Що відбувається з організмом ведмедя під час сплячки? Коментар фахівця

Щоосені ведмеді помірних і полярних широт (зокрема бурий і чорний) починають готуватися до сплячки. Всю весну, літо та осінь ці тварини активно харчувалися, нагулюючи запаси жиру на зиму. А тепер, коли настають холоди, вони шукають потрібне укриття для того, щоб перезимувати. Після того, як укриття знайдено, ведмідь впадає у сплячку.

Сплячка ведмедів у деяких випадках триває до півроку. Під час сплячки деякі види, наприклад, чорний ведмідь (Ursus americanus), знижують пульс з 55 ударів на хвилину до 9. Рівень метаболізму знижується на 53%. Звичайно, весь цей час ведмеді не їдять, не п'ють і не виробляють відходи життєдіяльності. Як їм це вдається?

Для розуміння того, що відбувається в тілі ведмедя під час сплячки необхідно відразу уточнити, що є сама сплячка. І чому це не «анабіоз» у буквальному значенні слова. У буквальному розумінні цього терміна «анабіоз» є процесом повної неактивності тварини. У цей час рівень метаболізму знижується до показників, які більшість вищих тварин є несумісними з життям.

Деякі види земноводних (деякі тритони і жаби) замерзають у морози, без шкоди собі відтаючи при настанні теплого сезону. Безболісним це «промерзання» буквально наскрізь їм у зв'язку з виробленням специфічного речовини, має властивості антифризу, який перешкоджає замерзанню води у тому організмі.

Ведмеді не замерзають. Температура їх тіла під час сплячки залишається досить високою, що дозволяє їм прокинутися у разі будь-якої небезпеки, вийшовши з барлоги.До речі, ведмедів, які прокинулися завчасно, називають «шатунами». Вони становлять значну небезпеку для людини, оскільки взимку ведмідь не може знайти достатньої кількості їжі, і завжди голодний, і агресивний.

Деякі дослідники стверджують, що ведмеді не впадають в анабіоз, як і говорилося вище. Але є й вчені, які називають ведмедів «супер-анабіозниками», оскільки не їсти, не пити і не випорожнюватися по півроку, залишаючись при цьому в змозі швидко вийти зі сплячки — це унікальне явище у тваринному світі.

"На мою думку, ведмеді найкращі анабіозники у світі", - говорить Браян Барнес (Brian Barnes) з Інституту арктичної біології Університету Аляски (Фейрбенкс). Цей вчений провів три роки, вивчаючи особливості сплячки чорних ведмедів.

«Їхнє тіло — закрита система. Вони можуть провести всю зиму, використовуючи лише кисень для дихання – це все, що їм потрібне», – каже Барнес.

Чому ведмеді не випорожнюються під час сплячки? Якщо коротко, то тому, що в їхньому організмі в цей час утворюється фекальна пробка. Це особлива маса, яку дослідники вже давно знаходили у стравоходах ведмедів, які впали у сплячку.

Раніше вважалося, що ведмеді перед тим, як залізти в барліг, поїдають велику кількість рослинного матеріалу, вовни інших ведмедів та інших матеріалів, які не перетравлюються, і які потім утворюють пробку в кишечнику тварини. Вчені, які дійшли такого висновку, багато в чому покладалися на інформацію, отриману від мисливців на ведмедів. Ті стверджували, що спосіб харчування, про який йшлося вище, приводив до «скріплення кишечника» і тварина просто не могла під час сну провести акт дефекації.

Насправді це не так.Ведмеді нічого особливого не їдять перед сплячкою. Вони, як всеїдні тварини, намагаються споживати будь-яку доступну їм їжу, включаючи фрукти, овочі, горіхи, м'ясо, рибу, ягоди та багато іншого.

А під час сплячки кишечник тварини продовжує працювати. Не в режимі колишньої активності, але все ж таки він працює. Клітини продовжують ділитись, здійснюється кишкова секреція. Все це формує невелику кількість фекалій, які накопичуються в кишечнику тварини. Формується пробка діаметром від 3,8 до 6,4 сантиметрів.

"Фекальна пробка - це ті ж відходи життєдіяльності, які знаходяться в кишечнику тварини так довго, що стінки кишечника абсорбують рідини з цієї маси, залишаючи її сухою і твердою", - йдеться на сайті Північноамериканського центру вивчення ведмедів. Таким чином, організм ведмедя не втрачає таку необхідну йому воду, запаси якої у барлозі заповнити практично неможливо.

Фахівці розміщували у барлогах ведмедів камери, які записували все, що відбувалося під час сплячки. Як виявилося, волокна рослин і шерсть часто є складовою пробки тому, що ведмідь навіть під час сплячки може підбирати щось із землі в барлозі, а може і злизувати свою вовну.

Після того, як ведмідь виходить із барлоги, вони очищають кишечник, який починає функціонувати нормально. Зазвичай дефекація відбувається на порозі барлоги. Тому ніякої містики чи загадки, як про це говорять деякі мисливці чи навіть вчені, у ведмежій пробці немає. Все це продукт життєдіяльності організму. До речі, ведмідь у барлозі зовсім не смокче лапу. Справа в тому, що в січні та лютому відбувається зміна шкірного покриву на подушечках лап.Стара шкіра лопається, свербить, що завдає ведмедеві відомих незручностей. Для того, щоб полегшити свербіж, ведмідь облизує лапи.

Для того, щоб прояснити деталі процесу сплячки у ведмедів, я запросив коментар у вчених із Криворізького державного педагогічного університету.

Яким чином ведмеді підтримують свій організм у стані сплячки?

Кожна тварина існує за рахунок обміну речовин та енергії, які забезпечуються споживаною їжею. Природно, що чим активніший спосіб життя та інтенсивніші фізіологічні процеси, тим більше «палива» у вигляді їжі потрібно вводити в організм. В організмі ж, що перебуває у стані спокою у вигляді сплячки, інтенсивність усіх обмінних процесів зведена до фізіологічного мінімуму. Тобто енергії витрачається рівно стільки, скільки її необхідно для того, щоб звір залишався живим і щоб не відбулися дегенеративні процеси в тканинах та органах у зв'язку з нестачею енергії. Загалом цей стан можна порівняти з тим, що відбувається під час звичайного сну, але, природно, він більш «утрирований».

Основним споживачем енергії в організмі є головний мозок та м'язи (не менше 2/3 усієї енергії організму). Але оскільки м'язова система під час сну неактивна, то енергії її клітини отримують рівно стільки, скільки необхідно підтримки їхнього існування. Тому на «малих оборотах» починають працювати й інші органи, які також отримують дуже мало енергії. Травній системі по суті нічого перетравлювати (оскільки кишечник майже порожній, як було сказано вище). Звідки ж тоді береться цей мінімальний обсяг енергії, який все ж таки звіру необхідний? Він витягується із запасів жиру та глікогену, накопичених за активний період року.Витрачаються вони поступово і зазвичай їх вистачає аж до весни.

До речі, шатунами досить часто стають саме ті ведмеді, які влітку «погано їли». Відомо чимало усних розповідей про те, що шатунів у голодні роки більше. Отже, запаси жиру та глікогену – основне джерело енергії. Ще однією життєво важливою речовиною є кисень. Але оскільки організм малоактивний, то й кисню потрібно набагато менше. Таким чином, частота дихання значно знижується. А якщо тканини організму при сплячці вимагають дуже мало кисню та поживних речовин, то і крові, яка їх переносить, можна рухатися набагато повільніше. Тому і частота скорочень серця значно зменшується, а, відповідно, серце споживає також менше енергії. З економією води пов'язане не лише «закупорювання» кишечника, але й фактичне припинення діяльності нирок.

Чи є інші приклади сплячки серед теплокровних тварин?

Таке пристосування, як сплячка у ведмедів є вельми незвичайним для теплокровного явища, але зовсім не унікальним. Вона також є у їжаків помірних широт, мешканців степів Євразії бабаків, деяких представників сімейства Куньї (барсук). У особливо холодні та голодні зими в подібний стан можуть впадати білки та єнотоподібні собаки, але ненадовго, а їх процеси життєдіяльності не сповільнюються так, як це буває у ведмедів. Крім зимової сплячки (глибокого сну), буває також і літня сплячка (естівація). В останню впадають деякі мешканці спекотних пустель (деякі комахоїдні, гризуни, сумчасті).

Це буває в найспекотніші періоди року, коли видобуток корму та води стають набагато більш енерговитратними та, по суті, неефективними.Тому тварині простіше впасти у сплячку та перечекати несприятливі умови. Окрім сезонної сплячки буває також і добова. Вона характерна для деяких літаючих теплокровних – колібрі та кажанів. Справа в тому, що й ті, й інші під час польоту дуже швидко махають крилами. Завдяки цьому їхній політ став більш маневреним, а видобуток корму більш ефективним. Але за все у природі треба платити. Їхні літальні м'язи споживають дуже багато енергії, якої не вистачає на повну добу (попри те, що і колібрі, і кажани за активну фазу доби споживають їжі масою більше половини власної маси).

Як бачимо, швидкість обміну речовин вони просто колосальна. Тому під час сну (а відпочинок у вигляді сну необхідний кожній тварині – це також нормальний та обов'язковий фізіологічний процес) їхня життєдіяльність знижується до параметрів, порівнянних з тими, що спостерігаються у ведмедів.

Чим відрізняється стан сплячки ведмедів від, наприклад, анабіозу жаб?

У теплокровних фізіологічні процеси при сплячці не можуть бути повністю вимкненими. На те вони і теплокровні - необхідно самостійно тепло. Іншу картину можна спостерігати у пойкілотермних тварин - їх процеси життєдіяльності практично повністю зупиняються. Тобто клітини організму перебувають практично у законсервованому стані до настання найкращих часів – коли пригріє сонце та дасть достатньо тепла, що розігріти тіло. Це буває у всіх помірних земноводних і більш північних широт.

Відомий факт, що особини хвостатого земноводного сибірського кута зуба після того, як були буквально вмерзлими в лід протягом кількох десятиліть (!) після відтавання «оживали» і почувалися нормально. Також в анабіоз впадають і зимуючі змії та ящірки, але їх організм не настільки живучий (замерзання вони не перенесуть). Інший приклад - риби, що живуть в водоймах Африки, Південної Америки і Австралії, що пересихають, і закопуються в мул на період посухи. Процеси, що відбуваються в їхньому організмі в цей період близькі до тих, що відбуваються у земноводних - майже повне припинення життєдіяльності до кращих часів.

Що стосується рептилій спекотних країн, то треба сказати, що, хоча вони і холоднокровні, але переживання несприятливих умов у них більше схоже з таким у теплокровних - значне зниження інтенсивності фізіологічних процесів, але не зупинка (адже сонячної теплової енергії достатньо). Великі рептилії (крокодили, пітони та удави) таким чином «відпочивають» до року, перетравлюючи з'їдений великий видобуток.

Чи можна штучно створити режим сплячки для тварин, які не впадають у сплячку?

Ні. Це буде ненормальний стан, подібний до коми.

Як міг з'явитися такий механізм зимівлі у ведмедів? Чи вироблявся такий механізм упродовж багатьох сотень тисяч років чи з'явився спонтанно?

Усі фізіологічні процеси контролюються генетично. У ході еволюції у певної групи особин могла виникнути певна фізіологічна особливість, яка полягає в особливому режимі сну (добового, нормального) в холодний період року, що супроводжується невеликим спадом фізіологічної активності та падінням температури тіла на 1-2 градуси.

Така особливість дала цим особинам певну перевагу щодо більш економного витрати енергії за умов із меншою кількістю корму. При цьому вона стала давати настільки велику перевагу виживання, що поступово в популяції залишилися тільки такі мутанти. Надалі відбір за цією ознакою продовжився – сон ставав все більш тривалим та глибоким, а інтенсивність процесів організму зменшувалась дедалі більше. Зрештою тварини навчилися облаштовувати барлоги. До речі, ця особливість могла дати значну перевагу ще й тому, що саме під час сплячки самка народжує дитинчат і вони тим часом перебувають у теплі та захисті, приховані від сторонніх очей. Загалом еволюція явища зимової сплячки тривала (а може й продовжується) протягом звичайно ж не менше, ніж кількох сотень тисяч років.

За допомогу в підготовці статті редакція Geektimes дякує:
Брошка Євгена Олеговича, к.б.н., старший викладач, кафедра зоології КДПУ (Криворізький державний педагогічний університет)
Євтушенко Едуарда Олексійовича, к.б.н., доцент, кафедра ботаніки та екології КДПУ