анабиоз и спячка чем отличаются

Другой сон

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

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

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

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

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

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

Каким бывает гипобиоз?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Гибернация (спячка)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Гибернация у человека

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник

Тайны анабиоза животных

Анабиоз (от лат. anabiosis — «оживление») — состояние живого организма, при котором жизненные процессы (обмен веществ и др.) настолько замедлены, что отсутствуют все видимые проявления жизни.

По крайней мере, такое определение этому термину дает Биологический энциклопедический словарь.

Анабиоз — широко распространенное явление в животном мире. Например, у насекомых при отрицательных температурах сильно замедляется или практически останавливается все их развитие. В оцепенение могут погружаться летучие мыши, грызуны, некоторые птицы, пресмыкающиеся, амфибии.

Впервые же еще в 1705 году на феномен анабиоза обратил внимание голландский изобретатель микроскопа Антони ван Левенгук. А случилось это после того, как он взял сухой песок, увлажнил его и поместил под окуляр микроскопа. К удивлению Левенгука, неподвижные существа начали двигаться. Это были микроскопические черви — коловратки.

В 1743 году английский естествоиспытатель Джон Тёрбервилл Нидхем наблюдал аналогичное явление у пшеничной нематоды Tylenchus Tritici. Личинки этого червя могли сохраняться не менее двух лет в высушенных зернах пшеницы. Оказавшись же вместе с зернами в почве, личинки нематод «оживали».

В 1777 году итальянский ученый Ладзаро не только подтвердил опыты Левенгука над коловратками, но и открыл тихоходок — микроскопических существ, обитающих во мхах и лишайниках. Оказалось, что и тихоходки, как и коловратки, переносят длительное высушивание и оживают после их увлажнения.

Со временем появилось несколько точек зрения на факторы, позволяющие организмам переносить длительное высушивание. Так, Левенгук предполагал, что коловратки защищены от высыхания плотной оболочкой, удерживающей влагу. В свою очередь, Т. Нидхем считал, что высохшие коловратки сохраняют жизнь без воды и кислорода благодаря каким-то особенностям их организма.

Проходили десятилетия, но интерес к «феномену воскрешения» животных и растений не ослабевал, а, наоборот, привлекал все большее внимание. В конце концов, в 1873 году немецкий ученый Вильгельм Прейер предложил называть это удивительное явление анабиозом.

Многочисленные исследования анабиоза у животных провел русский ученый П.И. Бахметьев. Он изучал воздействие низких температур на физиологию насекомых и млекопитающих, в частности на летучих мышей.

Давно известно, что вещества могут находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. При этом твердое состояние подразделяется на кристаллическое и аморфное. И когда некоторые вещества переходят из жидкого состояния в твердое, их молекулы тоже образуют кристаллы.

Так вот, в 1938 году американский ученый Б. Лайет установил, что замерзающие организмы погибают в результате того, что в их телах появляются кристаллы льда, приводящие к разрушению мембран и цитоплазмы клеток.

Конечно, анабиоз — это соответствующая реакция организма на определенные условия внешней среды: в частности, на понижение или повышение температуры. Дело в том, что одни животные к столь опасным для их жизни обстоятельствам запасают еду, другие — мигрируют в более благоприятные и кормные места. А третьи — запасов не делают, остаются на месте, но зато могут погружаться в особое состояние, при котором значительно снижается активность метаболических процессов в организме, что приводит к падению температуры, сердечного ритма, частоты дыхания и т.д.

В зимнюю спячку (гибернация) погружаются многие виды моллюсков, ракообразных, пауков и насекомых, а также рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.

Перед погружением в спячку в организме животного происходят сложные физиологические изменения. Так, в преддверии анабиоза в полостях тела, под кожей, вдоль кишок, в груди накапливается жир. Причем запасы эти довольно значительны. Например, перед спячкой вес сусликов увеличивается в три раза по сравнению с весенне-летним сезоном. А в одном из исследований было показано, что у сурка в июне вес подкожного и внутреннего жира равнялся всего 10—15 г, а в августе — 750—800. Значительные жировые накопления делают сони, ежи, бурые медведи, летучие мыши.

Любопытные явления во время зимней спячки происходят в организме черного медведя барибала. Так, в течение 3—5-месячного сна он каждый день расходует около 4000 калорий, при этом не потребляя ни пищи, ни воды и не удаляя из организма продуктов метаболизма.

Этот феномен исследовали американские ученые. Оказалось, что эти особенности организма медведей обусловлены присутствием особого гормона, еще осенью поступающего в ткани его организма из гипоталамуса.

Однако это исследование не дало ответа на очень важный вопрос: что препятствует накоплению в организме барибала ядовитых продуктов метаболизма, которые у бодрствующего медведя выделяются из тела с мочой? Кроме того, было установлено, что когда температура тела у медведя значительно понижается, его начинает бить дрожь. И продолжается это от двух дней до недели — пока температура не придет в норму.

Однако больше всего удивило исследователей медвежье сердце. Дело в том, что, когда во время зимней спячки медведь делает глубокий вдох и выдох, его сердце в течение 10—20 с совсем не бьется. С чем это связано, ученые тоже пока ответить не могут.

Ученым давно известно, что все звери — от медведя до суслика, — впадающие в зимнюю спячку, регулярно ворочаются в своих норах, пробуждаясь от глубокого сна. А ведь во время этих движений сжигается огромное количество так необходимой животному энергии.

В связи с этим явлением у исследователей появился особый интерес к сусликам, в частности к калифорнийским, которые неделями валяются с температурой тела 5 °С, и целых полгода их сердце стучит с периодичностью всего два удара в минуту.

Однако раз в неделю, как по команде, они просыпаются. И конечно же, в это время температура их тела увеличивается. Причем до целых 37 °С! Если подсчитать, то окажется, что на эти пробуждения животное тратит около 80 % запасенной энергии. Безусловно, это ужасное расточительство. К чему оно?

Чтобы ответить на этот вопрос, американские биологи провели наблюдение над этими зверюшками, взяв в качестве подопытных экземпляров 31 суслика, каждому из которых прикрепили миниатюрные температурные датчики. Когда измученные животные впали в зимнюю спячку, им ввели один из углеводов, который повышает температуру тела у бодрствующих зверьков. Но это никак на спящих сусликов не подействовало. Однако, когда они начали просыпаться, температура их тела тут же повысилась, словно им ввели инъекцию накануне.

В связи с этими результатами напрашивался единственный вывод: когда животное спит, его иммунная система полностью отключается и не реагирует на раздражители.

Но такая ситуация чревата для суслика серьезными последствиями: в его организме во время сна могут появиться болезнетворные паразиты. Поэтому, чтобы избежать этого, суслик просыпается и «включает» свой иммунитет. Впрочем, может, у животных для этих регулярных «побудок» имеются и другие причины?

Источник

Приспособления растений и животных к сезонному ритму: глубокий покой, анабиоз и спячка

Смена времен года в умеренном поясе влечет значительные изменения в жизни природы, связанные, в первую очередь, с изменением температуры. Приспособления растений и животных, связанные с изменением внешних условий, имеют разную форму и проявления: у млекопитающих отрастает густой подшерсток, перелетные птицы меняют среду обитания, другие птицы покрываются пухом, являющийся плохим проводником тепла и предохраняющий животных зимой от переохлаждения.

Подготовка к зиме

В середине лета рост многих видов растений приостанавливается, уменьшается число цветущих растений, заканчивается размножение птиц. Начинается созревание плодов и семян; становится заметней подготовка к зи ме.

У растений скапливаются запасные питательные вещества в перезимовывающих органах: корнях, корневищах, луковицах, клубнях.

У насекомых в специальных органах — жировых телах — накапливается жир. В подкожной клетчатке многих млекопитающих также откладывается жир. Осенью у птиц и млекопитающих происходит линька. Опадают листья с деревьев и кустарников.

Состояние глубокого покоя

Многие виды организмов приобрели способность переживать неблагоприятные условия (высокую или очень низкую температуру, снижение влажности, отсутствие пищи и др.) в состоянии глубокого покоя. Оно характеризуется снижением физиологических процессов, замедлением газообмена, прекращением питания и неподвижностью у животных.

Температура, вызывающая такое состояние, различна для разных видов. У некоторых насекомых, рыб и земноводных глубокий покой наступает уже при падении температуры до +15°С, у других — при +10°С, у третьих — лишь при температуре, близкой к О°С.

У различных видов растений состояние зимнего покоя переживают различные органы. У луковичных растений — луковицы, у папоротника и ряда других — корневища, у душистого горошка — подземные клубни, у чертополоха — прижатые к земле розетки листьев, у большинства же растений — семена.

Беспозвоночные животные могут перезимовывать на различных стадиях развития. Так, обыкновенный малярийный комар — на стадии взрослого насекомого, родниковый — на стадии личинки, дупляной — на стадии яйца, а бабочка капустница — на стадии куколки.

На протяжении осени и зимы у растений и насекомых увеличивается привыкание к холоду, усиливается стойкость к низким температурам. Это получило название закаливания.

Анабиоз животных и растений

Особой стойкостью к неблагоприятным условиям обладают организмы в состоянии анабиоза. При анабиозе жизненные процессы временно прекращены или настолько снижены, что видимые проявления жизни отсутствуют.

У цветковых растений состояние анабиоза входит в нормальный цикл жизни. Семена в высушенном состоянии сохраняют всхожесть многие годы. У ряда беспозвоночных (простейших, низших ракообразных, коловраток) анабиоз наступает при высыхании луж и болот, в которых они обитают.

Другие беспозвоночные впадают в анабиоз при замораживании. Простейшие, некоторые членистоногие (дафнии, циклопы, насекомые) могут вмерзать в лед.

Установлено, что возвращение к активной жизнедеятельности из состояния анабиоза возможно лишь тогда, когда тканевая жидкость не образует кристаллов, а остается в переохлажденном состоянии. Это связано с тем, что в тканях образуется глицерин, препятствующий промерзанию.

Физиология спячки

Снижение интенсивности обмена веществ, встречающееся у млекопитающих, проявляется в форме спячки. Причинами наступления ее служат понижение температуры, а также отсутствие пищи как зимой, так и летом, когда растительность в степи и пустыне выгорает от зноя.

Хомяки, бурундуки, летучие мыши, ежи, некоторые виды сусликов впадают в зимнюю спячку. У других видов сусликов наблюдается летняя спячка, обычно в засушливую половину лета. Во время спячки снижается активная терморегуляция, температура тела падает почти до температуры окружающей среды, замедляются все функции. Частота сердцебиения у летучих мышей, например, падает с 420 до 16 в минуту.

У некоторых млекопитающих — медведей, барсуков, енотовидных собак, белок — наступает зимний сон, при котором также значительно снижается обмен веществ, но нет падения температуры тела.

Особые приспособления

Для завершения жизненного цикла некоторым растениям, насекомым и ряду других организмов необходимо охлаждение и прохождение зимних стадий покоя. В это время осуществляются определенные физиологические процессы, подготавливающие организм к новой активной жизнедеятельности.

Источник