Другой сон

Сон животных – это почти всегда период редуцированной двигательной активности. В природе существует целый спектр физиологических состояний адаптивного поведения – от почти постоянного пребывания в покое до почти постоянного движения без отдыха, и сон, по своей глубине и продолжительности, занимает в этом ряду лишь промежуточное место.

Sleeping activity

Шкала двигательной активности от полной неподвижности во время спячки до полного отсутствия периодов покоя. Источник: Siegel, 2009 (Nature Rev.Neurosci.).

По одну сторону этой шкалы – животные, сон которых приспособился к специфическим условиям среды обитания, требующей постоянного движения (морские млекопитающие, мигрирующие птицы). Поэтому складывается ошибочное впечатление, что такие животные не спят вообще.

По другую же сторону находится целый ряд животных, у которых помимо сна в процессе эволюции выработалось особое инертное состояние – гипобиоз. Это периоды покоя, позволяющие организму значительное пребывать время в неактивном состоянии. Кажется, что такие животные спят большую часть жизни.

Гипобиотические состояния сопровождаются пониженным уровнем метаболизма (или полным его прекращением) и обусловлены необходимостью адаптироваться к окружающей среды. Такая способность позволяет живым организмам сохранить энергию и пережить неблагоприятные условия.

Главное отличие гипобиоза от сна — это сниженная потребность в энергии, тогда как, сон — это очень энергозатратный процесс, требующий высокого уровня метаболизма.

Каким бывает гипобиоз?

David Keilin foto

В 1959 году британский энтомолог David Keilin предложил классифицировать гипобиотические состояния по скорости метаболизма –

dormancy types

Скорость метаболизма, обеспечивающая нормальную температуру тела, позволяет организму вести активный образ жизни, питаться, расти и размножаться. Если же скорость падает, то организм переходит в режим гипобиоза – пониженной активности.

В зависимости от того, насколько сильно угнетается активность во время гипобиоза, выделяют состояния, характеризующиеся пониженным (hypometabolism) или отсутствующим (ametabolism) обменом веществ.

Пониженный метаболизм характерен для эволюционно более развиты животных, способных впадать с состояние покоя или оцепенения (dormancy/torpor) при наступлении регулярно повторяющихся неблагоприятных условий.

Сюда входят такие состояний, как зимняя спячка (hibernation),

Hibernation 2

летняя спячка (estivation) – адаптация к жаре и засухе,

estivation

диапауза (diapause) – спячка, наблюдаемая в определенные периоды развития организма,

diapause

покой (quiescence) и однодневное оцепенение (daily torpor), которое позволяет, например, некоторым птицам пережить холодные ночи.

daily torpor

Эти виды оцепенения запрограммированы генетически и начинают реализовываться заблаговременно, т.е. до реального наступления неблагоприятных условий.

Диапауза запускается и заканчивается внутренними сигналами организма, что позволяет подготовиться к неблагоприятным условиям заранее. Однако, если условия среды улучшились «раньше срока», то выйти из диапаузы животное все равно не сможет, так как механизмы выхода весьма сложно устроены и требует определенного времени и энергии.

Состояние покоя управляется факторами внешней среды, и при улучшении условий животное сразу выходит из этого состояния.

Вторая группа гипобиотических состояний, аметаболизм (прекращение обмена веществ) – это удел эволюционно древних организмов – бактерий, простейших, мелких ракообразных и др., способных впадать в состояние латентной жизни (latent life). Сюда относятся, в порядке увеличения степени угнетения жизненных функций: криптобиоз (cryptobiosis), анабиоз (anabiosis) и абиоз (abiosis).

По большому счету между ними нет принципиальной разницы, и их часто объединяют в одно состояние анабиоза. Если анабиоз вызывается обезвоживанием, то это ангидробиоз (anhydrobiosis), если экстремально низкими температурами, то криобиоз (cryobiosis), если отсутствием кислорода, то аноксибиоз (anoxybiosis), если экстремальным уровнем соли в окружающей среде, то осмобиоз (osmobiosis) и т.д.

Анабиоз – это самое глубокое подавление физиологических функций, вплоть до отсутствия признаков жизни. Как правило, анабиоз наступает при ухудшении условий существования и является адаптацией к неблагоприятным условиям (отсутствие влаги, низкие или высокие температуры и т.д).

Так, личинки коловраток (Bdelloid rotifers), простейших ракообразных артемий (Brine shrimp), комаров-звонцов (Polypedilum vanderplanki), а также дрожжи впадают в ангидробиоз, претерпевая почти полное высушивание. Механизмы резистентности к высушиванию до конца не изучены, но считается, что для некоторых организмов решающим является накопление в клетках большого количества сахара трегалозы.

Water bear. Color enhanced scanning electron micrograph (SEM) of a water bear (Paramacrobiotus tonolli) feeding. Water bears (or tardigrades) are tiny invertebrates that live in aquatic and semi-aquatic habitats such as lichen and damp moss. Paramacrobiotus tonolli is a carnivorous species that feeds on nematodes and rotifers. Water bears are found throughout the world, including regions of extreme temperature, such as hot springs, and extreme pressure, such as deep underwater. They can also survive high levels of radiation and the vacuum of space. Magnification: x400 when printed at 10 centimeters wide.

Чрезвычайно интересным организмом являются тихоходки (Tardigrada), которые могут впадать во все известные вида анабиоза: они выживают при высушивании, при экстремально низких температурах, при отсутствии кислорода, в условиях повышенной радиации, при увеличении концентрации токсинов (хемобиоз) и солей в окружающей среде.

В состоянии анабиоза их уровень метаболизма равен 0.01% от нормального, при этом они теряют до 99% воды. Это позволяет тихоходкам выжить в экстремальных условиях. Так, в 2007 году в эксперименте Европейского космического агентства тихоходки выжили после десятидневного пребывания в открытом космосе. Вероятно, это не предел, поскольку есть данные эксперимента «Биориск», в котором личинки комара-звонца провели на внешней стороне МКС более года и по возвращении на Землю показали 80%-ю выживаемость.

Water bear transformation

Ангидробиоз — высушивание, криобиоз — замораживние, осмобиоз — воздействие соленой среды, аноксибиоз — дефицит кислорода.

Тихоходка способна выжить, впадая в анабиоз, при любых ухудшениях условий обитания.

Особенность анабиоза в том, что живые организмы могут проводить в нем значительное время – десятки и даже сотни лет. И это не только простейшие организмы вроде бактерий и грибов, но и черви, моллюски, насекомые и амфибии.

Salamandrella keyserlingii

Одним из рекордсменов анабиоза является представитель сибирской фауны – амфибия углозуб (Salamandrella keyserlingii). Известны случаи, когда углозубы пребывали в вечной мерзлоте 80 – 100 лет и благополучно возвращались к жизни после наступления благоприятных условий.

Во время анабиоза температура их тела может опускаться до -6°С. Их печень синтезирует глицерин, составляющий 37% массы тела, а кровь содержит антифриз, не позволяющий образовываться кристалликам льда.

Антифриз содержится также в гемолимфе насекомых, в крови рыб и млекопитающих, причем не только тех, кто впадает в спячку, но и тех, кто постоянно живет в условиях низких температур. Например, антифриз рыб, живущих в водах Арктики и Антарктики (арктическая треска, нототениевидные рыбы) не позволяет им замерзнуть в ледяной воде при температуре от – 1.9 до 4°С.

arctic fish

Чаще всего в роли антифриза выступают гликопротеины (специализированные полипептиды) или глюканы (на основе фрагментов сахара), такие как ксиломаннан, выделенный из арктического жука (Upis ceramboides), способного переносить температуру до -60°С.

beetle antifreeze

Эти молекулы прикрепляются к поверхности зарождающихся внутри клеток тела кристалликов льда, препятствуя их дальнейшему росту, а также взаимодействуют с клеточными мембранами, защищая их от холодового воздействия.

frozen frog

Исследования на аляскинской лесной лягушке (Rana sylvatica) показали, что перед впадением в анабиоз, который продолжается 2-3 месяца и сопровождается падением температуры тела до -6°С, их печень сильно увеличивается, вырабатывая повышенное количество гликогена. Во время процесса вхождения в состояние анабиоза гликоген превращается в глюкозу, которая наряду с молекулами мочевины сохраняет структуру клеток и снижает температуру замерзания крови.

Гибернация (спячка)

При гибернации метаболизм не исчезает совсем, но остается на некоем минимально допустимом уровне (до 2-3% от нормального). В спячку могут впадать многие теплокровные животные: грызуны, ежи и другие насекомоядные, ехидна, опоссум, летучие мыши, медведи, бурундуки, один вид лемура, сумчатые и т.д.

Некоторые рептилии также впадают в спячку, которая называется брумацией – аналог гибернации с признаками анабиоза. Интересно, что птицы, за исключением козодоев, не способны к гибернации.

В отличие от анабиоза, к спячке нужно подготовиться: «нагулять жир» и подготовить место для спячки (гнездо, нора и т.д.). Это обусловлено тем, что спячка связана не с резкими ухудшениями условий, а с регулярными сезонными.

Существует зимняя спячка, связанная с малодоступностью пищи в зимнее время и летняя спячка, характерная для обитателей пустынь. Есть животные, которые впадают и в зимнюю и в летнюю спячку (среднеазиатский песчаный суслик).

При спячке все физиологические функции сильно замедляются (дыхание, сердцебиение), но не исчезают совсем. Так, сердцебиение во время гибернации снижается с 200-300 ударов в минуту до 3-5, частота дыхания – с 100-200 дыхательных движений в минуту до 4-6. При этом исчезают механизмы терморегуляции, то есть резко падает температура тела, обычно до уровня 10˚С, но может доходить и до 2-3˚С, как у сусликов.

agsquirrel

Температура тела арктических земляных белок (Spermophilus parryii) может опускаться до -5˚С, но это скорее исключение.

Продолжительность спячки может доходить до 8 месяцев, и это еще одно отличие от анабиоза: спячка генетически запрограммирована на определенное время года, т.е. на сухой или холодный сезон. Даже если, по какой-то причине, благоприятные условия не наступили или, наоборот, наступили слишком рано, животные выходят из спячки независимо от внешних условий в строго определенный момент времени, реализуя программу поведения, заложенную на генетическом уровне.

Такие животные, как белки и енотовидные собаки могут впасть в нерегулярную спячку при внезапном наступлении неблагоприятных условий. Такое поведение не детерминировано генетически и является факультативным. Это не настоящая гибернация, а форма покоя (quiescence).

Медведь не впадает в спячку, как многие думают. Медведи впадают в зимний сон или дрему, которая не сопровождается существенным снижением температуры тела, и из которого животное может легко выйти. Более того, медведица приносит потомство именно в период дремы.

hybernation

Паттерн сезонной активности сирийского хомячка (Mesocricetus auratus), состоящий из отдельных циклов оцепенения-пробуждения. Источник: asahikawamed.ac.jp

На этом рисунке видно, что даже у животных с настоящей спячкой с определенной периодичностью (от нескольких дней до 5 недель, в зависимости от вида) случаются кратковременные периоды пробуждения, которые могут продолжаться 12-20 часов. Причины этого явления не до конца понятны, но эти периоды пробуждения физиологически необходимы.

Возможно, это необходимо для вывода накопившихся в организме токсинов при помощи экскреции или для восполнения в организме воды или питательных веществ – процессов, требующих для своего выполнения нормотермии (нормальной температуры тела). А может это зависит от работы биологических часов и такие пробуждения нужны для сохранения способности к продолжению спячки.

Любопытно, что арктические земляные белки спят во время таких периодов пробуждения. Гипотеза, высказанная Serge Daan из университета Гронингена (Нидерланды) гласит, что необходимость во сне постепенно аккумулируется во время гибернации и достигая критического уровня провоцирует возникновение периодов пробуждения.

Это необходимо, поскольку для реализации сна, процесса энергетически затратного, требуется нормальная температура тела. Иными словами, если гипотеза верна, то именно потребность во сне является причиной возникновения периодов пробуждения во время гибернации.

Гибернация связана со сном еще и тем, что, возможно, эти два состояния могут иметь общие механизмы. В частности, когда в 1952 г. Кролль вводил экстракт из мозга суслика, пребывающего в состоянии спячки, кошкам и собакам, последние неизменно засыпали. Ученые из Аляскинского университета в Фэрбенксе установили, что это одним из факторов гипобиоза может быть аденозин – вещество, вызывающее сон (Olson et al., 2013).

Явление однодневного оцепенения характерно для некоторых видов мелких млекопитающих (грызуны, сумчатые, летучие мыши) и птиц (колибри, ласточки, стрижи) и характеризуется кратковременностью (менее 24 часов).

Оцепенение сопровождается снижением температуры тела и выполняет функцию сохранения энергии. Животные с высоким уровнем метаболизма используют этот вид оцепенения для того, чтобы не тратить энергию на поддержание температуры тела по ночам в условиях пониженной температурой окружающей среды.

daily torpor 2

Однодневный торпор у полосатолицой сумчатой мыши (sminthopsis macroura). Адоптировано из Withers, Cooper, 2008 (Encyclopedia of ecology)

Гибернация у человека

Изучение явления анабиоза и гибернации имеют практическое значение. Во-первых, раскрытие механизмов гибернации может помочь в усовершенствовании методов хранения и транспортировки органов, предназначенных для трансплантации.

Во-вторых, эти механизмы помогли бы решить вопрос введения в состояние гибернации негибернирующих организмов, например, человека. Это помогло бы решить вопрос транспортировки раненых на дальние расстояния, а также сделало бы возможным осуществления сверхдальних космических экспедиций. Гибернация человека может показаться фантастикой, если бы не некоторые факты из реальной жизни.

В 1837 году в Индии в присутствии английского губернатора Сэра Клода Уэда (Sir Claude Wade) один из приверженцев учения аскетизма йог Харида был заживо захоронен и через 6 недель откопан без признаков жизни. Каково же было удивление, когда через полчаса йог пришел в себя. Действительно, при некоторых состояниях транса, особенно распространенных в индуизме, а также при некоторых заболеваниях (летаргический сон) уровень метаболизма человека может сокращаться до такой степени, что невозможно уловить признаки жизни.

extreme cryopreservation

В 1999 году 29-летняя шведка Анна Богенхольм (Anna Bågenholm), катаясь на лыжах в Норвегии не справилась с управлением и упала на лед замерзшей реки недалеко от водопада, сильно ударившись головой.

Анна провалилась под треснувший лед и только зацепившиеся лыжи не дали потоку ледяной воды унести ее дальше по течению. Девушка провела около 80 минут в ледяной воде под 20-сантиметровым льдом, прежде чем подоспели спасатели.

Несмотря на то, что подо льдом оказалась воздушная прослойка, позволившая Анне дышать, на момент, когда ее извлекли из ледяного плена, признаков жизни уже не было: сердце, дыхание и кровообращение остановились. Температура ее тела была всего 13,7°С.

Девять долгих часов врачи пытались оживить Анну, находившуюся в состоянии клинической смерти, прежде чем у нее появились первые признаки жизни. Анна пришла в себя только через 35 дней после несчастного случая. Сначала она была парализована, но со временем движения восстановились. Любопытно, но мозг Анны ничуть не пострадал, а через 2 месяца она вернулась к обычной жизни.

Prof_Porfirij_Bahmetiev

Этот уникальный случай не новость для криобиологов, изучающих воздействие низких температур на организм человека. Основоположником криобиологии считается русский ученый Порфирий Иванович Бахметьев, изучавший анабиоз животных еще в 1897 и показавший, что выход из анабиоза возможен только при условии, если жидкости организма будут находиться в жидком, хоть и переохлажденном, состоянии.

По-настоящему же криобиология расцвела только в 1963 году в США, когда построили первую криогенную камеру. Первым человеком, позволившим себя заморозить, стал страдающий раком почек 73-летний профессор психологии Калифорнийского университета Джеймс Бедфорд (James Bedford). Произошло это в 1967 году, и тело его до сих пор существует при -196°С, ожидая своего часа.

С тех пор криохранилища появились во многих странах мира, в том числе и в России, где в совокупности находится около 200 человек. Однако «оживить» таких пациентов пока невозможно. И не только потому, что крионированию подвергаются люди с юридически зафиксированной смертью (теоретически даже таких людей можно оживить), но и потому что криконсервация на сегодняшний день является необратимым процессом.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.

3 комментария

по хронологии
по рейтингу сначала новые по хронологии
1

Сколько удивительных фактов! Вот так живешь себе, и вдруг узнаешь:

Медведь не впадает в спячку

2

Мне морозоустойчивый жук понравился. Сразу вспомнил фильм "Нечто" 🙂

3

Мне кажется, что это самый биологический из всех постов, что тут есть. Он затрагивает важный вопрос - можно ли считать живым организм, который не имел признаков жизни (как мы их понимаем), а затем "ожил" при благоприятных условиях? Организмы, ожившие после нахождения в космосе, - это очень яркий пример.