Спячка — это состояние минимальной активности и метаболической депрессии, которому подвергаются некоторые виды животных. Спячка — это сезонная гетеротермия , характеризующаяся низкой температурой тела, медленным дыханием и частотой сердечных сокращений, а также низкой скоростью обмена веществ . Чаще всего это происходит в зимние месяцы.
Хотя этот термин традиционно использовался для обозначения «глубоких» спящих животных, таких как грызуны , этот термин был переопределен и теперь включает таких животных, как медведи [1] и теперь применяется на основе активного метаболического подавления, а не какого-либо абсолютного снижения температуры тела. Многие эксперты полагают, что процессы ежедневного оцепенения и гибернации образуют континуум и используют схожие механизмы. [2] [3] Эквивалентом в летние месяцы является праздничный период .
Функция гибернации позволяет экономить энергию, когда недостаточно еды. Чтобы добиться такой экономии энергии, эндотермическое животное снижает скорость метаболизма и, следовательно, температуру тела. [3] Спячка может длиться несколько дней, недель или месяцев — в зависимости от вида, температуры окружающей среды, времени года и состояния организма человека. Прежде чем впасть в спячку, животным необходимо накопить достаточно энергии, чтобы продержаться в течение периода покоя, возможно, до всей зимы. Более крупные виды становятся гиперфагами , поедая большое количество пищи и сохраняя энергию в своем теле 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 черных медведей впадают в спячку в зимние месяцы, чтобы родить потомство. [6] Беременные матери значительно увеличивают массу тела перед спячкой, и это увеличение дополнительно 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 накопленные жиры для получения энергии. [7]
Эктотермные животные также подвергаются периодам метаболического подавления и покоя , который у многих беспозвоночных называется диапаузой. Некоторые исследователи и представители общественности используют термин « брумат» для описания зимнего покоя рептилий, но считается, что более общий термин «спячка» подходит для обозначения любого зимнего покоя. [8] Многие насекомые, такие как оса Polistes exclamans , 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». В последних двух разделах упоминаются, в частности, приматы, ни один из которых до недавнего времени не считался впадающим в спячку, и медведи, чья зимняя оцепенение оспаривалось в конце 20 века как не «настоящая спячка», поскольку она отличается от спячки, наблюдаемой у грызуны.
Облигатные гибернаторы — животные, которые спонтанно и ежегодно впадают в спячку независимо от температуры окружающей среды и доступа к пище. К облигатным гибернаторам относятся многие виды сусликов , других грызунов , мышиных лемуров , европейских ежей и других насекомоядных , однопроходных и сумчатых . [ нужна цитата ] Эти виды подвергаются тому, что традиционно называют «спячкой»: физиологическому состоянию, при котором температура тела падает почти до температуры окружающей среды, а частота сердечных сокращений и дыхания резко замедляются.
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 возбуждений до сих пор не ясны; Вопрос о том, почему спящие животные могут периодически возвращаться к нормальной температуре тела, мучил исследователей на протяжении десятилетий, и хотя четкого объяснения до сих пор нет, существует множество гипотез по этой теме. Одна из предпочитаемых гипотез заключается в том, что у спящих животных во время спячки возникает « долг сна », и поэтому им приходится время от времени согреваться, чтобы заснуть. Это подтверждается данными об арктических сусликах . [11] Другие теории постулируют, что короткие периоды высокой температуры тела во время спячки позволяют животному восстановить доступные источники энергии [12] или инициировать иммунный ответ. [13]
У арктических сусликов, находящихся в спячке, температура в брюшной полости может достигать -2,9 ° C (26,8 ° F), поддерживая отрицательную температуру в брюшной полости более трех недель подряд, хотя температура головы и шеи остается на уровне 0 ° C ( 32 °F) или выше. [14]
Факультативные гибернаторы впадают в спячку только в случае холодового стресса, лишения пищи или того и другого, в отличие от облигатных гибернаторов, которые впадают в спячку на основе сезонных сигналов времени, а не в ответ на стрессоры окружающей среды.
Хороший пример различий между этими двумя типами спячки можно увидеть у луговых собачек . Белохвостая луговая собачка впадает в облигатную спячку, а близкородственная ей чернохвостая луговая собачка впадает в факультативную спячку. [15]
Хотя спячка уже давно изучается у грызунов (а именно у сусликов ), ни один примат или тропическое млекопитающее не впадали в спячку до тех пор, пока не было обнаружено спячку у толстохвостого карликового лемура Мадагаскара, который зимует в дуплах деревьев семь месяцев в году. [16] Зимние температуры в Малагасии иногда поднимаются выше 30 °C (86 °F), поэтому спячка — это не только адаптация к низким температурам окружающей среды.
Спячка этого лемура сильно зависит от теплового поведения его дупла: если нора плохо изолирована, температура тела лемура сильно колеблется, пассивно следуя за температурой окружающей среды; при хорошей изоляции температура тела остается довольно постоянной, и животное регулярно испытывает приступы возбуждения. [17] Даусманн обнаружил, что гипометаболизм у животных, находящихся в спячке, не обязательно связан с низкой температурой тела. [18]
Исторически было неясно, действительно ли медведи впадают в спячку, поскольку у них наблюдается лишь незначительное снижение температуры тела (3–5 ° C) по сравнению с гораздо большим снижением (часто 32 ° C или более), наблюдаемым у других впадающих в спячку. Многие исследователи думали, что их глубокий сон не сравним с истинной глубокой спячкой, но эта теория была опровергнута исследованиями в 2011 году на содержащихся в неволе черных медведях и снова в 2016 году в исследовании бурых медведей . [19] [20]
Впадающие в спячку медведи способны перерабатывать свои белки и мочу, что позволяет им прекратить мочеиспускание на несколько месяцев и избежать атрофии мышц . [21] [22] [23] [24] Они остаются гидратированными за счет метаболического жира, который вырабатывается в достаточных количествах, чтобы удовлетворить потребности медведя в воде. Они также не едят и не пьют во время спячки, а живут за счет накопленного жира. [25] Считается, что, несмотря на длительное бездействие и недостаток приема пищи, медведи, находящиеся в спячке, сохраняют свою костную массу и не страдают остеопорозом . [26] [27] Они также увеличивают доступность определенных незаменимых аминокислот в мышцах, а также регулируют транскрипцию набора генов, которые ограничивают атрофию мышц. [28] В исследовании Дж. Эдгара Фолка, Джилл М. Хант и Мэри А. Фолк сравнили ЭКГ типичных спящих медведей трех разных видов медведей в зависимости от сезона, активности и покоя и обнаружили, что уменьшенный интервал релаксации (QT) у малых спячек было одинаково для трех видов медведей. Они также обнаружили, что интервал QT менялся как у типичных спящих животных, так и у медведей от лета к зиме. Это исследование 1977 года было одним из первых доказательств того, что медведи впадают в спячку. [29]
В исследовании 2016 года ветеринар дикой природы и доцент Университета прикладных наук Внутренней Норвегии Алина Л. Эванс исследовала 14 бурых медведей в течение трех зим. Были измерены их движение, частота сердечных сокращений , вариабельность сердечного ритма , температура тела, физическая активность, температура окружающей среды и глубина снега, чтобы выявить факторы начала и окончания спячки медведей. В результате этого исследования была построена первая хронология как экологических, так и физиологических событий от начала до конца спячки в полевых условиях. Это исследование показало, что медведи заходили в свою берлогу, когда выпадал снег и температура окружающей среды падала до 0 °C. Однако еще за несколько недель до этого физическая активность, частота сердечных сокращений и температура тела начали медленно снижаться. Оказавшись в берлоге, вариабельность сердечного ритма медведей резко снизилась, 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. Вариабельность сердечного ритма увеличивается только примерно за три недели до пробуждения, и медведи покидают свою берлогу только тогда, когда температура наружного воздуха достигает более низкой критической температуры. Эти данные свидетельствуют о том, что медведи термоконформны, и спячка медведей обусловлена факторами окружающей среды, а возбуждение обусловлено физиологическими сигналами. [30]
Древние люди верили, что ласточки впадают в спячку, а орнитолог Гилберт Уайт в своей книге 1789 года « Естественная история Селборна» задокументировал неофициальные свидетельства , указывающие на то, что это убеждение все еще было актуально в его время. Сейчас понятно, что подавляющее большинство видов птиц обычно не впадают в спячку, а впадают в оцепенение . [31] Одним из известных исключений является обыкновенный бедолага ( Phalaenoptilus nuttallii ), для которого спячка была впервые зарегистрирована Эдмундом Йегером . [32] [33]
Поскольку экзотермические животные (включая рыб, рептилий и земноводных) не могут активно регулировать температуру своего тела или скорость метаболизма, они не могут впадать в спячку. У них может наблюдаться снижение скорости метаболизма, связанное с более холодной средой или низкой доступностью кислорода ( гипоксия ), и они проявляют состояние покоя (известное как брумация). Когда-то считалось, что гигантские акулы оседают на дне Северного моря и впадают в спячку, но исследование Дэвида Симса в 2003 году развеяло эту гипотезу, [34] показав, что акулы в течение сезона преодолевали большие расстояния, отслеживая районы с самым высоким уровнем активности. количество планктона . Документально подтверждено, что эполетные акулы способны выживать в течение трех часов без кислорода и при температуре до 26 °C (79 °F) [35] как средство выживания в прибрежной среде обитания, где уровни воды и кислорода варьируются в зависимости от погоды. прилив. Другие животные, способные выживать в течение длительного периода времени с очень небольшим количеством кислорода или вообще без него, включают золотую рыбку , красноухих ползунков , лесных лягушек и полосатых гусей . [36] Способность выживать в гипоксических или аноксических условиях не связана тесно с эндотермической спячкой.
Некоторые животные могут буквально пережить зиму, замерзнув. Например, некоторые рыбы , амфибии и рептилии могут естественным образом замерзнуть, а затем «проснуться» весной. Эти виды развили механизм устойчивости к замораживанию, такой как белки-антифризы . [37]
Белки-триггеры индукции гибернации (HIT), выделенные из млекопитающих, использовались при изучении скорости восстановления органов. Одно исследование, проведенное в 1997 году, показало, что дельта-2- опиоид и белки-триггеры индукции гибернации (HIT) не способны увеличивать скорость восстановления сердечной ткани во время ишемии. Было установлено, что белки-предшественники, хотя и не способны повысить скорость восстановления во время ишемии, играют роль в сохранении функции ветеринарных органов. [38]
Последние достижения в технологии рекомбинантных белков позволяют ученым производить белки, запускающие индукцию гибернации (HIT), в лаборатории без необходимости эвтаназии животных. Биоинженерия белков может помочь защитить уязвимые популяции медведей и других млекопитающих, которые производят ценные белки. Секвенирование белков HIT-белков, таких как α-1-гликопротеиноподобный белок HRP, связанный с гибернацией, массой 88 кДа, вносит свой вклад в этот исследовательский пул. [39] В исследовании 2014 года использовалась рекомбинантная технология для конструирования, экспрессии, очистки и выделения белков животного происхождения (HP-20, HP-25 и HP-27) вне животного мира для изучения ключевых белков гибернации (HP). [40]
Исследователи изучили, как вызвать спячку у людей. [41] [42] Способность впадать в спячку была бы полезна по ряду причин, например, для спасения жизней тяжелобольных или раненых людей путем временного перевода их в состояние гибернации до тех пор, пока не будет оказана помощь. Для космических путешествий также рассматривается возможность спячки человека, например, для миссий на Марс . [43]
Антропологи также изучают, была ли возможна спячка у ранних видов гоминид . [44]
Когда предки птиц и млекопитающих колонизировали сушу, покинув относительно стабильную морскую среду, более интенсивные наземные сезоны стали играть большую роль в жизни животных. Некоторые морские животные действительно переживают периоды покоя, но в наземной среде этот эффект сильнее и более распространен. Поскольку спячка является сезонной реакцией, перемещение предков птиц и млекопитающих на сушу подвергло их сезонному давлению, которое в конечном итоге переросло в спячку. [45] Это верно для всех кладов животных, находящихся в зимнем покое; чем более выражены времена года, тем дольше в среднем длится период покоя. Спячка у эндотермических 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 гибернация, вероятно, развилась одновременно с эндотермией, причем самый ранний предполагаемый случай гибернации был у тринаксодона , предка млекопитающих, жившего примерно 252 миллиона лет назад. [47] Эволюция эндотермии позволила животным иметь более высокий уровень активности и лучшую инкубацию эмбрионов, помимо других преимуществ для животных в пермский и триасовый периоды. Чтобы сохранить энергию, предки птиц и млекопитающих, вероятно, испытывали раннюю форму оцепенения или гибернации, когда они не использовали свои способности терморегуляции во время перехода от эктотермии к эндотермии. Это противоречит ранее доминирующей гипотезе о том, что спячка возникла после эндотермии в ответ на появление более холодных мест обитания. [47] Размер тела также оказал влияние на развитие спячки, поскольку эндотермические животные, которые становятся достаточно большими, имеют тенденцию терять способность быть избирательно гетеротермными, причем медведи являются одним из очень немногих исключений. [48] После того, как оцепенение и спячка разошлись с общим предком птиц и млекопитающих, находившимся в спячке, способность впадать в спячку или впадать в спячку была бы потеряна у большинства крупных млекопитающих и птиц. Спячка менее предпочтительна для более крупных животных, потому что по мере увеличения размеров животных отношение площади поверхности к объему уменьшается, и для поддержания высокой внутренней температуры тела требуется меньше энергии, и, таким образом, спячка становится ненужной.
Есть свидетельства того, что спячка развивалась отдельно у сумчатых и плацентарных млекопитающих, но это не окончательно установлено. Эти доказательства основаны на развитии, когда молодые сумчатые спящих видов способны регулировать собственное тепло, у них появляется способность впадать в спячку. Напротив, у плацентарных млекопитающих, впадающих в спячку, сначала развивается гомеотермия , а способность впадать в спячку развивается лишь позднее. Эта разница в развитии является свидетельством, хотя и неубедительным, того, что они развивались по несколько разным механизмам и, следовательно, в разное время. [49]
Поскольку рептилии экзотермичны, отсутствие системы борьбы с холодными температурами во многих средах было бы смертельно опасным. Зимний покой рептилий, или брумация, вероятно, развился, чтобы помочь рептилиям выжить в более холодных условиях. Сегодня мы видим, что рептилии, находящиеся в состоянии покоя зимой, как правило, имеют более высокую выживаемость и более медленное старение. [50] Рептилии эволюционировали, чтобы использовать свою эктотермию для намеренного снижения внутренней температуры тела. В отличие от млекопитающих и птиц, которые готовятся к спячке, но не вызывают ее напрямую своим поведением, рептилии сами запускают спячку своим поведением. [51] Рептилии ищут более низкие температуры, основываясь на периодических внутренних часах, которые, вероятно, запускаются более прохладными наружными температурами, 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, так что кислород не расходуется и все еще может 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, а также с многократным развитием во многих кладах членистоногих. [45] [53] Таким образом, в генетическом механизме диапаузы очень мало филогенетической консервативности. В частности, сроки и масштабы сезонной диапаузы кажутся особенно изменчивыми, поскольку в настоящее время они развиваются как реакция на изменение климата. [54] Как это типично для спячки, она возникла после усиления влияния сезонности, когда членистоногие колонизировали наземную среду, как механизм, позволяющий поддерживать низкие затраты на энергию, особенно в более суровых, чем обычно, условиях, а также как хороший способ рассчитать время активной или репродуктивной жизни. периоды у членистоногих. [55] Считается, что первоначально оно развивалось в три этапа. Первый — это развитие нейроэндокринного контроля над функциями организма, второй — сочетание этого с изменениями окружающей среды (в данном случае скорость метаболизма снижается в ответ на более низкие температуры), а третий — сочетание этих средств контроля с надежными сезонными индикаторами внутри членистоногих. как биологические таймеры. [55] В результате этих шагов у членистоногих развилась сезонная диапауза, при которой многие из их биологических функций сочетаются с сезонным ритмом внутри организма. Это очень похоже на механизм эволюции миграции насекомых, где вместо того, чтобы функции организма, такие как обмен веществ, сочетались с сезонными показателями, модели движения будут сочетаться с сезонными показателями.
В то время как у большинства животных, находящихся в зимнем покое, скорость метаболизма снижается, у некоторых рыб, таких как каннер , этого не происходит. [56] Вместо этого они не снижают активно базовый уровень метаболизма, а просто снижают уровень активности. Рыбы, находящиеся в зимнем покое в насыщенной кислородом воде, выживают благодаря бездействию в сочетании с более низкой температурой, что снижает потребление энергии, но не базовую скорость метаболизма, потребляемую их организмом. Но у антарктической желтобрюхой трески ( Notothenia coriiceps ) и у рыб, находящихся в зимнем покое в условиях гипоксии, метаболизм подавляется, как и у других животных, находящихся в зимнем состоянии покоя. [57] [58] Механизм развития метаболической супрессии у рыб неизвестен. Большинство рыб, которые зимой находятся в состоянии покоя, сохраняют достаточно энергии, находясь в состоянии покоя, и поэтому не существует сильного селективного давления для развития механизма метаболического подавления, подобного тому, который необходим в условиях гипоксии. [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 спячке. [...] Из-за спячки и покоя семян многие популяции растений состоят из взрослых особей, а также банков семян , которые могут состоять из семян, произведенных в течение нескольких вегетационных сезонов.
Ранее я описал (Condor, 50, 1948:45) поведение Бедняка (
Phalaenoptilus nuttallinii
), которого я обнаружил в состоянии глубокого оцепенения зимой 1946–1947 годов в горах Чакавалла в Пустыня 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)