stringtranslate.com

Оцепенение

Оцепенение — это состояние пониженной физиологической активности у животного, обычно характеризующееся пониженной температурой тела и скоростью метаболизма . Оцепенение позволяет животным переживать периоды ограниченной доступности пищи. [1] Термин «оцепенение» может относиться к времени, которое впадающий в спячку человек проводит при низкой температуре тела, длящемуся от нескольких дней до нескольких недель, или к периоду низкой температуры тела и метаболизма, длящемуся менее 24 часов, как в «ежедневном оцепенении».

Животные, которые подвергаются ежедневному оцепенению, включают птиц (даже крошечных колибри , особенно Cypselomorphae ) [2] [3] и некоторых млекопитающих, включая многие виды сумчатых , [4] [5] виды грызунов (такие как мыши ) и летучие мыши . [6] В течение активной части своего дня такие животные поддерживают нормальную температуру тела и уровень активности, но их скорость метаболизма и температура тела снижаются в течение части дня (обычно ночью) для сохранения энергии. [ необходима ссылка ]

Некоторые животные сезонно впадают в длительные периоды бездеятельности, с пониженной температурой тела и метаболизмом, состоящими из множественных приступов оцепенения. Это известно как спячка, если это происходит зимой, или летняя спячка , если это происходит летом. С другой стороны, ежедневное оцепенение не зависит от сезона и может быть важной частью сохранения энергии в любое время года. [7]

Оцепенение — это хорошо контролируемый терморегуляторный процесс, а не, как считалось ранее, результат выключения терморегуляции. [8] Оцепенение сумчатых отличается от оцепенения не сумчатых млекопитающих ( эутериан ) характеристиками возбуждения. Возбуждение эутериан зависит от теплопродуцирующей бурой жировой ткани как механизма ускорения повторного согревания. Механизм возбуждения сумчатых неизвестен, но, по-видимому, не зависит от бурой жировой ткани. [9]

Эволюция

Эволюция оцепенения, вероятно, сопровождала развитие гомеотермии . [10] Животные, способные поддерживать температуру тела выше температуры окружающей среды, когда другие члены его вида не имели бы преимущества в приспособленности. Преимущества поддержания внутренней температуры включают увеличение времени добычи пищи и меньшую восприимчивость к экстремальным перепадам температуры. [10] Эта адаптация повышения температуры тела к добыче пищи наблюдалась у мелких ночных млекопитающих, когда они впервые просыпались вечером. [11] [12] [13]

Хотя гомеотермия дает такие преимущества, как повышенный уровень активности, мелкие млекопитающие и птицы, поддерживающие внутреннюю температуру тела, тратят до 100 раз больше энергии при низких температурах окружающей среды по сравнению с эктотермами. [14] Чтобы справиться с этой проблемой, эти животные поддерживают гораздо более низкую температуру тела, оставаясь чуть выше температуры окружающей среды, а не при нормальной рабочей температуре. Это снижение температуры тела и скорости метаболизма позволяет животным, способным входить в торпидные состояния, дольше выживать.

В 2020 году ученые сообщили о наличии оцепенения у Lystrosaurus, жившего примерно 250 миллионов лет назад в Антарктиде, — древнейшем свидетельстве состояния, похожего на спячку, у позвоночных животных. [15] [16] [17]

Функции

Замедление скорости метаболизма для сохранения энергии в периоды нехватки ресурсов является основной отмеченной целью оцепенения. [18] Этот вывод в значительной степени основан на лабораторных исследованиях, в которых оцепенение наблюдалось после лишения пищи. [19] Имеются доказательства других адаптивных функций оцепенения, когда животные наблюдаются в естественных условиях:

Циркадный ритм во время оцепенения

Животные, которые могут впадать в оцепенение, полагаются на биологические ритмы, такие как циркадные и цирканнуальные ритмы, чтобы продолжать естественные функции. Разные животные будут управлять своим циркадным ритмом по-разному, и у некоторых видов он полностью останавливается (например, у европейских хомяков ). Другие организмы, такие как черный медведь , впадают в оцепенение и переключаются на многодневные циклы, а не полагаются на циркадный ритм. Однако видно, что как у неволи, так и у диких медведей проявляются схожие циркадные ритмы при впадении в оцепенение. Медведи, впадающие в оцепенение в имитированном логове без света, проявляют нормальные, но низкофункциональные ритмы. То же самое наблюдалось у диких медведей, живущих в логовах в естественных условиях. Функция циркадных ритмов у черных, бурых и белых медведей предполагает, что их система оцепенения эволюционно продвинута. [20]

Сохранение энергии у мелких птиц

Колибри Анны ( Calypte anna ) впала в ночную спячку холодной зимней ночью (−8 °C (18 °F) недалеко от Ванкувера , Британская Колумбия) . Птица оставалась в спячке, не меняя положения, более 12 часов.

Было показано, что оцепенение является стратегией мелких перелетных птиц, направленной на сохранение запасов энергии в организме . [21] [22] Колибри, отдыхающие ночью во время миграции, как было замечено, впадают в оцепенение, что помогает сохранять жировые запасы во время миграции или холодных ночей на большой высоте. [19] [21] [22]

Эта стратегия использования оцепенения для сохранения запасов энергии, таких как жир, также наблюдалась у зимующих синиц. [23] Черношапочные синицы , живущие в умеренных лесах Северной Америки, не мигрируют на юг зимой. Синичка может поддерживать температуру тела на 12 °C ниже нормы. Это снижение метаболизма позволяет ей сохранять 30% жировых запасов, накопленных за предыдущий день. [23]

Преимущество в условиях непредсказуемых источников пищи

Оцепенение может быть стратегией животных с непредсказуемыми источниками пищи. [24] Например, грызуны, живущие в высоких широтах, используют оцепенение сезонно, когда не размножаются. Эти грызуны используют оцепенение как средство выживания зимой и жизни для размножения в следующем цикле размножения, когда источники пищи в изобилии, отделяя периоды оцепенения от периода размножения. Восточная ушастый летучая мышь использует оцепенение зимой и способна просыпаться и добывать корм в теплые периоды. [25] Некоторые животные используют оцепенение во время своего репродуктивного цикла, как это наблюдается в непредсказуемых местах обитания. [24] Они испытывают издержки длительного периода размножения, но вознаграждением является выживание, чтобы иметь возможность размножаться вообще. [24]

Выживание во время массовых вымираний

Предполагается, что ежедневное использование оцепенения, возможно, позволило выжить во время массовых вымираний . [26] Гетеротермные животные составляют лишь четверо из 61 млекопитающих, которые, как подтверждено, вымерли за последние 500 лет. [26] Оцепенение позволяет животным снижать потребность в энергии, что позволяет им лучше выживать в суровых условиях.

Межвидовая конкуренция

Межвидовая конкуренция возникает, когда двум видам требуется один и тот же ресурс для производства энергии. [27] Оцепенение повышает приспособленность в случае межвидовой конкуренции с ночной иглой мышью . [27] Когда золотистая игла испытывает снижение доступности пищи из-за совпадения рациона с обыкновенной иглой мышью, она проводит больше времени в состоянии спячки.

Устойчивость летучих мышей к паразитам

Было показано, что понижение температуры после торпора снижает способность паразитов к размножению. [28] В умеренных зонах репродуктивные показатели эктопаразитов на летучих мышах снижаются, когда летучие мыши впадают в торпор. В регионах, где летучие мыши не впадают в торпор, паразиты поддерживают постоянную репродуктивную способность в течение всего года.

Вариант глубокого сна НАСА для миссии на Марс

В 2013 году компания SpaceWorks Engineering начала исследовать способ значительного сокращения стоимости человеческой экспедиции на Марс, поместив экипаж в длительный торпор на 90–180 дней. Путешествие в состоянии гибернации снизит метаболические функции астронавтов и минимизирует требования к жизнеобеспечению во время многолетних миссий. [29]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Vuarin, Pauline; Dammhahn, Melanie; Kappeler, Peter M.; Henry, Pierre-Yves (сентябрь 2015 г.). «Когда начинать использование торпора? Доступность пищи определяет время перехода к зимнему фенотипу у тропических гетеротермных животных» (PDF) . Oecologia . 179 (1): 43–53. Bibcode :2015Oecol.179...43V. doi :10.1007/s00442-015-3328-0. PMID  25953115. S2CID  17050304.
  2. ^ Hainsworth, FR; Wolf, LL (17 апреля 1970 г.). «Регуляция потребления кислорода и температуры тела во время спячки у колибри Eulampis jugularls». Science . 168 (3929): 368–369. Bibcode :1970Sci...168..368R. doi :10.1126/science.168.3929.368. PMID  5435893. S2CID  30793291.
  3. ^ "Колибри". Центр перелетных птиц, Смитсоновский национальный зоологический парк. Архивировано из оригинала 2008-02-14.
  4. ^ Гейзер, Ф. (1994). «Спячка и дневное оцепенение у сумчатых — обзор». Австралийский журнал зоологии . 42 (1): 1. doi :10.1071/zo9940001. S2CID  84914662.
  5. ^ Станнард, Х. Дж.; Фабиан, М.; Олд, Дж. М. (2015). «Греться или не греться: поведенческая терморегуляция у двух видов дасюрид, Phascogale calura и Antechinomys laniger ». Журнал тепловой биологии . 53 : 66–71. doi : 10.1016/j.jtherbio.2015.08.012. PMID  26590457.
  6. ^ Bartels, W.; Law, BS; Geiser, F. (7 апреля 1998 г.). «Ежедневное оцепенение и энергетика тропического млекопитающего, северной цветочной летучей мыши Macroglossus minimus (Megachiroptera)». Журнал сравнительной физиологии B: Биохимическая, системная и экологическая физиология . 168 (3): 233–239. doi :10.1007/s003600050141. PMID  9591364. S2CID  16870476.
  7. ^ "Википедия, свободная энциклопедия". www.wikipedia.org . Получено 2024-03-22 .
  8. ^ Гейзер, Фриц (март 2004 г.). «Скорость метаболизма и снижение температуры тела во время спячки и дневного оцепенения». Annual Review of Physiology . 66 (1): 239–274. doi :10.1146/annurev.physiol.66.032102.115105. PMID  14977403. S2CID  22397415.
  9. ^ Доусон, Т.Дж.; Финч, Э.; Фридман, Л.; Хьюм, ИД; Ренфри, Мэрилин; Темпл-Смит, П.Д. "Морфология и физиология метатериев" (PDF) . В Уолтоне, Д.В.; Ричардсоне, Б.Дж. (ред.). Фауна Австралии - Том 1B Млекопитающие . ISBN 978-0-644-06056-1.
  10. ^ ab Geiser, Fritz; Stawski, Clare; Wacker, Chris B.; Nowack, Julia (2 ноября 2017 г.). «Phoenix from the Ashes: Fire, Torpor, and the Evolution of Mammalian Endothermy». Frontiers in Physiology . 8 : 842. doi : 10.3389/fphys.2017.00842 . PMC 5673639. PMID  29163191 . 
  11. ^ Ставски, Клэр; Гейзер, Фриц (январь 2010 г.). «Толстый и сытый: частое использование летнего оцепенения у субтропической летучей мыши». Naturwissenschaften . 97 (1): 29–35. Bibcode : 2010NW.....97...29S. doi : 10.1007/s00114-009-0606-x. PMID  19756460. S2CID  9499097.
  12. ^ Варнеке, Лиза; Тернер, Джеймс М.; Гейзер, Фриц (29 ноября 2007 г.). «Оцепенение и нежимость в небольшой засушливой зоне сумчатых». Naturwissenschaften . 95 (1): 73–78. Бибкод : 2008NW.....95...73W. дои : 10.1007/s00114-007-0293-4. PMID  17684718. S2CID  21993888.
  13. ^ Кёртнер, Герхард; Гейзер, Фриц (апрель 2009 г.). «Ключ к зимнему выживанию: ежедневное оцепенение маленького сумчатого из засушливой зоны». Naturwissenschaften . 96 (4): 525–530. Бибкод : 2009NW.....96..525K. дои : 10.1007/s00114-008-0492-7. PMID  19082573. S2CID  3093539.
  14. ^ Бартоломью, Джордж А. (1982). «Энергетический метаболизм». В Гордон, Малкольм С. (ред.). Физиология животных: принципы и адаптации . Macmillan. стр. 46–93. ISBN 978-0-02-345320-5.
  15. ^ "Ископаемые свидетельства состояния, похожего на 'спячку', у 250-миллионного антарктического животного". phys.org . Получено 7 сентября 2020 г. .
  16. ^ "Ископаемые останки предполагают, что животные впадают в спячку уже 250 миллионов лет". UPI . Получено 7 сентября 2020 г. .
  17. ^ Уитни, Меган Р.; Сидор, Кристиан А. (декабрь 2020 г.). «Доказательства оцепенения в бивнях Lystrosaurus из раннего триаса Антарктиды». Communications Biology . 3 (1): 471. doi :10.1038/s42003-020-01207-6. PMC 7453012. PMID  32855434 . 
  18. ^ Аллаби, Майкл (2014). Словарь зоологии . Oxford University Press. стр. 963. ISBN 9780199684274.
  19. ^ ab Карпентер, Ф. Линн; Хиксон, Марк А. (май 1988). «Новая функция оцепенения: сохранение жира у дикой перелетной колибри». The Condor . 90 (2): 373–378. doi :10.2307/1368565. JSTOR  1368565.
  20. ^ Янсен, Хайко Т.; Лейс, Таня; Стенхаус, Гордон; Пиджен, Карин; Касворм, Уэйн; Тейсберг, Джастин; Радандт, Томас; Даллманн, Роберт; Браун, Стивен; Роббинс, Чарльз Т. (декабрь 2016 г.). «Циркадные часы медведя не «спят» во время зимней спячки». Frontiers in Zoology . 13 (1): 42. doi : 10.1186/s12983-016-0173-x . PMC 5026772. PMID 27660641. ProQuest  1825614860  . 
  21. ^ ab Wolf, Blair O.; McKechnie, Andrew E.; Schmitt, C. Jonathan; Czenze, Zenon J.; Johnson, Andrew B.; Witt, Christopher C. (2020). «Экстремальное и изменчивое оцепенение среди высокогорных видов колибри Анд». Biology Letters . 16 (9): 20200428. doi :10.1098/rsbl.2020.0428. ISSN  1744-9561. PMC 7532710 . PMID  32898456. 
  22. ^ ab Greenwood, Veronique (2020-09-08). «Эти колибри очень долго спят. Некоторые даже впадают в спячку». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 2020-09-09 .
  23. ^ ab Чаплин, Сьюзен Бадд (1974). «Ежедневная энергетика черноголовой синицы, Parus atricapillus , зимой». Журнал сравнительной физиологии . 89 (4): 321–330. doi :10.1007/BF00695350. S2CID  34190772.
  24. ^ abc МакАллан, Б. М.; Гейзер, Ф. (1 сентября 2014 г.). «Оцепенение во время размножения у млекопитающих и птиц: решение энергетической головоломки». Интегративная и сравнительная биология . 54 (3): 516–532. doi : 10.1093/icb/icu093 . PMID  24973362.
  25. ^ Ставски, Клэр; Турбилл, Кристофер; Гейзер, Фриц (май 2009 г.). «Спячка свободноживущей субтропической летучей мыши (Nyctophilus bifax)». Журнал сравнительной физиологии B. 179 ( 4): 433–441. doi :10.1007/s00360-008-0328-y. PMID  19112568. S2CID  20283021.
  26. ^ ab Geiser, Fritz; Brigham, R. Mark (2012). «Другие функции оцепенения». Жизнь в сезонном мире . стр. 109–121. doi :10.1007/978-3-642-28678-0_10. ISBN 978-3-642-28677-3.
  27. ^ ab Леви, О.; Даян, Т.; Кронфельд-Шор, Н. (1 сентября 2011 г.). «Межвидовая конкуренция и оцепенение у золотистых иглистых мышей: две стороны монеты приобретения энергии». Интегративная и сравнительная биология . 51 (3): 441–448. doi : 10.1093/icb/icr071 . PMID  21719432.
  28. ^ Лоренсо, София; Палмейрим, Хорхе Местре (декабрь 2008 г.). «Какие факторы регулируют размножение эктопаразитов пещерных летучих мышей умеренного пояса?». Паразитологические исследования . 104 (1): 127–134. дои : 10.1007/s00436-008-1170-6. PMID  18779978. S2CID  24822087.
  29. Холл, Лора (19 июля 2013 г.). «Среда обитания, вызывающая оцепенение, для перемещения человека в стазис на Марс». NASA . Получено 20 марта 2018 г.