Заглянем в бюро патентов природы
Как зимуют улитки?
Из типа мягкотелых (Mollusca) в зимнюю спячку впадают
многие виды улиток (например, все наземные улитки). Встречающиеся в Болгарии
садовые улитки
(Helix pomatia
и Н. lucorum) впадают в зимнюю спячку в октябре, и она длится до начала
апреля. После долгого подготовительного периода, в течение которого
они накапливают в
своем организме необходимые питательные вещества, улитки находят или
выкапывают норки, чтобы несколько особей могли вместе перезимовать глубоко
под землей,
где температура будет поддерживаться на уровне 7 — 8°С. Хорошо закупорив
норки, улитки
спускаются на дно и залегают отверстием раковины вверх. Затем они закрывают
это отверстие, выпуская слизистое вещество, которое вскоре затвердевает
и становится
эластичным (похожим на пленку). При значительном похолодании и недостатке
питательных веществ в организме улитки зарываются еще глубже в землю
и образуют еще одну
пленку, таким образом создавая воздушные камеры, играющие роль прекрасного
изолятора. Установлено, что во время продолжительной зимовки улитки
теряют более 20% своего
веса, причем самая большая потеря приходится на первые 25 — 30 дней (до
10%). Это объясняется тем обстоятельством, что все процессы обмена
веществ постепенно
затухают, чтобы достигнуть того минимума, при котором животное впадает
почти в состояние анабиоза с едва уловимыми жизненными функциями. Во
время зимней спячки
улитка не питается, сердечные сокращения крайне замедленны, дыхание почти
прекращается. Весной, когда наступают первые теплые дни и температура
почвы на глубине 5 —
10 см достигает 8 — 10°С, когда начинает развиваться растительность и
выпадают первые дожди, улитки вылезают из своих зимних убежищ. Тогда начинается
интенсивная деятельность по восстановлению исчерпанных пищевых резервов
в их организме; это
выражается в поглощении огромного по сравнению с их телом количества
пищи.
Водяные улитки прудовики тоже впадают в состояние зимней спячки — большинство
из них зарывается в ил на дне водоема, в котором они обитают.
Где зимуют раки?
Всем известна популярная в народе угроза: «Я тебе покажу, где раки зимуют!»
Предполагают, что эта поговорка появилась во времена крепостного
права, когда помещики, наказывая
провинившихся крепостных мужиков, заставляли их ловить раков зимой.
Между тем известно, что это почти невозможно, так как раки зимуют, глубоко
зарывшись в
ямы на дне водоемов.
С точки зрения систематики класс ракообразных (Crustacea) подразделяется
на два подкласса — высшие и низшие ракообразные.
Из высших ракообразных (Malacostraca) речной, болотный и озерный
раки впадают в состояние зимней спячки, при этом обычно самцы зимуют
группами
в глубоких
ямах на дне, а самки — в одиночку в норках, причем они еще в ноябре
приклеивают к
своим коротким ножкам оплодотворенные яйца (от 50 до 500 шт.), из
которых лишь в июне вылупятся рачки величиной с муравья.
Из низших ракообразных (Entomostraca) интерес представляют водяные
блохи (род Daphnia), которые откладывают в зависимости от условий
два вида
яиц — летние
и зимние. Зимние яйца имеют прочную оболочку и образуются при наступлении
неблагоприятных условий жизни. Они проходят в теле водяной блохи
только самые первые стадии своего
развития. После этого их развитие прекращается на некоторый период,
который может длиться даже несколько месяцев. Для некоторых видов
низших ракообразных
высыхание
и даже замерзание яиц являются необходимым условием для продолжения
их развития.
Диапауза у насекомых
По многочисленности видов насекомые (класс Insecta) превосходят все
остальные классы, вместе взятые. Их температура тела зависит
от окружающей среды,
оказывающей сильное воздействие на скорость жизненных процессов,
причем низкие температуры
в значительной степени уменьшают эту скорость. Например, установлено,
что при температуре 0°С дыхание подавляется, в то время как скорость
окислительных
процессов
у большинства видов насекомых уменьшается приблизительно в 10
— 15 раз по сравнению со скоростью при 20°С. При отрицательных температурах
сильно
замедляется или
практически останавливается все развитие насекомого. Это анабиотическое
состояние, известное под названием «диапауза», представляет собой
обратимую остановку процессов
развития и вызывается внешними факторами. Диапауза наступает
при
возникновении неблагоприятных для жизни условий и продолжается
всю
зиму, пока с наступлением
весны условия не станут более благоприятными. Некоторые виды
насекомых способны переносить очень низкие температуры, например, гусеницы
лугового мотылька переносят
температуру до —30°С.
Наступление зимнего сезона застает разные виды насекомых на различных
стадиях их развития, в которых они и зимуют — в виде яиц, личинок,
куколок или
взрослых форм, но обычно каждый отдельный вид впадает в диапаузу
на определенной стадии
своего развития. Так, например, семиточечная божья коровка и
малярийный комар зимуют во взрослом состоянии, а некоторые насекомые
— на
стадии куколки. Другие
виды насекомых зимуют на стадии личинок, третьи — на стадии яиц.
Некоторые, например домашние мухи, зимуют в форме личинок, куколок
(в навозных
кучах) и во взрослом
состоянии.
Тли откладывают летом яйца, не защищенные прочной оболочкой,
которые сразу же начинают развиваться партеногенетически (т.
е. не будучи
оплодотворенными). Это
продолжается на протяжении нескольких поколений, развивающихся
в течение летнего сезона и состоящих только из партеногенетических
самок. Однако
осенью появляются
самки, откладывающие яйца только после оплодотворения их появившимися
к
этому времени самцами. Эти яйца имеют прочную скорлупу и приспособлены
к тому, чтобы
переносить неблагоприятный зимний сезон.
Характерно, что зимовке насекомых предшествует определенная физиологическая
подготовка их организма, состоящая из накопления в их тканях
свободного глицерина, который
не допускает замерзания (4). Это происходит на той стадии развития
насекомого, в которой они будут зимовать. Такая подготовка необходима
как для сильного
замедления обмена веществ, так и прежде всего для обезвоживания
организма (при замерзании
воды кристаллы льда разрушили бы ткани и стали бы причиной смерти
насекомого).
Еще с наступлением первых признаков похолодания осенью насекомые
находят удобные убежища (под камнями, под корой деревьев, под
опавшей листвой,
в норках в почве
и пр.), где после снегопада сохраняется умеренно низкая и равномерная
температура.
Продолжительность диапаузы у насекомых находится в прямой зависимости
от запасов жира в организме. У некоторых видов насекомых, у которых
диапауза продолжается
всю зиму, а также часть осени и весны, этот запас достигает более
18% веса
тела, в то время как у других (например, у медоносных пчел),
он не превышает 1,5 — 2%.
Пчелы не впадают в продолжительную диапаузу, но все же при температуре
от 0 до 6°С оцепеневают и в этом состоянии могут находиться 7
— 8 дней. При более низкой
температуре они погибают.
Интересно и то, как насекомые точно определяют момент, когда
им следует выйти из анабиотического состояния. Известно, что
для млекопитающих
увеличение продолжительности
дня весной и повышение температуры означает прекращение зимовки.
Неизвестно, однако, на что именно реагируют насекомые. Два ученых
из Корнуэльского
университета (штат Нью-Йорк) поставили себе задачу изучить сезонную
реакцию у двух видов насекомых
из рода златоглазок (Chrysopa). Несмотря на то, что в природных
условиях
они выходят из диапаузы приблизительно в одно и то же время,
эти виды по-разному реагировали на изменяющуюся продолжительность
дня.
Один
из видов зеленых
златоглазок
вышел из состояния диапаузы вскоре после того, как их начали
искусственно освещать в лаборатории. Продолжительность дневного
света (12 —
14 ч) стимулировала переход
из состояния личинки (диапауза) в состояние куколки. Это соответствовало
продолжительности дня в марте, когда в естественных условиях
диапауза завершается. Если продолжительность
дня не достигала этого критического показателя, насекомые вообще
не завершали диапаузу. Другой вид зеленых златоглазок реагировал
совсем
иначе, хотя
конечный результат был тот же. Очевидно, второй вид не зависел
от определенной продолжительности
дня, чтобы выйти из диапаузы, но скорость, с которой он выходил
из этого состояния, зависела от продолжительности дня. Насекомым,
взятым
из их
естественной среды
в конце декабря, понадобилось 90 дней, чтобы выйти из диапаузы
в естественных условиях. При постоянном режиме — 12 ч дневного
света
и 12 ч темноты
— им оказались необходимы 78 дней; при 13 ч дневного света и
11 ч темноты —
понадобилось почти
22 дня; при 14 ч света и 10 ч темноты — 17 дней. Когда же продолжительность
дня увеличивали до 15 ч, насекомые выходили из диапаузы уже через
14 дней. Мнение
ученых свелось к тому, что в естественных условиях диапауза завершается
постепенно с нарастанием продолжительности дня в конце зимы и
насекомые становятся снова
вполне активными ранней весной.
Советский ученый Н. И. Калабухов исследовал анабиоз у некоторых
видов бабочек. Он установил, что продолжительность диапаузы у
отдельных видов различная.
Например, бабочка павлиний глаз пребывала в состоянии анабиоза
166
дней при температуре
5,9°С, в то время как тутовому шелкопряду понадобилось 193 дня
при температуре 8,6°С. По мнению ученого, даже различия в географическом
районе оказывают
влияние на продолжительность диапаузы.
Впадают ли в зимнюю спячку рыбы?
Своеобразным путем приспосабливаются к низким температурам воды
зимой и некоторые виды обширного класса рыб (Pisces). Обычная
температура тела у рыб непостоянна
и соответствует температуре воды или слегка ее превышает
(на 0,5 — 1°С). При внезапном резком понижении температуры воды рыбы
впадают в
шоковое
состояние. После краткой
фазы возбуждения они
перестают дышать, плавать и выглядят как мертвые. Достаточно,
однако, чтобы вода потеплела, и они быстро «оживают».
Значительное уменьшение обмена веществ у рыб при понижении
температуры воды издавна привлекало внимание ученых. Установлено,
что некоторые
виды рыб оживают после
того, как их заморозили, тогда как другие виды погибают еще
до того, как температура воды достигла точки замерзания.
Описаны случаи замерзания
некоторых
видов колюшек,
на которых проводились опыты. Лед разбил сосуд, в котором
находились рыбы, но после размораживания они продолжали плавать,
словно
ничего и не случилось.
Опыты показали, что замороженные рыбы оживают лишь в тех
случаях, когда не замерзли их кровеносные сосуды. Особенно
много в этой
области работал
советский ихтиолог
Бородин. В результате ряда исследований он пришел к заключению,
что если рыбы замерзнут в воде, то они безвозвратно погибнут.
При замораживании
на воздухе
они могут ожить, но лишь в том случае, если замораживание
распространяется только на их поверхностные ткани. Губительным
для рыб оказалось
не само
охлаждение,
а образование в их крови и тканях кристалликов льда, повреждающих
стенки кровеносных сосудов. Другие исследования показали,
что если рыба замерзает
на воздухе, то
она может известное время жить за счет запасов кислорода
в своем плавательном пузыре. Доказано, что предположение
о том,
что замерзшие
рыбы дышат
с помощью жабр, лишено оснований.
Интересна приспособляемость к замерзанию у так называемой
черной рыбы (Dallia pectoralis). Эта одна из самых выносливых
к холоду
рыб обитает
в холодных
водоемах полуострова Чукотка (в реках, озерах и торфяных
болотах) и Аляски. Суровый здешний
климат позволяет льдам таять только в летние месяцы, которые
рыба использует для размножения. В остальной период года
рыбы зарываются
и вмерзают
в ил. Если температура жидкостей в их теле не падает ниже
—0,3°С, то при
медленном
размораживании
они оживают. Если же кровь замерзает, то рыбы погибают. Замороженные
в период зимней спячки, они могут оставаться в этом состоянии
месяцы подряд
до наступления
их оживления на короткий летний сезон. Любопытно, что зачастую
местное население использует эту рыбу как корм для собак.
Рассказывают, что
если собака проглотит
замороженную рыбу целиком, то вскоре после этого она в желудке
размораживается и начинает сильно раздражать его. В таких
случаях собака обычно отрыгивает
рыбу, и если она попадает в воду, то тут же невозмутимо уплывает.
Оригинально приспосабливаются к низким температурам воды
зимой некоторые рыбы, обитающие в северной части Атлантического
океана
и в арктических
водах: они изменяют
состав своей крови. С понижением температуры воды осенью
в их крови скапливаются соли в такой концентрации, какая
характерна
для морской
воды, а при этом
кровь замерзает с трудом (своеобразный антифриз) (5).
Из пресноводных рыб еще в ноябре в зимнюю спячку впадают
карп, ерш, окунь, сом и другие. Когда температура воды падает
ниже
8 — 10°С, эти
рыбы переходят
в более
глубокие части водоемов, в так называемые зимовочные ямы,
зарываются большими группами в ил и остаются там в состоянии
зимней спячки
на протяжении всей
зимы. Установлено, что в этом состоянии у карпа сердцебиение
замедляется: вместо нормальных
25 — 30 ударов 2 — 3 удара в минуту, а дыхание замедляется
до 3 — 4 вздохов в минуту. Интересное приспособление имеется
у осетра,
стерляди
и белуги,
тело которых
при наступлении сильных холодов обволакивается слизью, предохраняющей
его от неблагоприятного воздействия окружающей среды и холода,
и они
впадают
в зимнюю
спячку. Некоторые виды растительноядных рыб (белый амур,
толстолобик) тоже зимуют группами, покрытые толстым слоем
слизи.
Некоторые морские рыбы тоже переносят сильные холода в состоянии
зимней спячки. Так, например, сельдь уже осенью приближается
к побережью Ледовитого
океана,
чтобы впасть в состояние зимней спячки на дне какого-нибудь
небольшого заливчика. Черноморская хамса тоже зимует в южных
районах моря
— у берегов Грузии и соседнего
берега Малой Азии на глубине 70 — 80 м, и в это время она
слабо активна и пищу не потребляет. А азовская хамса перед
наступлением
зимнего
периода мигрирует
в Черное море (вдоль Северного побережья Кавказа), где и
собирается в группы на глубине 70 — 150 м в сравнительно
малоподвижном
состоянии.
Зимняя спячка у рыб характеризуется крайне ограниченной их
активностью, полным прекращением или резким сокращением питания
и резким уменьшением
интенсивности
обмена веществ. В это время их организм поддерживается за
счет запасов питательных веществ, накопленных благодаря обильному
питанию в осенний
период.
Зимняя спячка земноводных
По образу жизни и устройству класс земноводных (Amphibia)
является переходным между типично водными позвоночными
(рыбы) и типично
наземными животными.
Известно, что различные виды лягушек, тритонов, саламандр
и других, населяющих страны с
умеренным климатом, тоже проводят неблагоприятный зимний
сезон в состоянии гибернации, или, точнее, оцепенения,
так как это
животные с непостоянной
температурой тела,
которая зависит от температуры окружающей среды.
Так, например, в Болгарии, лягушки активны только в теплые
месяцы, а с наступлением суровых зимних условий впадают
в состояние зимней
спячки.
К зиме они готовятся
заранее. Еще летом накапливают запасы питательных веществ
в своем организме, а осенью при понижении средней дневной
температуры
до 8 — 12°С, а ночной
до 3 — 5°С отправляются к местам будущей зимовки. Иногда
они преодолевают несколько
километров. При дальнейшем похолодании они скрываются
в свои зимние убежища и впадают в состояние оцепенения,
при
котором
жизненные
процессы в их
организме
крайне замедляются. Например, потребление кислорода понижается
в 2 — 3 раза.
Поэтому они расходуют накопленные летом питательные вещества
постепенно, но все же (хотя и исключительно медленно)
земноводные растут и
их половые клетки созревают.
Одна часть земноводных зимует под водой, а другая — на
суше. По данным болгарского герпетолога Вл. Бешкова,
под водой
зимуют озерная
лягушка
(Rana ridibunda), травяная
лягушка (Rana temporaria), прыткая лягушка (Rana dalmatina),
греческая длинноногая лягушка (Rana graeca), а на суше
зимуют саламандры
(Salamandra salamandra), зеленая
(Bufo viridis) и серая жаба (Bufo bufo), обыкновенная
квакша (Hyla arborea), чесночницы (Pelobates fuscus и
Р. syriacus),
желтобрюхая
жерлянка (Bombina
variegata). Согласно Вл. Бешкову, в Средней Европе и
на Русской равнине тритоны зимуют на
суше, тогда как в Болгарии взрослые экземпляры обычных
тритонов (Triturus vulgaris) и гребенчатых тритонов (Triturus
cristatus)
зимуют под
водой, а на суше остаются
молодые тритоны, прошедшие недавно стадию метаморфоза.
Саламандры впадают в зимнюю спячку примерно во второй
половине ноября.
Они зимуют большими
группами у подножий
обрывов, в расщелинах скал и между корнями деревьев,
в норах, вырытых животными. В подобных укрытиях зимуют
также
зеленая
и серая жабы,
желтобрюхая жерлянка,
лягушка-чесночница. Обычно зимующие в воде земноводные
предпочитают быстротекущие, незамерзающие реки и ручьи,
каналы и озера
с вливающимися в них реками,
протоки и др., т. е. выбирают водоемы, в которых вода
богата кислородом. В период зимней
спячки у земноводных резко увеличивается диаметр кровеносных
сосудов в коже, через которые в воде осуществляется дыхание.
Земноводные,
предпочитающие зимовать
на суше, устраиваются в норах, вырытых животными, под
толстым слоем листьев, мха и т. п. Некоторые виды способны
даже
зарываться в
землю.
Установлено, что зимняя спячка лягушек продолжается от
130 до 230 дней и ее продолжительность зависит от продолжительности
зимы и
от степени
теплолюбивости и морозоустойчивости
различных видов.
В водоемах, чтобы перезимовать, лягушки собираются группами
по 10 — 20 экземпляров (иногда до 100) различного пола
и возраста, а иногда
и различного вида
и зарываются в ил или в подводные впадины и другие пустоты.
Установлено,
что при групповой
зимовке лягушек уровень обмена веществ у них почти на
40% ниже, чем у зимующих в одиночку. Во время зимней
спячки
лягушки дышат
только
через
кожу, их
пульс замедляется, причем сон у них неглубокий, и при
неблагоприятных условиях они
могут переместиться в другое место в том же водоеме.
Зимняя спячка у земноводных не отличается покоем и безопасностью
— скорее она для них одно из серьезных испытаний. В больших
реках они
нередко
становятся
жертвами крупных хищных рыб. Но самая значительная опасность
таится в замерзании зимующих на суше (а иногда и в воде)
или в их гибели
в водоемах
из-за недостатка
кислорода. При очень суровых зимах наблюдается массовая
гибель земноводных, особенно когда водоемы, в которых
они зимуют,
промерзают до самого
дна. Уцелевшие земноводные
весной, преодолев неблагоприятные жизненные условия,
выходят из состояния зимней спячки, и жизнь пробуждается
заново.
Особый интерес представляют сообщения советских источников
о зимовке тритонов. Неоднократно во время изыскательских
работ в Северной
Сибири геологи, почвоведы
и строители находили тритонов, вмерзших в выкопанные
ледяные блоки. Очень часто случалось так, что замерзшие,
оцепеневшие
животные
после того,
как они оттаяли
и были выпущены в подогретую воду, оживали. Этот факт
уже не подлежит сомнению. Предметом споров среди ученых
остается
вопрос:
на сколько
времени может
быть сохранена жизнь замерзших земноводных. В 1956 г.
горнопроходческая геологическая
бригада при изыскательских работах в Магаданской области
нашла на 14-метровой глубине тритона. Когда после работы
бригада
вернулась
в палатку с находкой
и затопили печку, замерзшее животное постепенно разморозилось
и зашевелилось.
Тритона
поместили в стеклянную банку с водой, и он начал двигаться.
Его жизнь продолжалась целых 12 часов. Некоторые журналисты
поторопились
объявить
это большой
сенсацией: якобы найден ископаемый тритон, который, пробыв
в состоянии анабиоза почти два
миллиона лет, снова ожил. Это сообщение достигло даже
зарубежных средств массовой информации. Разумеется, советские
зоологи
позже опровергли
это «утверждение»,
установив, что речь идет не об ископаемом, а о современном
виде — сибирском углозубе (Hynobius keyserlingi), обитающем
на огромной
территории —
от Камчатки и Сахалина
и до Урала. Это единственное хвостатое земноводное к
северу от полярного
круга.
Даже при 0°С сибирский углозуб еще может двигаться, тогда
как другие земноводные при температуре 6 — 8°С уже впадают
в оцепенение,
а
при температуре ниже
нуля погибают (6).
Зимой тритоны обычно устраиваются под теплыми прогнившими
пнями и стволами упавших деревьев. Если они не находят
поблизости таких удобных
квартир,
то удовлетворяются
трещинами в почве. Весной зачастую прогнившие пни заливает
водой и размытой глиной, и при понижении температуры
тритоны иногда
вмерзают в воду и
глину. Именно подобные
«ископаемые» земноводные и вводят в заблуждение обнаруживших
их людей.
По мнению советского ученого профессора А. Г. Банникова,
несмотря на резкое понижение процессов жизнедеятельности
у этих земноводных
во
время оцепенения,
жизнь в них
все-таки не прекращается и расход энергии продолжается.
Например, у обыкновенного тритона и некоторых видов лягушек
(травяной
лягушки и
др.), находящихся
в состоянии оцепенения, истощение и гибель наступают
через 2 — 3 года. Если допустить, что
сибирский углозуб может прожить в 10 раз дольше (что,
впрочем, маловероятно), все-таки оцепенение не может
длиться тысячелетиями.
Во время исследовательских работ экспедиции на севере
Чукотского национального округа экскаватор извлек из
11-метровой глубины
кусок вечного льда,
в который вмерзло тело оцепеневшего сибирского углозуба.
После того как
лед растопили
и воду подогрели, углозуб ожил. Он поедал мух и пауков
— пищу, предложенную ему
геологами. Не отказался углозуб и от «деликатесов» —
живых мелких аквариумных рыбок. Решили установить точно
его возраст
с помощью
радиоуглеродного
метода, используемого для определения возраста геологических
объектов. Для контроля
были взяты пойманный в Приморье сибирский углозуб и его
местный родственник — гребенчатый
тритон. Исследования киевских ученых показали, что возраст
сибирского углозуба из вечной мерзлоты находится в пределах
от 75 до 105
лет, а контрольные
земноводные оказались во много раз моложе.
Пресмыкающиеся тоже впадают в зимнюю спячку
Из класса пресмыкающихся (Reptilia) почти все виды нашей
фауны зимой впадают в состояние зимней спячки. Низкие
зимние температуры
— основная
причина
этого явления. Например, если взять даже летом какую-нибудь
змею и поместить ее на
несколько часов в холодильник, она становится вялой,
неактивной, и с ней можно обращаться, как с куском
веревки.
Зимние квартиры змей — это обычно подземные пещеры
и пустоты, образовавшиеся вокруг больших старых пней
с
гнилыми корнями,
щели в скалах и других
местах, которые недоступны их врагам. В таких укрытиях
собирается большое число
змей, даже различных видов, образуя огромные змеиные
клубки. В них иногда можно насчитать
от десятков до сотен змей, что и привело к ошибочному
мнению, будто змеи собираются в клубки, чтобы согреться.
Между
тем установлено, что температура
змей в период
зимней спячки почти не отличается от температуры
окружающей среды, а то, что они в таком большом количестве собираются
вместе, обусловливается
нехваткой
подходящих
для зимовки убежищ. Подтверждением этого факта служит
то, что некоторые
змеиные «квартиры» использовались для зимовки подряд
целыми десятилетиями.
Зимняя спячка пресмыкающихся в самых северных областях
их распространения может продолжаться до 7 — 8 месяцев.
Южнее
их зимняя спячка
короче, причем в теплые
солнечные дни даже зимой они просыпаются, выползают
из своих нор и греются на солнце. Однако в холодное
время
они находятся
в состоянии
оцепенения,
когда все
процессы жизнедеятельности у них предельно заторможены.
Большинство встречающихся в Болгарии видов ящериц
(луговая, полосатая, зеленая, лесная, коротконогая,
крымская,
веретеница) тоже впадают
в зимнюю спячку, зарывшись
в почву, в норах, которым не угрожает наводнение,
чаще всего на крутых сухих склонах. Македонские и
стенные
ящерицы находят
убежище
в трещинах
скал. В теплые
солнечные дни зимой ящерицы могут «пробуждаться»
и выползать из своих зимних убежищ на несколько часов,
чтобы поохотиться,
после
чего снова
прячутся
в свои норки, впадая в состояние оцепенения. Часто
в одной норе собирается вместе несколько
особей.
Болотные черепахи проводят зиму, зарывшись в ил водоемов,
в которых они обитают, в то время как сухопутные
забираются на
глубину
до 0,5 м в почву
в какие-нибудь
естественные укрытия или норы кротов, лисиц, грызунов
и других, закрываясь торфом, мхом и влажными листьями.
Подготовка к зимовке начинается еще в октябре, когда
черепахи накапливают жир. Весной при временном потеплении
они просыпаются,
иногда на
целую неделю.
Есть ли птицы, впадающие в зимнюю спячку?
Итак, мы выяснили, что большинство животных с непостоянной
температурой тела, которая зависит от окружающей
среды, впадают в состояние
зимней спячки. Но удивительно,
что и многие животные с постоянной температурой
тела, например птицы, тоже могут впадать в зимнюю спячку
в течение неблагоприятных
сезонов
года. Известно,
что
большая часть птиц избегает неблагоприятных зимних
условий путем перелетов. Но еще Аристотель (384
— 322 гг. до
н. э.) в своей
многотомной «Истории
животных»
обратил внимание на тот факт, что «часть птиц
улетает, чтобы перезимовать в теплых странах, а другие укрываются
в разных
убежищах, где впадают
в зимнюю спячку».
К этому выводу пришел и крупный шведский естествоиспытатель
Карл Линней, который в своем труде «Система природы»
(1735 г.) писал:
«Осенью, когда
начинается похолодание,
ласточки, не находя достаточно насекомых для
пропитания, начинают искать убежище для зимовки
в зарослях
тростника вдоль берегов
озер и рек».
Долгое время утверждения Аристотеля и Линнея
отвергались орнитологами, ссылавшимися на известный
факт, что
часть птиц мигрирует в
теплые страны, тогда как немигрирующие
активны и зимой, а птиц, впадающих в зимнюю спячку,
вопреки утверждению многих, наука не знает. Только
после того
как в 1937 г. американские
ученые обнаружили
в щели скалы в состоянии зимней спячки козодоя
(Phalaenoptilus nuttalii), стало ясно, что и
некоторые виды птиц
могут впадать в подобное состояние
в неблагоприятные
сезоны года. Оба ученых провели более углубленные
исследования и установили, что, прежде чем впасть
в зимнюю спячку,
этот вид птиц
теряет значительную
часть своего веса, и в определенный момент в
результате такого истощения включается
механизм перехода в состояние оцепенения. В этом
состоянии обмен веществ резко понижается, потребность
в кислороде
сокращается почти в 30 раз,
а температура
тела от 40 — 41°С опускается до 18 — 19°С и даже
ниже. Птицы впадали в оцепенение, продолжавшееся
около 3
месяцев, и создавалось
впечатление,
что они мертвы. Было
установлено, что во время зимней спячки козодой
весом 40 г расходовал
0,15
мл кислорода на 1 г веса за час, тогда как в
обычном состоянии — 2,7 мл. Те же ученые
окольцевали одну из этих птиц, и в последующие
годы выяснилось, что она всегда зимовала на одном
и том
же месте на протяжении
4 лет.
Позже было установлено, что и другой ее родственник
— малый козодой (Chordeilis minor),обитающий
тоже в Северной
Америке
и на Антильских
островах, впадает
в состояние зимней спячки. В Дании обнаружили
в том же состоянии при температуре воздуха 0°С
европейского
обыкновенного
козодоя
(Caprimutgus europeus).
Проведенные
с ним опыты показали, что при искусственном понижении
температуры воздуха
до 4°С птица впадала в оцепенение, причем температура
ее тела падала с 37 — 40°С
до 16 — 17°С, а частота дыхания — с 50 — 70 до
нескольких
в минуту. Существуют наблюдения, что и некоторые
виды ласточек (деревенская
и скалистая) тоже
зимой впадают в зимнюю спячку.
Состояние кратковременного оцепенения, которое
ученые называют торпидностью, наблюдалось у только
что вылупившихся
птенцов
черного стрижа (Apus
apus), которые впадают в это состояние, когда
родители покидают их на несколько
дней при неблагоприятных
условиях (например, во время приближающегося
циклона). В состоянии оцепенения температура
тела этих птенцов
с 39°С
падала до 20°С
и даже ниже, пульс
и дыхание замедлялись, и в подобном состоянии
они выдерживали 7 — 12 дней. Появившись снова,
родители отогревали их своими телами, и птенцы
возвращались к жизни. В благоприятное время года
молодые стрижи
вылетали из
гнезда через
33 — 35
дней, а в неблагоприятные,
когда они впадали в состояние оцепенения, им
были
необходимы 40 — 50 дней.
Издавна известно, что в подобное торпидное состояние
впадают и птенцы некоторых видов колибри, если
мать, улетев за
пищей, задержится
более
чем на десяток
минут (у колибри только самки выкармливают потомство).
После ее возвращения, согретые
материнским теплом, они возвращаются к жизни.
Установлено, что взрослые колибри нескольких
видов (Calypte
costae, С. anna, Eugenes
Lampornis),
обитающих на Американском
континенте, также способны впадать в состояние
оцепенения в особенно холодные ночи, когда их
температура тела
понижается до 8,8°С.
Доказано, что вес различных видов колибри колеблется
от 1,7 до 19,1 г, а потребность в кислороде у
мелких экземпляров
в состоянии
покоя
— 11
— 16 мл на 1 г веса за
час, во время полета — 70 — 85 мл, а в состоянии
оцепенения только 0,17 мл. Расход энергии у колибри
высокий, и
существует опасность,
что колибри
с температурой
тела 44°С не смогут выдержать без нищи того периода,
когда они спят, так как им не хватит энергетических
запасов. При
подобном
положении
их организм
при чрезмерном
охлаждении от истощения ночью лишится возможности
снова согреться в начале своей активной фазы.
Между тем,
как известно, ночи
на южно- и центральноамериканских
высоких плато, где обитают колибри, холодные.
Вот почему колибри обладают
защитным
механизмом — впадают ночью в торпидное состояние,
причем температура их тела сравнивается с температурой
окружающей
среды; таким
образом, они не
отдают свою
теплоту и сохраняют энергию, которая не расходуется
для образования тепла в организме. В этом случае
действует закон голландского
физиолога Ван
Гофа, отражающий связь
между скоростью реакций химических процессов
и температурой (если температура тела понизится
на
10°С, процессы
обмена
начнут протекать
медленнее
почти в 3 раза). Так что если температура тела
колибри понизится с 44°С до
34°С, это приведет
к трехкратному сокращению обмена веществ и соответственно
к значительному сохранению энергии.
Подобная регуляция температуры тела во время
оцепенения была обнаружена и у пурпурной колибри
(Eulampis
jugularis), которая,
как и другие
колибри, легко впадает в
торпидное состояние. В состоянии оцепенения температура
тела этого вида колибри обычно близка к температуре
воздуха, но,
если последняя
падает
ниже 18°С, температура
тела птицы больше не понижается и остается на
уровне 18 — 20°С.
Оцепенение, в которое впадают некоторые виды
птиц, значительно отличается от зимней спячки,
свойственной
многим млекопитающим.
Прежде всего
организм птиц
не только не накапливает энергетических запасов
в виде жира, но, наоборот, расходует значительную
их
часть.
В то время
как млекопитающие
впадают
в зимнюю спячку,
заметно прибавив в весе, птицы перед оцепенением
сильно худеют. Вот почему явление оцепенения
у птиц, как считает
советский
биолог Р.
Потапов, должно
называться
не зимней спячкой, а гипотермией.
До сих пор механизм гипотермии у птиц до конца
не изучен.
Интересно, что все птицы, способные впадать в
состояние оцепенения, в систематическом отношении
являются
между собой близкими
родственниками и обладают общими
физиолого-экологическими особенностями. Впадание
этих птиц в состояние оцепенения при неблагоприятных
условиях жизни представляет собой приспособительную
физиологическую реакцию,
закрепившуюся в процессе эволюции.
Какие млекопитающие впадают в зимнюю спячку?
Как у тех животных, о которых мы рассказывали
до сих пор, так и у млекопитающих зимняя
спячка —
это биологическое
приспособление для
переживания неблагоприятного
сезона года. Несмотря на то, что животные
с постоянной температурой тела обычно переносят условия холодного
климата,
недостаток
подходящей пищи
зимой стал причиной
приобретения и постепенного закрепления в
процессе эволюции некоторыми из них этого своеобразного
инстинкта — проведения
неблагоприятного
зимнего сезона в
неактивном состоянии зимней спячки.
По степени оцепенения многие ученые различают
три типа зимней спячки:
1) легкий (факультативный), выражающийся
в легком оцепенении, которое легко прекращается
(еноты,
барсуки, медведи,
енотовидные собаки);
2) периодически прекращающаяся зимняя спячка,
характеризующаяся полным оцепенением, сопровождающимся
пробуждением
только в более теплые
зимние дни (хомяки, бурундуки,
длинноухие ночницы — летучие мыши);
3) настоящая непрекращающаяся зимняя спячка,
представляющая собой стабильное, продолжительное
оцепенение (суслики,
ежи, сурки,
тушканчики, сони и
большинство видов летучих мышей) (7).
Прежде считали, что зимняя спячка и оцепенение
возникают в результате несовершенства терморегуляционной
системы
млекопитающих в условиях
похолодания, что таким
способом выражается определенная «примитивность»
в организации и дефекты механизмов физиологического
контроля. В последнее время тщательные исследования
многих ученых из различных стран показали,
что зимнюю спячку
не следует
объяснять
недостаточностью
терморегуляции, наоборот, это превосходно
отрегулированное физиологическое состояние.
Следовательно,
сходство между находящимися в состоянии зимней
спячки млекопитающими с
постоянной температурой тела и животными
с непостоянной температурой тела (например,
лягушками
или ящерицами) лишь кажущееся.
Чтобы зимоспящие млекопитающие впадали в
состояние гибернации, необходимы многие внешние
и внутренние
факторы. Наравне
с внешними факторами
(температура, свет,
наличие пищи и др.) на наступление зимней
спячки оказывает влияние ряд внутренних (терморегуляция,
эндокринная
и нервная деятельность
и др.).
В природе основными
стимулами для впадания в состояние зимней
спячки
являются понижение температуры и уменьшение
продолжительности дня. В процессе
эволюции эти факторы утвердились
в качестве надежного сигнала, свидетельствующего
о
приближении неблагоприятных зимних дней,
лишающих животных пищи.
Однако недостаток пищи не всегда
служит основной причиной впадания в состояние
зимней спячки. В климатических условиях
с резко разграниченными зимними и летними
периодами зимняя спячка протекает с точностью,
характерной
для природных
явлений, но
в географических районах с менее
резкими различиями между летом и зимой она
наступает в разное время и зависит преимущественно
от степени
похолодания.
Зимней спячке млекопитающих предшествует
определенная физиологическая подготовка организма.
Она состоит
прежде всего в накоплении
запасов жира, главным
образом под кожей, в полостях тела, на всей
протяженности кишок, в грудной области (бурая
жировая ткань). У некоторых спящих зимой
млекопитающих подкожный жир достигает 25%
общей массы тела.
Например, все виды сусликов
еще в начале
осени толстеют
и усиленно синтезируют углеводы, увеличивая
вес
своего тела втрое по сравнению с весенне-летним
весом. У
сурка (Marmota
bobac)
вес подкожного
и внутреннего
жира в июне составляет 10—15 г, в июле —
250 — 300 г, а в конце августа — 750 — 800
г. Барсук
(Meles
meles) накапливает
до
нескольких килограммов
жира. Большие
запасы подкожного жира накапливают и представители
семейства
сонь (Myoxidae) — садовые, лесные, мышевидные
и
орешниковые. Особенно
заметно толстеет
соня-полчок (Glis glis). В Древнем Риме сонь
ловили сразу же после того, как они впадали
в зимнюю спячку, когда они наиболее жирные.
Запеченные, они
представляли собой желанный деликатес для
трапезы знатных римских патрициев.
Перед зимней спячкой значительно толстеют
и ежи, и бурые медведи, а также и все летучие
мыши.
Другие млекопитающие, например хомяки (Cricetus
cricetus и Mesocricetus auratus) и бурундуки
(Tamias sibiricus),
не накапливают
больших
запасов жира, а делают
запасы пищи в своем убежище, чтобы пользоваться
ими в периоды своего краткого пробуждения
зимой.
Во время зимней спячки все виды млекопитающих
лежат неподвижно в своих норах, свернувшись
в клубок.
Так лучше всего
сохранить тепло
и ограничить
теплообмен
с окружающей средой. Зимние квартиры многих
млекопитающих — это естественные пустоты
стеблей и дупла деревьев.
Мышевидная соня зимует в выкопанной ею норке
в земле, а лесная соня — не только в дуплах,
но и
в трещинах
скал. Другие зимоспящие
животные,
например
летучие
мыши, проводят период гибернации чаще всего
в пещерах, на необитаемых чердаках и в помещениях;
они засыпают
многочисленными
колониями,
повиснув головой
вниз. Третьи, например суслики, сурки и другие,
предварительно выкапывают в земле норы,
где и проводят период зимней спячки. Бурундук
тоже выкапывает норы из
двух камер (одна из них служит складом, а
другая — жильем). Сурок выкапывает норы с
пятью-шестью
выходами, которые перед зимней спячкой заделывает
изнутри землей.
Из насекомоядных млекопитающих еж, готовясь
к зимней спячке, собирает в укромном месте
мох,
листья,
сено и устраивает
себе гнездо. Но
«поселяется» в своем новом
доме лишь тогда, когда температура долгое
время удерживается ниже 10°С. Перед этим
он обильно
питается, чтобы
накопить энергию в
виде жира.
Еж — один из немногих
животных, которые месяцами не прерывают свою
зимнюю спячку, если их спокойствие не будет
нарушено сильными
внешними
раздражителями (8).
Среди грызунов, распространенных в наших
географических широтах, существует несколько
видов, впадающих
в зимнюю спячку,— обыкновенный
хомяк, суслик,
соня-полчок (Glis
glis), садовая соня (Elomys quercinus), орешниковая
соня (Muscardinus avellanarius) и мышевидная
соня (Myomimus personatus). Эти
4 вида сонь не запасаются
дополнительной пищей потому, что периоды
их спячки длятся
очень долго, а расход энергии ничтожен.
В то время как соня-полчок, садовая и мышевидная
сони проводят зимнюю спячку в одиночестве
в своем зимнем
убежище, в гнезде
орешниковой сони иногда
можно обнаружить несколько впавших в состояние
гибернации экземпляров.
Обыкновенный хомяк (Cricetus cricetus) принадлежит
к числу животных, которые часто пробуждаются
и потому нуждаются
в большом количестве
энергии. Накопленного
осенью жира, иногда достигающего 40% их веса,
оказывается недостаточно. Вот почему хомяк
вынужден запасаться
продуктами питания, количество
которых достигает 5
— 10 кг. Всякий раз, когда он просыпается,
он уничтожает часть из этих запасов и таким
образом
поддерживает
свои энергетические резервы.
Хомяк
живет в норе,
выкопанной в земле. Каждую осень животное
достраивает свое
убежище на глубине до 2 м. Собирая листья
и стебли растений, он готовит
себе теплое
гнездо.
Прежде чем впасть в зимнюю спячку, он закупоривает
землей все
выходы из своего убежища.
Таким образом он не только изолируется от
холода, но и защищается от своих врагов —
хорьков и
горностаев.
В зимнюю спячку впадает и его родственник
— сирийский золотистый хомяк (Mesocricetus
auratus).
Вот
уже несколько десятилетий
его искусственно разводят и используют
как лабораторное животное. В лабораторных
условиях при постоянной температуре
20 — 22°С золотистый хомяк почти потерял
свою способность впадать в состояние зимней
спячки,
тогда как в
природе он пребывает
в состоянии гибернации
почти всю зиму. Однако наши наблюдения показывают,
что в лабораторных условиях при
понижении температуры до 9°С и уменьшении
светового дня он впадает в зимнюю спячку
даже при наличии
пищи в клетке.
В результате наших наблюдений над сусликами,
пойманными в природе и содержащимися в виварии,
установлено
более позднее
наступление
зимней
спячки (к концу
ноября) и более раннее пробуждение — еще
в середине февраля (в природе суслики находятся
в состоянии гибернации от сентября до середины
марта). Причиной этого является значительно
более
высокая
температура (12
— 16°С) в помещениях
по сравнению
с температурой в природных условиях. Но помещенные
в холодильник, где температура 6 — 9°С, суслики
засыпали беспробудно,
впадали в полное
оцепенение до момента,
когда их извлекали из камеры и переносили
в
помещение с более высокой температурой (даже
до конца апреля).
Просыпались
они сильно истощенными,
так как все
накопленные
энергетические запасы были израсходованы.
У сусликов, содержащихся в течение второго
и
третьего года
жизни в лабораторных
условиях
при постоянной
температуре
20 — 22°С, мы наблюдали, что некоторые из
них не впадали в зимнюю спячку, а остальные
впадали,
но
ее продолжительность
была значительно
сокращена.
Это объясняется
изменением условий (постоянная температура
и обеспеченность пищей), благодаря чему постепенно
начинают изменяться
и наследственно приобретенные поведенческие
реакции.
В состояние гибернации впадают почти все
виды летучих мышей. Еще в конце лета и начале
осени
они накапливают
много жиров
и гликогена.
Зимуют они
чаще всего
колониями от десятка до сотен и тысяч экземпляров.
Их зимняя спячка отличается от спячки упомянутых
уже видов
животных.
Летучие мыши
не
устраивают специальные
гнезда, а зимуют в защищенных от холода местах
— в пещерах или дуплах, старых штольнях шахт
или на
чердаках
домов.
Животные висят на стенах
и чердаках головой
вниз, плотно прижавшись друг к другу. Боясь
отморозить некоторые части тела, например
большие уши у
некоторых видов, они свертывают
их и накрывают
крыльями.
Другие виды летучих мышей накрывают крыльями
все тело, словно пелериной. Воздух между
телом и летательными
перепонками служит своеобразным
изолятором и уменьшает
потерю тепла. Установлено, что во время зимней
спячки летучие мыши часто просыпаются, чтобы
переменить место
своего «жительства»,
если оно окажется
влажным, холодным
или расположено на сквозняке. Это доказано
с помощью маркировки находящихся в состоянии
гибернации
летучих
мышей. Во время
зимней
спячки летучие
мыши не потребляют
пищу и живут только за счет накопленных резервов
(жиров, достигающих 15 — 20% их массы).
Несмотря на то что в природных условиях некоторые
виды летучих мышей впадают в зимнюю спячку,
а другие — нет,
установлено,
что их реакция
на понижение
температуры воздуха одинакова. У видов, сохраняющих
нормальную температуру тела при похолодании,
наблюдаются изменения, типичные для теплокровных
животных. Одновременно с понижением температуры
воздуха увеличивается
потребление кислорода,
что является отражением
нарастающих потребностей в энергии для поддержания
температуры тела. Но для летучих мышей, впадающих
в состояние оцепенения,
характерна низкая интенсивность обмена
веществ. Например, находящиеся в состоянии
оцепенения при 15°С летучие
мыши потребляют в 40 раз меньше кислорода,
чем в активном состоянии, и
соответствующих запасов
жира им может хватить на период времени,
в 40 раз больший.
Экономию энергии при переходе в состояние
оцепенения анализировал в своих исследованиях
американский
ученый Тейкер в 1965
— 1966 гг. Потребление
кислорода в период зимней
спячки определяется сравнительно легко, но
нужно иметь в виду и количество энергии,
необходимой для того,
чтобы тело
согрелось
при выходе из
этого состояния. Ученый
исследовал калифорнийского мешетчатого прыгуна
(Perognathus californicus) и установил, что
при
кратковременном
оцепенении расход энергии
на то, чтобы согреться, составляет
значительную часть общих расходов энергии.
Прыгун весит около 20 г. Для него характерно
то, что он легко впадает в состояние оцепенения
при
температуре окружающей
среды от 15 до
32°С. Если
температура понижается
ниже 15°С, нормальное состояние оцепенения
нарушается, и
животное не может выйти из него самостоятельно.
Другими словами, при
охлаждении ниже 15°С
прыгун не способен
выработать такое количество тепла в своем
организме, чтобы началось его согревание.
Тейкер установил,
что
прыгун легко
впадает в
состояние оцепенения
и при ограничении
нормы питания. При постепенном уменьшении
количества пищи периоды оцепенения
у него становятся все более продолжительными.
Благодаря этому вес прыгуна не уменьшается
даже в том случае,
если количество
пищи
сократить в
3 раза по сравнению
с тем, которое он потребляет в нормальных
условиях, находясь в активном состоянии.
Тейкер направил
усилия на то, чтобы
установить, с чего
начинается процесс оцепенения.
Имевшиеся у него данные по производству и
расходу тепла на всех стадиях оцепенения
позволили
ученому ответить
на этот
вопрос.
Оказалось,
что переход к такому состоянию
происходит в результате того, что при понижении
температуры воздуха ниже критической отметки
(около 32,5°С) прекращается
терморегуляторное
поддержание
уровня обмена
веществ. При более низкой температуре понижение
обмена приводило к понижению температуры
тела. Другими словами,
не было необходимости
в особом механизме,
который повышал бы расход тепла. Раз температура
тела начинала понижаться,
замедлялся обмен веществ, и животное впадало
в состояние оцепенения, при котором выделение
тепла в теле, как и температура тела, продолжало
понижаться. Пробуждение прыгуна происходило
при температуре выше
15°С, причем потребление
кислорода
увеличивалось
в 10 — 15 раз. Пробуждение являлось активным
процессом,
требовавшим значительного расхода энергии
в течение сравнительно длительного
периода, пока температура
тела не достигала нормального уровня. Понижение
температуры продолжалось около 2 ч, и общее
потребление кислорода
за это время составляло
0,7 мл на 1 г веса
тела. Для согревания до нормальной температуры
тела были необходимы 0,9 ч при потреблении
кислорода 5,8
мл на
1 г веса тела. Таким
образом, при
переходе в
состояние оцепенения, а затем при непосредственном
выходе из этого состояния потреблялось 6,5
мл кислорода на 1
г веса тела
в течение
2,9 ч. В то
же время для поддержания нормальной температуры
тела в течение 2,9 ч при температуре
воздуха
15°С прыгун потреблял бы 11,9 мл кислорода
на 1 г веса тела. Следовательно, благодаря
оцепенению
этот
грызун
израсходовал 65% той энергии,
которая необходима для поддержания
его нормальной температуры тела за тот же
отрезок времени. Тейкер установил, что более
длительные
периоды оцепенения,
например
в течение 10 ч, дают
еще большую экономию энергии. В конечном
итоге он показал, что самый большой расход
энергии
связан с периодом пробуждения. При десятичасовом
цикле на
этот период приходилось 75% всего расхода
энергии.
Зимняя спячка бурых медведей (Ursus arctos)
является факультативной. В природе летом
этот медведь
накапливает толстый слой подкожного
жира и непосредственно
перед наступлением зимы устраивается в своей
берлоге для зимней спячки. Обычно
берлога покрывается снегом, так что внутри
значительно теплее, чем снаружи. Во время
гибернации накопленные
жировые запасы
используются организмом
медведя и
как источник питательных веществ, а также
предохраняют животное от
замерзания. Температура его тела падает,
ритм ударов сердца и дыхания сильно замедляется.
Заметно понижается и обмен веществ, в связи
с чем уменьшается и расход питательных веществ.
Известно,
что иногда
в теплые зимние дни или
в случае опасности медведь
просыпается и даже выходит из берлоги, а
затем
снова засыпает в
той же берлоге или в другом месте. Но обычно
возвращение его к нормальной
жизнедеятельности
происходит весной, когда становится теплее
и
температура его тела повышается. Более продолжительное
время,
обычно до конца
апреля,
в своих берлогах
задерживаются только самки, которые рождают
там детенышей.
В природе, если зимы довольно теплые, особенно
тогда, когда бурый медведь не накопит достаточного
количества
подкожного
жира, он
может не впасть
в зимнюю
спячку. В некоторых современных зоопарках,
в которых медведей содержат в специальных
помещениях с климатическим
оборудованием,
обеспечивающим
постоянную температуру
20 — 25°С; они вообще не засыпают.
Белый медведь (Thalarctos maritimus) по сравнению
с остальными своими родственниками живет
в наиболее суровых
атмосферных
условиях. При
хорошей упитанности
он может выдержать холод до —40°С. Доказано,
что беременные и не достигшие половой зрелости
самки зимой впадают в состояние зимней спячки.
Для этой цели они выкапывают в снегу яму
и остаются там
несколько
месяцев,
пока родившиеся
за это
время медвежата
не подрастут, достаточно не окрепнут и не
наступит теплая погода. Самцы белого медведя
не впадают
в состояние гибернации.
Группа ученых под руководством доктора Ральфа
Нельсона зимой 1977 — 1978 гг. провела в
рочестерской клинике
«Майо» в штате
Южная
Дакота (США)
ряд опытов по
изучению зимней спячки американского черного
медведя барибала (Euarctos americanus). Исследователи
ставили
себе цель:
выяснить, каким образом
этот вид медведя за
время 3 — 5-месячного сна расходует ежедневно
до 4 тыс. кал, не получая пищи и воды и не
удаляя отходов из организма.
Исследуя при помощи
радиоизотопных
методов
пробы, взятые из крови и тканей, ученые пришли
к предположению,
что эти свойства животного обусловлены особым
гормоном,
поступающим
еще
осенью
в его организм
из гипоталамуса. Процессы обмена веществ
у медведей, находящихся в состоянии гибернации,
оказались
похожими на метаболические
процессы,
протекающие
в человеческом организме при полном голодании.
Однако было установлено, что организм медведя
осуществляет эти процессы значительно более
рационально. Голодающий человек расходует
для
поддержания
жизни как жировую, так и
мышечную ткань. После
длительного голодания
человек не только худеет, но и теряет силы.
Медведи, наоборот, просыпаясь весной, обладают
той же
сильной мускулатурой,
какую имели осенью,
и
не испытывают чувство
голода еще 2 недели. Ученые установили также,
что во время зимней спячки обмен белков в
5 раз более
интенсивен,
чем
при активном
состоянии животного.
Для обеспечения
такого обмена медведи осенью накапливают
запасы белков для зимней спячки, питаясь
не менее
двенадцати часов
в сутки.
Калорийность их дневной
нормы необыкновенно
велика — достигает 20 тыс. кал. Сильно повышенный
белковый обмен
во время зимней спячки предполагает и образование
многих продуктов отхода.
Но
в данном случае
продукты распада белков появлялись в ничтожных
количествах. Почки медведя выделяли всего
лишь несколько капель
мочи, которые через
стенки мочевого
пузыря всасывались
обратно в кровь. Наряду с этими открытиями
еще не установлено, почему в организме медведя
не
скапливаются ядовитые
продукты распада, прежде
всего
мочевина, которая
при активном состоянии животного удаляется
из его организма с мочой. Независимо от того,
что
в период
зимней спячки
температура тела
у медведей иногда
значительно падала, все процессы обмена веществ
протекали
нормально. Кроме того, удалось
выяснить, что при температуре воздуха в помещении
—8°С на поверхности кожи медведя поддерживалась
температура +35°С,
в прямой кишке
+22°С, в полости
рта +35°С (при
+38°С в активном состоянии). Однако частота
сердечных сокращений и ритм дыхания значительно
снижались
(см. таблицу).
Интерес к уникальным данным относительно
гибернации медведей обусловлен поисками современной
медицинской
науки. Зимняя
спячка черного медведя
может служить моделью
для подбора диеты при хронической почечной
недостаточности. В организме животного, впадающего
в зимнюю спячку,
отсутствуют обычные конечные
продукты распада белка,
а концентрация в крови аминокислот, белка,
щелочных солей и т.
п. остается неизменной на протяжении всей
зимы. Кроме того, азот в брюшной
полости
не накапливается.
Вот почему если ученым удастся получить в
чистом виде вещество (предположительно гормон),
поступающее
в организм
из гипоталамуса
медведей, с помощью
которого регулируются жизненные процессы
во время зимней спячки, то они смогут
успешно лечить людей, страдающих заболеванием
почек. Если замедлить распад белков,
то сократится образование мочевины и таким
образом можно будет защитить организм
больного человека от излишка этого отравляющего
вещества. Если удастся выделить этот предполагаемый
гормон,
появится надежда
создать на
его основе препараты
для лечения ряда болезней (хронических заболеваний
почек, бессонницы, ожирения и др.).
Раскрытие «тайны» медведей может заинтересовать
и специалистов космической медицины с точки
зрения будущих сверхдальних
космических полетов.
Этот интерес обусловливается
тем фактом, что медведи спят 3 — 5 месяцев
в году, а нечто подобное может быть применено
и
к космонавтам,
Что дает
возможность экономить
запасы
продуктов питания,
которые нельзя взять в космический корабль
в необходимых количествах (9).
К впадающим в зимнюю спячку млекопитающим
относится и очень интересная и своеобразная
ехидна (Tachyglossus
aculeatus).
Она относится
к подклассу первозвери (Prototheria),
семейству ехидновых (Echidnidae). Обитает
в Австралии, на островах Новой Гвинеи и на
острове
Тасмания.
Ехидна — сухопутное
роющее
животное, покрытое
волосами
и острыми иглами на спине, обладает длинным
клювом.
Ехидна откладывает 1 — 2 яйца, которые носит
в своей кожной сумке. Там вылупляются детеныши,
которых
она
кормит из
находящихся над
сумкой молочных
желез.
Группа ученых под руководством Шмидта — Нильсена
в 1966 г., а также Анджи и Илий в 1968 г.
исследовали это интересное
животное в активном
состоянии
и в период
зимней спячки. Они установили, что, когда
ехидна бодрствует,
она поддерживает нормальную температуру тела
даже при понижении температуры
воздуха
ниже 0°С. Но если ехидну оставить при температуре
5°С без пищи, она быстро
впадает в состояние
зимней спячки. При этом частота сердечных
сокращений падает в
десять раз (см. таблицу), температура тела
понижается приблизительно до
+5,5°С, а
потребление
кислорода сокращается в 10 раз.
В 1971 г. группа американских ученых с целью
установить, за какое время зимоспящие животные
впадают в спячку,
провела телеметрические
измерения
температуры кожи
и внутренней температуры тела, а также и
электрокардиографические исследования с помощью
вживленной под кожу
радиокапсулы. В опыте
использовали четырех
ежей, трех сурков, четырех сонь-полчков и
четырех садовых сонь. Животных содержали
в лаборатории при температуре 4 — 6°С. Ежи,
сурки и садовые сони впадали в состояние
оцепенения уже за
первые 24
— 48 ч, тогда
как сони-полчки
— только через десять
суток.
Иногда в более теплые зимы животные, впадающие
в зимнюю спячку, просыпаются, чтобы в это
время поесть,
если
они запаслись
пищей, и снова засыпают.
Так, например, у летучих мышей выявлено много
индивидуальных различий в характере
зимней спячки.
Доказано, что у сусликов периоды пробуждения
составляют 7% времени их пребывания в состоянии
зимней спячки,
причем они
повторяются
в среднем 1 раз каждые
11 суток и длятся по несколько часов. В это
время животные расходуют столько резервов
из своего организма, сколько за 10 суток
зимней спячки. Хомяки тоже просыпаются
через каждые несколько дней.
Некоторые физиологические данные |
|||||||
| № п/п | Вид млекопитающих, впадающих в зимнюю спячку |
Внутренняя температура тела, в °С | Число сердечных сокращений за 1 мин. | Дыхание за 1 мин. | |||
| При бодрствовании | В период зимней спячки | При бодрствовании | В период зимней спячки | При бодрствовании | В период зимней спячки | ||
| 1 | Суслик (Citellus citellus) | 35 – 39 |
1 – 13 |
200 – 400 |
5 – 19 |
100 – 360 |
1 – 15 |
| 2 | Тринадцатиполосый суслик (Citellus tridecemlineatus) | 39 – 41 |
1 – 5 |
100 – 120 |
15 – 20 |
100 – 200 |
1 – 3 |
| 3 | Обыкновенный хомяк (Cricetus cricetus) |
36 – 38 |
4 – 5 |
650 – 200 |
12 – 15 |
35 – 80 |
8 |
| 4 | Золотистый хомяк (Mesocricetus auratus) |
36 – 39 |
0,5 – 1 |
300 – 600 |
6 – 10 |
33 – 127 |
7 – 10 |
| 5 | Еж (Erinaceus europaeus) | 33,7 – 35 |
1,8 – 4,3 |
190 |
15 – 25 |
40 – 50 |
5 – 9 |
| 6 | Летучие мыши (отряд Chiroptera) |
37,3 – 38,1 |
2,2 – 4,1 |
420 |
15 – 18 |
96 – 100 |
5 – 15 |
| 7 | Сурок (Marmota flaviventris) | 33 – 37 |
3 – 11 |
68 – 140 |
3 – 15 |
20 – 24 |
2 – 3 |
| 8 | Черный медведь-барибал (Euarctos americanus) |
38 |
22 – 25 |
— |
— |
8 – 14 |
2 – 3 |
| 9 | Ехидна (Tachyglossus aculeatus) |
— |
5,5 |
70 |
7 |
— |
— |
| 10 | Орешниковая соня (Muscardinus avellanarius) |
38 |
3 |
— |
— |
— |
— |
Какие перемены наступают у впадающих в зимнюю спячку млекопитающих?
С физиологической
точки зрения зимняя спячка млекопитающих характеризуется ослаблением всех
функций жизнедеятельности организма (см. таблицу) до того
минимума, который позволил бы им пережить неблагоприятные зимние условия
без пищи. Прежде всего сильно понижается (от 20 до 100 раз) интенсивность
обмена веществ. В отличие от ежедневного сна во время зимней спячки температура
тела понижается почти до температуры окружающей среды, причем зачастую
она изменяется в соответствии с ее колебаниями. Но когда она понижается
до 3 — 5°С, организм животного включает механизм регулирования температуры,
и при дальнейшем похолодании температура тела остается постоянной. Чтобы
доказать это, американские ученые Р. Люке, Э. Грей и Ф. Сут в 1971 г.
с помощью ЭВМ смоделировали теплопродукцию и теплоотдачу у сурка при изменении
температуры тела с 36°С в период активности до 7°С во время зимней спячки.
При сравнении температурных показателей созданной модели и живого сурка
удалось установить абсолютное совпадение результатов. Было доказано,
что
сурок контролирует температуру тела даже в состоянии зимней спячки.
Понижение температуры тела, типичное для зимней спячки, вызвано замедлением
обмена веществ и сопровождается значительным уменьшением частоты дыхания.
Низкая частота дыхания обусловлена необходимостью потребления небольших
количеств кислорода, которые используются для сведенных до минимума процессов
обмена
веществ. Ослабевают и сокращения сердечной мышцы. Понижение пульса ведет
к замедлению кровообращения и к снижению кровяного давления. Изменяется
и состав крови. Так, например, увеличивается содержание веществ, препятствующих
свертыванию крови, поскольку существует опасность, что во время зимней
спячки
замедленность кровообращения может стать причиной образования тромбов (сгустков
крови). Во время зимней спячки ослабевают и функции важных органов чувств
(особенно зрения и слуха), а многие рефлексы исчезают. Разумеется, между
отдельными видами животных существуют различия. Например, можно дотронуться
до ежа и суслика, и они все равно продолжают спать, а золотистый хомяк
просыпается и от легчайшего прикосновения. Быстрые смены температуры
и давления воздуха,
однако, все же пробуждают все виды зимоспящих млекопитающих. Очевидно,
их чувствительность к температуре и атмосферному давлению во время зимней
спячки
не ослабевает.
Заторможенные процессы жизнедеятельности — это приспособление организма
к продолжительному голоду. Еж, например, в состоянии зимней спячки может
оставаться
без пищи около 240 суток, тогда как в активном состоянии он не может выдержать
без пищи и 30 дней.
Несмотря на низкую интенсивность обмена веществ, впадающие в зимнюю спячку
млекопитающие теряют значительную часть своего веса. Например, летучая
мышь — бурый кожан (Vespertilio fuscus) за 180 дней теряет 33% своей массы,
а
содержание жира в ее организме уменьшается с 28 до 10% массы тела.
У ежей, сусликов и сурков в период зимней спячки обнаружено высокое содержание
магния в сыворотке крови. Подобное явление наблюдается и у впадающих в
зимнюю спячку летучих мышей при 13°С, но не при 17 — 20°С, когда содержание
магния
оказывается в норме. Однако установлено, что высокий уровень содержания
магния не имеет важного значения для поддержания зимней спячки, так как
не препятствует
пробуждению.
Обычно у впадающих в гибернацию млекопитающих число белых кровяных телец
меньше нормы, показания гематокрита тоже несколько понижены. Свертываемость
крови уменьшена, вероятно, вследствие уменьшения содержания протромбина.
Американские ученые обнаружили временную устойчивость к рентгеновскому
облучению у сусликов и летучих мышей во время их зимней спячки. Сначала
эффект от облучения
был почти незаметен, но через не сколько дней после пробуждения наступало
обычное понижение количества кровяных телец.
Зимняя спячка связана с рядом особенностей клеточного метаболизма, в первую
очередь центральной нервной системы, внутренних органов и особенно желез
внутренней секреции. По данным известного советского ученого профессора
Я. Киршенблата, резко увеличиваются число и размеры Лангергансовых островков
в поджелудочной железе, что сопровождается повышением секреции инсулина.
Вследствие этого в крови значительно повышается содержание инсулина и углекислого
газа, а это приводит к тому, что зимний сон становится более глубоким,
так
как содержание сахара в крови понижается, а он является основным источником
энергии. Введение ежам инсулина вызвало состояние, сходное с зимней спячкой,
причем температура тела понизилась почти до уровня температуры окружающей
среды. Кровь с периферии отхлынула преимущественно во внутренние органы
(кровяное депо), и давление крови понизилось. Увеличилось содержание гликогена
в печени
и мышцах, тогда как уровень содержания сахара в крови стал падать. В печени
начал накапливаться АТФ (аденозинтрифосфат).
Как известно, щитовидная железа принимает значительное участие в механизме
терморегуляции у млекопитающих и птиц. Раздражение чувствительных к холоду
рецепторов кожи рефлекторно приводит к усилению секреции тиреотропного
гормона, выделяемого гипофизом, который стимулирует функцию щитовидной
железы. Ее
гормоны повышают общий уровень энергетического обмена и усиливают образование
тепла в организме, что, в свою очередь, поддерживает постоянную температуру
тела при охлаждении животных независимо от увеличения теплоотдачи. В период
зимней спячки функции щитовидной железы ослабевают, вследствие чего снижается
способность организма к терморегуляции. Эксперименты с ежами показали,
что после инъекции тироксина (гормон щитовидной железы) процесс наступления
зимней
спячки задерживается, а инъекция питуитрина (препарат, полученный из задней
доли гипофиза, содержащий преимущественно гормоны окситоцин и вазопрессин)
прекращала гибернацию.
Установлено, что во время зимней спячки наступает истощение коры надпочечников.
Опыты показали, что млекопитающие с удаленными оперативным путем надпочечниками
не могут впадать в состояние гибернации. Введение норадреналина (биологически
активного вещества, выработанного корой надпочечников) в период зимней
спячки не вызывает повышенного теплообразования.
Только с пробуждением от зимней спячки у млекопитающих наступает быстрое
усиление функций щитовидной железы и надпочечников, сопровождающееся увеличением
содержания тироксина, трийодтиронина, адреналина и норадреналина в крови.
Это приводит к резкому усилению энергообмена и быстрому повышению температуры
тела до нормальной. Установлено, что введение тироксина или норадреналина
млекопитающим, находящимся в состоянии зимней спячки, может привести к
быстрому их пробуждению.
Во время зимнего сна появляются и регрессивные изменения в половых органах,
которые, однако, активируются к концу зимней спячки, так как непосредственно
после своего пробуждения животные приступают к размножению. Некоторые ученые
объясняют это тем, что во второй половине зимней спячки в результате усиленного
распада жиров в крови животных накапливается значительное количество витамина
Е.
В настоящее время большинство ученых, занимающихся исследованиями зимней
спячки, считают, что железы внутренней секреции и уровень секреции гормонов
лишь создают благоприятные условия для впадания животных в зимнюю спячку
или для пробуждения от нее.
Внимание специалистов по проблемам зимней спячки ныне сосредоточено на
гипоталамусе (часть промежуточного мозга).
В настоящее время считают, что гипоталамус исполняет роль регулирующего
центра процессов, происходящих во время зимней спячки и подготовки к ней.
Исследованиями
советского ученого Е. Сатинова в 1965— 1970 гг. было установлено, что при
повреждении задней области гипоталамуса золотистые хомяки теряют свою способность
впадать в зимнюю спячку. В ряде других опытов (с сусликами) при повреждении
передней области гипоталамуса они сохраняли эту способность, но не могли
выйти из состояния спячки.
Как подчеркивает профессор Киршенблат, роль и значение нейросекреции ядра
промежуточного мозга (в частности, гипоталамуса, являющегося его частью)
и желез внутренней секреции в физиологических механизмах зимней спячки
все еще недостаточно выяснены и представляют интерес для будущих исследований.
Каковы механизмы, регулирующие состояние зимней спячки?
Ясно, что оцепенение и зимняя спячка — это строго контролируемые физиологические
состояния. У некоторых видов зимоспящих животных продолжительность
ежедневного оцепенения определяется количеством пищи и необходимостью экономить
энергию.
Очевидно, что не только переход в состояние оцепенения, но и продолжительность
этого состояния, как и выход из него, должны строго регулироваться
организмом зимоспящих животных.
В естественных условиях зимняя спячка начинается в определенное время
года, но она связана не только с наступлением холода и нехваткой пищи,
а и с
продолжительностью светового дня и с наступлением гормональных изменений.
Например, невозможно
заставить впасть в гибернацию зимоспящих млекопитающих в период размножения,
несмотря на искусственно созданные идентичные условия.
Впавшее в оцепенение млекопитающее с низкой температурой тела внешне
выглядит совершенно инертным, как будто мертвым. Оно не способно совершать
согласованные
движения, едва или совсем не реагирует на внешние раздражители и напоминает
холоднокровное животное в охлажденном состоянии. Вся его нервная система
не может работать согласованно, несмотря на то что дыхание, сердечные
сокращения и многие другие физиологические функции остаются вполне
координированными, хотя и очень замедленными. Если температура окружающей
среды все же понижается
до нуля или еще ниже, некоторые млекопитающие, впавшие в состояние
зимней спячки, погибают. Другие реагируют так: либо быстро выходят
из состояния
зимней спячки, либо у них прекращается понижение температуры тела в
результате регулируемого увеличения отделения тепла, так что температура
тела животного
остается на каком-то низком, но постоянном уровне (например, 5°С).
Эти реакции со всей определенностью показывают, что при спячке ряд
функций
центральной
нервной системы сохраняется. В качестве примера можно привести ежа,
температура тела которого во время холодов поддерживается в пределах
5 — 6°С. Это
позволяет
такому млекопитающему избегать замерзания и в то же время экономить
«горючее». Таким способом животное его не расходует ни на энергоемкий
процесс полного
пробуждения, ни на поддержание высокой температуры тела, присущей ему
в активном состоянии. Для млекопитающего, которому несколько раз в
течение зимы приходится
пережить сильные морозы, повторные пробуждения могут оказаться очень
невыгодными
в отношении расхода энергии, в то время как поддержание температуры
тела на предельно низком уровне, все еще предохраняющем животных от
замерзания,
является значительно более экономным.
Выход из состояния зимней спячки
С наступлением весны, что связано с потеплением и увеличением продолжительности
светового дня, зимоспящие млекопитающие выходят из состояния оцепенения,
т. е. «пробуждаются».
Очевидно, что повышение температуры тела при пробуждении связано
с наибольшими расходами энергии по сравнению с другими этапами
зимней спячки. В этот
период появляются интенсивные конвульсивные движения мышц, т. е.
дрожь,
благодаря
чему быстро выделяется тепловая энергия. В процессе согревания
важную роль играют не только мышцы, но и особый вид жира, названный
бурой
жировой тканью.
В отличие от обыкновенной белой жировой ткани у многих млекопитающих
возникают большие или меньшие участки скопления своеобразного бурого
жира, который
отличается от белого жира не только по цвету, но и по характеру
цитохрома, благодаря которому он может интенсивно поглощать кислород,
тогда
как белая жировая ткань, наоборот, метаболически малоактивна.
Считается доказанным, что важнейшую роль для поддержания теплопродукции
при пробуждении впадающих в зимнюю спячку млекопитающих играет
именно бурая жировая
ткань. Она называется еще и сонной железой, так как встречается
у всех зимоспящих млекопитающих, несмотря на то, что ее также обнаружили
почти
у всех негибернирующих
млекопитающих (за исключением лошади и свиньи).
Исследования Джонсона в 1971 г. показали, что бурая жировая ткань,
имеющая столь важное значение для зимоспящих млекопитающих, не
выявлена у тех,
хотя и немногочисленных, видов птиц, которые впадают в зимнюю спячку.
Бурая жировая ткань у млекопитающих расположена между лопатками,
вдоль яремных вен, в грудной клетке возле аорты, в желудке, на
уровне почек
и надпочечников.
Установлено, что она функционирует как своеобразный радиатор. Когда
животное пробуждается от зимней спячки, эта жировая ткань согревается
быстрее
всего. Оттуда тепло распространяется на переднюю часть тела, и
после того, как
достигнута определенная температура, суженные кровеносные сосуды
в задней части тела
расширяются, все тело равномерно снабжается кровью и таким образом
начинает согреваться.
Бурая жировая ткань отличается высокой активностью, подверженной
сезонным переменам, и ритмом, подобно железам внутренней секреции,
из-за чего
некоторые исследователи уподобляют ее железе. Доказано, что ее
масса у ежа и сурка
уменьшается на 70% во время зимней спячки. По данным некоторых
ученых, если у ежа удалить 50% бурой жировой ткани прежде, чем
он впадет
в гибернацию, то животное потеряет способность пережить зимнюю
спячку и погибнет при
понижении
температуры. Не случайно французский ученый Пьер Росийон назвал
бурую жировую ткань зимней одеждой млекопитающих.
Бурая жировая ткань при наблюдении под микроскопом значительно
отличается от белой. Цитоплазма клетки белой жировой ткани содержит
крупную
жировую каплю, в то время как цитоплазма клетки бурой жировой ткани
имеет большое
число маленьких жировых (липидных) капель и запасы гликогена. Эти
маленькие липидные капли облегчают активирование липидов, так как
поверхность
соприкосновения между цитоплазмой и маленькими каплями велика.
По сравнению с белой бурая
жировая ткань очень богата митохондриями, в которых производится
энергия. Более того, митохондрии в бурой жировой ткани содержат
внутренние мембраны,
которые более часто расположены, чем в других тканях. Это создает
большую поверхность для действия ферментов. Другими словами, благодаря
этим
своеобразным «теплоцентралям» (митохондриям) горючее (липиды и
гликоген) может окисляться,
чтобы произвести тепловую энергию, в которой нуждается организм
млекопитающих. Доказано, что «разжигание» бурой жировой ткани происходит
в результате
нервных импульсов, так как она обильно иннервирована и, кроме того,
снабжается кровью,
так что с помощью кровообращения тепловая энергия распределяется
по жизненно важным центрам организма. Установлено, что симпатический
нерв
(который
является частью вегетативной нервной системы) управляет этим «разжиганием».
Возбужденный
нервными импульсами, которые тепловые рецепторы, расположенные
по всему телу, направляют в головной и спинной мозг, симпатический
нерв
подает
команды, передаваемые в орган-исполнитель (бурая жировая ткань)
от «проводящих путей»
— двух нейронов симпатического нерва.
В 1981 г. американские физиологи Р. Смит и Б. Горвиц из Калифорнийского
университета провели исследования бурой жировой ткани, на основании
которых они назвали
ее внутренней согревающей рубашкой, покрывающей часть общей сосудистой
сети. По данному сигналу она становится активным метаболическим
«нагревателем», воздействующим непосредственно на кровь, когда
она уходит и возвращается
из периферийных частей тела. По мнению этих ученых, клетки бурой
жировой ткани обладают высоким потенциалом обмена веществ. При
выходе из состояния
оцепенения температура бурой жировой ткани, особенно в местах ее
скопления, оказывается значительно выше, чем других частей тела.
Температура в различных частях тела выходящего из состояния зимней
спячки животного неодинакова, так как процесс согревания протекает
неравномерно.
Обычно передняя часть тела, где расположены такие жизненно важные
органы, как мозг и сердце, согревается быстрее. Повышение температуры
сердца,
возможно, важнейший этап пробуждения, так как оно обеспечивает
циркуляцию крови и
таким образом доставку кислорода во все остальные органы. Исследования
показывают,
что согревание задней части тела начинается только после того,
как температура передней части приближается к норме. Именно в тот
момент,
когда все тело
животного быстро достигает нормальной температуры, происходит наибольшее
потребление кислорода, после чего оно понижается и достигает нормального
уровня. На начальной стадии пробуждения поток крови почти всецело
направлен в жизненно важные органы в передней части тела, только
после их согревания
он заметно усиливается и в задних частях. Это было установлено
с помощью радиоактивных индикаторов. Исследования коллектива под
руководством
К. Иохансена в 1964 г. показали, что скелетные мышцы в передней
части тела
млекопитающего,
пробуждающегося от зимней спячки, получают в 16 раз больше крови,
чем
у бодрствующего животного. Это служит подтверждением того, что
мышечная ткань
играет важную
роль в повышении теплоотдачи при выходе из состояния зимней спячки.
Доказано, что в начале этого периода мышцы задней части тела получают
примерно
в 10 раз меньше крови, чем мышцы передней части. В то же время
в бурой жировой
ткани объем крови больше ее объема и в самых активных мышцах, что
тоже подтверждает
участие этой ткани в выработке тепла. Исследования тех же ученых
еще в 1961 г. показали, что желудочно-кишечный тракт (особенно
тонкие кишки)
меньше
всего снабжен кровью в момент пробуждения от зимнего сна.
Выход из состояния зимней спячки начинается с учащения ритма дыхания,
что приводит к учащению сердечных сокращений, повышению внутренней
температуры тела и к выработке тепла. Накопленный в печени гликоген
начинает быстро
расходоваться. Частота сердечных сокращений быстро нарастает. Например,
у суслика во время
зимней спячки (при температуре тела 5°С) число их составляет 3
в 1 мин, а в период пробуждения увеличивается до 20 (при 8°С),
потом
до
200 (при
14°С)
и 300 (при 20°С). Дыхание в самом начале становится нормальным,
а затем учащается. Наблюдается и так называемое метаболическое
перерегулирование,
например,
потребление кислорода у золотистого хомяка возрастает от 0,5 до
8000 мл/кг
массы за 1 ч, а после стабилизации температуры понижается почти
до 5000 мл/кг за 1 ч.
Электрическая активность в коре больших полушарий мозга заметно
повышается при температуре около 20°С.
В конце концов все физиологические процессы организма нормализуются,
но у различных видов млекопитающих продолжительность периода нормализации
неодинакова.
Например, установлено, что летучие мыши, находившиеся в морозильной
камере без пищи на протяжении 144 дней, были способны летать через
15 мин после
их перемещения в обычные температурные условия, тогда как у сусликов
температура
тела повышалась с 4 до 35°С только за 4 ч.
Многочисленные научные исследования, проведенные на зимоспящих
млекопитающих, показывают, что зимнюю спячку не следует связывать
с функциями только
эндокринной системы. По мнению большинства ученых, у таких животных
(хотя и при более
низком уровне активности) сохраняется интеграция всех систем организма.
При своем пробуждении млекопитающие, впадающие в зимнюю спячку,
выходят из своего убежища исхудавшими, так как израсходовали все
резервные
энергетические вещества. Так, например, при исследованиях сурка
установлено, что уменьшение
его веса идет как за счет израсходованной жировой ткани, так и
внутренних органов. Вес жировой ткани уменьшается на 99%; печени
— на 59; диафрагмы
— на 4; легких — на 45; мышц — на 30; сердца — на 27 и скелета
— на 12%.
Большинство впадающих в зимнюю спячку млекопитающих после пробуждения
и выхода из своих зимних квартир измучены голодом и при первой
возможности наедаются
досыта. Они круглые сутки ищут пищу, особенно ежи, которые за день
съедают больше пищи, чем вес их собственного тела.
Несмотря на достигнутые результаты многочисленных исследований
ученых из разных стран, благодаря которым стало ясно, что зимняя
спячка
у млекопитающих— это один из совершенных приспособительных физиологических
механизмов,
закрепившихся
в процессе эволюции, все же в этой проблеме остается еще много
нерешенных вопросов.
Существует ли летняя спячка в мире животных?
Интересное биологическое явление, вызываемое периодическими (или
неожиданными) метеорологическими переменами, изменяющимися
условиями жизни в летний
сезон, представляет собой так называемая летняя спячка у животных,
которая, в
сущности, весьма сходна с зимней спячкой. Научное название
летней спячки, как мы уже
упомянули,— «эстивация» (от лат. aestas — «лето»). В подобное
неактивное состояние впадает ряд видов животных при наступлении сильной
жары
и засухи, когда становится невозможно найти пищу и воду, чтобы
выжить.
Это явление известно и в мире растений. Общеизвестна способность
семян растений впадать в анабиоз на длительный срок без проявлений
признаков
жизни и развития
в летний сезон.
В природной обстановке многим животным и растениям приходится
проводить неблагоприятный для них сезон года в состоянии покоя,
при котором
процессы жизнедеятельности
более или менее заторможены. Многие одноклеточные организмы
(жгутиконосцы, амебы и инфузории), живущие в пересыхающих водных
бассейнах,
чтобы выжить, образуют цисты. Само явление называется инцистированием.
С наступлением
неблагоприятного сезона эти организмы становятся неподвижными,
округляются, теряют свои жгутики
и реснички, образуют вокруг себя плотную и слизистую оболочку.
Образовавшиеся цисты во многих отношениях более устойчивы при
неблагоприятных
внешних
воздействиях. Инцистирование сопровождается заметным обезвоживанием
цитоплазмы одноклеточного
животного. Попадая снова в благоприятные условия, циста впитывает
воду, набухает, ее оболочка лопается, и из нее выбирается одноклеточное
животное,
готовое
к активной жизни.
Сходное явление наблюдается и у низших многоклеточных животных
— губок. С наступлением осени в теле пресноводных губок образуются
скопления
клеток, содержащих большой запас питательных веществ. Они окружаются
двумя плотными
оболочками, между которыми наблюдаются воздушные камеры и скелетные
образования. Так образуются маленькие шарики, которые называют
геммулами.
Зимой тело
губки
погибает и разлагается, но геммулы сохраняются. Весной их оболочка
трескается, массы клеток выходят наружу, и из них развиваются
молодые губки.
Заторможенность процессов жизнедеятельности можно наблюдать
и в яйцах (зародышах) животных, особенно таких, которым предстоит
пребывать
в условиях неблагоприятного
сезона. Так, например, зародыши маленького морского рачка артемии
(Artemia salina) способны переносить продолжительное высыхание.
Зародыши
артемии
издавна используются для кормления аквариумных рыбок и зачастую
транспортируются в высушенном состоянии (в состоянии анабиоза)
на большие расстояния
(даже за границу), при этом они не теряют своей жизнеспособности.
Описаны случаи сильного замедления процессов развития под влиянием
внешних воздействий и у зародышей некоторых видов рыб (семги,
пеляди) и земноводных
(озерная и травяная лягушки). После устранения неблагоприятных
факторов зародыши продолжают нормальное развитие (10).
При засухе и сильной жаре в летнюю спячку впадают и некоторые
виды улиток, укрывающихся в своих подземных убежищах.
В подобное состояние впадают и некоторые виды пиявок. Так,
например, японский зоолог Ока еще в 1922 г. наблюдал в состоянии
оцепенения
паразитирующих на панцире японских водных черепах тропических
пиявок из вида Ozobranchus
jantseanus.
При выходе водных черепах на берег эти пиявки полностью высыхают
на несколько дней. Оказавшись в воде, они восстанавливают свою
жизнедеятельность.
У насекомых диапауза может наступить не только под влиянием
низких температур, но и при чрезмерно высокой температуре,
сочетающейся
с пониженной влажностью.
В таких случаях некоторые виды впадают в летнюю (тепловую)
диапаузу, при которой их развитие прекращается до наступления
необходимой
для их жизнедеятельности
температуры и влажности.
Летняя спячка — частое явление у некоторых видов рыб. Особенно
она характерна для обитателей пресноводных водоемов, преимущественно
экваториальных и вообще тропических областей земного шара.
Сравнительно хорошо изучена
летняя
спячка
у рыб двоякодышащих—африканского протоптера (Protopterus aethiopicus)
и американского чешуйчатника (Lepidosiren paradoxa).
Африканский протоптер, представляющий собой редкое создание
природы, поистине может называться необыкновенной рыбой. В
известных энциклопедиях
животного
мира Брема протоптер назван рыбой-саламандрой. Многие ученые,
изучающие эволюцию животного мира, считают, что это существо,
вероятно, является
первой попыткой
природы превратить его из водного в сухопутного обитателя еще
400 млн. лет тому назад. Поводом для такого предположения является
тот факт,
что эта рыба,
кроме жаберной системы, использует для дыхания и парный плавательный
пузырь, обильно насыщенный кровеносными капиллярами и играющий
роль легких. Для
передвижения по земной поверхности природа наделила рыбу вместо
гибких плавников очень
твердыми отростками, напоминающими ножки. Эта рыба приспособилась
переносить продолжительные засушливые периоды, которые часто
бывают
в Центральной
Африке и главным образом в притоках Белого Нила, Конго и Замбези,
где неглубокие пресноводные водоемы полностью пересыхают. Протоптер
достигает
в длину
2
м. В засушливый период года — с августа до ноября-декабря,
когда обитаемые им водоемы пересыхают, протоптер выкапывает
себе нору
в иле, достигающую
0,5 — 1 м, и устраивается на ее дне, где формирует для себя
специальную капсулу. После этого он выделяет большое количество
слизи, которой
склеивает глинистые
стены капсулы. В результате образуется нечто похожее на «кокон»
с узким проходом для дыхания напротив рта, достигающим поверхности
и служащим
для поступления
атмосферного воздуха. Так рыба проводит длительный период времени
(5 — 6 месяцев), свернувшись в клубок в состоянии полного оцепенения.
В этот
период
она переходит на «легочное» дыхание, используя атмосферный
воздух, а так как обмен веществ резко понижается, потребность
в кислороде
уменьшается.
Впадая в глубокую летнюю спячку, эта рыба живет за счет предварительно
накопленного жира. В засушливый сезон года местное население
ходит ловить
протоптеров,
вооружившись лопатами и обнаруживая их по слуху — легочное
дыхание рыбы уловимо даже для нетренированного уха. После наступления
дождливого сезона
вода размягчает
илистую капсулу и рыба «оживает». Известен случай, когда протоптер
вместе с его глинистым коконом был успешно перевезен из Африки
в
Европу, после
чего был «оживлен» в воде и обитал в аквариуме несколько лет.
Быстрое пробуждение
этой рыбы от летней спячки опасно. Ее мускулатура очень медленно
восстанавливает свою способность двигаться. Кроме того, необходимо,
чтобы ее дыхательный
механизм имел достаточно времени для переключения с легочного
дыхания на дыхание жабрами.
В летнюю спячку впадает и упомянутый американский чешуйчатник,
тоже представляющий собой двоякодышащую рыбу. Он обитает в
заболоченных бассейнах рек, густо
поросших водной растительностью, в Южной Америке и особенно
в бассейне Амазонки. В дождливый период эта рыба усиленно питается
и накапливает
жир, который
необходим ей как резервное питание на то время, когда она зароется
в ил и впадет в состояние оцепенения. Весь засушливый сезон
она
проводит
в состоянии
летней спячки и при этом дышит атмосферным воздухом. Однако
если водоем, в котором рыба обитает, не пересыхает, она вообще
не
впадает в летнюю
спячку.
В подобное состояние впадает и встречающийся у нас вьюн (Misgurnus
fossilis), когда водоемы, где он обитает, в летнюю жару высыхают.
Тогда вьюн зарывается
в ил и впадает в состояние летней спячки. Его можно обнаружить
замурованным в сухой ил, в котором нет никакой влаги, и тогда
он кажется окаменелостью.
Вот почему он получил свое название fossilis — от лат. fossil,
что означает окаменелый остаток организма, жившего в давние
геологические времена.
В этом состоянии вьюн выдерживает продолжительное время при
неблагоприятной для
него засухе. При увлажнении жизнедеятельность восстанавливается.
Установлено, что вьюн, хотя и не является двоякодышащей рыбой,
вдыхает
атмосферный
воздух
ртом, проводя его через кишечный тракт, где осуществляется
газообмен благодаря обильной сети мельчайших кровеносных сосудов
— капилляров,
и выбрасывает
его через анальное отверстие.
Летняя спячка у рыб, подобно зимней спячке, является приобретенным
эволюционным путем биологическим приспособлением к неблагоприятным
условиям жизни.
В таком состоянии, когда рыбы наименее активны и процессы обмена
веществ сведены
до возможного минимума, они живут за счет заранее накопленного
жира, причем
потребляют незначительное количество кислорода.
В то время как для наших географических широт определяющим
фактором сезонности в жизни земноводных (лягушек, тритонов,
саламандр)
является температура
окружающей среды, в тропиках и субтропиках эту роль играет
влажность. При достаточно
высокой температуре воздуха, но низкой влажности (в период
засухи) земноводные обычно впадают в летнюю спячку.
В странах с тропическим климатом, где температура высокая и
влажность большая, земноводные активны весь год. Но в районах,
где чередуются
засушливые и
дождливые периоды, когда наступает засуха, пагубная для многих
видов земноводных, они
впадают в летнюю спячку, зарываются в ямы в почве, под корни,
камни и т. п. Типичным примером может служить остров Ява, где
земноводные
проводят
в состоянии летней спячки почти 5 месяцев. Как при зимней,
так и при летней
спячке земноводные не питаются, и все их процессы жизнедеятельности
и обмена веществ значительно замедляются.
Известно, что представители обширного класса пресмыкающихся
(Reptilia) — это животные с непостоянной температурой тела,
которая зависит
от температуры окружающей среды. Пресмыкающиеся любят тепло
и часами греются
на солнце.
Ороговевшие покровы их тела и отсутствие кожных желез предохраняют
их от чрезмерной потери воды. Некоторые из них даже приспособились
жить
и в очень
сухом климате, в жарких и безводных пустынях. Однако жара в
тропиках служит причиной впадания некоторых из них в летнюю
спячку.
Так, например, некоторые виды змей — постоянных обитателей
жарких пустынь, где им зачастую угрожает тепловой удар,— способны
впадать
в летнюю
спячку в самые жаркие дни. Это и есть защитная реакция организма,
при которой
потребление кислорода и образование тепла в организме минимальны.
Зарывшись в ил, впадает в летнюю спячку и анаконда, достигающая
11-метровой длины.
В эстивацию впадают и самые крупные представители пресмыкающихся
— крокодилы. Когда водоемы пересыхают, они зарываются глубоко
в ил. Несмотря
на то,
что поверхностный его слой высыхает и затвердевает, в глубине
влага сохраняется, где они и проводят свою летнюю спячку. По
этому поводу
знаменитый путешественник
Александр Гумбольдт привел рассказ одного европейского колониста,
которому пришлось заночевать в хижине, построенной прямо на
земле на берегу
реки Ориноко
(Венесуэла, Южная Америка). Среди ночи его разбудил сильный
шум, и земля под ногами как бы задвигалась. Комья земли полетели
во
все стороны,
и
наконец из-под земли появился огромный крокодил. Очевидно,
он находился там в состоянии
летней спячки и, к ужасу колониста, именно в эту ночь проснулся.
В тропических странах в летнюю спячку впадают и многие виды
ящериц. Степные черепахи, обитающие в среднеазиатских пустынях,
также
впадают в летнюю
спячку, при которой процессы обмена веществ значительно замедлены.
Летняя спячка является патентом и некоторых теплокровных млекопитающих,
обитателей: степей и пустынь, таких, как туркестанский и североамериканский
суслики,
сенегальский еж и другие. С наступлением сильной жары они впадают
в состояние оцепенения на продолжительный срок.
Известно, что все обитатели пустыни испытывают недостаток воды.
Но различные виды животных преодолевают это затруднение различными
способами.
Среднеазиатский
тонкопалый суслик (Spermophilopsis leptodactylus) зарывается
в глубокие норы, где температура не такая высокая, как на поверхности
песка,
и расход воды
соответственно меньше.
Из мелких животных, обитающих в жаркой, сухой и скудной растительностью
пустыне Мохаве в Калифорнии, интересен один вид сусликов, названный
в «честь пустыни»
мохавеским. Американские ученые Джордж Бартоломью и Джек Хедзен
изучали экологию и поведение этого грызуна в природных и лабораторных
условиях.
Суслик, достигающий
15 см длины и 150 г веса, коричневого цвета, роет себе нору
в рыхлом песке в тени деревьев и кустов, растущих в пустыне
и снабжающих
его пищей. Большую
часть года — с августа до марта — мохавеский суслик остается
в
своей норе в состоянии оцепенения. В весенние месяцы, когда
растительность пустыни
находится в расцвете, он покидает свое убежище, чтобы продолжить
свой род и накопить
жир, готовясь к возвращению под землю. В лабораторных условиях
этот
суслик вел себя так же, как и в природных, что способствовало
исследованиям. Было установлено, что он активен с марта до
августа. В остальную
часть года
даже при комнатной температуре, несмотря на изобилие пищи и
воды, он периодически впадал в состояние оцепенения, длившееся
от нескольких
часов
до нескольких
суток. Это состояние чередующихся периодов сна и бодрствования
продолжалось от позднего лета до ранней весны и включало в
себя два самостоятельных
процесса
— зимнюю и летнюю спячки, которые, в сущности, сливались в
один общий сон. Исследования двух американских ученых показали,
что
у мохавеского
суслика
эти два процесса — нечто другое, как две стороны одного и того
же физиологического
явления. При впадении животного в состояние оцепенения потребление
кислорода и температура тела резко падают, причем температура
тела соответствовала
температуре окружающей среды или слегка превышала ее. Его дыхание
останавливалось на продолжительный период времени, а пульс
был замедленным. При пробуждении
у суслика восстанавливалась нормальная температура тела, нормализовалась
частота дыхания, причем увеличивалось потребление кислорода,
ускорялось сердцебиение, появлялась дрожь (при которой выделялось
тепло).
Пробуждение происходило
очень быстро — для него требовалось не больше часа. Оно могло
произойти внезапно от сильного шума или прикосновения, тогда
как для впадания
в состояние оцепенения
суслику было необходимо почти 6 ч. После пробуждения потребление
кислорода достигало максимума через 15 — 20 мин, а температура
тела повышалась
от 20 до 30°С за 20 — 35 мин. Обмен веществ начинал повышаться
при температуре окружающей среды 36,6°С. При температуре окружающей
среды
20°С потребление
кислорода оцепеневшим сусликом составляло только около 1/10
от того, каким
оно было в состоянии бодрствования при той же температуре.
Главными источниками энергии для организма во время зимней
и летней спячки
служил накопленный
в период активности жир. Ученые вычислили, что окисление 1
г жира требует 2 л кислорода, что означает, что впавший в оцепенение
суслик,
весящий
300 г и использующий 0,8 м3 кислорода на 1 г массы в течение
1 ч, сжигает 0,29
г жира ежедневно. Следовательно, за 172 дня зимней и летней
спячки
он расходует 50 г жира, которые полностью удовлетворяют его
потребности в энергии. А
это
составляет ровно половину того запаса жира, который накапливает
грызун в период своей активной жизни в бодрствующем состоянии.
Пример с мохавеским сусликом показывает, что, в сущности, оба
вида спячки (летняя и зимняя) — это только две стороны одного
и того
же физиологического
явления— защитно-приспособительной реакции организма.
Можно ли «привить» животным зимнюю и летнюю спячку?
Современной фармакологической
науке известно немало химических снотворных веществ, вызывающих впадание
в глубокий сон. Однако
эти синтетические
соединения обычно обладают вредным побочным действием,
еще более нежелательным, когда
их применяют к больному человеку (например, при операции).
Вот почему усилия ученых еще в начале нашего столетия были
нацелены
на синтезирование
подопытными
животными так называемого фактора сна. Предполагается,
что синтез фактора сна откроет возможность для экспериментов,
с помощью
которых можно
будет исследовать физиологическую природу сна.
Еще в 1913 г. французские ученые извлекали спинномозговую
жидкость у лишаемых сна собак и вводили ее другим собакам,
после чего
те спали значительно
больше нормы.
Значительно позже фактор сна изучали швейцарские исследователи
из Базельского университета. Им удалось выделить из венозной
крови мозга
спящего кролика
вещество, которое ввели другому, бодрствующему кролику,
вызвав у него сон. Опыты с животными показали, что во время
сна
в крови и
в спинномозговой
жидкости образуется вещество, которое, если его ввести
другому, бодрствующему, животному,
вызывает у него сон.
Швейцарский ученый М. Монэ после сложных и продолжительных
опытов в 1974 г. сумел выделить это вещество в чистом виде.
Оно оказалось
белковым
соединением, точнее, полипептидом, состоящим из 9 аминокислот
с молекулярным весом 860.
Определение последовательности расположения аминокислот
в пептидной цепи
должно открыть ученым путь к синтезированию этого вещества.
Независимо от усилий швейцарского ученого после восьмилетних
исследований группа ученых из Гарвардского университета
также обнаружила, что
сон у животных вызывают белки. Исследователи нашли быстрый
и безболезненный способ
извлечения
спинномозговой жидкости у коз. Они показали, что жидкость
вызывала более длительный, чем нормальный, сон у подопытных
крыс, кошек
и кроликов.
Было установлено, что тот же фактор может быть извлечен
из мозга лишенных сна
животных сразу же после их умерщвления.
В последнее время многие исследователи из разных стран
стремятся выделить фактор, вызывающий зимнюю и летнюю спячку
у животных.
Некоторые ученые
предполагают, что этот фактор находится в крови, другие
— в различных тканевых жидкостях,
а третьи —в мозговой нервной ткани. Так, например, исследования
американских ученых А. Дейва и У. Спериера в 1969 г. показали,
что сыворотка крови,
взятой у сусликов, находящихся в состоянии зимней спячки,
и введенная сусликам в
их активный период летом, вызывала впадание их в зимнюю
спячку. Даже человекообразные обезьяны поддавались ее воздействию
—теряли аппетит,
у них замедлялся пульс
и температура тела понижалась на 2 — 8°С. Активная составная
часть сыворотки крови еще не выделена, но предполагается,
что она действует
как регулятор
количества определенных гормонов. Доказательством этого
служит
тот факт, что суслики, которым вводили гормон тестостерон,
просыпались от зимней
спячки раньше других зимоспящих животных.
В различных исследовательских лабораториях проводились
опыты, в которых экстракт из мозга умерщвленных зимнеспящих
ежей,
летучих мышей и
золотистых хомяков
был введен не зимоспящим бодрствующим кошкам и собакам.
В результате животные впадали в сонливое состояние, температура
их тела
несколько понижалась,
но добиться у них настоящей зимней спячки не удалось.
Подобные исследования были проведены Ноулом в 1952 г. Он
выделил из мозга впавших в зимнюю спячку млекопитающих
вещество, вызвавшее
впадание
в
зимнюю спячку даже у тех видов, которым она не свойственна,
— у собак и кошек,
причем она продолжалась от 2 до 40 дней.
Английские и шведские биохимики направили свои усилия на
то, чтобы выделить фактор сна из организма животных, впадающих
в летнюю спячку.
В качестве
объекта изучения они выбрали африканскую двоякодышащую
рыбу — протоптера (см. гл. «Существует ли летняя спячка в животном мире?»).
Они получили экстракт мозга этого вида рыбы во время ее
летней спячки и
ввели его лабораторным
белым
крысам. В результате у них наблюдалось понижение температуры
тела и они впадали в состояние глубокого сна.
Другие ученые провели опыты над впадающими в зимнюю спячку
золотистыми хомяками и ежами, исследуя содержание свободных
аминокислот в
их мозге. Было установлено,
что во время зимней спячки активность фермента глутаминдекарбоксилазы
повышена, и поэтому содержание гамма-аминомасляной кислоты
выше нормы. Предполагается,
что это вещество и продукты его распада угнетают центральную
первую систему и вызывают сонное состояние. Однако предположение,
что
зимняя спячка
наступает под воздействием гамма-гидроксимасляной и гамма-аминомасляной
кислот, не
доказано, так как понижение процессов обмена веществ и
температуры тела у подопытных животных (кроликов, кошек,
собак и других
млекопитающих) достигается и путем введения экстракта из
других тканей зимоспящих
животных.
Интересные опыты проведены с переливанием крови от впавшего
в зимнюю спячку тринадцатиполосного суслика (Citellus tridecemlineatus)
и альпийского сурка
(Marmota marmota) таким же животным в период их активности.
Результаты
оказались сходными с результатами применения мозговых экстрактов
— появились признаки
настоящей зимней спячки. Она наступала даже тогда, когда
использовалась консервированная кровь длительного хранения,
которую переливали
животным в активный период
их жизни (летом). Более того, подобный эффект получался
и при введении
сыворотки крови и промытых кровяных клеток, взятых у впавших
в зимнюю спячку животных.
Установлено, что во время зимней спячки у ежей, да и у
некоторых других млекопитающих, увеличивается ткань Лангергансовых
островков и повышается
число бета-клеток,
производящих инсулин. Однако повышение выработки инсулина,
по мнению ряда ученых, не является сопутствующим признаком
или причиной
впадания
в зимнюю
спячку, но, несомненно, необходимо для ее подготовки, так
как инсулин исключительно активен при образовании жиров
и
при распаде
гликогена
в печени. К концу
зимнего периода количество инсулина уменьшается, так как
он поступает в небольших
дозах в кровь и главное — участвует во многих процессах
при пробуждении. В конце зимней спячки выработка инсулина
приспосабливается
к
повышенным требованиям при окончательном пробуждении животного
весной. В связи
с тем что низкий
уровень сахара в крови и пониженная температура тела типичны
для зимней спячки, некоторые ученые считают зимнюю спячку
одним из
видов инсулинового
наркоза.
В доказательство этого они смогли с помощью введения инсулина
(а также инсулина и солей магния) вызвать искусственную
зимнюю спячку
у ежа,
которая была очень
близка к естественной. Но у других видов животных этот
эксперимент не удался.
В результате ряда других опытов было установлено, что при
удалении щитовидной железы у зимоспящих животных они не
в состоянии
впадать в гибернацию.
Когда тем же животным вводили гормоны этой железы (тиреоидные
гормоны), они могли
впасть в состояние зимней спячки. Подобные результаты были
получены и с гормонами надпочечников и половых желез, которые
также нужны
для впадания
в зимнюю
спячку.
Доказано, что в конце гибернации все органы внутренней
секреции, включая и гипоталамус, действуют с повышенной
активностью.
При пробуждении необходима значительная энергия для согревания
организма,
что невозможно
без усиления
выработки гормонов.
В 1977 г. американские физиологи X. Суэн и Ч. Шат посредством
введения экстракта мозговой ткани, взятой у животных, находившихся
в состоянии
зимней спячки,
сумели вызвать у теплокровных животных понижение обмена
веществ на 35% и температуры тела на 5°С.
В ноябре 1982 г. советские исследователи из Института биофизики
Академии наук СССР сумели искусственно вызвать состояние
зимней спячки v животных
с постоянной температурой тела. Опыты были проведены весной
на трех группах белых мышей. Первой группе ввели экстракт
ткани, полученный в декабре
— январе от сусликов, находившихся в состоянии естественной
глубокой
зимней
спячки.
Второй группе мышей ввели экстракт тех же тканей сусликов,
но полученный в их активный летний период. Третья группа
мышей была
контрольной
— им вводили физиологический раствор. Экстракт получали
из эпителия кишок,
где синтезируются
нейропептиды, которые в дальнейшем поступают в мозг и играют
роль регуляторов сложных процессов в нервной системе. Результаты
показали,
что введение
в организм мышей экстракта из тканей сусликов, находящихся
в состоянии зимней
спячки, существенно понижало потребление кислорода и температуру
тела в зависимости от дозы. При введении 1 мкг на 1 г веса
потребление кислорода
падало до 61%,
а через 4 ч после введения температура тела падала до 32,8
С. При введении 2 мкг на 1 г веса обмен веществ понижался
до 76%,
а температура
тела
к
седьмому часу падала до 25°С. У некоторых животных через
6 ч она упала до 22,5°С,
т. е. мало отличалась от температуры помещения, где проводился
опыт.
У второй группы мышей, которым вводили экстракт, взятый
от сусликов в
период
их летней
активности, не наблюдалось отличия от контрольной группы
мышей, которым вводили только физиологический раствор.
По мнению советских
ученых,
в организме зимоспящих
животных вырабатывается или резко увеличивается концентрация
одного или нескольких веществ, которые до сих пор не удалось
идентифицировать.
Сначала
они понижают
обмен веществ, а потом и температуру тела. Советские ученые
предполагают, что действие этих веществ подобно действию
вещества, выделенного
из мозга и крови зимоспящих животных, в вышеописанных опытах
(11).
Многие специалисты склонны исключить предположение о том,
что такой комплексный процесс, как зимняя спячка, для выработки
которой природе
понадобились
миллионы лет, может вызывать одно химическое соединение.
Расшифровка этой тайны имела бы огромное значение для медицины
при лечении ряда заболеваний, так как считают, что во время
зимней спячки
животные
устойчивы к возбудителям болезни (12).
Анабиоз и зимний покой в мире микроорганизмов и в мире растений
В природе анабиоз не является
патентом только животных организмов. Он широко представлен и среди микроорганизмов
из царства
Prokaryotae, к
которым относятся
все виды бактерий и синезеленых водорослей. Анабиоз
представлен и в мире растений (низших и высших). У многих микроорганизмов
и видов
растений
природа в своем длительном эволюционном процессе
развития создала прекрасное приспособление
для впадания в состояние покоя или анабиоза при неблагоприятных
условиях. В этом состоянии они могут переживать в
течение длительного времени
(для
некоторых видов бактерий даже миллионы лет!) и при
создании
нормальных условий восстанавливать свою жизнедеятельность.
В 1962 г. сенсационно прозвучало сообщение французского
микробиолога Г. Домбровского, который заявил, что
ему удалось случайно
оживить бактерии (Pseudomonas halocrenae),
пробывшие в соляных пластах около Бад Нагейма более
180 млн. лет. Г. Домбровский
проводил исследования минеральных вод у Бад Нагейма,
которое завершил посевом проб в различных питательных
средах для
выявления бактерий.
Он обратил
внимание на тот факт, что даже в очень соленых водах
обнаруживались живые бактерии.
Странным показалось и то, что бактерии обнаружились
и в воде, взятой с большой глубины. Взяв у бурильщиков,
работавших
поблизости, пробы
соли, извлеченной
с глубины 209 м, Домбровский в стерильных условиях
извлек
внутреннюю часть
пробы, чтобы исключить побочное загрязнение, и сделал
посев. Развились два вида бактерий. Опыты были неоднократно
повторены
— результаты
оказались те
же: в кристаллах соли, пролежавших в недрах земли
более 180
млн. лет, встречались бактерии, способные оживать.
Но само «оживление»
еще не
может служить достаточным
доказательством. Ученый расширил свои опыты и вырастил
бактерии в питательной среде, в которую каждую неделю
добавлял определенное
количество соли.
Когда получился насыщенный солевой раствор, он выпарил
питательную среду. Образовались
кристаллики соли, в которые были вкраплены бактерии.
После того как
кристаллы пролежали несколько недель, из них снова
можно было выделить живые бактерии.
Выяснилось, что вполне возможно в блоках соли сохранять
живые бактерии на протяжении миллионов лет.
Анабиоз у микроорганизмов — давно известный факт:
еще Левенгук в 1705 г. встретился с этим интересным
биологическим
явлением.
В настоящее время известно, что существуют некоторые
виды бактерий, которые, попадая в неблагоприятные
для них условия
жизни, превращаются
в стойкие
образования с плотной многослойной оболочкой, называемые
спорами. Это крайне обезвоженные
клетки с толстой оболочкой. Такие спорообразующие
бактерии преимущественно представляют собой бациллы
и клостридии
(принадлежащие к семейству
Bacillaceae). За длительный эволюционный процесс
они выработали прекрасный способ выживания
при неблагоприятных для жизни условиях. При помощи
спорообразования они повышают свою устойчивость к
физическим, химическим
и биологическим факторам
внешней
среды, сохраняясь в анабиотическом состоянии на протяжении
многих лет. Они выдерживают даже высушивание в вакууме,
очень низкие
и высокие температуры (погибают лишь при 120°С).
Позже, попадая в
подходящие
для них условия
жизни,
они снова возвращали свою жизнедеятельность и болезнетворное
действие, становясь причиной опасных заболеваний
животных и человека. Спорообразующие
возбудители
сибирской язвы, ботулизма, столбняка, злокачественных
опухолей (13), газовой гангрены и др., впадая в анабиотическое
состояние,
долгие
годы
сохраняют
свою жизнеспособность. Этим объясняется затухание
на известный период и внезапное проявление некоторых
заболеваний
у животных.
Известны
так называемые
мертвые
поля, где в прежние времена зарывали в землю животных,
погибших от сибирской язвы (сейчас их трупы сжигают).
Через какой-то
отрезок времени люди при
распахивании земли или животные на пастбищах могли
заразиться (болезнь является зоонозом,
т. е. общей для животных и людей). А споры столбняка
не погибают даже при температуре, близкой к абсолютному
нулю.
Стоит только
их
разморозить,
и
жизнь снова возвращается к ним.
Но если вернуться к случаю в Бад Нагейме, удивительно,
что обнаруженные бактерии, не образуя спор, пребывали
в состоянии
анабиоза миллионы
лет.
Это не единственный случай, когда были обнаружены
древние микробы в анабиотическом состоянии. На разных
глубинах
в трещинах подземных
пластов
сумели сохраниться
бактериальные палочки — одни «только» 10 тыс. лет,
а другие— 1 млн. лет. Недавно такую находку сделали
американские
биологи из
научно-исследовательского
института имени Чарльза Дарвина в Дайн-Пойнте. Ученые
перенесли
обнаруженные ими бактерии в лабораторию в стерильные
пробирки и создали им идеальные
условия. Вскоре в питательной среде закипела жизнь
— бактерии начали размножаться и образовали целые
колонии, напоминающие
по форме
вершину вулкана.
Одним словом, оказалось, что и миллион лет — не предел
для жизни микроскопических бактерий, впавших в анабиотическое
состояние. Этот вывод важен не только
в теоретическом отношении. Он привлек внимание представителей
молодой науки экзобиологии, изучающей возможности
существования жизни вне
нашей планеты,
например, на кометах, в наиболее мелких частицах
космической пыли или на планетах с резкими переменами
климатических
условий.
Ныне
экзобиологи
задаются
вопросом: не могут ли там на известное время «притаиться»
и, когда условия позволят, «воскреснуть» какие-нибудь
живые существа?
Еще в начале нашего века и до наших дней большой
интерес у исследователей вызывала способность бактерий
переносить
очень
низкие температуры.
Так, например, некоторые виды светящихся бактерий,
охлажденные до температуры жидкого воздуха
(—253°С) и даже жидкого гелия (—269°С), после размораживания
восстанавливали свою жизнедеятельность и снова начинали
светиться. Сейчас уже научно
доказано, что жизнь светящихся бактерий сохраняется
и в более суровых условиях, приближающихся
к условиям космического пространства. Больше того,
оказывается, что почти
при полном вакууме и при температурах, близких к
абсолютному нулю, некоторые земные микроорганизмы
сохраняются даже
лучше, чем в идеальных
условиях
земных лабораторий. По мнению некоторых экзобиологов,
простейшие формы жизни попали
на Землю из бескрайних просторов космического пространства.
Советский ученый К. Шариков сообщает о проведенных
опытах с зооспорангиями (органы бесполого размножения)
— возбудителями
рака у картофеля,
которые в течение двух суток находились в замороженном
состоянии в жидком кислороде
(— 183°С) и все же сохранили свою жизнеспособность.
Такие зооспорангии
вызывали рак картофеля, как и контрольные, не подвергшиеся
замораживанию.
В начале 60-х годов молодой советский ученый Николай
Чудинов — инженер-исследователь из центральной химической
лаборатории
Березниковского
калийнодобывающего
комбината,— исследуя нерастворимые остатки ископаемых
калийных солей, совершенно случайно обнаружил нечто
поразительное — коричневый поверхностный
слой,
всплывший в пробирке из осадков, заметно увеличился
в объеме.
Н. Чудинов не мог предположить,
что этот случай касается проблемы сохранения жизнеспособности,
так как считал, что жизнь в соли невозможна. Но каково
же было его удивление,
когда, поместив
каплю солевого раствора на предметное стекло и рассмотрев
ее под микроскопом, он увидел, что в капле кипела
жизнь. Оказалось,
что
эти организмы представляют
собой один из видов микроскопических водорослей.
Н. Чудинов снова заключил ожившие микроорганизмы
в кристаллы
соли,
продержал их
в этом состоянии
около двух месяцев и снова растворил кристаллы. Было
чему поразиться: в растворе
снова оживали целые колонии микроскопических водорослей.
В одном из опытов
исследователь лишил водоросли углекислого газа и
воздуха, но и в этой среде они продолжали жить. Проделав
сотни
опытов, Н. Чудинов
имел право
на некоторые
выводы. Явление, открытое им в калийных солях, представляет
собой пример сохранения жизнеспособности. Цвет жидкости
определялся живыми организмами
— водорослями, сохранявшими свою жизнеспособность
в анабиотическом состоянии бесконечно долгое время
—
около 350 млн. лет.
Установлено, что некоторые виды синезеленых водорослей
(Cyanophyta) из степных областей образуют студенистую
массу на предметах,
находящихся под водой.
Если их оставить на суше, то они превращаются в сухую
черную корочку. В этом состоянии они могут находиться
очень долгое
время, а когда
выпадет дождь,
сразу разбухают от поглощенной ими воды и снова превращаются
в синезеленую студенистую массу. В 1962 г. американский
ученый Камерон
установил,
что
синезеленая водоросль носток (Nostoc communae), хранившаяся
107 лет в гербарии,
полностью
сохранила свою жизнеспособность.
Выяснилось, что в подобное состояние могут впадать
и некоторые зеленые водоросли (Chlorophyta), например,
те, которые
покрывают зеленым
налетом нижние части
елей.
Значительная часть лишайников (Lichenes), особенно
те, которыми обрастают камни, тоже большую часть
года пребывают
в анабиотическом
состоянии,
подвергаясь иссушающему действию прямых солнечных
лучей. Например, лишайники ягель
(олений мох) и парамелия могут высыхать до такой
степени, что превращаются в пыль,
если их растереть между пальцами, но после дождя
восстанавливают свою эластичность и жизнедеятельность.
Могут высыхать
и впадать в анабиоз
и некоторые виды
мхов (Bryophyta).
В анабиотическое состояние впадают и некоторые виды
высших растений. Рекорд в этом отношении принадлежит
растению
бронец (Selaschnella
lepidophyla), встречающемуся в прериях Американского
континента. Помещенное в гербарий,
это растение выдержало целых 11 лет в высушенном
состоянии, не потеряв своей жизнеспособности.
Одно из чудес болгарской флоры — это растения родопская
габерлея (Haberlea rhodopensis) и сербская рамонда
(Ramonda serbica).
Оба вида принадлежат
к семейству геснериевых (Gesneriaceae) и считаются
реликтами третичного периода
(остатками растительности третичного периода, некогда
обитавшей в нашей стране).
Габерлея — красивый цветок, похожий на примулу, растет
на известняковых, сухих и прогревающихся солнцем
скалах, а также
в тенистых местах
в Родопах и в горах средней Старой планины в Болгарии,
как и на некоторых плоскогорьях
Югославии, а рамонда — тоже красивый цветок — растет
преимущественно в Югославии. В Болгарии рамонда имеет
ограниченное распространение
— на известняковых
скалах и на северных склонах Западного подножия Балканских
гор. Оба реликтовых вида включены в список растений,
находящихся под
защитой
закона как исключительно
редкие и представляющие значительный интерес.
В 1950 г. под руководством одного из наших известных
болгарских ботаников академика Николая Стоянова тогда
еще молодой
научный сотрудник Иван
Ганчев попытался выяснить, встречаются ли в болгарской
флоре виды растений, впадающих в анабиоз при продолжительном
их
высушивании, не теряя при
этом своей жизнеспособности.
Начались многочисленные опыты, испытывалось большое
число растений из
разных областей Болгарии, но результаты были отрицательными:
после
высушивания растения погибали. Во всей просмотренной
Ганчевым литературе нашлись
сведения
только
о двух высших растениях, обладавших подобным свойством,—
одно из них (Miratamnus flebelifolia) в Болгарии
не встречается, а второе
— сербская
рамонда —
было исследовано Чернявским и дало положительные
результаты. Так как родопская габерлея является близким
родственником
рамонды,
Ганчев начал
проводить
опыты
над обоими видами, поставив себе задачу: проверить
данные относительно сербской рамонды и выяснить,
свойственны ли ее качества родопской
габерлее, сможет
ли она выдерживать продолжительное высушивание, не
потеряв
жизнеспособности. В результате многочисленных опытов
Ганчев установил, что родопская
габерлея может выдержать в таком состоянии до 31
месяца, а сербская рамонда —
до 27 месяцев. Разумеется, это рекордные сроки. Некоторые
экземпляры погибали
в
16, другие — в 19 месяцев. Самыми жизнеспособными
оказались верхушечная точка роста растения и черешки
листьев.
Опыты были продолжены,
и родопская габерлея
раскрывала все новые и новые особенности. В летнее
засушливое время
года на открытых скалах температура часто достигает
45°С. Там встречались экземпляры габерлеи, свернувшиеся
в плотные
розетки,
почти полностью
высохшие. При
растирании листьев между пальцами, они превращались
в пыль. Высушенная габерлея, хранившаяся
три месяца, вынесла нагревание в течение почти 100
мин при температуре 66 — 76°С, а экземпляры, хранившиеся
дольше (24
месяца), выдержали
52
мин. Особенно
интересным оказался тот факт, что наряду с устойчивостью
по отношению к засухе и теплу родопская габерлея
обладает и относительно
высокой
морозоустойчивостью. Только при —7°С начинают замерзать
наружные листья розетки. При более
сильных
холодах, так же как и летом, лиственные розетки свертываются
и наружные листья
играют роль защитной «одежды».
Болгарские ученые считают, что в процессе эволюционного
развития эти виды настолько усовершенствовались,
что их биохимические
реакции протекают
на
очень низком энергетическом уровне. Жизнь в их клетках
может быть сведена до возможного минимума и снова
восстановиться при наступлении
благоприятных
условий. Такое состояние может быть достигнуто лишь
благодаря большой способности цитоплазмы удерживать
часть воды.
Растения могут потерять
до 98% воды,
но остальных 2% вполне достаточно для поддержания
состояния анабиоза.
Анабиотическое состояние является высокоэффективным
механизмом выживания при неблагоприятных условиях.
Именно эта анабиотическая
способность
и помогла родопской габерлее и сербской рамонде —
этим реликтовым растениям третичного
периода — уцелеть до наших дней.
Неизбежно возникает вопрос: что помогает растениям
переносить сильное обезвоживание и впадать в состояние
анабиоза,
при котором обмен
веществ протекает настолько
замедленно, что практически почти равен нулю? По
мнению ученых, при обезвоживании у растений, способных
впадать
в анабиотическое
состояние,
не нарушается
процесс дыхания, который сохраняет свою так называемую
энергетическую полноценность. При обезвоживании у
этих растений продолжают
образовываться богатые энергией
соединения, например АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия,
образующаяся в процессе дыхания почти до полного
высушивания этих растений,
передается почти всем
клеточным структурам и всему клеточному содержимому,
которое, обезвоживаясь, переходит в желеобразное
состояние, и клетки
могут годами сохранять
свою
жизнеспособность. У большинства других видов растений
при таких условиях протопласт свертывается, и растение
погибает.
Подобный процесс происходит и при созревании семян.
Известно, что многие виды семян сохраняют всхожесть
на протяжении
длительного периода (десятилетия
и даже столетия).
В начале нашего века исследования всхожести семян
провел французский ученый Поль Беккерель. Он проверил
более
500 видов семян из
собрания Естественноисторического
музея в Париже. Некоторые семена сохранялись там
еще с конца XVIII в. Оказалось, что дольше других
сохраняют
свою
всхожесть
семена
растений из семейств
бобовых, мальвовых и губоцветных. Часть семян (20%)
клевера, сохранявшихся на протяжении
68 лет, проросла.
Почти одновременно подобные исследования провели
и другие ученые, которые доказали, что семена растений
в состоянии
сохранять
всхожесть более
50 лет. Наиболее устойчивыми оказались семена, содержащие
минимальное количество
воды.
Советский ученый К. Шариков в своей книге «Необыкновенные
явления в растительном и животном мире» пишет, что
в состоянии анабиоза
семена ржи, овса, пшеницы
и ячменя могут сохраняться более 10—12 лет, мальвы
— 57, клевера —
62, ракитника — 84, а семена лотоса — более 200 лет.
Советские ученые также
установили,
что семена лотоса, пролежавшие в торфяном болоте
более 1000 лет, сохранили всхожесть.
При изучении гробниц фараонов в Египте были обнаружены
семена пшеницы, которые хранились более 2000 лет,
но не утратили
способности к
прорастанию. Впоследствии,
однако, выяснилось, что египтологи были введены в
заблуждение мошенниками, которые продавали свежие
семена вместо
старых семян из гробниц.
Интересный опыт провел в 1879 г. известный американский
ботаник Уильям Бил. Он зарыл 20 бутылок, в каждой
из которых было
по 1000 семян
20 видов сорняков.
Ученый поставил целью установить: сколько времени
семена могут сохранять свою всхожесть? Каждые 5 лет
он выкапывал
одну бутылку
и высевал
семена в стерильную почву. В 1924 г. Уильям Бил умер.
Опыты продолжили коллеги
ученого,
которые увеличили интервалы между выкапыванием бутылок
до 10 лет. Американский журнал «Фармере дайджест»
сообщил, что
семена,
посеянные
в 1980 г.
(т. е. через 101 год), буйно проросли. В Национальной
контрольно-семенной лаборатории в штате Колорадо
при температуре —20°С сохраняются
семена почти 100 тыс.
видов растений. Сотрудники лаборатории проводят испытания
на всхожесть семян
каждые 5 лет, таким образом контролируя надежность
хранения растительного фонда.
Еще более интересное открытие недавно сделали и аргентинские
ученые, которые наблюдали всхожесть семян, чей возраст
превышал три тысячелетия.
Семена
принадлежали растению амаранту, растущему на склонах
Анд. Эти семена были найдены в тщательно
закрытом сосуде в одной из горных пещер в провинции
Мендоса.
Установлено, что семена некоторых злаков, пролежавшие
известное время в условиях вакуума при температуре,
близкой к абсолютному
нулю, после
этого
прорастали
и сохраняли свои биологические свойства.
Советские ученые провели исследования с сухими семенами,
которые в опытных условиях показали большую морозоустойчивость
— при
температуре от —100
до — 190°С они сохраняли всхожесть. Уже получены
сообщения, что семена 45 сельскохозяйственных
культур после шестимесячного хранения в жидком азоте
(—196°С) успешно прорастали.
В настоящее время считается доказанным тот факт,
что семена многих видов растений способны сохранять
в анабиотическом
состоянии свою всхожесть в течение длительного времени.
Но это состояние
не может
длиться бесконечно
долго,
оно зависит от условия хранения семян, так что, бесспорно,
с
каждым уходящим
годом всхожесть семян понижается.
Возникает вопрос: если некоторые виды высших растений
способны переносить почти полное обезвоживание, то
имеются ли растения,
которые способны
переносить и низкие температуры, впадая в состояние
анабиоза? Известно, что там, где
бывают суровые зимы, древесные растения могут быть
повреждены воздействием кристаллов льда, а затем
и погибнуть. Это
можно предотвратить лишь
при очень быстром воздействии низких температур (например,
температуры жидкого
азота
—196°С и более низких), которые растения переносят
сравнительно легко, потому что при этих температурах
вода очень быстро
охлаждается и
замерзает не в
кристаллическом, а в аморфном состоянии. В этом случае
цитоплазма в клетках растений не повреждается, поскольку
нет кристалликов
льда. При одном
из таких опытов ветки красной смородины перенесли
понижение температуры до
— 195°С
и после быстрого размораживания остались жизнеспособными.
Но в природе такие низкие температуры
не существуют. В таком случае, как же переносят суровые
зимние месяцы растительные организмы?
В течение длительного процесса эволюции различные
виды растений выработали приспособления (физиологические,
анатомические, биохимические) для
выживания при неблагоприятных зимних условиях, обеспечивая
таким образом продолжение
вида. Однолетние растения проводят зиму в виде сухих
зрелых семян, пребывающих в состоянии анабиоза. Большая
часть
двулетних
и многолетних
растений
теряет свои наземные органы и перезимовывает, хорошо
защищенная от морозов и снега,
находясь в земле в виде луковиц (лук, подснежник,
тюльпан
и др.), клубней (картофель, георгины и др.) и корневищ
(папоротник, примула,
мать-и-мачеха)
в состоянии покоя.
Но как перезимовать озимым культурам и древесным
видам растений, которые подвержены непосредственному
воздействию
холодов?
Установлено, что
еще с осени растения начинают готовиться к зимовке
под воздействием понижения
температуры
и главным образом сокращения продолжительности светового
дня, причем древесные виды завершают свой активный
рост и готовятся
к переходу
в состояние покоя.
Подготовка растений выражается в понижении обмена
веществ и процесса дыхания и в усилении фотосинтеза,
что приводит
к накоплению
запасов
питательных веществ — углеводов, белков, жиров, минеральных
солей и др. Некоторые
из
этих веществ
повышают густоту сока в клетках и тем самым понижают
его точку замерзания (например, клеточный сок, отцеженный
из
некоторых
растений, замерзал
лишь при температуре от —5 до —10°С).
По мнению ряда ученых, растения проходят через две
фазы подготовки к состоянию покоя. Во время первой
фазы рост
прекращается,
резко уменьшается интенсивность
всех физиологических и биохимических процессов, а
листопадные виды (широколиственные
деревья) теряют листья. Вторая фаза начинается с
первыми холодами (от —4 до —5°С), когда растение
теряет значительное
количество
воды (обезвоживание
клеток) и наступают глубокие физико-химические процессы
— изменяются коллоиды,
которые становятся более устойчивыми к коагуляции.
В результате растения становятся более холодостойкими,
и эта устойчивость
возрастает в
течение суровой зимы. В это время организм растения
переходит
в состояние глубокого
покоя. Неподготовленные к зимовке замерзшие растения
погибают потому, что образовавшийся лед в их межклеточных
пространствах
повреждает
цитоплазму. Но зимой этого не происходит, так как
клетки растительных тканей связаны
между собой особыми цитоплазматическими мостиками,
называемыми плазмодесмами, они переходят сквозь поры
из одной клетки
в другую. При переходе
растения в состояние глубокого покоя плазмодесмы
втягиваются внутрь клеток и
цитоплазма теряет связь с оболочкой (изолируется).
На ее поверхности у древесных
видов
накапливаются жировые вещества. Благодаря процессу
изоляции цитоплазмы кристаллики льда, возникающие
в межклеточных
пространствах, уже
не оказывают давления
на цитоплазму и не повреждают ее. Внутри клеток у
закаленных растений лед образуется при значительно
более низких
температурах. Однако
при очень
суровых зимах озимые культуры и плодовые деревья
и кустарники все же частично погибают.
Вот почему ученые-селекционеры трудятся над созданием
морозоустойчивых сортов плодовых и озимых культур.
Установлено, например,
что для некоторых растений
(помидор, огурец, перец, хлопчатник и др.), которые
повреждаются не только низкими минусовыми температурами,
но и низкими
плюсовыми температурами,
для повышения их морозоустойчивости необходимо предпосевное
закаливание семян
переменной температурой (сначала +12°С, а затем —3°С)
на протяжении нескольких
дней. Закаленные таким образом растения становятся
морозоустойчивыми и лучше переносят низкие плюсовые
температуры и даже
весенние утренние заморозки,
а также повышают свою продуктивность.
Весной, с увеличением длительности светового дня
и потеплением, растения выходят из состояния покоя,
в
результате чего
их морозоустойчивость значительно понижается. В этот
период опасность замерзания
при внезапном
похолодании
или выпадении снега велика.
Устойчивость видов микроорганизмов и растений к воздействию
неблагоприятных внешних факторов (высокие и низкие
температуры, засухи и др.),
при которых они впадают в состояние покоя или анабиоза,
следует рассматривать
как
защитное приспособление, выработанное в течение длительного
эволюционного процесса.
Содержание
Предисловие ----------------------------------------------------------------------------------
5
Изучение явления анабиоза в историческом
аспекте ---------------------------------------8
Что означают термины анабиоз, гипобиоз, диапауза,
покой, гипотермия, гибернация, эстивация, летаргия, криобиология и криомедицина? -------------------------------------27
Почему в природе многие животные и растительные
организмы впадают в различные состояния мнимой смерти? ------------------------------------------------------------------34
Заглянем в бюро патентов природы. --------------------------------------------------------36
Как зимуют улитки? --------------------------------------------------------------------------------------------36
Где зимуют раки? -----------------------------------------------------------------------------------------------37
Диапауза у насекомых. -----------------------------------------------------------------------------------------38
Впадают ли в зимнюю спячку рыбы? -------------------------------------------------------------------------40
Зимняя спячка земноводных. ----------------------------------------------------------------------------------43
Пресмыкающиеся тоже впадают в зимнюю спячку. ---------------------------------------------------------46
Есть ли птицы, впадающие в зимнюю спячку? --------------------------------------------------------------48
Какие млекопитающие впадают в зимнюю спячку? ---------------------------------------------------------51
Какие перемены наступают у впадающих в зимнюю
спячку млекопитающих? ---------------------------63
Каковы механизмы, регулирующие состояние
зимней спячки? --------------------------------------------67
Выход из состояния зимней спячки. --------------------------------------------------------------------------68
Существует ли летняя спячка в мире животных? ------------------------------------------------------------73
Можно ли «привить» животным зимнюю и летнюю
спячку? ----------------------------------------------80
Анабиоз и зимний покой в мире микроорганизмов
и в мире растений. -----------------------------------85
Где находят применение анабиоз и зимняя спячка —
эти патенты природы? ----------------------------96
Можно ли сохранять «запасные части» для нормальной
жизнедеятельности? ----------------------------96
Возможны ли «химические» анабиоз и гибернация? --------------------------------------------------------106
Анабиоз в прикладной микробиологии, вирусологии
и энтомологии. ------------------------------------113
Длительное сохранение сперматозоидов с помощью
анабиоза. --------------------------------------------115
«Замороженная жизнь» и рождение животных путем
трансплантации (пересадки) зигот. --------------119
Можно ли производить «детей в пробирках?».
---------------------------------------------------------------129
Возможно ли обрести «бессмертие» методом замораживания? ---------------------------------------------136
Что такое летаргический сон у человека? ---------------------------------------------------------------------151
Применяется ли в медицине искусственное охлаждение? --------------------------------------------------156
Могут ли йоги впадать в анабиоз? ----------------------------------------------------------------------------166
Космические горизонты анабиоза и гибернации. -----------------------------------------------------------176
Литература. -----------------------------------------------------------------------------------------------------182
Комментарии. --------------------------------------------------------------------------------------------------183
