Сплять стомлені лемури. Що таке сплячка тварин і чим вона відрізняється від анабіозу та глибокого сну

Соня-полчок впадає в сплячку, коли довкола немає насіння бука. Деревні жаби понад півроку проводять замороженими у льоду. Температура тіла ховраха під час сплячки може опуститися до 2-5 градусів (як у холодильнику!). А що може пережити тихохід в анабіозі? Розповідає Зоя Чернова.

Коли авторка цієї статті була студенткою біофака, один із її викладачів поділився з нею широко відомою у вузьких колах байкою. Вчені, які вивчають сплячку ховрахів, багато років намагалися зрозуміти причину періодичних сплесків мозкової активності, що з'являються у тварин під час сплячки. І так вивчали, і так — а потім візьми і подивися, що там у цей момент ховрах робить. А він, ховрах, у цей момент зі сплячки ненадовго виходив і справляв метаболічні потреби. Бо навіть глибоко у сплячці метаболізм не припиняється, хоч і сповільнюється до мінімуму.

Давайте чесно – хто з нас не мріяв уміти впадати у сплячку? Заснув у затишку десь на початку листопада, прокинувся на початок весни — краса! Але нам у цьому плані не пощастило, такої суперздатності більшість приматів (але не всі!) не мають. Зате мають інші тварини: ми з дитинства знаємо про ведмедів у барлозі (а хтось навіть чув про ведмедів-шатунів), ховрахів і їжаків. Так що ж таке сплячка, чи відрізняється вона від глибокого сну, а та від анабіозу і чому ми все-таки не можемо просто взяти і заснути на пару місяців? І якщо не можемо зараз, то чи зможемо у майбутньому, коли технології крокують далеко вперед?

Сплячка, анабіоз чи гібернація?

На жаль, світ навколо суворий.Уповільнення життєвих процесів в організмі при сплячці - це якраз один із способів упоратися з умовами суворого світу. Спочатку розберемося в понятійному апараті: у чому різниця між сплячкою, глибоким сну і анабіозом? Адже є ще і торпор, і естівація, і навіть брумація.

Насамперед обмовимося, що сплячка — це не просто глибокий сон, вона розвивається з інших причин і супроводжується іншими фізіологічними та біохімічними змінами. Кома теж не сплячка: вона викликається патологічними причинами, травмами, інтоксикацією або запровадженням певних препаратів, але нічого природного в комі немає, і безслідно вона не минає.

Наркоз і летаргічний сон теж не сплячка. Ні при комі, ні при наркозі температура тіла настільки не знижується, а метаболізм не сповільнюється до мінімуму.

Найпростіший вид «відключення» - це торпор, короткочасне завмирання, або збентеження, найбільш характерне для дрібних тварин, наприклад птахів. Торпор зазвичай не триває довше за кілька годин і не призводить до сильних змін в організмі. Це щось на зразок ступору, різка реакція на різкий подразник.

Сплячка — це вже стан зниженої активності та уповільненого метаболізму, і саме в нього впадають ті тварини, які першими спадають на думку при слові «спячка». Ведмеді з приходом зими, добре нагулявши жиру, зариваються в барліг глибше, знижують температуру тіла, уповільнюють роботу серця, пригнічують дихання. Все це дозволяє значно знизити рівень споживання енергії, тобто перейти в свого роду ощадний режим, — саме на суворий час нестачі їжі та холодів.

Сплячка це тим не менш не тотальне відключення організму на довгий час: іноді тварини все ж таки прокидаються.Такі періодичні періоди неспання потрібні для того, щоб поїсти, поміняти становище тіла, або, як у ховрахів з початку статті, позбутися зайвого.

Несподіване пробудження може статися, якщо тварина не нагуляла достатньо запасів або її потривожили. Наприклад, ведмедів, що рано прокинулися, часто відносять до шатунів, а насправді шатунізмом зазвичай страждають ті, хто був настільки не готовий до сплячки, що просто не впав у неї. Більшість шатунів — це хворі, поранені чи старі тварини, а й класичні шатуни, і рано прокинулися — злі, невыспавшиеся — дуже небезпечні людини.

Гібернація — це значно радикальніша форма сплячки, це вже не просто ощадний режим, а тотальна економія. Під час глибокого сну швидкості більшості процесів в організмі сповільнюються максимально, а температура тіла падає практично до рівня навколишнього середовища. Такий екстремальний сон допомагає тим, кому потрібно пережити складний час.

Часто до глибокого сну вдаються дрібні тварини, у яких у звичайному стані швидкість метаболічних процесів вкрай висока.

Гібернацією, до речі, називають глибоку сплячку взимку, а для літньої сплячки є окремий термін – естівація. Для сплячки рептилій також є свій термін — брумація.

Найглибшим же сном вважається анабіоз. При анабіозі активність метаболізму припиняється практично повністю, іноді навіть важко відрізнити живе від неживого. Жодних коротких пробуджень під час анабіозу немає. Анабіоз дозволяє організму виживати в умовах, які, на перший погляд, здаються несумісними з життям — за повної відсутності води, екстремально високих чи низьких температур, радіації.У цьому стані організм може зберігати життєздатність невизначено довгий час, аж до того моменту, поки умови не стануть сприятливими для відновлення — і тоді життя знову прокинеться.

Для більшості тварин анабіоз неможливий – вони надто складно влаштовані. Більшість любителів анабіозу – це одноклітинні або невеликі безхребетні, як, наприклад, тихохідка – відома виживальниця.

Тихохідка здатна пережити радіоактивне випромінювання, високі та низькі температури, навіть перебування у відкритому космосі – і не загинути. Все це завдяки анабіозу.

Далі ми майже скрізь говоритимемо просто про сплячку як про ширше поняття — якщо немає на увазі саме анабіоз чи глибокий сну.

Ведмеді, миші, ховрахи? Примати!

Найчастіше сплячка асоціюється з ведмедями, їжаками, ховрахами, на крайній край з кажанами, але насправді цей процес зустрічається у різних тварин. Сплячка бабака, наприклад, взагалі увійшла в популярну культуру: саме з його пробудженням пов'язане повір'я про День бабака. Вважається, що якщо звір, що прокинувся, лякається власної тіні (тобто день ясний і сонячний), то весна буде холодною і пізньою. Однак бабак — це тварина, характерна для Північної Америки, а ось у Європі провісниками працювали їжаки, борсуки та ведмеді.

Від мишей до кажанів, від птахів до приматів — сплячка зустрічається у різних видів. Незважаючи на те, що найчастіше сплячка – це відповідь на холоди, іноді тварина рятується, навпаки, від спеки чи посухи. Причому кожен вид має свої, властиві лише йому особливості сплячки.

Ведмеді, наприклад, найбільші з існуючих тварин, що впадають у сплячку, що взагалі досить незвичайно: сплячка - доля дрібних тварин.На відміну від інших, дрібніших тварин у ведмедя температура тіла практично не знижується. У цьому є сенс, тому що в іншому випадку навесні йому довелося б витрачати надто багато енергії, щоб нагріти себе до нормальної температури.

Для захисту від атрофії м'язів та руйнування кісток у ведмедів припасовано чарівний засіб: впаданняя в сплячку, вони просто відключають ряд генів.

Є в їхній сплячці й інший цікавий момент: чим старша тварина, тим раніше вона засинає і тим довше спить.

На відміну від ведмедів амфібії не тільки уповільнюють метаболізм, але й сильно знижують температуру, тому сплячка у них проходить куди радикальніше. Жаби та інші з ними іноді просто вмерзають у лід, знижуючи температуру тіла до негативної.

Деревні жаби, наприклад, у природній сплячці залишаються вмороженими в лід протягом майже 200 днів за середньої мінімальної температури близько -14 °C — виживання при цьому становить 100%!

Для такого ефективного замерзання та подальшого відтавання в їх м'язах та внутрішніх органах є спеціальні антифризи та кріопротектори.

У сплячку впадають не тільки багато ссавців, рептилії, амфібії, комахи, а й навіть птахи! Так-так, серед птахів є вид, у якого документально була підтверджена сплячка, - це американський білогорлий козодою (Phalaenoptilus nuttallii). Ще один вид птахів — новозеландський скелястий кропив'янка — лише підозрюється у здатності переживати холод, сопучи в гнізді. Така поведінка для птахів, м'яко кажучи, не характерна - їхній метаболізм дуже швидкий і надефективний, і зазвичай вони не переживають холоду, впадаючи в сплячку, а відлітають у теплі краї.Звичайно, в екстрених ситуаціях деякі види птахів можуть впадати в торпор, але він не триває більше кількох годин, максимум кількох днів.

Чому козоїди раптом відмовилися від стандартної практики міграції (причому частина білогорлих козодоїв чудово мігрує!) і віддали перевагу сплячці? Справа ось у чому: взимку літаючих комах, основної кормової бази стає дуже мало.

При цьому маленький білогорлий козодою не зміг би витримати конкуренції з більшими видами, з якими йому довелося зустрітися при перельотах. Сплячка для нього – найефективніший вибір. Температура тіла козодоїв знижується, так само як у більшості тварин, що впадають у сплячку (причому знижується іноді до критичних температур — 3 °C!). У козодоїв спостерігається саме сплячка, не глибокий сну і тим більше не анабіоз — вони навіть прокидаються час від часу.

Цікаво, що навіть серед приматів є види, що впадають у сплячку. Першим із виявлених сонь виявився товстохвостий лемур (Cheirogaleus medius), що мешкає на Мадагаскарі.

Цей маленький примат відомий тим, що впадає в тривалу сплячку на сім місяців, ховаючись у дуплах дерев. Причина цього зовсім не холоду (та й які холоди на Мадагаскарі!), а сухий сезон, коли їжі стає дуже мало.

Лемури використовують свої товсті хвости як жирові акумулятори. За час активного сезону — з листопада до березня — вони багато їдять і накопичують жир, який потім поступово витрачають у сплячці. Ще одним унікальним видом виявився повільний лорі (Nycticebus pygmaeus), який також може впадати у сплячку, знижуючи температуру тіла до 12 °C. Зміна температури тіла, залежно від температури навколишнього середовища, — це унікальна риса серед приматів.

Чому нам та іншим приматам так не пощастило і ми змушені всі зимові місяці жити як завжди? Швидше за все тому, що примати в цілому живуть у досить хорошому кліматі. Цього, звичайно, не скажеш про людей — ми куди тільки не забираємось, від Землі Франца-Йосифа до Антарктики. Але формувалися ми в теплому кліматі, екваторіальному, де їжі було якщо не вдосталь, то принаймні достатньо для виживання! Крім того, великі мавпи вважають за краще просто мігрувати за їжею, змінюючи місце проживання і не зустрічаючи сильної конкуренції. Це не кажучи вже про те, що у великих приматів більша частина одержуваної енергії йде на роботу мозок, тобто на підтримку когнітивної функції, а в умовах постійних сплячок розвинути досить розумний мозок було б складно.

Чемпіони зі сплячки

Чемпіонами у спортивному сні традиційно вважаються ховрахи – деякі види здатні спати до восьми місяців!

Сплячка буквально допомагає їм виживати: більшість видів мешкають в умовах степів та гір, і за їх сонними рекордами ховаються дивовижні біологічні особливості. У степах зими суворі, хоч і малосніжні, а в горах до холодів додається іноді ще й товстий сніговий покрив.

До сплячки будь-який суслик, що поважає себе, готується заздалегідь, накопичуючи спеціальний бурий жир — тканину, багату на мітохондрії, що виробляють енергію. Така енергетична тканина, як тепла ковдра, допомагає зігрівати ховраха в короткі періоди неспання.

Сусликів існує близько 40 видів, і всі вони сплять трохи по-різному. Наприклад, північноамериканський золотистий ховрах (Callospermophilus lateralis) може спати до 7-8 місяців. Цей вид мешкає в гірських районах Північної Америки, де зима триває майже півроку, а температура іноді опускається до -40 °C.

З настанням холодів ховрах готує свою нору — глибоку та надійну, з кількома входами та ізольованою «спальною» ділянкою. У нору він забирається у жовтні-листопаді, засинає і остаточно прокидається лише навесні.

Інші види, такі як європейський ховрах (Spermophilus citellus), проводять уві сні трохи менше часу — близько півроку. Європейський ховрах віддає перевагу степу і рівнинні території, де зими теж можуть бути суворими, але не такими тривалими, як у горах. Кожен окремий ховрах при цьому займає окрему камеру в загальній норі.

Цікаво, що не всі ховрахи сплять однаково довго, і це залежить не тільки від виду, але і від місця проживання. У теплих регіонах, де зима м'яка, ховрахи можуть скорочувати період сплячки або обходитися без неї. Наприклад, калігомовий ховрах (Spermophilus elegans), що мешкає в південних частинах Північної Америки, може проводити в сплячці всього кілька місяців або не спати, якщо зима виявляється теплою.

Під час глибокого сну організм ховраха переживає серйозні зміни: в нормальних умовах температура тіла тварини становить близько 37 градусів, але під час сплячки вона може опуститися до 2–5 градусів. Дихання пригнічується практично до мінімуму - стає епізодичним, коли тварина робить кілька вдихів, а потім довгий час не дихає. Через це знижується і частота серцевих скорочень - до 5-20 ударів за хвилину (при нормі 200-300!). Суслик у своїй непросто дрімає, а перебуває у стані повної нерухомості, хоч і прокидається іноді.

Судячи з останніх даних, до речі, ховрахи незабаром можуть втратити лаври сонного рекордсмена: з'явилися відомості, що соня-полчок, інший представник гризунів, може проводити в сплячці до 11 місяців на рік! і розмножуватися за відсутності цього насіння - абсолютно безглузда витівка.

А як?

Як відбувається сплячка Що саме сигналізує організму, що настав час забратися в нору глибше, закопатися в листя і заснути?

Найголовнішим тригером стає зміна навколишнього середовища - зниження температури, зміна світлового дня. Загалом, і за сприйняття світла і температури, і за регуляцію циркадних ритмів відповідає спеціальна структура нашого мозку - супрахіазматичне ядро ​​в гіпоталамусі. дня та ночі, але й на більш «глобальні зміни». в організмі експресію генів, що впливають на процеси, при яких планомірно знижується температура тіла та швидкість обміну речовин.

Наприклад, дослідження, проведені на ведмедях, показали, що активність, ЧСС і температура тіла тварини починають знижуватися за кілька тижнів до входу в барліг — якраз у відповідь на зміни у навколишньому середовищі, тільки коли випадає сніг та температура навколишнього середовища. середовища досягає приблизно 0 °C. Після цього різко падає варіабельність ЧСС, і ведмідь засинає, знижуючи активність до мінімуму. впливає на сплячку як температура, а й вологість, і навіть стан тіла тварини.

У літературі є дані, що під час ведмежої сплячки різниця в експресії спостерігається більш ніж десять тисяч генів!

Ще на стан ведмедя впливає мікробіота. Під час сплячки її склад змінюється, що досить сильно впливає споживання ведмедем енергії. Зважаючи на все, саме мікробіота дозволяє ведмедеві так ефективно нагулювати жир, не страждаючи при цьому ожирінням, а потім так само ефективно використовувати його під час сну.

Змінюється і основне джерело енергії: з глюкози тіло переходить на ліпіди. У сплячих ховрахів, наприклад, активно синтезується спеціальний гормон лептин, що сприяє повільному витрачанню та накопиченню жиру. Виділяються і речовини, що впливають на циркуляцію крові в тілі: коли вона не рухається, це особливо важливо.

Вихід зі сплячки контролюється не менш складною системою: зоною гіпофіза під назвою pars tuberalis, що виробляє відповідні гормони, та запасами жиру.

А навіщо?

А справді, навіщо взагалі потрібна сплячка? Логічно припустити, що в сплячку варто впадати в тому випадку, коли взимку, грубо кажучи, нема чого робити — немає їжі, холоду та снігу. Але ж іноді в сплячку впадають і ті, хто живе не на Крайній Півночі! Чому так відбувається і які ще можуть бути причини у сплячки?

Основна причина сплячки - це економія енергії в ті періоди, коли доступ до їжі стає обмеженим. У холодні місяці або, навпаки, у періоди посухи та спеки багато тварин страждають від втрати кормової бази. Саме в такій ситуації найлегше впасти в стан, при якому організм може використовувати заздалегідь накопичені запаси, причому використовувати їх повільно і максимально ефективно, не витрачаючи дорогоцінних калорій на пересування або когнітивну діяльність.

Прикладом є ведмеді, які активно харчуються перед зимою, накопичуючи жир, а потім проводять кілька місяців у сплячці, витрачаючи цей резерв. У такому стані сну ведмедиці навіть вигодовують дитинчат - сплячка допомагає їм витратити якнайменше енергії на цей складний процес.

Друга причина для того, щоб впасти в сплячку, — захист від навколишнього середовища, в першу чергу від надмірних температур. Їди може бути вдосталь, але показувати ніс у світ, в якому -40 ° C, якось не дуже хочеться. Багато тварин впадають у сплячку для захисту від екстремальних температур як холоду взимку, так і спеки влітку. Коли температура середовища падає, підтримання нормальної температури тіла потребує значних витрат енергії. Під час сплячки тварина знижує температуру тіла та уповільнює обмін речовин, що дозволяє йому пережити холодний сезон без великих енергетичних втрат. Це особливо важливо для дрібних тварин, таких як їжаки та кажани, які не мають товстого шару жиру для теплоізоляції.

Крім захисту та економії енергії, сплячка, мабуть, допомагає… продовжувати життя! Принаймні бабаком. Вчені з Університету Каліфорнії, які вивчали жовтобрюхого бабака Marmota flaviventris, встановили, що вік бабака змінюється протягом життя нерівномірно. У нас з вами з віком все зрозуміло - ми стаємо старшими з кожним днем ​​і старіємо рівномірно. Наприкінці року ми на 365 днів старіші, ніж на початку. А в бабака старіння відбувається не плавно, а з розривами.Для розуміння, як взагалі старіє організм, існує оцінка ДНК-маркерів — з її допомогою визначають так званий епігенетичний вік. У бабаків під час сплячки таких маркерів епігенетичного віку накопичується менше, ніж під час неспання. Які саме механізми відповідальні за це, поки що незрозуміло: чи впливає низька рухливість і мінімум споживаних калорій, чи уповільнення організму до майже повного загальмовування всіх процесів, чи те, що під час сплячки тварина іноді прокидається і нагріває клітини тіла, тим самим. тренуючи» їх переносити стрес.

Цікаво, що іноді сплячка потрібна для того, щоб забезпечити кращі умови потомству. Наприклад, кажан сірий волохатохвіст (Lasiurus cinereus) впадає в сплячку, щоб відтягнути час пологів і вигодовування. Вона уповільнює швидкість розвитку ембріона, щоб він народився у «відповідному» світі. Оце турбота про потомство!

А що щодо майбутнього?

Якщо ви цікавитеся науковою фантастикою, то, напевно, зустрічали там капсули кріосна: людина забирається в капсулу, засинає і прокидається вже через багато десятиліть або навіть століть. Чи є ймовірність такого майбутнього і чи можна буде, як Фрай із «Футурами», втомившись від реальності, заснути на тисячу років, заморозивши себе у кріокапсулі? Або, що значно важливіше, чи можна буде ввести людину в штучну глибокого сну і таким чином дати лікарям можливість вилікувати її, не наражаючи на ризик?

Є у сплячки, особливо глибокої, коли температура тіла опускається до температури навколишнього середовища, очевидні мінуси: при відтаванні у клітинах тіла можуть статися збої, помилки чи просто суто механічні ушкодження. Це жабам пощастило: у їхній крові є антифриз.Під час сплячки у льоду кристали льоду таки утворюються, наприклад, у різних порожнинах тіла, а також під шкірою. Але висока концентрація глюкози та деяких інших цукрів у життєво важливих органах жаби запобігає повному замерзанню. Досить трохи сонячного тепла весною — і жаба воскресає з мертвих. Але ми так не вміємо. Значить, і глибока довга глибокий сну для нас (принаймні на даний момент) недоступна.

Ще один "злий" наслідок сплячки - це остеопороз, руйнування кісток, а також атрофія м'язів, які не використовуються протягом тривалого часу. Ведмеді можуть регулювати активність генів, що впливають на здоров'я кісток, але ми поки що так не вміємо. Можливо, із запровадженням додаткових препаратів чи генної терапії цього ризику можна буде уникнути, але медицині розвиватися до цих світлих часів ще багато років.

Якщо анабіоз і гібернація (тобто повніші варіанти сплячки) для нас поки що виглядають нереалістичними, то ось сплячка як така в цілому можлива.

Досить давно введення та виведення зі сплячки вивчають на тваринах, спочатку до сплячки не пристосованих, наприклад собаках. Штучна сплячка стосовно людей у ​​літературі теж зустрічається. Поки що це лише експериментальна методика, але зрушення є. У 2021 році китайські вчені представили світові протокол дослідження щодо введення в сплячкоподібний стан пацієнтів з інсультом.

Інсульт вкрай підступний, і насправді лікарі мають не більше години на те, щоб врятувати людину, зберігши їй всі важливі функції. Якщо ми зможемо вводити пацієнтів з інсультом у сплячку, ця година перетвориться на тижні – ефективність терапії зросте.

Вводять людину в такий стан за допомогою вливання в тіло холодного (10-15 ° C) фізрозчину, по суті, замінюючи ним кров.

Така сплячка називається терапевтичною гіпотермією і в «легшому» варіанті насправді досить давно й успішно застосовується, тільки температура, до якої охолоджують пацієнта, зазвичай не така вже й низька — близько 32–34 °C. Про терапевтичну гіпотермію та про те, як вивчають сплячку на тваринах, добре написала Олександра Кочеткова. Зниження температури до ще більш низьких значень медицини тільки належить.

Навряд чи вже завтра ми зможемо поринути у кріосон, щоб вийти з нього десь у 3024 році. Але зрушення є, і що більше ми вивчаємо природну сплячку братів наших менших, то більше розуміємо про сплячку як таку. Хто знає, може, подорожувати в майбутнє таким чином нам не вдасться, але застосовувати сплячку в медицині і рятувати тисячі, якщо не мільйони людей — ця картина цілком реалістична.