Кара Окобок, антрополог из Университета Нотр-Дам, которая является одним из ученых, пытающихся понять, как человеческое тело приспосабливается к экстремальному холоду. "Я просто переношу холод гораздо лучше, чем жару", - говорит Окобок.
Работа Окобок в зимнее время началась десять лет назад, когда она, будучи аспиранткой, отправилась в Вайоминг, чтобы собрать данные студентов некоммерческой Национальной школы лидеров на открытом воздухе (National Outdoor Leadership School). Во время шестинедельных зимних экспедиций в Вайоминг она отправлялась в поход параллельно со студентами и ставила палатку в паре километров от них. Каждый день она заходила к ним, чтобы измерить их вес и собрать образцы мочи, мониторы активности и путевые журналы. Она надеялась, что эти измерения помогут ей предсказать малоизученные энергетические требования, которые холодная среда предъявляет к человеческому организму. "Люди отправлялись на эти курсы и возвращались, сбросив значительный вес. И в некоторых случаях это нормально. Но в других случаях люди теряли много мышечной массы и возвращались с ужасным самочувствием", - говорит она.
Ее диссертация показала, что зимние туристы тратят удивительно мало калорий, чтобы оставаться в тепле. Поначалу это кажется нелогичным: "У них нет внешних источников отопления. Они живут в палатках, и у них с собой только одежда. Каждый день они подвергаются воздействию стихии", - говорит Окобок. В таких условиях мышцы должны дрожать, ведь тело работает сверхурочно. Но Окобок заметил, что физические упражнения снимают это бремя. Простое передвижение по заснеженной местности на беговых лыжах и снегоступах меняет расчеты организма. "Самое замечательное в мышцах то, что они неэффективны, - говорит она. Только 20-30 процентов калорий, которые сжигают ваши мышцы, идут на реальные действия, а большая часть остальных "тратится" в виде тепла. На холоде же это тепло не тратится впустую - оно снижает затраты на терморегуляцию.
Ученые никогда не демонстрировали то, что сделал Окобок, в естественных условиях. Это подогрело ее любопытство к холодному климату - "к населению, которое живет там тысячелетиями, а не к американским студентам, которые просто запрыгивают на зиму в Скалистые горы", - говорит она. Поэтому после Вайоминга Окобок начала проект с оленеводами в Финляндии, которые относятся к коренному народу саами. Окобок потратила три года на установление отношений и доверия, прежде чем приступила к сбору данных. По ее мнению, это стоило того, чтобы подождать, поскольку ученые все еще мало знают о том, как организм реагирует на экстремальный холод. "В последнее время не было никаких работ по физиологии холода", - говорит Окобок. "Многое осталось с 1930-х годов и даже старше."
Исторические исследования дали физиологии холода три руководящих принципа, актуальных для многих теплокровных животных: правило Бергмана, правило Аллена и правило Томсона. Немецкий анатом Карл Бергманн в 1847 году предположил, что в холодном климате животные одного вида имеют тенденцию быть крупнее. Например, белые медведи на пару футов выше и на несколько сотен фунтов больше среднего гризли. Через тридцать лет после Бергмана американский орнитолог Джоэл Асаф Аллен добавил к теории более крупных тел "более короткие придатки". У белых медведей более коренастые конечности и меньшие уши, чем у черных медведей. В 1920-х годах британский антрополог Артур Томсон утверждал, что у людей, живущих в холодных местах, более длинные и узкие носы.
Теории Бергмана и Аллена сводились к тому, что тело должно сохранять тепло в своей сердцевине; Томсон предполагал, что носовые полости кондиционируют окружающий воздух, прежде чем он попадает в легкие. Холодный сухой воздух может раздражать дыхательные пути и легкие, а также ослаблять обоняние. Но в более узкой полости холодный сухой воздух дольше смешивается с теплой кровью и влагой.
Правило Томсона упрощает то, что на самом деле является сложной частью нашей эволюции, на которую, вероятно, повлияли другие факторы, например сексуальное влечение. Однако в последнее десятилетие исследователи нашли подтверждающие доказательства, основанные на изучении людей с корнями в Северной Европе, Западной Африке, Южной и Восточной Азии, которые показали, что более широкие ноздри чаще встречаются у жителей более холодных мест, что говорит об адаптации к окружающей среде.
Правила Бергмана и Аллена также подтвердились при сравнении старых данных о размерах тела в теплом климате с данными по саамскому, инуитскому и юитскому населению. Но исследование 2013 года показало, что правило Бергмана действует только в тех случаях, когда группы находятся на расстоянии 50 градусов широты друг от друга или живут в местах с 30-градусной разницей в температуре. Когда расстояния и температуры не столь различны, размеры тела также не имеют существенных различий.
Сегодня физиологи и антропологи, такие как Окобок, больше сосредоточены на том, чтобы определить, что происходит в организме, привыкшем к холоду. Наш организм вырабатывает свой собственный витамин D из химического вещества-предшественника, 7-дегидрохолестерина, который поглощает УФ-B лучи солнечного света. Вблизи экватора достаточно сильного солнца, чтобы люди получали свой запас витамина D. На самом деле, риск заключается в слишком большом количестве солнечного света, вызывающего рак, поэтому у людей больше меланина, кожного пигмента, поглощающего ультрафиолет. Но поскольку в холодном климате солнца становится меньше, меланин конкурирует с 7-дегидрохолестерином за слабый солнечный свет, поэтому организм рискует недополучить витамин D. Эксперты считают, что это побудило древних людей, живших в северных широтах, выработать более светлый оттенок кожи, который быстрее синтезирует витамин D, что является адаптацией к жизни вдали от экватора.
Другие адаптации позволяют телу сохранять тепло. На холоде кровеносные сосуды сужаются, ограничивая приток крови к конечностям, таким как руки и ноги. Это неудобно и ограничивает ловкость рук, но также минимизирует потерю тепла. Однако когда температура кожи достаточно снижается, организм ненадолго пускает теплую кровь в пальцы рук, ног, уши и нос. Расширение кровеносных сосудов объясняет, почему на холоде уши становятся красными и болезненными. Сообщается, что у жителей холодных регионов мира циклы между сужением и расширением сосудов происходят быстрее, что обеспечивает более сбалансированную терморегуляцию в экстремальных условиях. И в этом нет ничего нового: в ДНК волос 4000-летней давности, сохраненных в Гренландии, обнаружены признаки сужения сосудов.
В том же образце волос также обнаружены генетические признаки высокого индекса массы тела, что является еще одной адаптацией к холоду. Жир и мышцы изолируют тело, и у людей, живущих в холодных местах, в среднем сохраняется больше и того, и другого. У этого жира есть своя работа, особенно у такого типа жира, как бурая жировая ткань. Когда-то ученые считали, что организм просто дрожит, чтобы выработать тепло, и это мнение было опровергнуто, когда они поняли, что бурая жировая ткань позволяет грызунам вырабатывать тепло без дрожи.
Потом, около 20 лет назад, ученые обнаружили бурый жир у взрослых людей. Его много ни у кого нет. Максимально у человека он составляет около 100 граммов и распределяется в основном в области шеи, спины, плеч, сердца и почек. Антропологи отследили, что он есть преимущественно у людей, живущих в холодных условиях. Бурый жир стал квазисинонимом адаптации к холоду и предполагаемой пользы холода для здоровья: он сжигает калории для производства тепла, когда вы чувствуете холод, а исследования показали, что он помогает регулировать ожирение и уровень сахара в крови. В прошлом году Окобок сообщил, что бурый жир ускоряет метаболизм финских оленеводов примерно на 9 процентов, когда они чувствуют холод.
Но количество бурого жира варьируется от человека к человеку. По словам Стефани Леви, биологического антрополога из Хантер-колледжа, которая изучает "пластичность" бурого жира на протяжении всей жизни, воздействие холода в раннем возрасте имеет большое значение. Главный вопрос Леви: Есть ли у людей, которые в детстве проводят больше времени на холоде, больше бурого жира во взрослом возрасте? В небольшом исследовании, опубликованном в 2021 году, она обнаружила, что у взрослых людей больше бурого жира, если они больше находились на холоде примерно в возрасте от 2 до 5 лет. Возможно, можно увеличить количество бурого жира, подвергаясь воздействию холода в более позднем возрасте, но раннее детство кажется особенно пластичным.
Эта пластичность может объяснить нашу способность адаптироваться к окружающей среде в течение жизни, а не в результате естественного отбора поколений. В отдельном исследовании Леви сравнил количество бурого жира у людей из Иллинойса и коренных якутов из северо-восточной Сибири. Взрослые жители Якутии имели больше бурого жира, чем жители Иллинойса, которые живут в сравнительно более мягком климате. "Появляется все больше доказательств того, что это может быть общечеловеческой адаптацией - у всех нас есть определенный уровень", - говорит Окобок. В сентябре один из ее бывших студентов сообщил об обнаружении бурого жира у самоанцев, жителей тропиков.
"Здесь также есть некая загадка, - добавляет Леви. Хотя люди с большим количеством бурого жира сжигают больше калорий при воздействии холода, чем те, у кого его нет, сам по себе бурый жир не объясняет эту разницу. Это означает, что бурый жир может играть и косвенную роль в обогреве, например, высвобождать топливо или сигнальные молекулы для других органов.
Самым странным открытием Окобока во время наблюдения за финскими и саамскими пастухами стало то, что они сжигают калории в состоянии покоя. Метаболизм в состоянии покоя обычно выше на холоде, и он зависит от размера тела, поэтому у мужчин этот показатель выше. Окобок полагал, что холодный климат обеспечит каждому жителю страны более высокий метаболизм в состоянии покоя по сравнению с людьми, живущими в теплом климате. Но в этой группе высокие показатели были только у женщин-пастухов. Более того, скорость метаболизма в состоянии покоя у самок была выше, чем у самцов. "Этого раньше не наблюдалось", - говорит она.
Окобок подозревает, что эта метаболическая странность обусловлена еще одним игроком в зимней физиологии: гормоном щитовидной железы. Этот гормон помогает регулировать скорость метаболизма и повышается, когда мы чувствуем холод. "Гормон щитовидной железы очень важен для настройки внутреннего термостата вашего организма", - говорит она. "Однако он также очень важен для поддержания беременности, особенно в первые восемь недель". Людям, живущим в холодном климате, может потребоваться более высокий базовый уровень для обычной жизни и беременности, поэтому Окобок считает, что если у мужчин уровень гормона может легко снизиться, то у женщин он может столкнуться с неким "физиологическим сопротивлением", которое гарантирует репродуктивный успех.
Динамика между метаболизмом покоя и тиреоидным гормоном сложна и неустойчива, однако, отмечает Леви. Ее сибирские исследования показали, что у якутов уровень тиреоидных гормонов снижается от лета к зиме. Похоже, что в холода организм вырабатывает больше гормонов щитовидной железы, но и расходует их тоже больше. Окобок по-прежнему работает с оленеводами и надеется в скором времени подтвердить теорию о щитовидной железе.
По словам Окобока, метаболические детали имеют значение для прогнозирования здоровья в современном мире. Те же генетические программы, которые возникли для защиты человека в Арктике - например, высокий индекс массы тела и ускоренный метаболизм - могут стать помехой. Многие испытуемые Окобока имели избыточный вес и ожирение при нормальном уровне холестерина и сахара в крови. Быть "толстым, но здоровым", что было полезно в условиях экстремального холода, "теперь также может разрушиться из-за изменения климата и привести к ухудшению здоровья", - говорит она. Если диета и уровень активности людей остаются прежними, но скорость метаболизма снижается по мере потепления климата, риск ожирения возрастает. "Пониженный уровень метаболизма в состоянии покоя у мужчин может быть воплощением изменения климата", - говорит она.
В феврале Окобок отправилась в Инари, Финляндия, расположенный в 165 милях к северу от полярного круга. Обычно февраль - самый холодный месяц в году, с максимумами около 15 градусов по Фаренгейту. В этом году в несколько дней температура превышала 40 градусов. "Буквально в феврале были дни, когда я даже не удосужился надеть пальто на Полярном круге. Это очень плохо."
Но эксперты предупреждают, что биологическая адаптация сама по себе не определяет, подходит ли человек для холода. С одной стороны, люди мигрировали в более холодный климат менее 100 000 лет назад, что является мигом в эволюционной шкале времени. "Некоторые из этих адаптаций на самом деле не столь драматичны, как мы думаем", - говорит Франсуа Хаман, изучающий тепловую физиологию в Университете Оттавы (Канада). Хаман отмечает, что такие признаки, как размер и форма тела, рук, ног и ушей, сильно варьируются в пределах одной популяции, как и количество бурого жира у человека.
"Когда признак сильно варьируется, как это происходит в случае с холодом, мы понимаем, что поведение было более важным для выживания, чем генетика, - говорит Хаман. Самое главное, чтобы человек научился адаптироваться к рискам холодных мест, таким как риск провалиться под тонкий лед на озере или риск не одеться должным образом". "Что есть у [обитателей холодных мест], чего нет у нас, так это тысячелетняя практика жизни в холодных условиях. Их поведение и принятие решений намного, намного лучше, чем у нас", - продолжает Хаман. (Например, одежда из шкуры карибу, которую шьют инуиты, теплее, чем стандартная зимняя форма канадской армии.)
Кроме того, есть один икс-фактор, который, похоже, не является ни генетическим, ни выученным: нравится ли вам холод. Леви и Окобок оба родом из Мичигана, но Леви ненавидит холод. Окобок слышит противоречивые мнения от пастухов и финнов. "Как и в любом другом месте, здесь царит разная атмосфера", - говорит она. "Даже среди коренных финнов, которые прожили здесь всю свою жизнь, и среди их семей тоже есть те, кто не переносит зиму".