Медиатека

Сезонные циркадные ритмы: почему медведи впадают в спячку, а мы нет?


Все мы знаем, как тяжело выбраться из теплой постели зимой, когда на улице холодно и темно. В такие моменты многие бы позавидовали медведям, ведь они впадают в спячку на зимние месяцы и просыпаются только когда погода вновь наладится. Почему же природа так несправедлива, почему медведям можно, а нам – нельзя?

На самом деле, для некоторых животных спячка – необходимый для выживания процесс (Рис. 1). В зимние месяцы вода превращается в лед, количество пищи растительного происхождения сокращается, вместе с тем увеличиваются затраты энергии на поддержание температуры тела. В некоторых местах планеты опасность представляют и жаркие месяцы: испепеляющее солнце и лесные пожары уничтожают растительность, вызывает засуху, а на охлаждение организма тратится энергия, которой и так не хватает. В обоих случаях расходы энергии растут, а число источников энергии, наоборот, снижается. Недостаток энергии означает гибель для организма, поэтому в ходе эволюции у животных выработались различные механизмы адаптации к неблагоприятным условиям окружающей среды. Если нельзя мигрировать в ареал, богатый ресурсами, как это делают, например, некоторые птицы, другой вариант –  впасть в спячку, особый режим жесткой экономии энергии.


Рис. 1. Орешниковая соня в спячке. Свое имя получила за пристрастие к плодам орешника, а также за склонность впадать в спячку при похолодании даже в летние месяцы. Источник>>

Что же представляет собой спячка? На самом деле, вопреки названию, спячка –  это не сон в привычном понимании. В отличие от сна, во время спячки значительно снижается температура тела, замедляются все метаболические процессы, сердцебиение; дыхание становится незаметным, а мозговая активность – практически неразличимой 1. Только представьте: во время спячки карликовый лемур может не дышать до 10 минут, а у сурка частота сердечных сокращений снижается с 80 ударов в минуту до 5! В среднем во время спячки температура тела животных опускается до 5–10℃, а у арктических сухопутных белок (Рис. 2) организм может охлаждаться и до небольших минусовых температур 2.

В период спячки организм не питается и не выводит продукты обмена, практически не производит движений. Это сводит потребление энергии к минимуму и повышает шансы на выживание. Однако за все приходится платить: за время спячки животные тратят около четверти своего веса, и, чтобы выжить, по выходе из спячки им необходимо быстро набрать недостающую массу. Так что отдохнуть и хорошенько выспаться во время спячки, как бы ни хотелось, не получится. А, может, даже наоборот – учёные выяснили, что приматы, находясь в спячке, периодически прерывают ее, чтобы немного поспать 3.


Рис. 2. Арктическая сухопутная белка, Аляска. Температура тела этих грызунов может опускаться до -2.9℃ во время спячки. Источник>>

В большинстве случаев спячку вызывают сезонные изменения. Один из мозговых центров, регулирующий наступление спячки, – супрахиазматическое ядро в гипоталамусе (Рис. 3). Это ядро более известно тем, что контролирует «биологические часы» организма – активность ядра меняется в течение суток, реагируя на уровень света вокруг. Но, как оказалось, супрахиазматическое ядро чувствительно и к сезонным изменениями длины дня, что позволяет ему участвовать в регуляции длительности сезонной спячки.

Было доказано, что после удаления супрахиазматического ядра у белок нарушалась цикличность сезонных физиологических изменений — увеличивались как частота, так и длительность спячек. При этом перед спячкой не наблюдалось нормального набора массы тела животного 4. Однако на эти процессы оказывали также существенное влияние колебания температуры внешней среды 1. Интересно, что в сравнении с другими областями мозга, активность супрахиазматического ядра повышена во время спячки – в это время в ядре изменяется уровень экспрессии ряда генов. В том числе, тех, которые находятся под контролем особой микроРНК – miR-132/2125. Уровень этой микроРНК претерпевает сезонные изменения только у тех животных, которые впадают в спячку, и влияет на формирование дендритных шипиков на нейронах супрахиазматического ядра. Дендритные шипики – это особые выросты на разветвленных отростках нейронов, которые обеспечивают контакт между соседними нейронами. Исследователи предполагают, что в результате этих нейрональных перестроек супрахиазматическое ядро настраивается для обеспечения регуляции многих физиологических процессов в организме, наблюдаемых во время спячки.


Рис. 3. Супрахиазматическое ядро гипоталамуса – маленькая область мозга, контролирующая циркадные ритмы организма. Недавние исследования свидетельствуют также об участии этого ядра в регуляции сезонной спячки. Источник>> 

В спячку впадает множество различных видов животных. Среди них млекопитающие, земноводные, пресмыкающиеся, один вид птиц и рыб. Даже насекомые впадают в состояние, напоминающее спячку. Но однозначно предсказать, характерна ли спячка для данного организма, не беря в учет родство, невозможно – каждый вид животных эволюционировал своим путем и приобретал уникальные комбинации приспособлений для выживания в неблагоприятных условиях. Спячка – лишь одно из таких приспособлений. И все-таки некоторые особенности, отличающие «спящих» животных, есть. Большинство млекопитающих, впадающих в спячку, имеют совсем небольшие размеры тела: их средний вес всего 70 грамм 6. Это связано с тем, что маленькие животные имеют очень высокое соотношение площади поверхности тела к его объему, а, значит, им требуется больше энергии на поддержание температуры тела. Поэтому такие животные более склонны к сезонной спячке. Рекордсменом же по спячке считается соня-полчок (Рис. 4): эти грызуны со средней массой 170 г способны провести в спячке более 11 месяцев 7! Чтобы подготовиться к такому длительному периоду голодания, в период активности эти малыши удваивают или даже утраивают массу своего тела.


Рис. 4. Соня-полчок: рекордсмен по самой долгой спячке. В неурожайные годы сони могут отказаться от размножения и проспать до следующего сезона. Источник>> 

Интересно, что сони-полчки живут значительно дольше других мелких млекопитающих: они доживают до 12 лет, в то время как, например, дикие мыши редко живут дольше 3 месяцев. Одной из причин долголетия сонь является то, что спячка служит для них спасением от хищников. Во время спячки животное не производит звуков, не распространяет запахов, не движется. В результате хищнику практически невозможно его обнаружить. Вероятность выживания сонь-полчков во время спячки приближается к 100% 8. Ученые, однако, полагают, что есть и другая причина долголетия этих грызунов. Спячка замедляет темп жизни, рост, увеличивает возраст достижения половой зрелости, при этом сокращает период беременности и лактации, число производимого потомства 9. Вероятно, такое замедление и снижение интенсивности метаболизма также вносит положительный вклад в высокую продолжительность жизни.

Напоследок остается ответить на самый животрепещущий вопрос: может ли человек впасть в спячку? Ответ ожидаем – нет, не может.


Для других приматов спячка тоже, как правило, не характерна. Исключением являются лишь отдельные виды лемуров и лори 6. Вероятно, неспособность к спячке связана с тем, что начальные этапы эволюции людей протекали в Африке – в тропических областях, где колебания температур невелики, а пища доступны круглый год. Спячка была просто не нужна нашим предкам. Предположительно, с помощью особых медицинских технологий человека когда-нибудь можно будет ввести в искусственную спячку – например, чтобы отправить в многолетнее космическое путешествие 10. Но на сегодняшний день это только мечты.

Что касается нас – современных людей – сегодня мы по-прежнему не нуждаемся в спячке, даже если порой нам и кажется обратное. Человек окружил себя поистине богатой инфраструктурой, чтобы быть в тепле и сытости в любое время года. И не прекрасно ли то, что, прерываясь лишь на сон, мы имеем возможность практически непрерывно формировать окружающую нас реальность? Ну а выспимся мы когда-нибудь потом...



Литература

1. Coomans C.P. et al. The suprachiasmatic nuclei as a seasonal clock. Frontiers in Neuroendocrinology, 2015.

2. Barnes B.M. Freeze avoidance in a mammal: body temperatures below 0 C in an arctic hibernator. Science, 1989.

3. Blanco M.B. et al. Hibernation in a primate: does sleep occur? Royal Society Open Science, 2016.

4. Ruby N.F. et al. Ablation of suprachiasmatic nucleus alters timing of hibernation in ground squirrels. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1996.

5. Mendoza-Viveros L. et al. miR-132/212 Modulates Seasonal Adaptation and Dendritic Morphology of the Central Circadian Clock. Cell Reports, 2017.

6. Ruf T. et al. Hibernation in the pygmy slow loris (Nycticebus pygmaeus): multiday torpor in primates is not restricted to Madagascar. Scientific reports, 2015.

7. Hoelzl F. et al. How to spend the summer? Free-living dormice (Glis glis) can hibernate for 11 months in non-reproductive years. Journal of Comparative Physiology B, 2015.

8. Turbill C. et al. Hibernation is associated with increased survival and the evolution of slow life histories among mammals. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2011.

9. Blanco M.B. et al. Does hibernation slow the “pace of life” in dwarf lemurs (Cheirogaleus spp.)? International Journal of Primatology, 2013.

10. Zhongming Z. et al. How hibernators could help humans treat illness, conserve energy and get to Mars. 2018.