони сам выплыл им навстречу. Вид у него был неважный, но благодаря водонепроницаемому изолирующему костюму, жировой прослойке и корпусу яхты, послужившему надежным убежищем, ему удалось выжить.

Еще одной несостоявшейся жертвой холодной воды стал знаменитый философ Бертран Рассел. В 1948 г. его пригласили в Норвегию с циклом лекций, организованных Британским советом. 2 октября он вылетел на гидросамолете из Осло в Тронхейм. Погода была ветреной, штормило, поэтому, когда самолет приземлялся на бурные волны, порыв ветра перевернул его набок, и вода начала хлестать внутрь. Многим пассажирам так и не удалось выбраться. Сам Рассел впоследствии рассказывал только, что вода была очень холодной. Ему повезло, что его спасли быстро, поскольку для неэкипированного должным образом человека счет в ледяных водах Северного моря идет на минуты.

От движения потеря тепла в холодной воде усиливается. За исключением тех случаев, когда до берега рукой подать (меньше пяти минут), лучше всего, потерпев катастрофу в холодной морской воде, дрейфовать неподвижно в спасательном жилете до прибытия спасателей. Барахтание или попытки плыть лишь ускорят теплоотдачу и приблизят возможную гибель. Происходит это потому, что от движения рассеивается тонкий слой нагретой телом воды, замещаясь слоем холодной и повышая конвективную теплоотдачу. Кроме того, от движения увеличивается кровоток в конечностях, которые активнее всего отдают тепло. Если у вас есть время перед тем, как покинуть судно, постарайтесь надеть на себя как можно больше теплой одежды, перчатки и обувь, поскольку дополнительная теплоизоляция позволяет предотвратить холодовую травму. Еще лучше надеть гидрокостюм или изоляционный костюм, поскольку обычная одежда от воды защищает не слишком хорошо.

Эти несложные меры предосторожности могут спасти вам жизнь. К сожалению, о них знают не все. В 1963 г. у берегов Мадейры загорелось судно «Лаконика», и его пришлось в спешном порядке покинуть. Многие пассажиры и члены экипажа, оказавшись в воде, пытались плавать, надеясь таким образом согреться, и скинули одежду, чтобы она не стесняла движения. Для многих из них эта ошибка стала роковой – от гипотермии тогда погибло 113 человек.

Отличным изолирующим слоем служит подкожный жир, поэтому толстый человек в холодной воде продержится дольше. Неудивительно, с учетом этого, что лучшие пловцы через Ла-Манш обладают весьма крепким телосложением. Обычно этот заплыв длиной 34,5 км предпринимают в августе или сентябре, когда вода считается прогретой (даже если она прогревается всего до 15–18° С). Заплыв длится от 9 до 27 часов, значительно превышая срок выживания для человека, погруженного в воду такой температуры. Успеху способствуют несколько факторов: при физической нагрузке вырабатывается большое количество тепла, у спортсменов имеется достаточный слой подкожного жира, и через определенные промежутки времени они получают еду (при этом подкрепляться приходится на ходу, чтобы не случилось судорог). И все равно многим приходится прерывать заплыв из-за усталости или переохлаждения{24}, а в августе 1999 г. один из опытных пловцов на длинные дистанции погиб при попытке пересечь Ла-Манш.

Подледные погружения – новинка экстремального спорта, способ пощекотать нервы даже для самых закаленных. Проделав с помощью динамита прорубь в замерзшем водоеме, энтузиасты погружаются в ледяную воду и плавают подо льдом. Физически крепкий человек в гидрокостюме может продержаться в воде температурой 1° С около 20 мин. (с аквалангом), прежде чем охлаждение становится угрожающим. Рекорд выносливости для погружений на задержке дыхания (без спецснаряжения) принадлежит французу Фабрису Бугану, которому удалось провести подо льдом 2 мин. 33 сек. при температуре воды 10° С.

Однако любителям подледного плавания необходимо остерегаться, поскольку холодная вода может вызвать мгновенную смерть. Сколько раз вполне крепкие молодые люди всплывали мертвыми (или уходили на дно) через минуту-другую после погружения в ледяное озеро. От такого не застрахованы даже хорошие пловцы. Почему так происходит, до конца не ясно, однако физиологических предпосылок может быть несколько. Шок и боль замедляют сердечную деятельность и способны вызвать смертельную аритмию, а рефлекторный, спровоцированный холодом, позыв сделать вдох под водой может оказаться роковым. Кроме того, холодовый шок стимулирует учащение дыхания, вымывая из крови углекислый газ и уменьшая ее кислотность, – в результате наступает тетания (мышечные судороги), мешающая координированным плавательным движениям, потеря сознания и быстрая смерть.

Холодная вода убивает несколькими способами. Смерть может наступить в считанные секунды после погружения, через несколько минут плавания или гораздо позже, когда человек замерзает и теряет сознание. Она может настигнуть и уже спасенного из воды. Когда во время Первой мировой потерпел крушение немецкий линкор «Гнейзенау», большинство спасенных, по рассказам очевидцев, умерли на борту подобравшего их корабля, несмотря на то что из воды их выловили живыми и вроде бы невредимыми. И в нынешние дни ходит много рассказов о потерпевших крушение моряках и рыбаках, потерявших сознание и умерших вскоре после спасения. Причина гибели при подобных обстоятельствах до сих пор не выяснена, однако, скорее всего, к ней приводит общее воздействие холода и изменений в гидростатическом давлении при подъеме из воды, описанных в главе 2.

Опасные перепады

Гипотермия наступает, когда теплоотдача превышает поступление тепла – то есть необязательно при зимней температуре. Пожилой голодающий и плохо согретый человек может стать легкой ее добычей, особенно получив обездвиживающие травмы. Температура тела будет стабильно падать в течение одного-двух дней, вызывая смятение, потерю координации и ступор. Голодающие больные, особенно дети, должны содержаться при некомфортно жаркой (для ухаживающих за ними) температуре, поскольку низкий уровень метаболизма делает их предрасположенными к гипотермии. Наркотики, повышающие теплоотдачу, могут привести к переохлаждению даже в относительно теплой среде.

Кроме того, гипотермия может наступить как результат совокупного воздействия физической нагрузки, недостаточного питания и алкоголя. Нагрузка истощает запасы углеводов, приводя к падению сахара в крови. Алкоголь усугубляет состояние, еще более снижая содержание сахара, поскольку для преобразования алкоголя требуется глюкоза. Гипогликемия (низкий уровень сахара) тормозит реакцию организма на холод, и поскольку приток крови к коже не сокращается, тепло уходит ужасающими темпами. В таких условиях внутренняя температура может резко упасть даже в теплую погоду – например, при температуре воздуха в 20° С организм охлаждался до 33° С в течение 80 минут. Активная многочасовая прогулка на голодный желудок и несколько глотков виски «для сугрева» могут привести к тяжелым последствиям.

Жизнь после «смерти»

У врачей есть заповедь: «Человек умер только тогда, когда он умер согретым». Истории о «чудесном воскрешении» пострадавших от холода возникают почти каждый год, поскольку человека в состоянии глубокой гипотермии сложно отличить от мертвого. В феврале 1999 г. по Швейцарским и Австрийским Альпам прокатилась серия лавин. Среди многочисленных жертв оказался четырехлетний ребенок, который пролежал под снегом целых два часа. Его состояние определили как клиническую смерть, однако спасателям удалось реанимировать его, и через пару дней он уже как ни в чем не бывало играл в свои игрушки.

Нижний предел внутренней температуры, зафиксированной у человека, выжившего после переохлаждения в результате несчастного случая, равен 13,7° С. Двадцатидевятилетняя норвежка сорвалась со скалы, катаясь на лыжах в водопадной ложбине, и застряла между камнями и толстой глыбой льда в непрерывном потоке ледяной воды. Своими силами вытащить пострадавшую ее спутники не смогли, прибывшие через час десять минут спасатели зафиксировали клиническую смерть. Однако после немедленной сердечно-легочной реанимации женщину переправили в клиническую больницу Тромсе, где опытная реанимационная команда смогла вернуть ее к жизни. Пять месяцев спустя она восстановилась почти полностью.

Удавалось спасти и маленьких детей, длительное время пробывших под холодной водой без дыхания. Холод замедляет метаболические процессы, поэтому кислорода расходуется меньше. Типичный случай такого счастливого воскрешения – пятилетний мальчик, провалившийся под лед на полузамерзшей речке. Спасатели смогли вытащить его только через 40 минут. Воздушных карманов между льдом и водой не наблюдалось, поэтому мальчик все это время находился целиком в ледяной воде. Вытащили его без пульса, без дыхания, посиневшим от холода, с внутренней температурой 24° С. Через два дня на аппарате искусственной вентиляции легких он пришел в сознание и начал говорить. Через восемь дней после происшествия его выписали из больницы. Мальчику повезло, он восстановился полностью, умственная деятельность не пострадала. Однако не всем удается выйти из подобного испытания без потерь. Детский организм страдает меньше, поскольку из-за небольших размеров замерзает быстрее, стремительно сокращая потребление кислорода, и ребенок впадает в состояние, близкое к анабиозу.

Чтобы отогреть человека, находящегося в состоянии умеренного переохлаждения, лучше всего поместить его в теплую ванну. Жертв глубокой гипотермии согревают, давая им дышать теплым воздухом, обдувая теплым воздухом и перекачивая кровь через специальный нагреватель. При отогревании серьезно обмороженных пострадавших требуется огромная осторожность, чтобы избежать сердечной аритмии. Особенно это касается реанимации тех, у кого гипотермия привела к остановке сердца.

Руки в цыпках и замерзшие ноги

В детстве мне всегда твердили не отогревать озябшие руки у школьной батареи, чтобы не было цыпок. Сегодня о них почти забыли, а в моем детстве от обветренности страдали сплошь и рядом (меня эта напасть, к счастью, миновала, несмотря на нарушение запретов). Обветренность – это покрасневшие и зудящие пятна, возникающие обычно на пальцах, щеках и ушах. Появляются они от регулярного воздействия на кожу температур ниже 15° С, что приводит к повреждению тончайших капилляров. Особенно страдают от обветренности женщины и дети. Во влажном климате, таком как британский, цыпки встречаются чаще, чем в сухом и морозном. То, что сейчас они практически ушли в прошлое, объясняется, скорее всего, повышением уровня жизни – люди стали теплее одеваться, в домах работает центральное отопление.

Синдром Рейно – это состояние, при котором пальцы рук (или ног) белеют, затем синеют, потом краснеют на холоде. Происходит это потому, что сперва сосуды сокращаются настолько сильно, что кровоток почти полностью останавливается, а потом медленно расширяются снова. Ощущения при этом весьма болезненные. Как ни странно, синдром Рейно реже встречается в странах с суровой зимой – таких как Канада или Швеция, тогда как в Британии и теплой Италии вполне распространен. Скорее всего, в холодном климате люди привыкают принимать необходимые меры. В Британии, к примеру, школьники часто играют зимой на улице, поэтому хронически мерзнут.

«Траншейная стопа» – бич Первой мировой. В 1915 г. в британской армии было зафиксировано свыше 29 000 случаев. Болезнь эта возникает от длительного пребывания в сыром холоде, которого в окопах было в избытке. Траншеи заливало дождем, и солдаты месили сырую грязь пополам с ледяной водой, а ледяной ветер превращал промокшую одежду в задубевший панцирь.

«Траншейная стопа» не изжита до сих пор. Во время Фолклендской войны 1982 г. на ее долю пришлось 14 % потерь британской армии, а в 1988 г. от нее пострадало 11 % одной воинской части морских пехотинцев США. Немало ее жертв и среди морских каякеров, которым приходится подолгу держать руки и ноги в воде. Кроме того, она возникает у альпинистов, если у них сыреют ноги от пота или от мелкого снега, забивающегося в ботинки, а также у людей, по роду занятий вынужденных много времени проводить с мокрыми ногами на холоде. «Траншейная стопа» ежегодно поражает десятки людей, приезжающих на Гластонберийский фестиваль без подходящей обуви, – ведь даже в июне погода в Англии может не баловать теплом, и фестивальная площадка превращается в болото.

«Траншейная стопа» – это местное холодовое повреждение, развивающееся в результате длительного воздействия холода и сырости. Холод – это не значит мороз, достаточно постоять 12 часов в воде при температуре 10° С. Мокрые ноги очень быстро мерзнут (примерно раз в двадцать пять быстрее сухих), поэтому кровеносные сосуды стремятся сузиться, чтобы не допустить утечки тепла. Лишенная притока крови ткань начинает отмирать, испытывая недостаток кислорода и питательных веществ при переизбытке токсических метаболитов. Особенно коварна «траншейная стопа» тем, что поражение глубинных тканей – мускулов и нервов – может произойти задолго до того, как признаки заболевания проявятся на коже. Пораженная стопа холодная на ощупь, бледно-пятнистая и кажется онемевшей. После согревания кожа делается багрово-красной, стопа распухает и очень сильно болит. По словам некоторых пострадавших, «словно электрический разряд пропускают от пальцев по ноге». Могут возникнуть волдыри, язвы и даже гангрена, в особо тяжелых случаях стопа отмирает и ее приходится ампутировать.

Профилактика «траншейной стопы» довольно проста. Самое главное – держать ноги в сухости, стараясь не нарушать кровообращения, то есть не сидеть, например, подолгу в скрюченной позе. К сожалению, как несложно догадаться, военным иногда выбирать не приходится.

Обморожение

Если кожа охлаждается до температуры около 0° С, замерзание тканей может привести к обморожению, которому подвержены чаще всего конечности и выступающие участки – это уши, нос, пальцы (и на щеках, хотя они к выступающим не относятся). В легких случаях промерзает только верхний слой кожи. Покровы становятся белыми, восковыми и теряют чувствительность. Внешне это напоминает солнечный и другие виды ожогов первой степени, а после отогревания обмороженные участки кожи делаются ярко-красными и облезают. Глубокое обморожение гораздо опаснее, поскольку кроме кожи поражаются и более глубокие ткани. После отогревания кожа становится сизой и распухшей. Где-то через день-два могут образоваться волдыри и твердая черная корка. Если повезет, под этой коркой нарастет новая кожа, которая покажется впоследствии. Однако процесс этот, как описывает Эпсли Черри-Гаррард, крайне болезненный:

«На термометре было –47° F (–8° С. – Прим. пер.), и я сдуру снял рукавицы, принявшись тянуть сани голыми руками. В результате отморозил все десять пальцев. Только вечером в палатке, во время ужина, они начали отогреваться, и через несколько часов на каждом образовалось по два-три больших волдыря, около дюйма длиной. Эти волдыри на протяжении долгих дней причиняли мне сильную боль».

Самая опасная форма обморожения – когда затрагиваются еще более глубокие ткани, такие как мышцы, кости и сухожилия. Глубокое обморожение почти неизбежно приводит к окончательному отмиранию тканей и может закончиться ампутацией. Не одному полярнику и альпинисту приходилось лишаться обмороженных пальцев на руках и ногах. Среди них, например, Бек Уэзерс, участник злополучной майской экспедиции на Эверест 1996 г., попавшей в страшный буран. Брошенный умирать в состоянии беспамятства на карнизе стены Каншунг, без правой перчатки, с ледяной коркой на лице, «в полушаге от смерти, которая уже тянет к тебе руки», Бек все же чудом сумел выстоять{25}. Пролежав 12 часов без сознания, он пришел в себя и осознал масштаб катастрофы. «Я понял, что дело дрянь и, раз подмога не спешит, нужно выбираться самому». Едва живой, он сумел приковылять в лагерь. В результате трагедии он потерял правую руку до середины локтя, все пальцы на левой руке и нос. Однако он сохранил жизнь и, как отмечают его друзья, не лишился чувства юмора.

Когда замерзает ткань, в клетках и межклеточной жидкости образуются кристаллы льда. Если процесс идет медленно, сначала лед кристаллизуется в межклеточной жидкости. При этом повышается концентрация незамерзшего раствора, и из клеток в процессе осмоса (диффузии воды из менее концентрированного раствора в более концентрированный) вытягивается вода. Клетка сжимается, внутри растет концентрация соли. Поскольку повышенный уровень соли разрушает белковую структуру, клетка умирает. Когда промерзание происходит быстро, внутри клеток кристаллизуются ледяные иглы, протыкая клеточную мембрану. При соприкосновении и трении кристаллы льда могут просто разорвать клетки – именно поэтому растирать обмороженные участки не рекомендуется.

При отогревании возникают новые травмы. Клетки, выстилающие стенки тончайших кровеносных сосудов, особенно уязвимы, поэтому при отогревании из них начинает сочиться жидкость, вызывающая опухание прилегающих тканей. Агглютинация (осаживание) оставшихся в капиллярах эритроцитов замедляет кровоток, что в свою очередь ухудшает поступление кислорода и питательных веществ к тканям «ниже по течению», вызывая их гибель. Учитывая обширные травмы, возникающие при отогревании, лучше всего глубоко обмороженные ткани не отогревать, оставить до прибытия квалифицированной медицинской помощи. Отогревание с последующей повторной заморозкой может привести к трагическим последствиям.

Эскимосы и исследователи

Небезызвестно, что одну и ту же температуру одни воспринимают как «собачий холод», другие – как приятную прохладу. По отзывам Дарвина, индейцы яга с Огненной Земли всю ледяную и снежную патагонскую зиму ходят раздетые – хотя костры разводят, и именно благодаря им эту землю прозвали огненной. Австралийские аборигены и бушмены Калахари обитают в пустынях, где температура резко падает по ночам и зимой может опуститься ниже ноля. Несмотря на холод, аборигены традиционно спят раздетыми на земле, отгораживаясь от ветра тонкой ширмой. Согласно исследованиям физиологов, температура тела у аборигенов снижается по ночам примерно до 35° С, соответственно падает и поверхностная температура кожи. Примерно такая же реакция наблюдается и у бушменов Калахари. Белые же европейцы в подобных условиях трясутся всю ночь от холода, ворочаясь и не давая себе заснуть, а внутренняя температура у них держится на отметке в 36° С. Однако даже европейцы переносят и воспринимают холод по-разному. Я, например, в гостях у сестры постоянно мерзну, ей же у меня все время жарко.

Берди (Генри Робертсон) Бауэрс, участник последней, злосчастной экспедиции Скотта (1911 г.), отличался исключительной стойкостью. В зимней вылазке на мыс Крозир за яйцами императорских пингвинов Бауэрс спокойно спал на 20-градусном морозе в меховом спальнике без пуховой подстежки, притом что его товарищ, Эпсли Черри-Гаррард, испытывал «приступы дрожи, которую никак не удавалось унять, и которые сотрясали мое тело так, что я думал, позвоночник не выдержит и сломается». В отличие от Черри-Гаррарда, Бауэрса миновало и обморожение. Скотт, по его собственным словам, никогда не видел «человека, настолько невосприимчивого к холоду».

Почему же Бауэрс оказался таким закаленным? Вот одна из версий: каждое утро, к благоговейному ужасу своих товарищей, он раздевался под негостеприимным антарктическим небом догола и обливался из ведра ледяной водой со снегом. Согласно некоторым исследованиям, периодическое воздействие холода позволяет до определенной степени к нему адаптироваться. Например, группа добровольцев, погружаясь ежедневно раздетыми в воду температурой 15° С на срок от получаса до часа в течение нескольких недель, впоследствии переносила условия Арктики легче и безболезненнее. Один из участников наполеоновских походов, лейтенант Хенкенс, писал в своих воспоминаниях об отступлении из-под Москвы в 1812 г., что «согревался, растираясь снегом, благо его было в избытке».

Весьма возможно, что и Бауэрсу выработать такую необычайную стойкость к морозу помогал ежедневный ледяной душ. Закалкой, скорее всего, объясняется и легендарная выносливость спартанцев, а также учеников британских частных школ, которых ежедневно заставляли купаться в холодной воде. Схожая физиологическая адаптация, по всей вероятности, позволяет некоторым людям часами возиться в воде, которая остальным кажется невыносимо холодной. Как упоминалось выше, рыбакам, эскимосам и американским индейцам даже на холоде удается сохранить непрерывную циркуляцию крови в конечностях. Выводы из полученных данных разнятся: кто-то считает, что регулярные ледяные ванны закаляют и способствуют адаптации к холодному климату, кто-то, напротив, полагает, что такие процедуры только отравляют жизнь и тем самым сводят на нет всю адаптацию. В целом отношение получается примерно как у одного сержанта американских ВВС, который, ратуя за то, чтобы пехота тренировалась в легком обмундировании для большей мобильности, применительно к себе подобное категорически отвергал.

На холоде просыпается аппетит, а возросшее потребление пищи повышает уровень обмена веществ и теплопродукцию. Основной обмен у эскимосов на 33 % выше, чем у европейцев, – главным образом за счет традиционно богатого белками рациона, включающего около 0,5 кг мяса в день. Этим отчасти и объясняется их выносливость по отношению к холоду. Кроме того, в условиях постоянного холода подкожного жира откладывается больше. Сезонные колебания веса отмечены и у британцев – зимой люди набирают вес, летом сбрасывают. А еще бытует мнение, что в эпоху мини-юбок у девушек в странах с умеренным климатом бедра становились полнее (правда, скептики утверждают, что мини-юбки просто подчеркнули существующие недостатки). В любом случае, подобные колебания веса слишком незначительны, чтобы влиять на термобаланс, и жители холодных стран в массе своей ничуть не толще жителей тропиков. Хотя другие различия в строении тела у разных рас все же имеются, как отмечалось в главе 3.

Польза холода

Холод не всегда вреден. Во время Фолклендского конфликта было замечено, что многие бойцы необъяснимым образом выживали при тяжелых ранениях – таких как потеря конечности, например, хотя до помещения в полевой госпиталь проходило иногда немало часов. Как выяснилось впоследствии, сильный холод значительно снижал кровопотерю (как у лошадей Тирьона) и вызывал легкую гипотермию, уменьшавшую потребность организма в кислороде, позволяя раненому выжить, несмотря на потерю крови.

Низкая температура иногда намеренно создается во время операций, чтобы снизить скорость обмена веществ и уменьшить потребность тканей в кислороде. Тогда кровоток можно прервать, не повреждая ткань. В кардиохирургии, например, можно остановить сердце на срок до часа вливанием охлажденных до 4° С растворов (в остальной организм подает теплую кровь аппарат искусственного кровообращения). Кровь охлаждают и для определенных нейрохирургических операций, останавливая местное кровообращение на 15 минут. «Хладнокровие» может также помочь младенцам, пострадавшим от удушья во время тяжелых родов, предотвратить необратимые повреждения головного мозга. Такие повреждения развиваются в основном в первые день-два после родов, и у животных именно холод помогает уберечь мозг. В настоящее время проводятся эксперименты с участием детей, в ходе которых выясняется, сможет ли наполненный водой шлем, охлаждающий голову новорожденного младенца до 3° С, снизить повреждения мозга.

О пингвинах и белых медведях

Человеческий род развивался на равнинах Африки, поэтому наша морозоустойчивость ограничена. Однако многие животные, в отличие от нас, замечательно приспособлены к холодному климату. От мороза их защищает густой мех или толстый слой подкожного жира, у них крупное тело и короткие конечности, что способствует уменьшению площади поверхности по отношению к объему, а значит и сокращению теплоотдачи, кроме того, у многих в тканях и крови присутствуют белки-антифризы. Другие виды просто сокращают активность в холодное время года, на период зимовки позволяя организму сильно остыть и снижая тем самым уровень метаболизма. Способ этот настолько эффективен, что для многих животных настоящую трудность обитания в условиях сурового климата представляет не холод, а скудная кормежка.

Мех (и перо) греет за счет того, что воздух, заключенный между шерстинками или ворсинками, обеспечивает дополнительный слой изоляции. Поднимая шерсть дыбом или ероша перья, животные и птицы увеличивают эту воздушную прослойку и еще больше сокращают утечку тепла. Воздух – очень хороший изолятор. Именно поэтому многослойная одежда греет лучше, чем один, пусть и теплый, слой. То же самое касается нательной майки в сетку – несмотря на свою ажурность, она греет за счет воздушных «карманов». (Сетчатую майку изобрели для британской антарктической экспедиции на Землю Грэма 1920–1922 гг., и в моем детстве они еще были в ходу, хотя сейчас вышли из употребления.)

При сильном ветре защитные функции меха снижаются, поскольку ветер уносит теплый воздух из воздушных пазух. Теплее было бы носить шубу мехом внутрь, как делают эскимосы, но самим животным эта возможность недоступна. Понятно, что в развитых странах мех носится исключительно как дань моде или статусу, а не из практических соображений, поскольку мехом внутрь надеваются только дубленки.

Мех и перья отлично защищают на воздухе, но совершенно бесполезны в воде, поскольку без воздушной прослойки изолирующие свойства теряются. В воде гораздо лучшим изолятором служит жир или ворвань. У тюленей, например, имеются значительные запасы подкожного жира, как и у белых медведей, которые много времени проводят в ледяной воде. Именно поэтому тучный человек в холодной воде продержится дольше худого.

Встав голыми ногами на плавучую льдину, человек немедленно получит обморожение, однако пингвины стоят так всю жизнь – и ничего. Секрет в том, что ласты пингвинов никогда не охлаждаются до температуры льда благодаря кровотоку, который поддерживает в них температуру на несколько градусов выше ноля. Когда температура воздуха падает ниже –10° С, императорские пингвины сокращают точки соприкосновения с поверхностью, опираясь только на пятки и хвост, приподнимая кончики ласт и прижимая плавники к бокам. На первый взгляд может показаться странным, что ласты пингвинов так слабо изолированы, однако на самом деле все просто: остальное тело пингвина изолировано очень хорошо, поэтому сбрасывать излишки тепла, выработанного физической нагрузкой, остается только через немногочисленные «голые» участки, в число которых входят и нижние конечности.

Рыбе затруднительно поддерживать температуру тела выше температуры окружающей воды, поскольку для дыхания ей требуется постоянно прогонять на высокой скорости большое количество крови через жабры, а при этом теряется много тепла. У тунца и акул сформировался сосудистый противоточный теплообменник, позволяющий поддерживать в мышцах температуру на 20° С выше, чем в остальном теле. Подобно описанной в главе 3 rete mirabile у антилоп, эта система представляет собой сеть из сотен переплетенных вен и артерий, но в данном случае тепло передается от нагретой крови, покидающей рабочие мышцы, к более холодной крови с поверхности тела. Нагретые мышцы позволяют тунцу развивать скорость до 18 км/ч. Схожие теплообменники имеются в ластах тюленей и дельфинов, а также в хвостовых плавниках китов, где они предотвращают утечку тепла в ледяные воды. Длинные голые ноги болотных птиц, которые весь день ходят по воде, тоже снабжены rete mirabile. Именно поэтому им, в отличие от человека, «траншейная стопа» не грозит.

Адаптироваться к постоянному холоду животным помогают и биохимические изменения на клеточном уровне, позволяющие функционировать при пониженной температуре. Если человеческие нервы и мускулы, охлаждаясь до 8° С, перестают работать, то у арктических животных они исправно действуют, даже охладившись почти до нуля. Разница эта обусловлена различием в жирах (липидах), которые содержатся в клеточных мембранах. У большинства животных жир при охлаждении делается твердым и ломким, однако жир в ногах у чаек и других обитателей холодных краев отличается совсем иной температурой плавления, чем жир из внутренней полости тела. Жир, добытый из стоп карибу, остается на холоде жидким, поэтому эскимосы используют его в качестве смазки, тогда как жир из верхней части ноги твердеет даже при комнатной температуре, и его употребляют в пищу. В наших краях костяное масло, добываемое из ног рогатого скота, используется для смазывания кожи, чтобы она не трескалась на холоде. Все эти различия в свойствах объясняются количеством насыщенного жира в клеточных мембранах. Насыщенные жиры, такие как сливочное масло, твердеют при низкой температуре, тогда как ненасыщенные жиры остаются мягкими или жидкими, подобно оливковому маслу. Поразительно, что жировой состав мембраны одной и той же нервной клетки может варьироваться на всем ее протяжении: на концах насыщенного жира будет меньше, а в толще глубинных тканей – больше. Таким образом обеспечивается одинаковая проходимость мембраны по всей длине клетки для поддержания нервной и мышечной деятельности даже на холоде.

Как и люди, животные меняют свое поведение, приспосабливаясь к холоду. Условия обитания императорских пингвинов (Aptenodytes forsteri) можно отнести к числу самых суровых на Земле. Птенцы у пингвинов вылупляются в самый разгар зимы, при температуре около –30° С, ужесточающейся ледяными ветрами, скорость которых доходит до 200 км/ч. Гнездовья располагаются не на плавучем льду, а на шельфовом, откуда до открытого моря многие километры. На этой ледяной пустоши нет пищи, поэтому в период высиживания пингвинам приходится голодать. В марте, когда ледяной пояс вокруг Антарктиды сужается, пингвины начинают долгий переход к местам гнездовья. Отложив в конце мая – в июне одно-единственное яйцо, самка отправляется в море охотиться, оставляя супруга высиживать потомство в специальной выводковой камере (брюшной складке) до ее возвращения через два месяца. Самец остается зимовать на ледяной пустоши. Все это время он не ест и выживает исключительно за счет жировых запасов. К возвращению самки он теряет около 40 % веса, однако на этом его голодовка не заканчивается: сдав пост супруге, он вынужден отправляться за едой к открытому морю, которое теперь лежит километрах в двухстах, поскольку за зиму намерз новый береговой лед. В итоге самцу приходится поститься свыше 115 дней – с того момента, как он покидает морской берег, и до возвращения к морю.

Ученые подсчитали, что тепла, вырабатываемого жировыми запасами, недостаточно чтобы поддерживать температуру тела пингвина на привычной для него отметке в 38° С в условиях ледяной антарктической зимы. Как же тогда выживают императорские пингвины? Секрет в их социальном поведении. Взрослые пингвины, а затем и вылупившиеся птенцы сбиваются в плотные стаи по нескольку тысяч особей. Прижимаясь друг к другу, они уменьшают поверхность тела, контактирующую с ледяным воздухом, и тем самым берегут тепло. Эти гигантские стаи находятся в постоянном движении, поскольку пингвины с краев постепенно пробираются к центру, вытесняя согревшихся на окраину.

Таким способом согреваются не только пингвины. Пчелы в холодную погоду тоже сбиваются вместе, что позволяет рою перезимовать при температуре, которая для одинокой пчелы оказалась бы смертельной. Когда температура падает, пчелы жмутся ближе к соседям, тем самым сокращая теплоотдачу. В центре роя температура может достигать 30° С при наружной температуре воздуха в 2° С. На периферии холоднее – около 9° С, но и эта температура позволяет пчеле поддерживать жизнедеятельность. Как и у пингвинов, в пчелином рое также происходит постоянная ротация от краев к центру. Группе людей, застигнутых морозом, тоже не повредит брать с них пример. Хотя человек издавна прибегал к этому способу – например, укладывание всей семьей в одну постель в традиционных сообществах служит той же цели (правда, без ротации от центра к краям эффективность несколько снижается).

Насекомым для полета требуются теплые мышцы – замерзшие летательные мышцы попросту не работают. Именно поэтому кенийцы из племени вакамба обирают гнезда диких пчел по ночам, когда пчелы обездвижены холодом. Поскольку в покое температура тела насекомого близка к температуре среды, перед первым утренним вылетом им приходится разогреваться. Одни для этого просто выползают на солнце, другие – например, мотыльки и пчелы, вырабатывают внутреннее тепло быстрым сокращением летательных мышц. Мотыльки бесшумно дрожат крыльями, а пчелы разогреваются, сокращая только мышцы и не двигая при этом конечностями. Тело шмелей покрыто «шубой», которая уменьшает теплоотдачу почти вдвое. Бабочки, в отличие от мотыльков, в отсутствии солнечного тепла не могут подняться в воздух, поэтому порхающими над цветами мы видим их только в теплые солнечные дни. Рано поутру они протягивают крылья к солнцу, и те, подобно солнечным батареям, аккумулируют тепло и передают его мышцам. Только после этого бабочка может взлететь. Когда солнце скрывается за облаками, температура падает на один-два градуса, и бабочкам снова приходится садиться.

Ящерицы, как и насекомые, относятся к пойкилотермным животным, поэтому обогреваются с помощью солнца. Замерзнув, они поворачиваются перпендикулярно солнечным лучам, чтобы вобрать как можно больше тепла. В пустыне, где земля теплее воздуха, они прижимаются к поверхности, чтобы согреться, а на холодных скалах зарываются в сухую траву. Когда становится слишком жарко, они уходят в тень или забиваются под землю. У крупных животных на обогрев уходит гораздо больше времени, и, скорее всего, именно поэтому крупные рептилии (крокодилы, вараны, комодские драконы и гигантские черепахи) обитают в тропиках. У некоторых ящериц на коже имеются специальные пигментные пятна, регулирующие поступление тепла из окружающей среды. На холоде черные пигментные клетки расширяются и увеличивают поглощение тепла, а на солнце сжимаются, открывая соседние клетки, отражающие инфракрасное излучение. Чтобы в заторможенном состоянии не стать добычей более стремительных хищников, у безухой ящерицы выработались удивительные меры предосторожности. Поутру ящерица высовывает голову из норы, подставляя солнцу большую кровеносную пазуху. И лишь когда нагретая кровь обеспечит нужную температуру тела, ящерица вылезает наружу целиком, готовая при необходимости «унести ноги».

Змеи, подобно человеку и насекомым, вырабатывают тепло сокращением мышц. В 1832 г. французский ученый П. Ламар-Пико предположил, что индийский тигровый питон, сворачиваясь кольцами вокруг кладки яиц, согревает их исключительно теплом собственного тела. В то время к его гипотезе отнеслись скептически, и она была отвергнута Французской академией наук как «спорная и опасная». Однако Ламар-Пико оказался прав. Исследования, проведенные в 1960-х гг., показали, что сокращением мышц питон способен поддерживать температуру тела на 5° С выше температуры окружающей среды.

Крайними способами поведенческой адаптации к холоду являются миграция и зимовка. Мелким млекопитающим в холодном климате не удается поддерживать внутреннюю температуру в 37° С, поскольку им просто не хватает пищи, чтобы обеспечить организм «топливом». Поэтому они на время отказываются от гомойотермности и впадают в спячку, дожидаясь пока потеплеет. Поскольку холодным тканям требуется меньше энергии, метаболические процессы замедляются, тем самым сберегая энергетические запасы, а температура тела постепенно опускается до температуры окружающей среды. Сердечный ритм, дыхание и биохимические реакции тоже затормаживаются. При этом зимняя спячка не пускается на самотек – это не просто отказ от обогрева организма, а переключение «термостата» на более низкую температуру. Если температура окружающей среды падает ниже 2° С, животные начинают активно вырабатывать тепло, поддерживая температуру тела между двумя и пятью градусами, чтобы не промерзнуть. В сильный мороз они могут даже проснуться. Механизмы, погружающие животное в спячку, регулируются температурой, длиной светового дня и доступностью пищи – сокращение этих параметров сигнализирует о приближении зимы. Весной животное выходит из спячки стремительно, поэтому внутренняя температура может в течение полутора часов подскочить на 30° С. Быстрому пробуждению способствуют гормоны, активирующие метаболизм в буром жире, который и согревает тело зверька.

Мелкие птицы отряда воробьиных мигрируют зимой в теплые широты или переселяются с гор в долины. Это помогает им избежать зимних холодов и бескормицы, но в то же время требует определенной физиологической адаптации. Большинству мелких птиц необходимо как следует откормиться перед перелетом, поскольку он отнимает много сил и энергии. Многим приходится делать по дороге остановки для пополнения энергетических запасов, поскольку перелет накладывает весовые ограничения и запасти весь необходимый объем сразу птицы не могут. Забавно, что люди, улетающие в теплые края на зимний отдых, наоборот, стараются перед поездкой сбросить вес.

Жизнь на полюсах

Полярные широты, как и горные вершины, опасны не только из-за холода. В летние месяцы солнце на полюсах не заходит вообще, а просто кружит по небу. В ясную погоду сильное излучение может вызвать солнечные ожоги. Отраженный от снега и льда свет слепит глаза, поэтому для спасения от так называемой снежной слепоты – ожога роговицы, при котором в глаза будто песка насыпали и больно моргать, – необходимо носить солнечные очки. Снежные бураны – когда земля и небо сливаются в одно неразделимое пространство – сильно затрудняют передвижение. Предметы не отбрасывают тени, неровности почвы невозможно различить, а снег и лед оказываются одного оттенка с зияющей рядом полыньей. Поэтому на каждом шагу можно неожиданно провалиться в трещину или врезаться в глыбу льда высотой по грудь. Добыча пищи и воды становится еще более трудоемкой, поэтому без подходящих вспомогательных средств жизнь в холоде для человека опасна, как не раз доказывали на собственном нелегком опыте полярники и альпинисты.

«А ну, давай! – кричала Королева. – Еще быстрее!»

Льюис Кэрролл. Алиса в Зазеркалье

Ветреным майским днем 1954 г. на спортивную площадку Иффли-Роуд в Оксфорде прибыл молодой бегун, собирающийся принять участие в соревнованиях между Оксфордским университетом и Ассоциацией спортсменов-любителей. Из-за шквалистых ветров, дующих уже который день, соревнования не благоприятствовали мировым рекордам по бегу. Однако Роджеру Баннистеру удалось пробежать милю меньше чем за четыре минуты. Баннистер, выпускник Оксфордского медицинского факультета и уже знаменитый бегун на милю, выступал за команду Ассоциации вместе со своими друзьями Крисом Чатауэем и Крисом Брейшером. Оба Криса сыграли немаловажную роль в его победе, задавая темп и следя, чтобы Роджер не зарвался, не растратил все силы на раннем этапе и смог выдержать темп на протяжении всей дистанции. Баннистер пересек финишную черту через 3 мин. 59,4 сек. и повалился на землю. Как он писал позже в своей автобиографии: «Я чувствовал себя сгоревшей фотовспышкой, лишившейся воли к жизни… Кровь отхлынула от мышц, ноги подкосились. Все конечности будто зажали в тугих тисках». Однако паралич был временным. Через несколько минут, когда объявили результат и раздался восторженный рев болельщиков, Баннистер с друзьями совершили круг почета по стадиону. Победа Баннистера вошла в число величайших атлетических достижений столетия, и хотя сэр Роджер стал впоследствии выдающимся неврологом, большинство помнят его именно по той исторической победе.

До того как Роджер Баннистер установил свой рекорд, считалось, что пробежать одну милю менее чем за четыре минуты невозможно. Продемонстрировав, что это не так, он расширил горизонты для других спортсменов, и через несколько месяцев был побит уже и его рекорд. На сегодняшний день многим бегунам (но пока не бегуньям) удалось не только повторить, но и превзойти его достижение.

Текущий мировой рекорд в беге на милю, составляющий 3 мин. 43,13 сек., был установлен марокканцем Хишамом эль-Герружем 7 июля 1999 г. При этом его результат всего на 1,26 сек. превосходит предыдущий рекорд, принадлежащий Нуреддину Морсели. Постоянно оспариваются и другие мировые рекорды, причем разница между результатами сокращается все больше. Последние рекорды в стометровке, установленные Морисом Грином в 1999 г. и Усэйном Болтом в 2009-м, составляют 9,79 и 9,58 с. соответственно. Двадцать одна сотая секунды за десять лет. Возможно, нынешний мировой рекорд – это и есть практически предел человеческой скорости.

В этой главе мы рассмотрим физиологические рамки скорости, выносливости и силы, а также факторы, определяющие быстроту нашего бега, дальность прыжка и предел поднимаемого веса.

Энергетические вопросы

Когда бегун ждет выстрела стартового пистолета, в его организме заблаговременно включаются различные механизмы, готовящие тело к предстоящей гонке. Повышается уровень адреналина в крови, учащая пульс и заставляя сердце сокращаться сильнее. В результате возрастает объем крови, перекачиваемой с каждым ударом. Дыхание делается глубже и может слегка участиться. Мышцы напрягаются, кровоток от других тканей перенаправляется к ножным мускулам. Все это происходит еще до того, как спортсмен пустится бежать.

Ба-бах! Гремит выстрел, бегуны срываются с места. Моментально подскакивает частота и глубина дыхания. Сердечный ритм стремительно поднимается до максимального, возрастает объем крови, выбрасываемой с каждым ударом. Гемоглобин в эритроцитах отдает мышцам больше кислорода в ответ на их возросшую потребность. Когда спринтер мчится во весь опор, его мышцы вырабатывают гигантское количество тепла и кожа краснеет, поскольку кровь приливает к поверхности, чтобы помочь телу охладиться. Через несколько секунд бега изначальные запасы энергии истощаются, в мышцах начинает накапливаться молочная кислота и спортсмен ощущает нехватку кислорода. Дальше наступает предел усталости, поскольку организм уже не может с необходимой оперативностью обеспечивать мышцы топливом и кислородом. Если бегун не останавливается, процессы идут на спад. Сердечный ритм становится неравномерным, минутный объем сердца уменьшается, падает содержание кислорода в крови и повышается температура тела. Бегун теряет координацию и близок к потере сознания.

Никто, даже самый опытный спортсмен, не сможет долго бежать на пределе возможностей. Бег на длинные дистанции требует других навыков. Для того чтобы максимально быстро преодолеть большое расстояние, темп должен быть медленнее – только тогда мышцы смогут снабжаться топливом и кислородом, не исчерпывая своих ресурсов. Марафонцам приходится искать компромисс между скоростью и выносливостью.

Ключ к этому компромиссу – в том, насколько быстро вырабатывается энергия (в виде аденозинтрифосфата), необходимая для сокращения мышц. Аденозинтрифосфат (АТФ) – это очень специфическая молекула. Это универсальный источник энергии, биохимическое топливо, которое питает клетки всех живых организмов, от бактерий до растений и животных. АТФ состоит из аденозина и трех остатков фосфорной кислоты (фосфатных групп). Остаток фосфорной кислоты – это самая важная часть молекулы, поскольку фосфатные группы присоединяются с помощью высокоэнергетических химических связей. При отщеплении фосфатной группы высвобождается содержащаяся в связях энергия, которая идет затем на сокращение мышц. Однако КПД сокращения невысок, поэтому в работе задействуется примерно половина накопленной в АТФ энергии. Остальная выделяется в виде тепла – вот почему от бега нам становится так жарко.

Несмотря на повышенную потребность в АТФ, в мышцах ее очень мало – хватит всего на одну-две секунды интенсивной нагрузки. Поэтому запасы АТФ необходимо постоянно пополнять, присоединяя фосфатную группу к молекуле аденозиндифосфата (АДФ), образующейся при отщеплении одной фосфатной группы. Непосредственным источником высокоэнергетического фосфата для восстановления АТФ служит креатинфосфат, присутствующий в мышцах в относительном избытке. Креатинфосфат также является высокоэнергетическим соединением, однако, в отличие от АТФ, не может напрямую использоваться для сокращения мышц. Вместо этого он отдает высокоэнергетический фосфат в АДФ, образуя АТФ. Креатинфосфата в мышцах хватает на шесть-восемь секунд полной нагрузки – спринтерский рывок на 50 м или теннисную подачу, пушечным ударом посылающую мяч через весь корт на скорости более 200 км/ч, но и эти запасы тут же истощаются.

Когда заканчивается креатинфосфат, запасы АТФ пополняются за счет метаболизма (расщепления) углеводов или жиров. В мышцах содержится ограниченный запас углеводов в форме гликогена (животного крахмала), составляющего обычно 1–2 % мышечной массы. Его хватает примерно на час нагрузки, после чего глюкозу и жир приходится извлекать из «кладовых» печени и жировых тканей. Для расщепления жира требуется кислород, а углеводы расщепляются либо кислородным путем (аэробным), либо бескислородным (анаэробным). При аэробном метаболизме, ввиду повышенной потребности в кислороде, энергия вырабатывается медленнее, чем при анаэробном. Это значит, что жиры в качестве непосредственного источника энергии уступают гликогену или глюкозе. Кроме того, жирам для расщепления требуется больше кислорода. Таким образом, для быстрого бега лучшим топливом являются углеводы.

Анаэробное расщепление гликогена и глюкозы выступает источником срочного пополнения запасов АТФ при интенсивной нагрузке и поэтому играет большую роль в таких видах спорта, как футбол, для которого характерны короткие рывки, истощающие запасы АТФ. Однако анаэробный метаболизм не может продолжаться бесконечно, поскольку в результате образуется молочная кислота, замедляющая работу мышц и вызывающая усталость. Процесс этот, кроме того, вызывает боль и приводит к «работе на разрыв аорты», о которой так часто говорят тренеры. В данном случае «на разрыв аорты» значит на пределе своих анаэробных возможностей. После окончания нагрузки молочная кислота должна выводиться из организма, и на это тоже требуется кислород. Британский физиолог Арчибальд Хилл назвал это дополнительное количество кислорода «кислородной задолженностью». Именно из-за нее после жаркого матча в сквош мы еще долго не можем отдышаться, даже перестав прыгать с ракеткой. Чем интенсивнее тренировка, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше времени требуется на восстановление. То есть анаэробная нагрузка хоть и позволяет выиграть время, но ненадолго и дорогой ценой.

Несмотря на то что при анаэробном метаболизме энергия высвобождается быстро, АТФ образуется сравнительно немного – всего две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Аэробный метаболизм в этом отношении гораздо эффективнее, поскольку производит на целых 34 молекулы АТФ больше. Любая нагрузка, длящаяся дольше двух-трех минут, происходит за счет увеличивающегося аэробного метаболизма. В беге на 1000 м (2,5 мин.) аэробный метаболизм обеспечивает примерно половину энергии, в четырехминутном забеге на милю – 65 % энергии, а в марафоне – почти всю энергию. Поскольку для аэробного метаболизма требуется кислород, скорость производства АТФ ограничена скоростью поставки кислорода к тканям. Что, в свою очередь, зависит от возможностей сердца и легких.

Потребность в кислороде

В покое взрослый человек потребляет около трети литра кислорода в минуту. При интенсивной нагрузке потребность в кислороде возрастает более чем в 10 раз у неспортивных людей и до 20 раз у спортсменов. Это значит, что должна сильно возрасти скорость, с которой кислород поглощается легкими и поставляется сердцем и кровеносной системой к тканям. Как ни удивительно, фактором, ограничивающим потребление кислорода мышцами, служит не объем легких и не способность мышц извлекать кислород из крови, а скорость, с которой сердце перекачивает кровь.

Нормальный систолический объем крови составляет 5,5 л в минуту, то есть за минуту через сердце перекачивается почти вся имеющаяся в организме кровь (5 л). При интенсивной нагрузке минутный объем может возрастать в 5 раз у обычного человека, а у тренированного спортсмена мирового класса еще больше – у них максимальный систолический объем составляет 35–40 л в минуту. В результате возрастает не только приток крови к скелетным мышцам (которые двигают конечностями), но и извлечение кислорода из воздуха. Поскольку кровь быстрее проходит через легкие, за минуту она забирает больше кислорода.

Как сердце регулирует систолический объем в соответствии с потребностями работающих мышц? Один способ – увеличить частоту сердцебиения. Это достигается за счет выброса в кровь адреналина. Другой способ – увеличить объем крови, перекачиваемой сердцем. К этому тоже приводит выброс адреналина и еще один механизм, названный эффектом Франка – Старлинга в честь открывших его физиологов Отто Франка и Эрнеста Генри Старлинга. Их исследования показали, что, растягиваясь от притока венозной крови, сердечная мышца сокращается сильнее, увеличивая объем крови, выбрасываемой при каждом ударе. Когда сердечный ритм повышается, кровь циркулирует быстрее, поэтому левый желудочек заполняется венозной кровью скорее и плотнее, тем самым увеличивая силу сердечных сокращений. Однако объем крови, перекачиваемой с каждым ударом, не может увеличиваться бесконечно – он достигает предела, когда нагрузка составляет примерно треть от пиковой. Дальнейшее увеличение минутного объема кровообращения происходит исключительно за счет ускорения сердечного ритма.

В замкнутых системах, таких как кровеносная, увеличение насосной силы сердца приведет к увеличения давления, если одновременно не снизится сопротивление кровотоку. Так, например, закачивание воздуха в пустую велосипедную камеру повышает давление, если камера целая, но если она дырявая, то качать бесполезно. При нагрузке кровяное давление не повышается, поскольку значительно падает сопротивление благодаря массированному оттоку крови к мышцам. У покоящейся мышцы капилляры в основном сжаты. Под нагрузкой эти дремлющие капилляры расширяются для более интенсивного снабжения кровью и, соответственно, кислородом. Объем извлекаемого из крови кислорода также возрастает: в покое мышцы потребляют лишь около 25 % поставляемого кровью O2, но при сильной нагрузке эта доля увеличивается до 85 %.

Однако увеличения минутного объема может оказаться недостаточно для того, чтобы питать кислородом интенсивно работающую мышцу, поэтому при самых серьезных нагрузках кровь к мышцам перенаправляется от мало задействованных в данный момент органов. Почки, например, могут получать в таком случае менее четверти обычного объема крови. Приток крови к коже, наоборот, не уменьшается или даже возрастает, чтобы сбрасывать тепло, вырабатываемое мышцами. Больше крови требует и сердечная мышца – это знают по себе страдающие коронарной недостаточностью. Физическая нагрузка вызывает у них боль в груди, поскольку поврежденные коронарные артерии не могут обеспечить возросшие потребности сердечной мышцы. Неизменным остается только кровоснабжение головного мозга.

Общеизвестно, что при беге мы дышим глубже и чаще, и чем интенсивнее нагрузка, тем чаще дыхание. Резкая смена дыхания происходит в течение нескольких секунд после начала нагрузки, еще до того, как мышцам понадобится дополнительный кислород. Организм будто предугадывает скорый рост потребления и готовится заранее. Если нагрузка продолжается, дыхание учащается еще больше. Физиологи до сих пор выясняют, за счет чего происходит смена дыхательного ритма. Однако достоверно известно, что дыхание в число ограничивающих нагрузку факторов не входит. Человеку не может «не хватить дыхания». Наоборот, многие дышат даже слишком часто. Выглядит это так, будто человек судорожно хватает воздух, но проблема не в том, что легким не хватает кислорода, а в том, что сердце не успевает оттранспортировать его к тканям. Только на больших высотах дыхание может как-то влиять на объем нагрузки.

Физические упражнения не просто помогают поддерживать тело в хорошей форме, от них есть и другая польза. Например, они повышают настроение. У бегунов в кровь выбрасываются химические вещества под названием эндорфины. В их названии (эндогенные морфины) отражена способность воздействовать на те же рецепторы, на какие действуют морфины. Подобно синтетическим опиатам, они снимают боль, способствуют расслаблению и улучшают самочувствие. Если человек несколько подустал от жизни, ему настоятельно рекомендуется выйти во двор и поделать зарядку. Эндорфины помогут поднять настроение, а упражнения добавят бодрости, и вы сразу почувствуете себя молодцом.

В отличие от опиатов вроде морфина и опия, попасть в зависимость от эндорфинов, которые вырабатываются в небольшом количестве и оказывают слабое воздействие, вряд ли получится. Однако многие поклонники спорта успевают пристраститься к «тренировочной эйфории», и вынужденный отказ от тренировок из-за травмы или болезни вызывает у них беспокойство и раздражение. Опасаться этого, наверное, не стоит. В конце концов, привычка к регулярным занятиям физкультурой – всегда на пользу.

Ты то, что ты ешь

Если для болидов «Формулы-1» используется особенное высокооктановое топливо, то для мировых рекордов необходима особая диета. Спортсмены сжигают калории в избытке. У лидера гонки «Тур де Франс» уходит около 5900 ккал в день, у триатлонистов – около 4800 ккал, у футболистов – до 1500 ккал в день только на тренировках, а марафонский забег отнимает примерно 3400 ккал{26}. Примерно столько же уходит у рабочих, занимающихся интенсивным физическим трудом – например, лесорубов. Неспортивному домоседу, в отличие от них, требуется совсем немного, около 1500–2000 ккал в день (однако потребляет он зачастую гораздо больше).

Традиционно спортсменам рекомендуется белковая диета. Когда я училась в университете, одним из преимуществ попадания в команду по гребле было особое питание – бифштекс на завтрак, обед и ужин (для наращивания мышечной массы и повышения выносливости). Согласно недавнему опросу, 98 % участников университетских сборных также полагаются на белковую диету, считая, что она помогает улучшить результаты. Однако надежды эти беспочвенны, поскольку нет никакого научного подтверждения тому, что повышенное потребление белков или дорогих белковых добавок способствует спортивным достижениям.

Совсем другое дело углеводы. Многие исследования свидетельствуют, что высокоуглеводная диета повышает результаты. Для физически активного человека около 60 % кал должно поступать с углеводами, а для интенсивно тренирующегося – пожалуй, все 70 %. Основным источником топлива для аэробного и анаэробного метаболизма является гликоген – углеводы, запасаемые в мышцах и в печени. Чем интенсивнее нагрузка, тем больше гликогена потребляет организм. Запасов гликогена в мышцах хватает примерно на час тренировки, и если она длится дольше, то истощаются и запасы гликогена в печени. Тогда силы спортсмена уменьшаются, поскольку энергию приходится добывать из жиров, а они не могут поставлять АТФ с той же скоростью, что и углеводы.

Во время изнурительных упражнений происходит значительное истощение гликогеновых запасов и их необходимо сразу же восполнять, иначе спортсмен не сможет на следующий день тренироваться с той же нагрузкой. Это значит, что после хорошей тренировки лучше (как ни печально) подкрепиться картошкой с хлебом, чем копченой семгой со сливочным сыром. Вторая же трудность состоит в том, что даже при достаточном потреблении углеводов гликогеновые запасы восполняются не слишком быстро – на это уходит около суток. А значит, непродуманные напряженные тренировки могут постепенно истощить мышечные запасы гликогена подчистую. В результате наступает «застой», когда спортсмен все больше переутомляется из-за нехватки энергии и сил.

Представители дисциплин, требующих от спортсмена особой выносливости, иногда специально накачиваются углеводами, чтобы максимизировать запасы гликогена в мышцах перед соревнованиями. Путем проб и ошибок удалось установить, что сперва для этого необходимо сбросить накопленный в соответствующих мышцах гликоген с помощью интенсивной нагрузки. Для марафонца, например, это бег на 20 миль. Дальнейшее освобождение осуществляется за счет умеренных тренировок в течение нескольких дней при низкоуглеводной диете. Затем, за два – три дня до соревнований, нагрузка снижается, а диета сменяется высокоуглеводной. В результате истребления гликогеновых запасов и высокоуглеводной диеты происходит «затаривание» тренированных мышц гликогеном. Однако такой способ подходит лишь для дисциплин на выносливость, которые предполагают высокоинтенсивную нагрузку, продолжительностью более часа. В других видах спорта достаточно обычной сбалансированной диеты.

Идеальным топливным ресурсом выступает жир, поскольку при том же весе он содержит больше энергии, чем углеводы. Потенциальная энергия жировых запасов среднестатистического студента мужского пола составляет целых 95 000 ккал – более чем достаточно, чтобы пройти пешком 9500 миль (три раза от Бостона до Сан-Франциско). У женщин жировых запасов больше, поэтому их хватит еще на более дальнюю дистанцию. Энергии из углеводных запасов хватает лишь на 20-мильную прогулку. Из этого следует, что марафонцам, для того чтобы добраться до финиша, необходимо рассчитывать именно на жировые запасы. При умеренной нагрузке в течение первого часа энергия поступает примерно в равных количествах из жиров и углеводов, однако потом углеводные запасы постепенно истощаются и организм все больше расходует жиры. Немаловажный факт для худеющих.

Скорость против выносливости

Трудно преуспеть во всех видах спорта. Спринтеры и тяже– лоатлеты плохо приспособлены к дисциплинам на выносливость, тогда как марафонцы пробегают 26 миль, покрывая примерно одну милю в пять минут, но уложиться в четыре минуты в забеге на милю не могут. Эти различия связаны как с генетическими особенностями спортсменов, так и с воздействием тренировок на сердце и скелетные мышцы.

Мышцы, с помощью которых мы двигаем конечностями, состоят из множества отдельных клеток под названием «мышечные волокна». Эти волокна прилегают друг к другу, образуя длинные тонкие мышечные пучки, придающие мясу его волокнистую структуру. Мышечные пучки, в свою очередь, собираются в мышцы и прикрепляются к костям сухожилиями. Мышечные волокна бывают двух видов – быстрые и медленные. Быстрые, как следует из названия, сокращаются стремительно. Однако они и устают быстро. Они задействуются при короткой интенсивной нагрузке, в спринте или тяжелой атлетике, а также в тех видах спорта, где необходимы короткие интенсивные рывки – как в хоккее на льду, например. Быстрые мышцы работают в основном на анаэробном метаболизме, не требующем кислорода. Второй тип мышц сокращается по крайней мере в два раза медленнее быстрых, однако при этом они отлично сопротивляются усталости. Метаболизм в них происходит с участием кислорода, и эти мышцы задействуются в спорте, требующем выносливости, – беге на длинные дистанции или плавании.

У неспортивного человека медленные мышцы составляют примерно половину всех мышечных волокон, однако у спортсменов-стайеров, например лыжников, участвующих в кроссах, их доля доходит до 90 %. И наоборот, у спринтеров и тяжелоатлетов преобладают быстрые мышцы. Как несложно догадаться, у спортсменов, специализирующихся на средних дистанциях или представляющих дисциплины, где нужна и скорость, и выносливость (футбол, например), быстрых и медленных мышц примерно поровну. Поэтому такое процентное соотношение совсем не обязательно характеризует человека как неспортивного лежебоку. Разумеется, человек, у которого изначально преобладают быстрые мышцы, больше приспособлен к спринту, чем к марафону. Остается выяснить, обусловлено ли преобладание того или иного типа волокон чистой генетикой или поддается исправлению с помощью тренировок. Пока считается, что тренировки мало влияют на соотношение типов мышц у человека – быть ему спринтером или стайером, определяет генетика.

Как сокращаются мышцы

Механизм сокращения мышц ставил ученых в тупик не одно столетие. Не далее как в 1950-х было высказано предположение, что сокращение мышцы происходит за счет укорачивания самих сократительных белков. Другими словами, сократительный белок из растянутого состояния переходит в сжатое, подобно молекулам резины в эластичном бинте, который сперва растянули, затем отпустили, или виткам «шагающей пружины».

Сейчас уже известно, что гипотеза эта была ошибочной. Сокращение мышц происходит, когда белковые нити двух типов скользят параллельно друг другу, обеспечивая укорачивание мышцы, но сами при этом не меняются в длину. Попробуйте сперва сомкнуть кончики пальцев обеих рук, а затем сцепить пальцы в замок, и вы получите ту же картину: общая длина сократится, а длина пальцев – разумеется! – останется прежней.

Сократительные белки бывают двух типов – в виде толстых и тонких нитей. У толстых по всей длине имеется множество крючков, которые могут цепляться за определенные участки тонких нитей. Разрывая эти связующие перемычки и вновь возводя их чуть дальше, толстые нити протягивают тонкие между собой, тем самым сокращая мышцу. Чем больше нахлест нитей, тем больше образуется перемычек и тем большую силу развивает мышца. И наоборот, когда мышца растянута, перемычек не образуется и сила не развивается, поэтому мышца расслаблена.

Как именно работают эти перемычки между толстыми и тонкими нитями, пока не очень понятно, и физиологам еще предстоит разгадать эту загадку. Однако точно известно, что разрыв и восстановление перемычек – процесс энергоемкий, с расходованием АТФ. Именно поэтому, когда после смерти уровень АТФ в организме падает, наступает трупное окоченение, поскольку для разрыва перемычек требуется энергия, и без АТФ мышца не может разжаться.

Различия в типах мышц наблюдаются не только у млекопитающих. У пелагических рыб, живущих в толще или на поверхности воды (таких как скумбрия или тунец), имеются медленные мышцы, отвечающие за непрерывное фланирование на невысокой скорости, и быстрые, которые включаются во время коротких рывков – например, когда надо удрать от хищника. Эти два типа мышц выглядят совершенно по-разному, как вы сможете убедиться сами, рассмотрев разделанного тунца в ближайшем рыбном отделе или попросив в суши-баре «торо» и «магуро». Быстрые мышцы – белого цвета. Медленные мышцы – насыщенно красного, поскольку содержат большое количество родственных гемоглобину молекул белка миоглобина. Он выступает временным источником кислорода, когда при интенсивном сокращении мышц капилляры сжимаются и уменьшается приток обогащенной кислородом крови. Когда приток крови восстанавливается, происходит пополнение израсходованных запасов.

Полный вперед!

Сердечный ритм у спринтера учащается еще до того, как он пускается бежать. Когда он сжимается в пружину на низком старте, напряжение стимулирует выброс в кровь адреналина, который переключает сердце на «повышенную передачу». Ученые установили, что перед забегом на 60 ярдов (около 60 м) пульс тренированного спортсмена взлетает до 148 ударов в минуту (т. е. сразу на 75 % от общего учащения сердечного ритма во время забега). Для короткого рывка такое предваряющее учащение крайне важно, поскольку «разогревает» тело перед предстоящей нагрузкой. Для длинных дистанций, где быстрый старт не так важен, оно малосущественно. Замечено также, что, чем длиннее предстоящая дистанция, тем меньше учащение сердечного ритма перед стартом. Значит ли это, что напряжение (а следовательно, и уровень адреналина) перед долгим забегом ниже?

Для спринтера крайне важен хороший старт. Он позволяет отвоевать те самые жизненно важные сотые доли секунды, которые отделяют победу от поражения. Однако слишком спешить тоже нельзя, иначе могут дисквалифицировать за фальстарт. Где же граница между «достаточно быстро» и «чересчур быстро»? Очевидно, что ее определяет быстрота реакции спортсмена – пока спортсмен услышит стартовый сигнал, пока нервные импульсы дойдут от уха до мозга, обработаются в коре и новые импульсы отправятся от мозга к ногам. Быстрота реакции человека лежит в пределах от 0,1 до 0,2 сек., поэтому Международной ассоциацией легкоатлетических федераций (ИААФ) установлено, что бегун, сорвавшийся со стартовой отметки раньше 0,1 сек., совершает фальстарт. На Олимпийских играх 1996 г. в Атланте британский бегун на 100 м Линфорд Кристи пустился бежать через 0,08 сек. после стартового выстрела и был дисквалифицирован. Возможно, впрочем, несправедливо. Как показывают последние исследования, в некоторых случаях человеческая реакция может оказаться быстрее 0,1 сек. Физиолог Жозеп Вальс-Соле и его коллеги установили, что время, которое требуется человеку на то, чтобы шевельнуть запястьем или ступней в ответ на световую вспышку, может сократиться почти вдвое, если к вспышке добавить громкий звуковой сигнал. Они предположили, что эта так называемая «стартовая реакция» поступает в мозг, минуя кору, более короткими и быстрыми путями. Интересно, что испытуемые сами заметили разницу – движение во втором случае получалось безотчетное, нецеленаправленное. Возможно, ведущим спортсменам удается выработать именно такую реакцию, «настраивая» себя на старте.

Интенсивная кратковременная нагрузка требует очень быстрого пополнения запасов энергии. Сперва почти вся энергия поступает из имеющихся запасов АТФ и креатинфосфата, которых хватает на 15 секунд предельного напряжения сил. Затем включается анаэробный метаболизм, перерабатывающий в АТФ мышечные запасы гликогена. Анаэробный метаболизм происходит без участия кислорода, поэтому сто с лишним метров спортсмен может пробежать на задержке дыхания без потери скорости (некоторые так и поступают). Однако при анаэробном метаболизме образуется молочная кислота, которая накапливается в мышцах и вызывает усталость. Именно из-за постепенного накопления молочной кислоты стометровку и двухсотметровку спринтер пробегает примерно с одинаковой скоростью, а на дистанции свыше 400 м скорость уже значительно ниже. Майкл Джонсон, которому принадлежат текущие рекорды в беге на обе дистанции, преодолел 200 и 400 м за 19,23 и за 43,18 сек. соответственно. Чтобы выдержать на 400 м ту же скорость, что и на 200 м, ему пришлось бы уложиться в немыслимые 38,46 сек.

Запасы креатинфосфата в мышцах определяют, сколько человек сможет пробежать на максимальной скорости, поскольку лишь после истощения этих запасов включается анаэробный метаболизм и начинает накапливаться молочная кислота. Для высококлассного спринтера это существенно, поскольку победу от поражения (олимпийскую золотую медаль и дырку от бублика) в его дисциплине могут отделять сотые доли секунды. Таким образом, человек, обладающий от природы низким уровнем креатина, заведомо обречен на проигрыш. Уравнять шансы помогают креатиновые добавки. При обычном рационе запасы пополняются примерно на один грамм в день, на вегетарианской диете почти не пополняются, поскольку основным источником креатина служат мясо и рыба. Принимая по 20 г чистого креатина в день (что гораздо предпочтительнее, чем съедать по 15 бифштексов, чтобы усвоить такое же количество из пищи) в течение нескольких дней, можно существенно повысить уровень креатина в мышцах, улучшить спринтерские результаты и обеспечить более интенсивные тренировки. Прием креатина не нарушает антидопинговые правила Международного олимпийского комитета и не имеет побочных эффектов (во всяком случае, на данный момент таковых не выявлено).

Достаточно одного взгляда на спринтера мирового уровня вроде Мориса Грина, чтобы заметить: его комплекция отличается он комплекции бегунов на длинные дистанции. Скорость – синоним силы, поэтому спринтеры обладают развитой мускулатурой, ведь чем крупнее мышцы, тем они мощнее. Несложно догадаться, что для «выстреливания» из стартовых колодок и стремительного набора скорости необходимы сильные ножные мышцы. О мышцах корпуса тоже нельзя забывать, поскольку при беге спортсмен изо всех сил отталкивается от земли обеими ногами попеременно. Корпус при этом разворачивает из стороны в сторону, что снижает скорость бега, поэтому спортсмен должен удерживать его прямо, а для этого нужна сила.

Любому бегуну приходится преодолевать сопротивление воздуха. Бежать против ветра гораздо сложнее, чем когда он дует в спину и подгоняет спортсмена. Именно поэтому мировой рекорд фиксируется лишь в том случае, если скорость попутного ветра не превышает трех миль в час. На борьбу с сопротивлением воздуха у спринтера уходит около 13 % энергии. У бегуна на средние дистанции – около 8 % (поскольку скорость бега меньше). Снизить сопротивление почти до нуля можно, пристроившись за чьей-то спиной, – бегунам на средние дистанции разрешается перестраиваться в процессе забега, в отличие от спринтеров, бегущих каждый по своей дорожке. Поэтому, понаблюдав за группой бегунов, делающих круг по стадиону, вы увидите, что некоторые пристраиваются за лидером, укрываясь за его спиной от встречного потока, а перед финишем делают решающий рывок. Ту же тактику используют велосипедисты и жокеи. Особенно это заметно на командных велогонках, когда лидеры в команде чередуются через каждые несколько минут. Стратегия не менее важна для победы, чем физические способности.

Не сойти с дистанции

В V в. до н. э. в Грецию вторглись персы. Они высадились у Марафона, небольшого селения к северу от Афин. Войско их было так велико, что прибывшие афиняне, увидев, насколько противник превосходит их числом, разослали по всей Греции гонцов с просьбой прислать подкрепление. Согласно Геродоту, опытный бегун Фидиппид, отправленный в Спарту, прибыл туда через день после старта из Афин, покрыв расстояние в 150 миль. По легенде, через несколько дней он пробежал еще 25 миль{27} от Марафона до Афин, чтобы возвестить о победе греков над персами. Однако это не более чем легенда, поскольку в это время Фидиппид еще не вернулся из Спарты, и первым марафонцем стал на самом деле другой воин – Эвклес. Вероятно, он был не таким опытным бегуном, как Фидиппид, поскольку, сообщив радостную весть, свалился замертво, обессмертив одновременно свой подвиг. К счастью, в наше время случаи смерти марафонцев на финишной прямой крайне редки.

Очень символично, что победителем в первом марафоне современных Олимпийских игр, состоявшихся в 1896 г. в Афинах, тоже стал грек. В этих любительских, проникнутых доброжелательной атмосферой состязаниях спортсмены сами делали заявку на участие. Вот что писал Томас Кертис, американец, победивший в беге с барьерами:

«В последний день состязаний Греция взяла свое. В большом марафонском забеге остальных участников опередил греческий погонщик ослов Луис. Когда он показался на финишной прямой, 125 000 человек пришли в неистовство. Со стадиона в небо взмыли тысячи белых голубей, спрятанных в ящиках под сиденьями. Овация была громогласной. Победителя увенчали всеми лаврами, которые доставались олимпийцам древности, и множеством новых. На этой триумфальной, радостной ноте и закончились соревнования».

После такого феерического начала марафон стал популярным соревнованием, в котором проверить себя на выносливость могут и спортсмены, и обычные люди. В Лондонском марафоне ежегодно принимает участие более 30 000 человек (и принимало бы еще больше, если бы не ограничения на количество заявок). Похожие забеги проводятся по всему миру. Однако марафон – это еще не самое изнурительное испытание. Существуют и более длинные забеги по более сложной местности, как, например, «Песчаный марафон» – 130 изматывающих миль по барханам Сахары под палящим солнцем – или марафонский спуск со склона Эвереста со всеми прилагающимися высотными трудностями. Кроме того, есть еще триатлон серии «айронмен» – наверное, самая суровая из всех дисциплин, включающая марафон, велогонку на 112 миль и напоследок двухмильный заплыв. Первые соревнования по триатлону состоялись в 1978 г. на Гавайях и собрали всего 14 участников. Однако затем этот вид спорта, как и марафон, стал стремительно обретать популярность, и сегодня в состязаниях по триатлону на разных дистанциях соревнуется по всему миру несколько миллионов человек. Ведущие триатлонисты, как и их коллеги декатлонисты, – это совершенно особое братство избранных, поскольку добиваются высочайших результатов в нескольких дисциплинах сразу.

Марафон – это испытание на выносливость. Текущий мировой рекорд, принадлежащий бразильцу Рональдо да Коста, составляет 2 ч. 6 мин. и 5 с., то есть около 4,8 мин. на милю. Нетренированный человек даже одну милю пробегает гораздо медленнее. У большинства (даже у тренированных спортсменов) на марафонскую дистанцию времени уйдет намного больше: например, средний результат для Лондонского марафона – три-четыре часа.

Быстрый старт для марафона не важен. Гораздо важнее держать ровный темп на протяжении всей дистанции. Во время долгосрочного забега почти вся энергия поступает за счет аэробного метаболизма, поэтому бегун должен держать скорость, обеспечивающую поступление кислорода к мышцам с соответствующей потреблению скоростью. Логично, что скорость его бега окажется меньше, чем у спринтеров. Однако низкий уровень анаэробного метаболизма минимизирует накопление молочной кислоты, и спортсмен может бежать дольше. В беге на выносливость в основном задействуются медленные мышцы, настроенные на аэробный метаболизм.

Бегуны-стайеры обычно легкие и жилистые – идеальным для них считается соотношение роста (в сантиметрах) и веса (в килограммах) в пропорции три к одному. Доля жира в их теле составляет всего 3 % – меньше, чем у гимнастов и профессиональных футболистов, и существенно меньше, чем у неспортивного человека (у него на жировую прослойку приходится около 15 %). Тем самым сокращается «мертвый груз» и обеспечивается лучшая отдача тепла во время долгого забега. Перегрев – это серьезная опасность для стайера, поэтому бегунов на дистанции постоянно окатывают водой и обеспечивают питьем, а в жарких странах марафон проводится в прохладные утренние часы.

Первые полтора часа забега энергия черпается из мышечных запасов гликогена. Истощив эти запасы, организм постепенно переключается на жир. На расщепление жира уходит больше кислорода, чем на углеводы, поэтому с истощением запасов гликогена возрастает потребность в кислороде. Где-то на пятнадцатой-двадцатой миле большинство бегунов ощущают внезапную усталость и нехватку дыхания, низкий уровень сахара в крови вызывает головокружение и тошноту, и им приходится замедлять темп. Наступает предел возможностей. Вот как описывает это ощущение Майк Страуд: «Все удовольствие пропало. Мысли и тело не слушались, ноги стали одновременно негнущимися и заплетающимися… будто не моими, делали что хотели… Я едва мог бежать дальше и постоянно спотыкался».

Мой знакомый, столкнувшийся с таким же состоянием во время велогонки, подумал сперва, что у велосипеда отказали тормоза. Он слез с велосипеда посмотреть, в чем дело, и только тогда обнаружил, что подвел его не снаряд, а собственное тело. Переключение с углеводных запасов энергии на жировые происходит достаточно неприятно, и даже если продолжать двигаться в замедленном темпе, лучше не становится. Последующие мили даются невероятно тяжело – все, кроме последней. Финишная прямая вызывает выброс адреналина, открывая второе дыхание, на котором новичок (или даже опытный спортсмен) и долетает до финиша.

Упадок сил

Есть люди, у которых одна мысль о физической нагрузке вызывает ощущение усталости, однако на самом деле усталость – это реально существующее физиологическое явление. Это неспособность мышц поддерживать одинаковый КПД при долгом сокращении или серии повторяющихся сокращений. Именно поэтому валится на стол рука в армрестлинге, не получается сделать много подъемов туловища (или, в моем случае, хотя бы один) в упражнении на пресс и бесконечно выдерживать скорость на длинной дистанции.

К усталости могут приводить изменения непосредственно в клетках мышц. Самый очевидный механизм, вызывающий потерю энергии, – это невозможность сохранять баланс между потреблением энергии (т. е. АТФ) сокращающимися мышцами и ее воспроизводством. Однако, хоть уровень АТФ и падает во время интенсивной нагрузки, иссякнуть совсем она не может. Мышечные клетки, в которых АТФ истощается подчистую, вызывают мышечную ригидность, жесткость мышц, которая после смерти человека проявляется трупным окоченением. При жизни даже во время самой сильной нагрузки такой жесткости не возникнет. Возможно, усталость служит в таком случае защитным механизмом, заставляющим мышцы прекратить работу до того, как запасы АТФ истощатся до критического уровня.

Что же провоцирует мышечную усталость? Основных механизмов два, и оба связаны с ионами кальция, вызывающими сокращение мышц. При продолжительном непрерывном сокращении количество кальция, высвобождающегося из межклеточных пространств мышцы, постепенно снижается, и удерживать мышцу в сокращенном состоянии становится труднее. При серии коротких сокращений усталость вызывается другим механизмом. В этом случае мускульные запасы «устают» от постоянных выбросов кальция. Почему так получается, пока непонятно, возможно, это связано с накоплением продуктов метаболизма, возникающего при интенсивной нагрузке. Кроме того, эти продукты препятствуют работе сократительного белка.

В нагрузках на выносливость основной причиной усталости служит истощение запасов гликогена в мышцах. Именно из-за этого иссякают силы, а ноги словно наливаются свинцом. Расщепление жиров по скорости производства АТФ сильно уступает окислению гликогена.

Усталость вызывается также повышением температуры тела. В спринтерском забеге от вырабатываемого мышцами тепла легко избавиться, однако при более продолжительных нагрузках сделать это оказывается сложнее, особенно в жарком климате. Каждый год из-за теплового удара сходят с дистанции по несколько участников Лондонского марафона. Происходит это из-за конфликта между потребностями мышц и теплоотдачей: кровь направляется к кожным покровам для охлаждения и не может одновременно питать кислородом мышцы. Этим недостатком терморегуляции объясняется, почему усталость в жаркой среде наступает быстрее, чем в прохладной. В данном случае это не столько нехватка «топлива», сколько зарождающийся в мозге сигнал сбросить скорость или остановиться, чтобы избежать перегрева. Включается этот механизм, когда внутренняя температура организма поднимается выше 40° С.

И наконец, усталость и мышечная слабость возникают из-за повреждения тканей. Перегруженные мышцы воспаляются и распухают, тем самым теряя способность создавать усилие. Ощущения при этом болезненные. Этот тип усталости возникает после непривычно интенсивной нагрузки, и восстанавливаться приходится по несколько дней. После непривычных упражнений мышцы могут заболеть даже у тренированного человека – как часто случается со многими после первой поездки верхом.

Тренировки

Одним прекрасным летним утром я должна была ехать на автобусе до Лондона. Прособиралась я, как обычно, до последней минуты, поэтому, завернув за угол, увидела, что автобус уже стоит на остановке – до него оставалось метров сто. Поскольку он еще не отправился и к открытым передним дверям тянулась очередь, я решила добежать. Я неслась по тротуару, тяжело дыша, с бухающим в груди сердцем, разгоряченная, как паровоз, только что пар не шел. Непривычные к такому спринту мышцы взбунтовались, в боку закололо (это скопившаяся молочная кислота обожгла диафрагму). До автобуса добежала на последнем издыхании, хватая воздух ртом, с трясущимися, как желе, ногами, вся взмокшая и шатающаяся. Только к середине пути сердце наконец стало биться размеренно, дыхание восстановилось, икроножные мышцы перестали ныть, а я постепенно остыла. Двумя годами ранее, когда я посещала спортзал три раза в неделю, я пробежала бы ту же дистанцию, почти не запыхавшись. А тогда, сидя в автобусе, я чувствовала себя марафонцем на финише. В чем же кроется разница между тренированностью и нетренированностью? Как с помощью тренировок повысить скорость и выносливость?

Один из самых очевидных и наглядных результатов тренировок – развитие мышечной координации. При ходьбе в мышцах сокращаются лишь некоторые из волоконных пучков. При беге в работу включается все большее их число. Для максимальной эффективности пучки мышечных волокон должны сокращаться одновременно. Тренировкой синхронизация этих пучков достигается достаточно быстро, в свою очередь достаточно быстро повышая и скорость, и выносливость. Именно поэтому всего через неделю-две ежедневных тренировок катить на велосипеде в гору становится гораздо легче. Однако даже тренировками добиться одновременного сокращения всех пучков сразу невозможно – иначе от силы сжатия начнут ломаться кости. Скорее всего, именно полная синхронизация мышечных пучков позволяет спортсменам – а иногда и обычным людям – развивать сверхъестественную силу в моменты сильного стресса. Известно немало случаев, когда люди поднимали машину, придавившую жертву аварии, или когда спортсмен вдруг выдавал неповторимый результат, намного превышающий его личный рекорд. Однако синхронизация может быть и разрушительной. В 1995 г. один из участников состязаний за титул самого сильного человека в мире развил, борясь с соперником в армрестлинге, такую силу, что сломал собственную плечевую кость.

Кроме того, тренировки улучшают отработанные движения и способность к принятию решений. Метатель копья лучше понимает, когда отпустить копье; прыгун в длину – когда оттолкнуться, теннисист учится отбивать мяч в недосягаемый для противника угол.

Тренировки отодвигают порог наступления усталости, повышая силу и энергию мышц. В основном это происходит за счет изменений в сердечной и скелетных мышцах – улучшается доставка кислорода к мускулам и повышается КПД энергопроизводства. Улучшения в этих процессах можно добиться даже сравнительно несложными тренировками. Например, дистанция, которую человек способен пробежать, не падая от усталости, увеличивается через три-четыре недели регулярных тренировок более чем в два раза, а выносливость повышается еще разительнее. Спринтерские способности тоже улучшаются тренировками, однако происходит это в основном за счет возможности дольше бежать на максимальной скорости, чем за счет повышения самой скорости.

Самым кардинальным образом тренировки влияют на сердечную деятельность. У тренированного лыжного гонщика-олимпийца максимальный минутный объем сердца в два с лишним раза больше, чем у здорового, но малоподвижного человека того же возраста. Происходит это вовсе не за счет изменения пиковой частоты сердечных сокращений – она остается прежней. Зато повышается систолический объем (объем крови, перекачиваемый сердцем за один удар), тем самым позволяя сердцу спортсмена перекачивать больше крови за минуту, чем нетренированным собратьям. Как показала эхокардиография (метод ультразвуковой диагностики), у марафонцев сердце крупнее. С помощью регулярных аэробных упражнений размер сердца может увеличить и обычный человек.

На максимальную частоту сердечных сокращений тренировки не влияют, однако замедляют пульс в состоянии покоя. Происходит это потому, что при повышенном систолическом объеме сердце перекачивает прежний объем крови за меньшее количество ударов. Если у нетренированного человека пульс равен 70 ударам в минуту, то у ведущего спортсмена он может понижаться и до 50, и даже до 40 ударов. Чтобы понизить частоту сердечных сокращений в состоянии покоя, достаточно даже минимальных тренировок – например, пяти минут прыжков через скакалку ежедневно в течение месяца. Преимущество замедленного в состоянии покоя пульса состоит в том, что до максимального его учащения (около 200 ударов в минуту как у тренированного, так и у нетренированного человека) проходит больше времени. Таким образом, спортсмен повышает максимальный минутный объем и обеспечивает доставку к мышцам гораздо большего количества кислорода.

Влияют тренировки и на скелетные мышцы. В частности, повышается способность вырабатывать высокоэнергетичные молекулы АТФ. Увеличиваются запасы гликогена и эффективность метаболических процессов. В медленных мышечных волокнах, участвующих в нагрузках на выносливость, растет количество митохондрий, фабрик по производству АТФ, и развивается способность использовать жир в качестве топлива. В быстрых мышечных волокнах, работающих в спринте, сокращается накопление молочной кислоты при определенной нагрузке и повышается порог чувствительности к ее избытку. Увеличивается приток крови к мышцам обоих типов, повышается плотность капилляров, обеспечивая лучшее снабжение мышц кислородом. Растет мышечная масса, поскольку растут сами мышечные волокна, повышая мускульную силу. Однако изменения эти носят локальный характер, поскольку «накачиваются» отдельные, тренируемые мышцы. Когда я училась в Кембридже, мой колледж располагался в трех милях от центра города, и нас дразнили, что ежедневными поездками туда-обратно на велосипеде мы накачаем себе гигантские икры. Доля правды здесь есть, но крошечная (любители подразниться никогда не отличались наблюдательностью), поскольку от тренировок на выносливость мышцы растут весьма умеренно. Для того чтобы достичь геркулесовых пропорций Чарльза Атласа, нужна особая программа.

Как ни жаль, достижения от тренировок не вечны. Стоит прекратить тренироваться, и уже через несколько недель сердечный ритм возвращается к прежним показателям. Набрать форму гораздо труднее, чем потерять, и плоды месячных трудов исчезают за какую-нибудь неделю. Однако это не повод вовсе отказаться от спорта, наоборот, знак, что расслабляться нельзя (так я себя уговариваю, по крайней мере).

Предел

В отличие от индивидуальных результатов, которые можно повысить тренировками, общие физические способности закладываются генетически. Гены, влияющие на физическую подготовку, еще только выявляются. Первый доклад о таком гене был опубликован в журнале Nature в 1998 г. Этим геном кодируется ангиотензин-превращающий фермент (АПФ), необходимый для регуляции кровеносной системы. У каждого человека имеется по две копии данного гена – по одной от каждого родителя. Ученые обнаружили, что новобранцы, имеющие по две копии определенного типа (типа I) гена АПФ, могут удерживать тяжести в 11 раз дольше, чем обладатели двух копий типа D. Имеющие по одной копии каждого типа показывали средние результаты. Интересно, что различия эти проявлялись только после десяти недель физической подготовки – до начала активных тренировок никакой разницы в способностях новобранцев не наблюдалось. Альпинисты, которым удавалось спокойно забираться выше 7000 м без кислородного оборудования, тоже имели по крайней мере по одной копии гена АПФ типа I. Этот тип связан с повышенной активностью ангиотензин-превращающего фермента, однако почему он улучшает показатели после тренировок, пока неясно.

В конечном итоге предел скорости и выносливости зависит от физических свойств мышц и сердечно-сосудистой системы. Частота и сила сокращений сердца и скелетных мышц имеют определенные физические ограничения. Максимальная частота сердечных сокращений у молодого человека в хорошей форме составляет около 200 ударов в минуту, независимо от степени тренированности{28}. Этот предел объясняется тем, что время наполнения у сердца конечно, а сокращаться в полупустом состоянии сердцу нецелесообразно. И может даже закончиться печально. При мерцании желудочков сердце бьется бесконтрольно быстро и несинхронно. Большие камеры не заполняются, и, если сердце не удается встряхнуть и заставить биться в обычном ритме, человек умирает. Максимальный объем крови, который может перекачать сердце за один удар, тоже ограничен – размером сердца. Чем крупнее сердце, тем сильнее спортсмен, и именно в увеличении объемов сердца состоит одно из преимуществ регулярных тренировок.

Максимальная сила, которую способны развить скелетные мышцы, составляет около 4–5 килограмм-сил на квадратный сантиметр площади поперечного сечения мышцы (кгс / см2). Таким образом, увеличение силы достигается за счет набора мышечной массы – чем толще мышца, тем она сильнее. При этом некоторые беспозвоночные преуспевают в этом куда больше человека. Двустворчатые моллюски типа мидий, защищаясь от хищников или просто во время отлива, закрывают створки своей раковины. Максимальная сила поперечного мускула, отвечающего за это действие, составляет 10–14 кгс / см2, то есть в 3–4 раза превышает силу мышц млекопитающих. Кроме того, двустворки не открывают раковину по многу часов, поскольку мускул обладает уникальным «запирающим» механизмом, позволяющим оставаться в сокращенном состоянии, не потребляя АТФ. Раскрыть створки, как пытаются делать морские звезды, крайне сложно. Из схватки между морской звездой и двустворкой почти всегда победительницей выходит последняя. У нее более выносливый мускул.

И наконец, как и во всех сферах жизни, основное различие между победителями и побежденными надо искать в мотивации. Только чемпион способен раскочегарить себя до предела, но при этом сохранить холодную голову.

Гендерные различия

Почти во всех дисциплинах, кроме плавания на длинные дистанции, женщины уступают мужчинам в силе, скорости и выносливости. Почему так происходит, сложно понять. Отчасти причина кроется в разнице тренировок и возможностей{29}. На старых кинопленках очень хорошо видно, что даже теннисистки мирового уровня 20 лет назад отставали в скорости и силе удара от сегодняшних. В легкой атлетике женщины постепенно догоняли мужчин, и сейчас женские мировые рекорды почти не отличаются от мужских. Однако женщины по-прежнему не могут сравняться с мужчинами в скорости и выносливости. Женский рекорд в беге на 100 м составляет 10,49 сек. – значительно ниже мужского, равного 9,79 сек. В марафоне разрыв становится еще больше – там женский рекорд проигрывает мужскому на целых четырнадцать с лишним минут. Таким образом, вопрос остается открытым: почему женщины медлительнее и смогут ли они когда-нибудь догнать мужчин?