С наступлением зимы многие животные эффективно отключают свой организм для того, чтобы выжить. Подобная технология могла бы помочь людям при травмах.

В долгие холодные зимние дни вам, возможно, нравится рано ложиться спать и бывает трудно вставать по утрам. Люди переживают зиму благодаря тёплой одежде, включая обратный цикл кондиционирования воздуха и перемещаясь из обогретых автомашин в обогретые офисы. Животные переживают зиму, мигрируя в места, где более мягкий климат, оставаясь активными, утолщая свою «шубку» или изменяя пищевые привычки. Но самый экстремальный способ – полное отключение.

От пяти до семи с половиной месяцев в году чёрные и бурые медведи пребывают в спячке. Они не едят, не пьют, не выделяют отходов и не двигаются. Они уменьшают свой метаболизм на 50-75% от нормального уровня. Они делают один вдох каждые 15-60 секунд, и их сердцебиение уменьшатся примерно с 50 до 10 ударов в минуту.

Спячка – это природная стратегия для преодоления экстремальных условий окружающей среды. Установив метаболизм тела на уровне медленного движения, некоторые животные сокращают расход энергии более чем наполовину, на то время, когда не хватает пищи, а позднее возвращаются в активное состояние, как если бы ничего не произошло.

Это стратегия, которую применяют также белки, сурки, ежи, летучие мыши и даже толстохвостый карликовый мадагаскарский лемур. «Все сухопутные млекопитающие, за исключением копытных (в основном копытные млекопитающие) и зайцеобразных (зайцы и кролики), имеют по меньшей один вид, впадающий в спячку», - рассказывает молекулярный биолог Мэтью Эндрюс, который изучал животный анабиоз в университете Миннесоты Дулут США последние 12 лет. Впадающие в спячку животные настолько широко распространены в природе, что учёные думают, что генетическая программа, необходимая для этого состояния, является общей для всех млекопитающих. Отсюда возникает вопрос: почему некоторые виды засыпают, а некоторые – нет?

«Этому есть эволюционное объяснение», - утверждает Эндрюс. «Люди преимущественно тропический вид. Мы эволюционировали в тропиках, где пища в основном доступна. У нас очень тонкая кожа, поскольку нам не особо много нужно защищаться от холода. Если бы мы эволюционировали в Сибири или в Северной Канаде, то, возможно, могли бы выработать способность впадать в спячку, поскольку были бы связаны с ограниченным временем произрастания растительности».

С начала XIX века учёные безуспешно пытаются раскрыть внутренние механизмы спячки. И всё-таки молекулярная биология медленно, но приоткрывает тайну этого феномена. При этом достигается более глубокое понимание противоречивых медицинских технологий, которые позволяют замедлить дыхание пациентов почти до нуля и вернуть их из состояния, близкого к смерти.

Каждое животное на Земле сжигает энергию, чтобы передвигаться, дышать, спать и поддерживать оптимальную температуру тела. Когда животное впадает в спячку, почти всё в работе его организма меняется, однако, и приготовления к спячке начинаются за месяцы до этого. Когда на деревьях нет фруктов и нет добычи для еды, «впадающие в спячку животные используют свои собственные жировые накопления и расщепляют их с образованием кетоновых телец, молекул с четырьмя атомами углерода, которые пересекают границу между кровью и мозгом и питают мозг и остальные органы», - говорит Эндрюс. «Переключение метаболизма на использование в качестве основного питания для организма жира вместо углеводов - главная задача животных, впадающих в спячку».

Как и в случае с большинством биологических процессов, анабиозом управляют продукты генов, а именно, энзимы. Два энзима, PDK4 и PTL, частично отвечают за переключение на другой источник питания, что можно видеть у животных, впадающих в спячку, и что впервые было описано Эндрюсом и его коллегами в статье о результатах исследований, опубликованной 1998 году в издании «Proceedings of the National Academy of Sciences» .

PDK4 прекращает углеводный метаболизм, для того чтобы сохранить глюкозу, которая остаётся у животного после последнего приёма пищи. PTL же запускает механизм по превращению жира в энергию, употребляемую при низких температурах тела.

Расходуя в день по 0,2-0,3 массы своего тела, такие животные могут выживать до весны. И чем больше они сохраняют жира, тем больше у них шансов выстоять зиму; например, медведь может удваивать вес своего тела за счёт пополнения запаса жира в течение лета и осени.

«Уровень холестерина в их крови в два раза выше, чем у людей, и сердце у них бьётся очень-очень медленно, что является фактором риска в плане образования кровяных тромбов. Такие условия поставили бы человека на грань сердечного приступа или удара», - объясняет Оле Фрёберт, кардиолог больницы при университете Ёребро в Швеции. «Однако бурые медведи не страдают ничем подобным».

Как медведи в эти условиях сохраняют в целости свои артерии, и исследуют Фрёберт и его коллеги.

Поиск ответа – рискованное предприятие. Медведи – животные опасные. Даже во время спячки они могут внезапно проснуться и атаковать нежеланных посетителей. Поэтому учёные используют радиопередатчики или устройства GPS для обнаружения ранее помеченных медведей в лесах Швеции и, прежде чем к ним приблизиться, с помощью дротиков впрыскивают животным транквилизаторы. Затем они берут образцы крови и биопсию животной ткани. Образцы артерий получают от медведей, убитых во время легального сезона охоты.

«Мы обнаружили, что уровни и «хорошего», и «плохого» холестерина в крови медведей повышены. Это может иметь некий защитный эффект», - говорит Фрёберт. В опыте его группы, опубликованном в январе 2012 года в интернет-версии издания «Clinical and Translational Science» непонятно, как животные поддерживают гибкость артерий. Исследователи надеются найти молекулу, которая могла бы так же воздействовать на человеческие кровеносные сосуды.

Возможно, секрет заключается в питании животных. «Жир, который используют впадающие в спячку животные, очень отличается от жира, который потребляют люди, – мы часто едим насыщенные жиры», - говорит Эндрюс. «Эти животные едят семена, «хорошие» жиры, ненасыщенные овощные жиры, и они также производят полезные жирные кислоты омега-3 и омега-6, которые оказывают благотворное воздействие на сердечно-сосудистую систему».

Не только пища животных, входящих в состояние анабиоза, содержит ненасыщененные жиры. Они также довольно хорошо превращают жиры в ненасыщенные в своём организме.

«Если жиры насыщенны, они отвердевают, превращаются в масло при низких температурах тела, так что животные не могли бы их использовать», - говорит Эндрюс. «Но, будучи ненасыщенными, они остаются в жидком состоянии даже при очень низких температурах окружающей среды». Как именно они это делают, и хотят понять Эндрюс и его группа. «Животные в состоянии спячки выборочно используют жир в течение всей зимы и, несмотря на дополнительный вес, остаются здоровыми. Это могло бы помочь людям в борьбе с ожирением и диабетом». Артерии, не страдающие от холестерола, - не единственный эволюционный механизм, который пытаются разгадать учёные. Инженер-биомедик Сет Донахью из государственного университета Колорадо изучает, как такие животные сохраняют мышечный тонус и сильную костную ткань, невзирая на то, что ежегодно проводят несколько месяцев без движения.

Обычно люди с возрастом утрачивают прочность костной ткани. Исследования показали, что после менопаузы женщины теряют от 1 до 2% минералов в составе костей. Пациенты, прикованные к постели, могут терять от 3 до 4% скелетной массы ежемесячно. Животные, впадающие в спячку, с другой стороны, пробуждаются от своего продолжительного сна без повреждений в костной и мышечной тканях. В случае с белками, у тех нет иного выбора, если они не хотят быть съеденными лисами и пантерами – они вынуждены быть сильными и подвижными, и у них выработалась генетическая способность это делать.

Отслеживая маркеры костного метаболизма в крови пяти медведей, Донахью обнаружил, что «во время спячки костные потери и переломы действительно случаются, но медведи выработали биологический механизм для поддержания производства костной ткани на постоянном уровне». В обзоре 2008 года, опубликованном в «American Journal of Physiology» , он и его коллеги обнаружили, что это происходит за счёт высокого уровня двух химических соединений: остеокальцина и паратиреоидного гормона, или PTH.

«Как и у людей, в костях медведей в неактивные периоды образуются минералы. Но вместо выделения кальция, PTH стимулирует повторное его поглощение почками и его отложение в скелете медведей», - рассказывает Донахью. «Остеокальцин – это белок, обычно выделяемый в урине. Поскольку медведи в период спячки не выделяют урину, уровень остеокальцина увеличивается и способствует минерализации костной ткани и её формированию».

Человеческий паратиреоидный гормон , возможно, не столь эффективен, как медвежий гормон по переработке минералов обратно в костную ткань. Донахью и его группа в настоящее время заняты изучением способности гормона по восстановлению костной ткани. «Мы выделили ген медвежьего PTH и использовали его для производства синтетической формы медвежьего PTH и восстановления костей в моделях остеопороза у грызунов», - говорит Донахью.

Группа Донахью использовала крыс с удалёнными хирургическим путём яичниками, что стимулирует менопаузу, и это вызвало развитие у них остеопороза и размягчение костей. Затем делали инъекции человеческого или медвежьего РТН, измеряли и сравнивали плотность костей в течение нескольких недель. Кости оказались сильнее у крыс, которым был введён медвежий РТН. Эти результаты могут привести к созданию более эффективных методов лечения остеопороза у женщин после менопаузы, у которых повышается хрупкость костной ткани.

Другое животное, впадающее в анабиоз, привлекшее внимание учёных, - арктический суслик Spermophilus parryii. С начала сентября до конца апреля это маленькое оранжево-белое животное охлаждает свой организм до температуры – 2.9° С, что является самым низким известным природным показателем температуры у млекопитающих. Однако, в то же самое время суслик поддерживает температуру своего мозга и других частей тела, необходимых для регуляции и поддержания энергетического метаболизма, на уровне выше нуля.

Как объясняет Эндрюс, это физиологические факторы, которые животные, для которых не свойственен анабиоз, включая и человека, никогда бы не смогли пережить. «Человек испытывает гипотермию при температурах около 32° С. При такой температуре химические реакции просто не могут происходить в нашем теле», – утверждает он. Однако необычный арктический суслик может не только охлаждать и разогревать ежегодно свой организм: в период спячки приблизительно каждую неделю суслик двигается, вздрагивает без пробуждения и за 12-20 часов у него вновь повышается температура до 37°. Затем суслик вновь погружается в спячку без всяких повреждений в тканях.

Учёные идентифицировали некоторые соединения, которые могут объяснить, как это возможно. Эндрюс установил, что PDK4 и PTL, те же энзимы, которые переключают метаболизм, помогают кардиофизиологии функционировать при низких температурах. “PTL - это белок, который у человека производится поджелудочной железой, но мы обнаружили этот белок у сусликов в сердце. Причина в том, что он очень хорошо работает при низкой температуре. Он может сжигать жир при холоде и давать сердцу возможность продолжать биться».

В 2007 году Том Сканлан, биолог, который сейчас работает в университете здоровья и науки в Портленде, Орегон, опубликовал исследование в издании «Stroke» , в котором описал, как производное тироксина, тироидный гормон, быстро понижает температуру тела и замедляет сердцебиение при инъекциях у грызунов. Через 6-8 часов после инъекции грызуны восстановили нормальную температуру тела и реакции. Группа создала несколько подобных синтетических веществ, которые демонстрируют такое же или даже более сильное введение в состояние гипотермии. Тем временем в 2006 году в журнале «Nature» Ченг Чи Ли, молекулярный биолог в техасском университете в Хьюстоне со своими коллегами продемонстрировал, что молекула 5’-AMP(пять-прайм аденозин монофосфат) также понижает внутреннюю температуру тела у мышей и вызывает спячку. 5’-AMP – часть клеточного процесса, именуемого оксидативной фосфориляцией, который представляет собой аппарат по производству энергии телом. Клеткам нужен кислород для выработки аденозин-трифосфата, или АТР, первичного жизненного горючего. По мере охлаждения тела, организму требуется меньше кислорода, оксидативная фосфориляция замедляется или останавливается, и животное просто отдыхает. Этот процесс протекает не только у мышей, но также у сусликов и других животных, впадающих в спячку. Возможно, даже у человека.

В октябре 2006 года был описан первый известный случай человека, впавшего в «спячку». Поскользнувшись и сломав тазовую кость, 35-летний турист 24 дня выживал в горном лесу без еды и воды. Митсутаку Ухикоши нашли без сознания на горе Рокко в Японии, температура его тела составляла около 22° С. У него был слабый пульс и потеря крови. Пройдя курс лечения в больнице, он полностью выздоровел. Его врачи считали, что его выздоровление было результатом состояния, вызванного холодом, подобного анабиозу, так как температуры в горах опустились до 10° С.

«Я убеждён, что есть некая связь между впадающими в спячку животными и людьми, выжившими в экстремальных условиях, людьми, которые обманули смерть после того, как утонули в ледяной воде или в течение многих часов были погребены в снегу без доступа кислорода», - говорит Эндрюс.

Недостаток кислорода часто является причиной смерти людей, у которых остановилось сердце или произошёл удар. Около 5 лет назад врачи начали экспериментировать с методами лечения, связанными с охлаждением, даже временным, с телами таких пациентов, с тем, чтобы уменьшить их потребность в кислороде. Результаты оказались необычными.

В 2005 году биохимик Марк Рот попал в первые строки мировых новостей, когда журнал «Science» опубликовал результаты экспериментов его группы, показавшие, что введение мышам крошечных доз сульфида водорода – H 2 S – приводило к состоянию обратимого анабиоза. H 2 S – газ с дурным запахом, едкий, воспламеняющийся и смертельно опасный, который образуется естественным образом в маленьких количествах в организме людей и животных. У людей он позволяет температуре внутри тела оставаться постоянной независимо от того, где человек находится – в Арктике или на Карибах.

В своей лаборатории при центре исследований рака Фреда Хатчинсона в Сиэтле, Вашингтон, Рот помещал мышей в аквариум, из которого был выкачан почти весь кислород, что заставляло их вдыхать сульфид водород в концентрации 8 частей на миллион. Внутренняя температура их тела достигала 20° С. В считанные минуты их сердцебиение сокращалось более чем на 50 %, а уровень метаболизма резко падал. Животные оставались в подобном состоянии анимации вплоть до 6 часов, после чего вновь включали подачу кислорода. Удивительно, но они пробуждались без повреждений мозга.

H 2 S, кажется, замедляет или даже останавливает оксидативную фосфориляцию - процесс, при котором клетки производят энергию. Эксперименты Рота показали, что мыши могут выживать при низких концентрациях кислорода, которые в противном случае вызвали бы у них гибель. Он также один из многих исследователей, которые исследуют применение задержанной анимации в радикальной медицинской терапии.

В феврале 2008 года анастезиолог Патрик Коханек и его коллеги из центра исследований по оживлению пациентов института Сафара при университете Питтсбурга в Титусвилле, Пенсильвания, опубликовали работу в «Journal of Cerebral Blood Flowand Metabolism» , в которой описывалось, как он оживил собак спустя три часа после клинической смерти – не было сердцебиения, не было дыхания и активности мозга. Пока группа Рота сосредоточилась на том, как замедлить уровень метаболизма, при котором возникает побочный эффект – падение температуры, группа Коханека охлаждала тело, для того чтобы замедлить уровень метаболизма. Они выкачали у собак кровь и заменили её на раствор низкотемпературной глюкозы, растворённого кислорода и соли. Собаки вернулись к жизни после переливания крови и электрического разряда, приложенного к сердцу, хотя у некоторых были отмечены небольшие повреждения мозга. Применив аналогичный подход, группа хирургов-травматологов Общей больницы в Бостоне, Массачусетс, сообщила о хороших результатах нескольких успешных опытов с большими белыми английскими свиньями.

Следующий шаг – проверка задержанного восстановления на людях. Когда человек получает серьёзную травму и теряет очень много крови, снабжение кислородом также падает. При отсутствии поступления кислорода у обычного человека в течение пяти минут наступает повреждение мозга, и он умирает через 15 минут. Но и восстановление кровоснабжения также представляет опасность. Приток насыщенной кислородом крови создаёт так называемые реактивные молекулы кислорода, которые могут повредить белки и ДНК и вызвать смерть клеток, в дополнение к повреждениям тканей или органов.

Позднее, в 2012 году, хирург Самюэль Тишерман и его команда также в институте Сафара в Питтсбурге приступят к клиническим испытаниям с целью установить, смогут ли они спасти пациентов, у которых вследствие сильной кровопотери произошла остановка сердца, заморозив их почти до 10° С.

«В большинстве случаев люди с серьёзными травмами и сильной потерей крови не выживают», - говорит Тишерман. «Быстрое охлаждение могло бы поддержать –сохранить пациента - в особенности его мозг, предоставить достаточно времени хирургам, чтобы обнаружить источник кровопотери, обработать рану и восстановить сердцебиение».

В клинических испытаниях температура тела понижается за счёт пропускания 20 литров холодной жидкости через большую трубку, помещённую в аорте - самой большой артерии в теле. «В доклинических исследованиях, которые мы проводили на животных, мы таким способом охлаждали тело всего лишь за 1 минуту», - добавляет Тишерман. Для восстановления кровоснабжения и оксигенации как части процесса оживления используется аппарат искусственного кровообращения.

Терапия сильного охлаждения, распространяющаяся по больницам даже ещё до того, как учёные и врачи полностью поняли, как она работает, могла бы также применяться при лечении некоторых видов отравлений, при которых необходимо прекращать кровообращение. Способность H 2 S вызывать гипотермию также тестируется на пациентах с острыми лёгочными нарушениями, отказом в работе многих органов и некоторыми воспалительными болезнями. Тем не менее, неудачи при попытках воспроизвести результаты, наблюдаемые у мышей, у более крупных животных (вроде овец), а также соображения безопасности означают, что необходимы дальнейшие исследования.

Эндрюс остаётся оптимистичным. «Возможно, что в будущем у нас появится возможность создать трансгенные организмы с состоянием анабиоза, как мы сейчас создаём трансгенных мышей, для того чтобы лучше понять, как происходит анабиоз».

Перевод Елены Василевской

Группа экспертов при Европейском космическом агентстве изучает, есть ли безопасный способ погрузить человека в состояние «спячки». Один из экспертов, учёный-невролог из Оксфордского университета Владислав Вязовский, в своей статье, опубликованной в издании The Conversation, рассказывает о том, зачем это нужно и какие могут быть последствия.

Животные впадают в спячку, потому что для них это оптимальный способ переждать то время, когда трудно найти корм. В этот период химические реакции в организме замедляются. Частота сердечных сокращений, дыхание, потребление энергии - все эти показатели уменьшаются. Может снизиться и температура тела.

Умение впадать в спячку пригодилось бы и человеку, особенно если он в течение нескольких лет живёт в космическом аппарате, который летит за пределы Солнечной системы. Путешествие к Марсу, ближайшей к нам планете, может занять на нынешнем этапе технического прогресса около восьми месяцев. А путь за пределы Солнечной системы растянулся бы на несколько лет, даже если космический корабль будет лететь со скоростью света.

Если будет возможность погрузиться в длительный «сон», то долгие путешествия были бы менее утомительными для астронавтов. Более того, так они сохранили бы свои жизненные ресурсы.

Предложения «усыплять» космонавтов уже звучали. В 2015 году доктор Марк Шаффер из Атланты разъяснил, что можно использовать систему под названием Rhino Chill. Через нос в организм поступает охлаждающая жидкость, температура тела постепенно понижается до 32 градусов Цельсия - человек входит в состояние онемения. Когда экипаж достигает места назначения, подача жидкости прекращается, и это позволяет астронавтам проснуться. Это означает, что до Марса они могли бы добраться в небольшой капсуле.

В медицине в состояние оцепенения сейчас иногда вводят критических больных, которые получили травмы, но этот метод не применяют больше недели.

В отличие от человека, животные «знают», как безопасно и спонтанно входить в состояние оцепенения. Вопросу о том, как они это делают, посвящено множество исследований, но пока нашлось мало вразумительных ответов. Возможно, режим спячки запускается «снизу вверх», то есть изменения сначала происходят в отдельных клетках организма на молекулярном уровне. Есть теория, что процесс идет «сверху вниз», то есть нервная система или гормоны подают сигналы организму.

Главной опасностью для человека, если он будет входить в спячку, являются возможные последствия для мозга. Ошибочно думать, что животные находятся в спячке по полгода - они регулярно выходят из этого состояния, чтобы погрузиться в обычный глубокий сон. Это заставило некоторых учёных предположить, что спячка - это «бессонное» состояние. Есть вероятность, что оно может изменить мозг, если тот не будет восстанавливаться с помощью механизмов сна. К тому же мозг очень чувствителен к недостатку кислорода и нуждается в защите на то время, когда снижена подача крови и питательных веществ к нему.

Также известно, что «спячка» реорганизует синаптические связи, а они являются основой нашей памяти. При этом исследования на животных, например на летучих мышах, показывают, что большинство воспоминаний сохраняются даже после многих месяцев, проведённых в состоянии почти полной нейронной депрессии.

Пока учёные не уверены, возможно ли безопасно погружать человека в спячку. Для этого, как пишет Владислав Вязовский, необходимо изучить ключевые участки мозга и определить ключевые молекулярные пути, которые регулируют функцию сна.

Профессор кафедры фармации Первого московского государственного института имени И.М. Сеченова Евгений Абизов (ранее около 15 лет там же преподавал биологию, зоологию, теорию эволюции. - Прим. ред.) рассказал, что у животных есть свои способы «поддерживать здоровье» в спячке. Например, медведи долго готовятся к ней - накапливают жир. В берлоге они сосут лапу, благодаря этому выделяется желудочный сок и работа желудочно-кишечного тракта поддерживается на минимальном уровне. Если бы этого не происходило, не работали бы - также на минимальном уровне - другие органы: отмирали бы клетки головного мозга, останавливался бы кровоток, вследствие чего наступила бы смерть животного.

Евгений Абизов напомнил, что коммерческие компании уже довольно давно «замораживают» безнадежно больных людей, находящихся в коме. Этот бизнес рассчитан на тех, кто верит, что в будущем их можно будет «оживить». Но пока, как отмечает Евгений Абизов, не придуман способ, позволяющий восстановить функции «замороженного» организма.

Заведующий отделением сомнологии Федерального научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА Александр Мельников отметил, что, прежде чем тестировать препараты для «спячки» на людях, необходимо, как это обычно и делается, провести исследования на животных.

Пока я отношусь скептически к этой идее, всё это похоже скорее на бред, - сказал он. - Если сейчас кто-то начнёт проводить эксперимент прямо на человеке, тот может просто умереть. Это опасно.

Каждую осень медведи умеренных и полярных широт (в частности бурый и черный) начинают готовиться к спячке. Всю весну, лето и осень эти животные активно питались, нагуливая запасы жира на зиму. А теперь, когда наступают холода, они ищут подходящее укрытие для того, чтобы перезимовать. После того, как укрытие найдено, медведь впадает в спячку.

Спячка медведей в некоторых случаях длится до полугода. Во время спячки некоторые виды, например, черный медведь (Ursus americanus), снижают пульс с 55 ударов в минуту до примерно 9. Уровень метаболизма снижается на 53%. Естественно, все это время медведи не едят, не пьют и не производят отходы жизнедеятельности. Как им это удается?

Для понимания того, что происходит в теле медведя во время спячки необходимо сразу уточнить, что представляет собой сама спячка. И почему это не «анабиоз» в прямом смысле слова. В буквальном понимании этого термина «анабиоз» представляет собой процесс полной неактивности животного. В это время уровень метаболизма снижается до показателей, которые для большинства высших животных являются несовместимыми с жизнью.

Некоторые виды земноводных (некоторые тритоны и лягушки) замерзают в морозы, без вреда для себя оттаивая при наступлении теплого сезона. Безболезненным это «промерзание» буквально насквозь для них является в связи с выработкой специфического вещества, имеющего свойства антифриза, который препятствует замерзанию воды в их организме.

Медведи не замерзают. Температура их тела во время спячки остается достаточно высокой, что позволяет им очнуться в случае какой-либо опасности, выйдя из берлоги. Кстати, медведей, которые проснулись раньше времени, называют «шатунами». Они представляют значительную опасность для человека, поскольку зимой медведь не может найти достаточное количество пищи, и всегда голоден, и агрессивен.

Некоторые исследователи утверждают , что медведи не впадают в анабиоз, как и говорилось выше. Но есть и ученые, которые называют медведей «супер-анабиозниками» , поскольку не есть, не пить и не испражняться по полгода, оставаясь при этом в состоянии быстро выйти из спячки - это уникальное явление в животном мире.

«По моему мнению, медведи лучшие анабиозники в мире», - говорит Браян Барнес (Brian Barnes) из Института арктической биологии Университета Аляски (Фэйрбенкс). Этот ученый провел три года, изучая особенности спячки черных медведей.

«Их тело - закрытая система. Они могут провести всю зиму, используя только кислород для дыхания - это все, что им нужно», - говорит Барнес.

Почему медведи не испражняются во время спячки? Если коротко, то потому, что в их организме в это время образуется фекальная пробка . Это особая масса, которую исследователи уже давно находили в пищеводах медведей, впавших в спячку.

Ранее считалось, что медведи перед тем, как залезть в берлогу, поедают большое количество растительного материала, шерсти других медведей и других материалов, которые не перевариваются, и которые потом образуют пробку в кишечнике животного. Ученые, которые пришли к такому выводу, во многом полагались на информацию, полученную от охотников на медведей. Те утверждали, что способ питания, о котором говорилось выше, приводил к «скреплению кишечника» и животное просто не могло во время сна провести акт дефекации.

На самом деле, это не так. Медведи ничего особенного не едят перед спячкой. Они, как всеядные животные, стараются потреблять любую доступную им еду, включая фрукты, овощи, орехи, мясо, рыбу, ягоды и многое другое.

А во время спячки кишечник животного продолжает работать. Не в режиме прежней активности, но все же он работает. Клетки продолжают делиться, осуществляется кишечная секреция. Все это формирует небольшое количество фекалий, которые и накапливаются в кишечнике животного. Формируется «пробка» диаметром от 3,8 до 6,4 сантиметров.

«Фекальная пробка - это те же отходы жизнедеятельности, которые находятся в кишечнике животного так долго, что стенки кишечника абсорбируют жидкости из этой массы, оставляя ее сухой и твердой», - говорится на сайте Североамериканского центра изучения медведей. Таким образом, организм медведя не теряет такую необходимую ему воду, запасы которой в берлоге восполнить практически невозможно.

Специалисты размещали в берлогах медведей камеры, которые записывали все происходящее во время спячки. Как оказалось, волокна растений и шерсть часто являются составной частью пробки потому, что медведь даже во время спячки может подбирать что-то с земли в берлоге, а может и слизывать свою шерсть.

После того, как медведь выходит из берлоги, они очищают кишечник, который начинает функционировать нормально. Обычно дефекация происходит уже на пороге берлоги. Поэтому никакой мистики или загадки, как об этом говорят некоторые охотники или даже ученые, в медвежьей пробке нет. Все это - продукт жизнедеятельности организма. Кстати, медведь в берлоге вовсе не сосет лапу. Дело в том, что в январе и феврале происходит смена кожного покрова на подушечках лап. Старая кожа лопается, зудит, что причиняет медведю известные неудобства. Для того, чтобы облегчить зуд, медведь облизывает лапы.

Для того, чтобы прояснить детали процесса спячки у медведей, я запросил комментарий у ученых из Криворожского государственного педагогического университета.

Каким образом медведи поддерживают свой организм в состоянии спячки?

Каждое животное существует за счет обмена веществ и энергии, которые обеспечиваются потребляемой пищей. Естественно, что чем активнее образ жизни и интенсивнее физиологические процессы, тем больше «топлива» в виде пищи нужно вводить в организм. В организме же, пребывающем в состоянии покоя в виде спячки, интенсивность всех обменных процессов сведены до физиологического минимума. То есть, энергии затрачивается ровно столько, сколько ее необходимо для того, чтобы зверь оставался живым и чтобы не произошли дегенеративные процессы в тканях и органах в связи с нехваткой энергии. В целом это состояние можно сравнить с тем, что происходит во время обычного сна, но, естественно, оно более «утрированно».

Основным потребителем энергии в организме являются головной мозг и мышцы (не менее 2/3 всей энергии организма). Но поскольку мышечная система во время сна неактивна, то энергии ее клетки получают ровно столько, сколько необходимо для поддержания их существования. Поэтому на «малых оборотах» начинают работать и остальные органы, также получающие весьма мало энергии. Пищеварительной системе по сути нечего переваривать (поскольку кишечник почти пуст, как было сказано выше). Откуда же тогда берется этот минимальный объем энергии, который все же зверю необходим? Он извлекается из запасов жира и гликогена, накопленных за активный период года. Расходуются они постепенно и обычно их хватает до самой весны.

Кстати, шатунами довольно часто становятся именно те медведи, которые летом «плохо кушали». Известно немало устных рассказов о том, что шатунов в голодные годы больше. Итак, запасы жира и гликогена – основной источник энергии. Еще одним жизненно важным веществом является кислород. Но поскольку организм малоактивен, то и кислорода нужно гораздо меньше. Таким образом, частота дыхания значительно снижается. А если ткани организма при спячке требуют весьма малое количество кислорода и питательных веществ, то и крови, которая их переносит, можно двигаться гораздо медленнее. Поэтому и частота сокращений сердца значительно уменьшается, а соответственно, сердце потребляет также меньше энергии. С экономией воды связано не только «закупоривание» кишечника, но фактическая приостановка деятельности почек.

Есть ли другие примеры спячки среди теплокровных животных?

Такое приспособление, как спячка у медведей является весьма необычным для теплокровных явлением, но вовсе не уникальным. Она также есть у ежей умеренных широт, обитателей степей Евразии сурков, некоторых представителей семейства Куньих (барсук). В особенно холодные и голодные зимы в подобное состояние могут впадать белки и енотовидные собаки, но ненадолго, а их процессы жизнедеятельности не замедляются так, как это бывает у медведей. Кроме зимней спячки (гибернации), бывает также и летняя спячка (эстивация). В последнюю впадают некоторые обитатели жарких пустынь (некоторые насекомоядные, грызуны, сумчатые).

Это бывает в наиболее жаркие периоды года, когда добыча корма и воды становятся гораздо более энергозатратными и, по сути, неэффективными. Поэтому животному проще впасть в спячку и переждать неблагоприятные условия. Кроме сезонной спячки бывает также и суточная. Она характерна для некоторых летающих теплокровных – колибри и летучих мышей. Дело в том, что и одни, и другие во время полета очень быстро машут крыльями. Благодаря этому их полет стал более маневренным, а добыча корма более эффективной. Но за все в природе нужно платить. Их летательные мышцы потребляют очень много энергии, которой не хватает на полные сутки (несмотря на то, что и колибри, и летучие мыши за активную фазу суток потребляют пищи массой более половины собственной массы).

Как видим, скорость обмена веществ у них просто колоссальна. Поэтому во время сна (а отдых в виде сна необходим каждому животному – это также нормальный и обязательный физиологический процесс) их жизнедеятельность снижается до параметров, сравнимых с теми, что наблюдаются у медведей.

Чем отличается состояние спячки медведей от, например, анабиоза лягушек?

У теплокровных физиологические процессы при спячке не могут быть полностью «выключенными». На то они и теплокровные – необходимо самостоятельно произведенное тепло. Другую картину можно наблюдать у пойкилотермных животных – их процессы жизнедеятельности практически полностью приостанавливаются. То есть клетки организма пребывают практически в законсервированном состоянии до наступления лучших времен – когда пригреет солнце и даст достаточно тепла, что разогреть тело. Это бывает у всех земноводных умеренных и более северных широт.

Известен факт, что особи хвостатого земноводного сибирского углозуба после того, как были буквально вмерзшими в лед на протяжении нескольких десятилетий (!) после оттаивания «оживали» и чувствовали себя вполне нормально. Также в анабиоз впадают и зимующие змеи и ящерицы, но их организм не настолько живуч (замерзания они не перенесут). Другой пример – рыбы, живущие в пересыхающих водоемах Африки, Южной Америки и Австралии, и закапывающиеся в ил на период засухи. Процессы, происходящие в их организме в этот период близки к тем, что происходят у земноводных – почти полная приостановка жизнедеятельности до лучших времен.

Что касается рептилий жарких стран, то нужно сказать, что, хотя они и холоднокровные, но переживание неблагоприятных условий у них больше сходно с таковым у теплокровных – значительное снижение интенсивности физиологических процессов, но не остановка (солнечной тепловой энергии ведь достаточно). Крупные рептилии (крокодилы, питоны и удавы) таким образом «отдыхают» до года, переваривая съеденную крупную добычу.

Можно ли искусственно создать режим спячки для животных, которые не впадают в спячку?

Нет. Это будет ненормальное состояние, подобное коме.

Как мог появиться подобный механизм зимовки у медведей? Вырабатывался ли такой механизм в течение многих сотен тысяч лет или появился спонтанно?

Все физиологические процессы контролируются генетически. В ходе эволюции у определенной группы особей могла возникнуть некая физиологическая особенность, заключающаяся в особом режиме сна (суточного, нормального) в холодный период года, сопровождающемся небольшим спад физиологической активности и падением температуры тела на 1-2 градуса.

Такая особенность дала этим особям некое преимущество в плане более экономного расхода энергии в условиях с меньшим количеством корма. При этом она стала давать настолько большое преимущество в выживаемости, что постепенно в популяции остались только такие мутанты. В дальнейшем отбор по этому признаку продолжился – сон становился все более продолжительным и глубоким, а интенсивность процессов организма уменьшалась все больше. Наконец животные научились обустраивать берлоги. Кстати, эта особенность могла дать значительное преимущество еще и потому, что как раз во время спячки самка рожает детенышей и они в это время находятся в тепле и защите, скрытые от посторонних глаз. В целом эволюция явления зимней спячки продолжалась (а может и продолжается) на протяжении конечно же не меньше, чем нескольких сотен тысяч лет.

За помощь в подготовке статьи редакция Geektimes благодарит:
Брошко Евгения Олеговича, к.б.н., старший преподаватель, кафедра зоологии КГПУ (Криворожский государственный педагогический университет)
Евтушенко Эдуарда Алексеевича, к.б.н., доцент, кафедра ботаники и экологии КГПУ

Зимняя спячка – очень интересный и сложный процесс, заслуживающий нашего внимания и наблюдений. В зимнюю спячку впадают животные, проживающие, в своем большинстве, в умеренном климате (теплое лето и холодная зима). Для многих животных спячка является единственным способом выживания во время морозной зимы, так как в это время им очень сложно добыть себе питание.

Во время зимней спячки (или гибернации) у животного замедляются процессы жизнедеятельности и обмена веществ, а также пульс и частота дыхания. Животное начинает готовиться к спячке за несколько месяцев до начала холодов. Перед спячкой он накапливает жир для того, чтобы пережить этот сложный период.

Существует также оцепенение и анабиоз, характеризующиеся более крепким сном и еще большим замедлением внутренних процессов.

На первом месте в этом рейтинге стоит, конечно же, всем известный медведь. Однако, оказывается, только три вида медведей впадают в спячку (бурый, черный и гималайский). Остальные же медведи (в том числе, белые) в спячку не впадают.

Сон медведя не такой крепкий, как у других животных, впадающих в спячку. Медведь спит чутко и поверхностно. Температура тела практически не понижается, и все внутренние процессы работают в привычном ритме. Однако, будить медведя в спячке крайне не рекомендуется. Разбуженный медведь очень агрессивен, зол и опасен. Часто медведь просто шатается по лесу, расходуя свою накопленную до зимы энергию и теряя свои жировые запасы. Такие медведи называются «шатунами».

За время спячки медведь может потерять до половины собственного веса.

фото 4

Ежи не делают запасов на зиму, так как питаются, преимущественно, насекомыми. Поэтому им приходится запасаться жиром в летний сезон, а зимой спать. К зиме (в октябре) ежи жиреют и впадают в спячку, находя себе убежище в густых кустах, углублениях почвы, засыпанных опавшей листвой, среди лесного хвороста. Просыпается еж только с прекращением заморозков.

3. Суслик.

Суслики относятся к животным, которые очень долго могут пребывать в спячке, до 9 месяцев в году. После пробуждения, у них наступает чаще всего непродолжительный период бурной активности.

Не все летучие мыши впадают в спячку. Это напрямую зависит от климата и среды обитания. Если температура в районе обитания рукокрылых падает зимой ниже нуля, они либо впадают в спячку в пещерах или других защищенных местах, либо мигрируют в более теплые места. Спячка напоминает глубокий сон, при котором сердцебиение едва заметно, а дыхание замедляется до одного вдоха-выдоха за 5 мин. У активного зверька температура тела составляет 37-40° C, во время спячки же она опускается до 5°C.

Все сурки, независимо от вида, впадают в зимнюю спячку.

Исследования показали, что сурки предпочитают растения, богатые полиненасыщенными жирными кислотами, более высокая концентрация которых в жировой ткани спящих животных помогает им переносить во время зимней спячки более низкие температуры. К концу лета сурки накапливают до 800-1200 г жира, что составляет до 20-25 % их веса. Во время спячки жизненные процессы у сурков почти замирают: температура тела падает с 36-38 до 4,6-7,6 °C, дыхание замедляется до 2-3 вдохов в минуту вместо нормальных 20-24, а сердцебиение - до 3-15 ударов в минуту вместо 88-140. Зимой сурки не питаются и почти не двигаются, существуя за счет запасов накопленного жира. Однако, поскольку расходы энергии во время спячки низкие, весной сурки нередко просыпаются достаточно упитанными, с запасом 100-200 г жира.

На зиму барсуки погружаются в сон. Так же, как у медведей, он почти не сопровождается понижением температуры тела и замедлением основных жизненных функций. К осени барсук накапливает значительные запасы подкожного жира, так что вес его увеличивается чуть ли не вдвое. Ко времени залегания нора его уже вычищена, гнездовая камера наполнена свежей подстилкой, входные отверстия барсук, залезая последний раз в нору, забивает землей и листьями. Если на зиму в одном общем "барсучнике" залегает несколько зверей, то каждый спит в отдельной гнездовой камере. Звери перестают появляться на поверхности после выпадения первого снега. Весной они пробуждаются с началом активного снеготаяния, когда среднесуточная температура переходит нулевую отметку.

Австралийская ехидна плохо приспособлена не только к холоду, но и к жаре, поскольку у неё нет потовых желез, а температура тела очень низкая - 30-32 °C. При жаркой или холодной погоде она становится вялой; при сильном похолодании впадает в спячку продолжительностью до 4 месяцев. Запасы подкожного жира позволяют ей при необходимости голодать месяц и более.

С началом осенних ночных заморозков тушканчики впадают в спячку в глубоких норах с несколькими зимовочными камерами, запасов на зиму они не делают.

9. Холоднокровные.

Холоднокровные позвоночные животные: земноводные (лягушки, тритоны), пресмыкающиеся (ящерицы, змеи), и рыбы при наступлении холодов, впадают в анабиоз (или оцепенение), при котором все внутренние процессы замедляются настолько, что иногда животное можно принять за мертвое. Зимнее оцепенение наступает у них при понижении температуры окружающей среды. Животные прячутся в укромных местах (в норах, под корягами) и впадают в оцепенение до наступления весны.

Другой вид оцепенения – «летнее оцепенение». В него впадают животные – жители жарких стран, при выгорании растительности. Например, степные черепахи при летнем оцепенении «высыхают», то есть, теряют очень много воды. В зимнюю же спячку впадают следующие виды черепах: средиземноморская, среднеазиатская, черепаха Германа и зубчатая черепаха.

Большое количество насекомых тоже впадает в спячку или анабиоз. У насекомых этот процесс носит название «диапауза». Перед началом холодов они находят себе укромные места, прячутся в землю, под кору деревьев, забиваются в углы и трещины и впадают в глубокий сон. Например, пауки, жуки и бабочки прячутся на зиму под корой деревьев или пней, пчелы зимуют в дуплах.

Как бы то ни было, с началом весны и приходом тепла, все эти животные оживают, пробуждаются от крепкого сна, покидают свои теплые зимние убежища для того, чтобы начать новый цикл своей жизни.

Если верить календарю, зима длится три месяца. На деле мы получаем целое зимнее полугодие. Начиная от промозглых осенних ветров и заканчивая весной, которая не торопится растопить слежавшийся снег, а вместо этого устраивает нам полосу препятствий в виде гололеда и постоянно промокшей обуви. От этих мыслей хочется поплотнее закутаться в одеяло, отвернуться к стенке да так и пролежать, пока из-под земли не полезет зеленая травка.

Если у вас нет возможности уехать на зимовку в теплые края, берите на вооружение наши советы. Они помогут снова стать бодрыми, работать и отдыхать с удовольствием, даже если на улице темно и холодно.

1. Не ешьте что попало

Зимой руки сами тянутся к шоколадным конфетам, печеньям, тортам и другим сладостям. И дело не только в Новом годе и связанных с ним застольях. В зимней тяге к сладкому есть своя логика: потребление сахара повышает уровень гормонов радости в крови, мы сразу становимся бодрыми и заряжаемся оптимизмом. Вот только этот эффект быстро проходит, и мы чувствуем себя еще более уставшими и разбитыми, чем до того, как съели сладость.

Вывод: ограничьте или совсем исключите из рациона сладкие продукты. Для восстановления перекусывайте продуктами, содержащими белок, или поэкспериментируйте со свежевыжатыми соками.

Также не стоит налегать на тяжелую пищу. Вместо этого попробуйте добавлять в блюда больше специй: они «разогревают» организм, а чувство сытости появляется быстрее.

2. Выбирайте напитки с умом

Об очевидных причинах, почему не стоит налегать на алкоголь, мы рассказывать не будем. Потребление кофе тоже стоит ограничить. Мы привыкли, что после чашки кофе вновь чувствуем прилив бодрости. Однако, как и в случае со сладостями, стимулирующий эффект быстро улетучивается , а ему на смену приходит еще большая усталость. Мы хватаемся за новую порцию кофе, и так по кругу, пока окончательно не истощим наш организм. Плюс ко всему каждая последующая чашка кофе – верный способ заработать бессон н ицу.

Бодрящий эффект подарит не только кофе. Пейте другие энергетические напитки, которые отличаются более мягким действием. Например, травяной чай с измельченным имбирем или соком лайма. Хорошо действует горячее какао с корицей или даже горячий шоколад.

3. Правильно спите

Звучит парадоксально, но, чтобы не впадать в зимнюю спячку, нужно высыпаться. Зимой организму требуется больше отдыха, чем летом. Причина тому - короткий световой день и холодная погода. Чтобы хорошенько выспаться, гасите все источники света, купите шторы, не пропускающие свет с улицы, и плотно задвигайте их на ночь. И не забывайте проветривать комнату, в которой спите: совет актуален, даже если на улице мороз.

4. Правильно просыпайтесь

Если со сном все в порядке, возможно, на вашу сонливость влияет неправильная процедура подъема по утрам. Тут тоже есть свои хитрости. Во-первых, сразу, как встаем, включаем свет и стараемся не щуриться: так организм быстрее проснется, всего за несколько секунд. Затем делаем зарядку. Если совсем лениво, ограничьтесь приседаниями и наклонами вперед. После разминки умойтесь холодной водой - она подбодрит.

5. Больше двигайтесь, желательно на свежем воздухе

Физкультура не хуже, чем шоколад, способствует выработке гормонов радости. Если не хочется ползти в метель до зала, занимайтесь дома по онлайн-урокам. Любая физическая активность помогает бороться с хандрой. И особенно - на свежем воздухе. Будь то прогулка по красивому зимнему лесу, катание на коньках или бег на лыжах. Если вы занимаетесь чем-то увлекательным, то скоро забудете о прохладной погоде и начнете получать удовольствие от процесса.

6. Подберите правильную одежду

Для того чтобы зимние прогулки не превращались в пытку, инвестируйте часть средств в покупку хорошего термобелья или непродуваемого горнолыжного костюма. Позаботьтесь об обуви: она должна быть теплой, не промокать, не скользить и нигде не натирать. Тогда долгие прогулки будут в радость. По возможности выбирайте яркие цвета, они повышают настроение.

7. Придумайте сценарии для домашнего отдыха

Разнообразьте время, которое проводите дома. Вместо любимых сериалов попробуйте приготовить новые блюда, позовите в гости друзей и устройте вечер настольных игр, почитайте друг другу вслух, даже если вы уже взрослые, займитесь рукоделием. Против уныния также работает освоение новых навыков: свяжите модный клатч столбиком, залейте хвойные веточки эпоксидной смолой, смастерите модные подносы из бетона или освойте искусство каллиграфии.

8. Устройте отпуск или длинные выходные

Отпуск и отдых – лекарство от многих проблем, в том числе и от зимней апатии. Даже само ожидание отпуска делает нас счастливее. Если график не позволяет улизнуть надолго, организуйте длинные выходные и берите билеты до соседнего города. Еще один хороший вариант для очень занятых людей – так называемый полувыходной. Посреди недели, в среду или в четверг, заканчивайте с делами часа на два пораньше и отправляйтесь радовать себя: в ресторан, на каток или на прогулку. Главное – запланируйте развлечения заранее, чтобы не просидеть свободное время у компьютера.

9. Думайте о хорошем

Если все время думать о том, как все плохо, так оно и будет. То же самое и с зимней ленью. Отпишитесь от пабликов, которые постят картинки о тяжелых понедельниках и шутки вроде «разбудите меня весной». Да и сами поменьше зацикливайтесь на том, что зимой тяжело жить. Лучше займите свою голову приятными мыслями. Например, попробуйте выполнить все и не забывайте почаще улыбаться.