Оцепенение — состояние пониженной физиологической активности животного, обычно характеризующееся снижением температуры тела и скорости обмена веществ . Оцепенение позволяет животным пережить периоды недостатка пищи. [1] Термин «оцепенение» может относиться к времени, в течение которого человек, находящийся в спячке , находится при низкой температуре тела, от нескольких дней до недель, или к периоду низкой температуры тела и метаболизма, продолжающемуся менее 24 часов, как, например, «ежедневное оцепенение». ".
К животным, которые ежедневно подвергаются оцепенению, относятся птицы (даже крошечные колибри , особенно Cypselomorphae ) [2] [3] и некоторые млекопитающие, в том числе многие виды сумчатых , [4] [5] виды грызунов (например, мыши ) и летучие мыши . [6] В течение активной части дня такие животные поддерживают нормальную температуру тела и уровень активности, но скорость их метаболизма и температура тела падают в течение части дня (обычно ночью) для сохранения энергии. [ нужна цитата ]
Некоторые животные сезонно впадают в длительные периоды бездействия со снижением температуры тела и обмена веществ, состоящие из нескольких приступов оцепенения. Это известно как спячка , если она происходит зимой, или зимняя спячка , если она происходит летом. С другой стороны, дневное оцепенение не зависит от сезона и может быть важной частью энергосбережения в любое время года. [ нужна цитата ]
Торпор — это хорошо контролируемый процесс терморегуляции , а не результат выключения терморегуляции, как считалось ранее. [7] Сумчатое оцепенение отличается от оцепенения несумчатых млекопитающих ( эутериевых ) характеристиками возбуждения. Эйтерианское возбуждение основано на выработке тепла бурой жировой тканью как механизме ускорения согревания. Механизм возбуждения сумчатых неизвестен, но, по-видимому, он не зависит от бурой жировой ткани. [8]
Эволюция оцепенения, вероятно, сопровождала развитие гомеотермии . [9] Животные, способные поддерживать температуру тела выше температуры окружающей среды, когда другие представители этого вида не имеют преимущества в физической форме. Преимущества поддержания внутренней температуры включают увеличение времени кормления и меньшую восприимчивость к резким перепадам температуры. [9] Такая адаптация к повышению температуры тела к корму наблюдалась у мелких млекопитающих, ведущих ночной образ жизни, когда они впервые просыпаются вечером. [10] [11] [12]
Хотя гомеотермия дает такие преимущества, как повышение уровня активности, мелкие млекопитающие и птицы, поддерживающие внутреннюю температуру тела, тратят до 100 раз больше энергии при низких температурах окружающей среды по сравнению с экзотермическими животными. [13] Чтобы справиться с этой проблемой, эти животные поддерживают гораздо более низкую температуру тела, оставаясь чуть выше температуры окружающей среды, а не нормальной рабочей температуры. Такое снижение температуры тела и скорости обмена веществ позволяет продлить выживание животных, способных впадать в торпидное состояние.
В 2020 году ученые сообщили о свидетельствах оцепенения листрозавра, жившего примерно 250 млн лет назад в Антарктиде, — старейшего свидетельства состояния, подобного гибернации, у позвоночных животных. [14] [15] [16]
Замедление скорости метаболизма для сохранения энергии в периоды нехватки ресурсов является основной целью оцепенения. [17] Этот вывод во многом основан на лабораторных исследованиях, в ходе которых наблюдалось оцепенение, сопровождающее лишение пищи. [18] Существуют доказательства других адаптивных функций оцепенения, когда животных наблюдают в естественных условиях:
Животные, которые могут впадать в торпор, полагаются на биологические ритмы, такие как циркадные и окологодовые ритмы, для продолжения естественных функций. Разные животные управляют своим циркадным ритмом по-разному, а у некоторых видов он полностью прекращается (например, у европейских хомяков ). Другие организмы, такие как черный медведь , впадают в спячку и переключаются на многодневные циклы, а не полагаются на циркадный ритм. Однако видно, что и дикие, и пленные медведи демонстрируют схожие циркадные ритмы при впадении в спячку. Медведи, входящие в спячку в искусственной берлоге без света, демонстрировали нормальный, но слабо функционирующий ритм. То же самое наблюдалось и у диких медведей, обитающих в природных зонах. Функция циркадных ритмов у черных, бурых и белых медведей позволяет предположить, что их система оцепенения эволюционно развита. [19]
Было показано, что оцепенение является стратегией мелких перелетных птиц, направленной на сохранение запасов энергии в организме . [20] [21] Было замечено, что колибри, отдыхавшие ночью во время миграции, впадали в оцепенение, что помогало сохранять запасы жира во время миграции или холодных ночей на большой высоте. [18] [20] [21]
Эта стратегия использования оцепенения для сохранения запасов энергии, например жира, также наблюдалась у зимующих синиц. [22] Черношапочные синицы , обитающие в умеренных лесах Северной Америки, не мигрируют на юг зимой. Синица может поддерживать температуру тела на 12 °C ниже нормальной. Такое снижение метаболизма позволяет сохранить 30% жировых запасов, накопленных за предыдущий день. [22]
Оцепенение может быть стратегией животных с непредсказуемыми запасами пищи. [23] Например, грызуны, живущие в высоких широтах, используют оцепенение сезонно, когда не размножаются. Эти грызуны используют оцепенение как средство пережить зиму и выжить для размножения в следующем цикле воспроизводства, когда источников пищи много, что отделяет периоды оцепенения от периода размножения. Восточная ушастая летучая мышь зимой впадает в оцепенение, а в теплые периоды способна просыпаться и добывать пищу. [24] Некоторые животные впадают в оцепенение во время репродуктивного цикла, что наблюдается в непредсказуемых средах обитания. [23] Они несут издержки длительного периода воспроизводства, но наградой является выживание, чтобы иметь возможность воспроизводиться вообще. [23]
Предполагается, что такое ежедневное использование оцепенения могло позволить выжить в условиях массового вымирания . [25] Гетеротермные животные составляют только четыре из 61 млекопитающих, вымерших за последние 500 лет. [25] Торпор позволяет животным снизить потребность в энергии, что позволяет им лучше выживать в суровых условиях.
Межвидовая конкуренция возникает, когда двум видам требуется один и тот же ресурс для производства энергии. [26] Торпор повышает приспособленность в случае межвидовой конкуренции с ночной обыкновенной колючей мышью . [26] Когда у золотой колючей мыши снижается доступность пищи из-за совпадения рациона с обыкновенной колючей мышью, она проводит больше времени в спящем состоянии.
Было показано, что падение температуры из-за оцепенения снижает способность паразитов к размножению. [27] В зонах умеренного климата репродуктивная способность эктопаразитов у летучих мышей снижается, когда летучие мыши впадают в спячку. В регионах, где летучие мыши не впадают в оцепенение, паразиты поддерживают постоянную скорость размножения в течение всего года.
В 2013 году компания SpaceWorks Engineering начала исследовать способ значительно сократить расходы на экспедицию человека на Марс, поместив экипаж в продолжительное состояние спячки на 90–180 дней. Путешествие в спящем режиме снизит метаболические функции астронавтов и сведет к минимуму требования к жизнеобеспечению во время многолетних миссий. [28]