Спячка — это состояние минимальной активности и метаболической депрессии, которому подвергаются некоторые виды животных. Спячка — это сезонная гетеротермия, характеризующаяся низкой температурой тела, замедленным дыханием и частотой сердечных сокращений, а также низким уровнем метаболизма . Чаще всего она используется для того, чтобы пережить зимние месяцы — так называемые зимовки .
Хотя традиционно этот термин зарезервирован для «глубоких» спячек, таких как грызуны , он был переопределен, чтобы включить таких животных, как медведи [1] , и теперь применяется на основе активного метаболического подавления, а не любого абсолютного снижения температуры тела. Многие эксперты полагают, что процессы ежедневного оцепенения и спячки образуют континуум и используют схожие механизмы. [2] [3] Эквивалентом в летние месяцы является летняя спячка .
Спячка служит для сохранения энергии, когда недостаточно пищи. Чтобы достичь этой экономии энергии, эндотермное животное снижает скорость метаболизма и, следовательно, температуру тела. [3] Спячка может длиться дни, недели или месяцы — в зависимости от вида, температуры окружающей среды, времени года и состояния тела особи. Перед тем, как впасть в спячку, животным необходимо запасти достаточно энергии, чтобы продержаться в течение периода покоя, возможно, даже целой зимы. Более крупные виды становятся гиперфагическими , съедая большое количество пищи и сохраняя энергию в своих телах в виде жировых отложений. У многих мелких видов накопление пищи заменяет поедание и ожирение. [4]
Некоторые виды млекопитающих впадают в спячку во время вынашивания детенышей, которые рождаются либо во время спячки матери, либо вскоре после нее. [5] Например, самки черного медведя впадают в спячку в зимние месяцы, чтобы родить потомство. [6] Беременные матери значительно увеличивают массу тела перед спячкой, и это увеличение в дальнейшем отражается на весе потомства. Накопление жира позволяет им обеспечить достаточно теплую и питательную среду для своих новорожденных. Во время спячки они впоследствии теряют 15–27% своего веса до спячки, используя свои накопленные жиры для получения энергии. [7]
Эктотермные животные также испытывают периоды метаболического подавления и покоя , которые у многих беспозвоночных называются диапаузой. Некоторые исследователи и представители общественности используют термин «brumate» для описания зимнего покоя рептилий, но более общий термин «спячка» считается адекватным для обозначения любого зимнего покоя. [8] Многие насекомые, такие как оса Polistes exclamans и жук Bolitotherus , демонстрируют периоды покоя, которые часто называют спячкой, несмотря на их эктотермию. [9] Ботаники могут использовать термин «спячка семян» для обозначения формы покоя семян . [10]
Существует множество определений терминов, описывающих спячку у млекопитающих, и разные клады млекопитающих впадают в спячку по-разному. В следующих подразделах обсуждаются термины облигатная и факультативная спячка. Последние два раздела указывают, в частности, на приматов, ни один из которых, как считалось, не впадает в спячку до недавнего времени, и на медведей, чье зимнее оцепенение оспаривалось как не являющееся «истинной спячкой» в конце 20-го века, поскольку оно отличается от спячки, наблюдаемой у грызунов.
Облигатные зимоспящие — это животные, которые спонтанно и ежегодно впадают в спячку независимо от температуры окружающей среды и доступа к пище. Облигатные зимоспящие включают многие виды сусликов , других грызунов , европейских ежей и других насекомоядных , однопроходных и сумчатых . [ требуется ссылка ] Эти виды впадают в то, что традиционно называется «спячкой»: физиологическое состояние, при котором температура тела падает почти до температуры окружающей среды, а частота сердечных сокращений и дыхания резко замедляется.
Типичный зимний сезон для облигатных гибернаторов характеризуется периодами оцепенения, прерываемыми периодическими, эутермическими пробуждениями, во время которых температура тела и частота сердечных сокращений восстанавливаются до более типичных уровней. Причина и цель этих пробуждений до сих пор не ясны; вопрос о том, почему гибернаторы могут периодически возвращаться к нормальной температуре тела, мучает исследователей на протяжении десятилетий, и хотя до сих пор нет четкого объяснения, существует несколько гипотез на эту тему. Одна из предпочитаемых гипотез заключается в том, что гибернаторы накапливают « долг сна » во время спячки, и поэтому им иногда приходится согреваться, чтобы заснуть. Это подтверждается доказательствами, полученными на примере арктических сусликов . [11] Другие теории предполагают, что кратковременные периоды высокой температуры тела во время спячки позволяют животному восстанавливать имеющиеся у него источники энергии [12] или инициировать иммунный ответ. [13]
У арктических сусликов, находящихся в спячке, температура в брюшной полости может опускаться до -2,9 °C (26,8 °F), при этом температура в брюшной полости ниже нуля сохраняется более трех недель подряд, хотя температура в области головы и шеи остается на уровне 0 °C (32 °F) или выше. [14]
Факультативные зимоспящие животные впадают в спячку только в случае холодового стресса, недостатка пищи или и того, и другого, в отличие от облигатных зимоспящих животных, которые впадают в спячку под воздействием сезонных сигналов, а не в ответ на стрессовые факторы окружающей среды.
Хороший пример различий между этими двумя типами спячки можно увидеть у луговых собачек . Белохвостая луговая собачка является облигатным зимоспящим, в то время как близкородственная ей чернохвостая луговая собачка является факультативным зимоспящим. [15]
Хотя спячка давно изучалась у грызунов (а именно, у сусликов ), ни один примат или тропическое млекопитающее не впадало в спячку до открытия спячки у толстохвостого карликового лемура с Мадагаскара, который впадает в спячку в дуплах деревьев в течение семи месяцев в году. [16] Зимние температуры на Мадагаскаре иногда поднимаются выше 30 °C (86 °F), поэтому спячка не является исключительно адаптацией к низким температурам окружающей среды.
Спячка этого лемура сильно зависит от термического поведения его дупла: если дупло плохо изолировано, температура тела лемура колеблется в широких пределах, пассивно следуя температуре окружающей среды; если же оно хорошо изолировано, температура тела остается довольно постоянной, и животное регулярно испытывает периоды возбуждения. [17] Даусманн обнаружил, что гипометаболизм у животных, находящихся в спячке, не обязательно связан с низкой температурой тела. [18]
Исторически было неясно, впадают ли медведи в настоящую спячку, поскольку они испытывают лишь скромное снижение температуры тела (3–5 °C) по сравнению с гораздо большими снижениями (часто 32 °C или более), наблюдаемыми у других спячек. Многие исследователи считали, что их глубокий сон несопоставим с настоящей, глубокой спячкой, но эта теория была опровергнута исследованиями в 2011 году на черных медведях в неволе и снова в 2016 году в исследовании на бурых медведях . [19] [20]
Медведи, впадающие в спячку, способны перерабатывать свои белки и мочу, что позволяет им не мочиться в течение месяцев и избегать атрофии мышц . [21] [22] [23] [24] Они остаются гидратированными с помощью метаболической воды , которая вырабатывается в достаточном количестве, чтобы удовлетворить потребности медведя в воде. Они также не едят и не пьют во время спячки, а живут за счет своего накопленного жира. [25] Несмотря на длительную бездеятельность и отсутствие приема пищи, считается, что медведи, впадающие в спячку, сохраняют свою костную массу и не страдают от остеопороза . [26] [27] Они также увеличивают доступность определенных незаменимых аминокислот в мышцах, а также регулируют транскрипцию набора генов, которые ограничивают истощение мышц. [28] Исследование, проведенное Г. Эдгаром Фолком, Джилл М. Хант и Мэри А. Фолк, сравнило ЭКГ типичных зимоспящих животных с тремя различными видами медведей в зависимости от сезона, активности и покоя, и обнаружило, что сокращенный интервал релаксации (QT) у мелких зимоспящих животных был одинаковым для трех видов медведей. Они также обнаружили, что интервал QT изменялся как у типичных зимоспящих животных, так и у медведей от лета к зиме. Это исследование 1977 года было одним из первых доказательств, использованных для демонстрации того, что медведи являются зимоспящими животными. [29]
В исследовании 2016 года ветеринар по дикой природе и доцент Университета прикладных наук Внутренней Норвегии Алина Л. Эванс изучала 14 бурых медведей в течение трех зим. Их движение, частота сердечных сокращений , вариабельность сердечного ритма , температура тела, физическая активность, температура окружающей среды и глубина снега измерялись для выявления движущих факторов начала и окончания спячки у медведей. Это исследование построило первую хронологию как экологических, так и физиологических событий от начала до конца спячки в полевых условиях. Это исследование показало, что медведи заходят в берлогу, когда выпадает снег, а температура окружающей среды опускается до 0 °C. Однако физическая активность, частота сердечных сокращений и температура тела начинают медленно снижаться даже за несколько недель до этого. Оказавшись в берлоге, вариабельность сердечного ритма у медведей резко снижается, что косвенно указывает на то, что подавление метаболизма связано с их спячкой. За два месяца до окончания спячки температура тела медведей начинает повышаться, не связанная с вариабельностью сердечного ритма, а скорее обусловленная температурой окружающей среды. Изменчивость сердечного ритма увеличивается только примерно за три недели до пробуждения, и медведи покидают свою берлогу только после того, как внешняя температура достигает их нижней критической температуры. Эти результаты показывают, что медведи термоконформны и спячка медведя обусловлена экологическими сигналами, но возбуждение обусловлено физиологическими сигналами. [30]
Древние люди верили, что ласточки впадают в спячку, и орнитолог Гилберт Уайт задокументировал анекдотические свидетельства в своей книге 1789 года «Естественная история Селборна» , которые указывали на то, что это убеждение все еще было актуально в его время. Теперь понятно, что подавляющее большинство видов птиц, как правило, не впадают в спячку, вместо этого используя более короткие периоды оцепенения . [31] Одним из известных исключений является обыкновенный бедняк ( Phalaenoptilus nuttallii ), спячка которого была впервые задокументирована Эдмундом Йегером . [32] [33]
Поскольку они не могут активно понижать температуру своего тела или скорость метаболизма, эктотермные животные (включая рыб, рептилий и земноводных) не могут впадать в обязательную или факультативную спячку. Они могут испытывать снижение скорости метаболизма, связанное с более холодной средой или низкой доступностью кислорода ( гипоксией ), и проявлять спячку (известную как брумация). Когда-то считалось, что гигантские акулы оседают на дне Северного моря и впадают в спячку, но исследования Дэвида Симса в 2003 году развеяли эту гипотезу, [34] показав, что акулы преодолевали большие расстояния в течение сезонов, отслеживая районы с наибольшим количеством планктона . Было задокументировано, что эполетные акулы способны выживать в течение трех часов без кислорода и при температуре до 26 °C (79 °F) [35] как средство выживания в их прибрежной среде обитания, где уровень воды и кислорода меняется в зависимости от прилива. Другие животные, способные выживать в течение длительного времени при очень небольшом количестве кислорода или без него, включают золотых рыбок , красноухих черепах , древесных лягушек и горных гусей . [36] Способность выживать в гипоксических или аноксических условиях не имеет тесной связи с гибернацией эндотермных животных.
Некоторые животные могут буквально пережить зиму, замерзая. Например, некоторые рыбы , земноводные и рептилии могут естественным образом замерзать, а затем «просыпаться» весной. У этих видов развился механизм толерантности к заморозкам, такой как белки-антифризы . [37]
Белки-триггеры индукции гибернации (HIT), выделенные из млекопитающих, использовались в исследовании скорости восстановления органов. Одно исследование, проведенное в 1997 году, показало, что дельта-2 опиоид и белки-триггеры индукции гибернации (HIT) не способны увеличить скорость восстановления сердечной ткани во время ишемии. Хотя они не способны увеличить скорость восстановления во время ишемии, было установлено, что предшественники белков играют роль в сохранении функции ветеринарных органов. [38]
Недавние достижения в технологии рекомбинантных белков позволяют ученым производить белки-триггеры индукции гибернации (HIT) в лабораторных условиях без необходимости эвтаназии животных. Биоинженерия белков может помочь в защите уязвимых популяций медведей и других млекопитающих, которые производят ценные белки. Секвенирование белков HIT, таких как α 1-гликопротеин-подобный 88 кДа белок HRP, связанный с гибернацией, вносит свой вклад в этот исследовательский пул. [39] Исследование, проведенное в 2014 году, использует рекомбинантную технологию для конструирования, экспрессии, очистки и изоляции животных белков (HP-20, HP-25 и HP-27) вне животного для изучения ключевых белков гибернации (HP). [40]
Исследователи изучали, как вызвать гибернацию у людей. [41] [42] Способность к гибернации была бы полезна по ряду причин, например, для спасения жизней тяжело больных или травмированных людей путем временного помещения их в состояние гибернации до тех пор, пока не будет оказано лечение. Для космических путешествий также рассматривается возможность человеческой гибернации, например, для миссий на Марс . [43]
Антропологи также изучают, была ли возможна спячка у ранних видов гоминидов . [44]
По мере того, как предки птиц и млекопитающих колонизировали сушу, покидая относительно стабильную морскую среду, более интенсивные наземные сезоны начали играть большую роль в жизни животных. Некоторые морские животные действительно проходят через периоды покоя, но эффект сильнее и более распространен в наземной среде. Поскольку спячка является сезонной реакцией, перемещение предка птиц и млекопитающих на сушу познакомило их с сезонным давлением, которое в конечном итоге стало спячкой. [45] Это справедливо для всех клад животных, которые проходят зимний покой; чем более выражены сезоны, тем дольше в среднем длится период покоя. Спячка эндотермных животных, вероятно, развивалась несколько раз, по крайней мере один раз у млекопитающих — хотя спорно, развивалась ли она более одного раза у млекопитающих — и по крайней мере один раз у птиц. [46]
В обоих случаях спячка, вероятно, развилась одновременно с эндотермией, причем самый ранний предполагаемый пример спячки был у Thrinaxodon , предка млекопитающих, который жил примерно 252 миллиона лет назад. [47] Эволюция эндотермии позволила животным иметь более высокий уровень активности и лучшую инкубацию эмбрионов, среди других преимуществ для животных в пермский и триасовый периоды. Чтобы сохранить энергию, предки птиц и млекопитающих, вероятно, испытали бы раннюю форму оцепенения или спячки, когда они не использовали свои терморегулирующие способности во время перехода от эктотермии к эндотермии. Это противоречит ранее доминирующей гипотезе о том, что спячка развилась после эндотермии в ответ на появление более холодных мест обитания. [47] Размер тела также оказал влияние на эволюцию спячки, поскольку эндотермы, которые вырастают достаточно большими, как правило, теряют свою способность быть избирательно гетеротермными, и медведи являются одним из очень немногих исключений. [48] После того, как оцепенение и спячка разошлись от общего предка-прото-спящего птиц и млекопитающих, способность впадать в спячку или проходить через оцепенение была бы утрачена у большинства крупных млекопитающих и птиц. Спячка была бы менее предпочтительной у крупных животных, потому что по мере увеличения размеров животных соотношение площади поверхности к объему уменьшается, и требуется меньше энергии для поддержания высокой внутренней температуры тела, и, таким образом, спячка становится ненужной.
Существуют доказательства того, что спячка развилась отдельно у сумчатых и плацентарных млекопитающих, хотя это и не установлено. Эти доказательства вытекают из развития, когда как только молодые сумчатые из спящих видов способны регулировать свое собственное тепло, они имеют возможность впадать в спячку. Напротив, плацентарные млекопитающие, которые впадают в спячку, сначала развивают гомеотермию , развивая способность впадать в спячку только на более позднем этапе. Эта разница в развитии является доказательством, хотя и неокончательным, что они эволюционировали с помощью немного разных механизмов и, следовательно, в разное время. [49]
Поскольку рептилии являются эктотермными, отсутствие системы, способной справляться с холодными температурами, было бы смертельным во многих средах. Зимняя спячка рептилий, или брумация, вероятно, развилась, чтобы помочь рептилиям выживать в более холодных условиях. Рептилии, которые спят зимой, как правило, имеют более высокие показатели выживаемости и более медленное старение. [50] Рептилии эволюционировали, чтобы использовать свою эктотермию для преднамеренного охлаждения внутренней температуры тела. В отличие от млекопитающих или птиц, которые готовятся к своей спячке, но не вызывают ее напрямую своим поведением, рептилии запускают свою собственную спячку своим поведением. [51] Рептилии ищут более низкие температуры на основе периодических внутренних часов, которые, вероятно, запускаются более низкими температурами снаружи, как показано на примере техасской рогатой ящерицы ( Phrynosoma cornutum ). [52] Один из механизмов, который рептилии используют для выживания в спячке, гиперкапнический ацидоз (накопление углекислого газа в крови), также присутствует в спячке млекопитающих. Вероятно, это пример конвергентной эволюции . Гиперкапнический ацидоз развился как механизм замедления метаболизма, а также нарушения транспорта кислорода, чтобы кислород не расходовался и все еще мог достигать тканей в периоды покоя с низким содержанием кислорода. [51]
Сезонная диапауза, или зимний покой членистоногих , по-видимому, пластична и быстро развивается, с большой генетической изменчивостью и сильными эффектами естественного отбора, присутствующими, а также многократно эволюционировавшими во многих кладах членистоногих. [45] [53] Таким образом, в генетическом механизме диапаузы очень мало филогенетической консервации. В частности, время и масштаб сезонной диапаузы кажутся особенно изменчивыми, в настоящее время развиваясь в ответ на изменение климата. [54] Как и типично для спячки, она развилась после возросшего влияния сезонности, когда членистоногие колонизировали наземную среду, как механизм для поддержания низких затрат энергии, особенно в более суровых, чем обычно, условиях, а также как хороший способ определения времени активных или репродуктивных периодов у членистоногих. [55] Считается, что изначально она развивалась в три этапа. Первый — это развитие нейроэндокринного контроля над функциями организма, второй — это сопряжение этого с изменениями окружающей среды — в данном случае снижением скорости метаболизма в ответ на более низкие температуры — и третий — это сопряжение этих элементов управления с надежными сезонными индикаторами внутри членистоногого, такими как биологические таймеры. [55] На этих этапах членистоногие развили сезонную диапаузу, где многие из их биологических функций в конечном итоге оказываются сопряженными с сезонным ритмом внутри организма. Это очень похожий механизм на эволюцию миграции насекомых, где вместо того, чтобы функции организма, такие как метаболизм, были сопряжены с сезонными индикаторами, модели движения были бы сопряжены с сезонными индикаторами.
В то время как большинство животных, которые находятся в состоянии зимней спячки, снижают свой уровень метаболизма, некоторые рыбы, такие как хантер , этого не делают. [56] Вместо этого они не подавляют активно свой базовый уровень метаболизма, а просто снижают уровень своей активности. Рыбы, которые находятся в состоянии зимней спячки в насыщенной кислородом воде, выживают за счет бездеятельности в сочетании с более низкой температурой, что снижает потребление энергии, но не базовый уровень метаболизма, потребляемый их организмами. Но для антарктической желтобрюхой нототении ( Notothenia coriiceps ) и для рыб, которые находятся в состоянии зимней спячки в гипоксических условиях, они подавляют свой метаболизм, как и другие животные, которые находятся в состоянии зимней спячки. [57] [58] Механизм эволюции подавления метаболизма у рыб неизвестен. Большинство рыб, которые находятся в состоянии спячки зимой, экономят достаточно энергии, оставаясь неподвижными, и поэтому нет сильного селективного давления для разработки механизма подавления метаболизма, подобного тому, который необходим в гипоксических условиях. [58]
За исключением некоторых тропических видов, прорастание семян обычно откладывается на некоторый период, который определяется характеристиками семян и условиями окружающей среды, которым они подвергаются [...]. [...] семена могут оставаться непроросшими и сохраняться в почве в течение многих лет. В этом случае латентность вызвана внешними условиями окружающей среды, поэтому эти семена фактически находятся в состоянии спячки. [...] Из-за спячки и покоя семян многие популяции растений состоят из взрослых особей, а также из семенных банков , которые могут состоять из семян, произведенных в течение ряда вегетационных периодов.
Ранее я дал отчет (Condor, 50, 1948:45) о поведении дурни (
Phalaenoptilus nuttallinii
), которого я нашел в состоянии глубокой спячки зимой 1946–47 годов в горах Чукавалла в пустыне Колорадо, Калифорния.
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)