У всех бывают тяжёлые времена, но некоторые теплокровные животные переживают их в бессознательном состоянии — спячке. Во время этого состояния подавляется обмен веществ, снижается температура тела, замедляется дыхание. Организм перестает питаться, расходует минимум энергии и практически не изнашивается.
Такие радикальные изменения в физиологии называют гибернацией. Правда, это название не совсем точно: раньше им обозначали только зимнюю спячку, хотя гибернация бывает и летней. Однако термин прижился в науке, а само явление до сих пор вызывает большой интерес у исследователей.
Что происходит с организмом во время спячки
Иногда температура тела животных во время гибернации опускается ниже нуля по Цельсию. Мозг тоже сильно остывает, однако остаётся теплее остальных органов. Благодаря этому даже во время глубокой гибернации животные способны реагировать на некоторые раздражители и просыпаться, если это жизненно необходимо.
Возникает вопрос: существует ли в мозге животных своеобразный «обогреватель»?
Ученые подтвердили наличие такого элемента. Им оказался белок термогенин (UCP1), который вырабатывается в бурой жировой ткани. Она есть у животных, впадающих в бессознательное состояние, а также у младенцев. При этом в мозге белок образуется только у тех зверей, которым он действительно необходим, и только зимой во время сезонной спячки.
У зверей, не склонных к гибернации, UCP1 в нервных клетках не образуется. Этот белок расходует большое количество энергии на обогрев. Например, волку, который круглый год перемещается по лесу в поисках пищи, выгоднее направить энергию на работу мышц — не зря говорят, что волка ноги кормят.
Почему животные впадают в спячку
Спячка — это прежде всего замедление обмена веществ. Понижение температуры тела способствует этому процессу, но не является обязательным условием.
Например, температура тела мадагаскарских лемуров, впадающих в спячку при температуре около 30 °С, не опускается ниже температуры окружающей среды. Некоторые животные погружаются в состояние покоя при снижении температуры тела лишь немного ниже 37 °С.
Так чего же не хватает млекопитающим, впадающим в глубокий сон? Если недостаток тепла не является главным фактором, возможно, решающую роль играет уменьшение количества потребляемых калорий. Есть основания полагать, что это действительно так.
Например, если осенью подкармливать готовящихся к гибернации бурундуков, серых мышиных лемуров или золотистых иглистых мышей, они либо впадают в сон позже обычного, либо спят не так долго.
Иногда такое состояние бывает связано с недостатком определённого компонента пищи. Так, если увеличивать в рационе желтобрюхого сурка количество α-линоленовой кислоты — одной из незаменимых жирных кислот, — он может вообще не залечь в спячку.
Кроме того, гибернацию может спровоцировать отсутствие воды. Экспериментально было показано, что животные, которых совсем не поили, впадали в сон быстрее и спали дольше, чем зверьки, не испытывавшие недостатка в воде.
Влияние условий среды
Ещё один важный фактор — непредсказуемость окружающей среды. Это продемонстрировали австралийские учёные, устроившие лабораторным хомякам своеобразную непредсказуемую жизнь: их кормили как придется, поэтому животные не знали, смогут ли они сегодня поесть и насколько плотным будет кормление.
В таких условиях хомяки спали даже дольше, чем животные, которые получали меньше еды, но регулярно.
Однако и к проблеме питания спячка не сводится. У чёрных медведей, выходящих из сна, скорость обмена веществ возвращается к норме лишь спустя три недели.
Возможно, пищеварительная система медведей во время отдыха настолько изменяется, что ей требуется время для восстановления нормальной активности. Из-за неэффективной работы кишечника медведь может быть просто неспособен сразу вернуться к прежней скорости обмена веществ, даже если температура его тела уже пришла в норму.
Как организм готовится к пробуждению
Объём мышц сусликов, впавших в спячку, уменьшается лишь до определённого момента, а затем, пока грызун ещё спит, начинает расти. Таким образом организм заранее подготавливает мышцы к будущему пробуждению.
При этом масса животного продолжает снижаться. Получается, что подготовить мышцы к выходу из гибернации настолько важно, что организм расходует на это ресурсы даже в условиях их катастрофической нехватки.
Интересно и то, что организм как будто заранее понимает, когда необходимо начинать подготовку. Звери после пробуждения могут по-прежнему получать мало пищи или даже потратить последние запасы энергии на восстановление мышц. Значит, где-то в организме существует своеобразный внутренний «наблюдатель», который отслеживает время.
Периоды пробуждения во время спячки
Ни одно животное не проводит весь период гибернации в состоянии подавленного обмена веществ. Хотя бы раз в неделю спящие животные ненадолго просыпаются. Некоторые во время таких кратких пробуждений успевают даже выйти из норы и немного поесть. Чаще они остаются в своих убежищах и практически ничего не делают, однако обмен веществ становится более активным.
Чередование периодов глубокой спячки и пробуждения напоминает смену циклов сна и бодрствования. Поэтому некоторые учёные предполагают, что при гибернации происходит замедление хода внутренних, или биологических, часов. Это может быть связано с угнетением работы генов, управляющих этими часами.
Сон во многом похож на спячку: во время сна тоже немного снижается температура тела и изменяется электроэнцефалограмма. Всё это подтверждает связь спячки с замедлением хода биологических часов. Однако пока неясно, где причина, а где следствие: начинается ли спячка из-за замедления биологических часов или изменение их работы происходит вследствие торможения обмена веществ.
Зачем нужны краткие пробуждения
На моменты коротких пробуждений приходится около 70 % энергии, которую звери расходует во время сна. При этом суммарно они занимают примерно одну десятую всего периода гибернации.
Если такое оживление обмена веществ обходится животному настолько дорого, значит, оно либо имеет большое значение, либо является побочным эффектом спячки.
Вероятно, за период глубокой спячки в организме накапливается или, наоборот, заканчивается какое-то важное вещество, баланс которого приходится восстанавливать во время пробуждения. Известно несколько кандидатов на роль такого фактора, однако ни для одного из них пока не доказано, что именно он заставляет животное прерывать глубокий сон.
Какие животные впадают в спячку
Около 70 процентов накопленных перед спячкой запасов животное тратит во время коротких пробуждений. После окончательного выхода из гибернации оно оказывается чрезвычайно уязвимым и легко может стать добычей хищника.
Мадагаскарские лемуры
Мадагаскарские лемуры способны впадать в спячку при высокой температуре окружающей среды — около 30 °С. При этом зверек не становится холоднее воздуха. Чтобы спячка была достаточно глубокой, лемур устраивается в прохладном дупле.
Лемуры вызывают особый интерес у исследователей состояния покоя, поскольку относятся к приматам — к тому же отряду, что обезьяны и человек.
Медведи
Температура тела медведя, залегшего в берлогу, падает лишь на несколько градусов. Однако даже в такую относительно мягкую гибернацию погружаются не все виды медведей.
Например, белые медведи, в отличие от бурых и черных, зимой активно охотятся. Им нет смысла впадать в зимний сон: в Арктике и без того холодно, а зимой на воде образуется прочный лёд, с которого белым медведям удобно охотиться на нерп.
Лесные сурки
Хотя выражение «спит как сурок» означает «спит беспробудным сном», на самом деле зимняя спячка лесных сурков не такая уж глубокая. Периоды бодрствования могут длиться столько же, сколько и периоды сна — по 4–5 дней.
Именно поэтому жителям Америки и Канады удаётся отмечать День сурка — гадание о будущей весне по поведению вылезшего из норы животного. Разбудить, например, заледеневшего суслика в произвольный зимний день было бы значительно сложнее.
Американский козодой
Американский козодой — единственный вид птиц, впадающий в полноценную спячку на несколько недель или месяцев каждый сезон. Другие пернатые, и то не все, способны лишь погружаться в непродолжительный анабиоз, когда им становится холодно или голодно.
У колибри, например, настолько активный обмен веществ, что эти птицы могут за ночь погибнуть от голода. Поскольку ночью искать пищу трудно, им приходится впадать в своеобразный мини-сон на несколько часов.
Летучие мыши
Летучие мыши сильно охлаждаются во время спячки — до нескольких градусов по Цельсию. Однако, в отличие от сусликов, даже недолгое охлаждение до отрицательных температур для них губительно.
На период зимней спячки у летучих мышей приходится часть брачного сезона, и некоторые животные успевают спариться во время кратких пробуждений. При этом забеременеть в состоянии покоя самки не могут, но сперма в их половых путях сохраняет жизнеспособность несколько месяцев. Оплодотворение происходит весной, когда мышь окончательно просыпается.
Суслики
Суслики способны понижать температуру тела ниже нуля по Цельсию, а затем возвращаться в нормальное состояние без вреда для здоровья. При этом сердце животного бьётся лишь несколько раз в минуту, а обмен веществ настолько слаб, что в спящем суслике тяжело распознать живой организм.
Погружаться в такое состояние животному, естественно, сложно, поэтому периоды спячки у суслика могут длиться долго — до месяца, а периоды пробуждения занимают лишь несколько часов.
Как спячка влияет на мозг
Оставаясь без еды, приходится экономить буквально на всём. Животные, впадающие в спячку, экономят даже на нейронных связях. Когда звери погружаются в гибернацию, многие контакты между нейронами в их мозге просто исчезают.
Поддерживать такие связи — дорогое удовольствие: человеческий мозг, например, потребляет до 20 % энергии тела. Но удивительно даже не то, что нейроны перестают связываться между собой, а то, что эти контакты после спячки восстанавливаются.
При охлаждении почти все активные процессы в организме подавляются, в том числе тормозится синтез белков. Однако выработка белка RBM3, наоборот, усиливается с понижением температуры тела грызунов.
Логично было предположить, что он является частью механизма, позволяющего восстанавливать память о контактах между нервными клетками.
Значение для науки
Спячка — это не просто способ пережить голод или неблагоприятные условия. Это сложный процесс, который особым образом воздействует на все системы организма. Даже клетки разных органов приспосабливаются к тяжёлым условиям гибернации различными способами.
Например, изменения в печени на молекулярном уровне существенно отличаются от процессов, происходящих в мышцах. Вопросов о гибернации пока больше, чем ответов.