Спят усталые лемуры. Что такое спячка животных и чем она отличается от анабиоза и гибернации

Когда автор этой статьи была студенткой биофака, один из ее преподавателей поделился с ней широко известной в узких кругах байкой. Ученые, изучающие спячку сусликов, много лет пытались понять причину периодических всплесков мозговой активности, появляющихся у животных во время спячки. И так изучали, и эдак — а потом возьми и посмотри, что там в этот момент суслик делает. А он, суслик, в этот момент из спячки ненадолго выходил и справлял метаболические потребности. Потому что даже глубоко в спячке метаболизм не прекращается, хоть и замедляется до минимума.

Давайте честно — кто из нас не мечтал уметь впадать в спячку? Заснул в уюте где-нибудь в начале ноября, проснулся к началу весны — красота! Но нам в этом плане не повезло, такой суперспособностью большинство приматов (но не все!) не обладают. Зато обладают другие животные: мы с детства знаем о медведях в берлоге (а кто-то даже слышал о медведях-шатунах), сусликах и ежах. Так что же такое спячка, отличается ли она от гибернации, а та от анабиоза и почему мы всё-таки не можем просто взять и заснуть на пару месяцев? И если не можем сейчас, то сможем ли в будущем, когда технологии шагнут далеко вперед?

Спячка, анабиоз или гибернация?

Увы, мир вокруг суров. Замедление жизненных процессов в организме при спячке — это как раз один из способов справиться с условиями сурового мира. Для начала разберемся в понятийном аппарате: в чем же разница между спячкой, гибернацией и анабиозом? А ведь есть еще и торпор, и эстивация, и даже брумация…

В первую очередь оговоримся, что спячка — это не просто глубокий сон, она развивается по другим причинам и сопровождается другими физиологическими и биохимическими изменениями. Кома тоже не спячка: она вызывается патологическими причинами, травмами, интоксикацией или введением определенных препаратов, но ничего естественного в коме нет, и бесследно она не проходит.

Наркоз и летаргический сон — тоже не спячка. Ни при коме, ни при наркозе температура тела настолько сильно не снижается, а метаболизм не замедляется до минимума.

Самый просто вид «отключения» — это торпор, кратковременное замирание, или оторопь, наиболее характерное для мелких животных, например птиц. Торпор обычно не длится дольше нескольких часов и не приводит к сильным изменениям в организме. Это что-то вроде ступора, резкая реакция на резкий раздражитель.

Спячка — это уже состояние пониженной активности и замедленного метаболизма, и именно в него впадают те животные, которые первыми приходят на ум при слове «спячка». Медведи с приходом зимы, хорошенько нагуляв жира, зарываются в берлогу поглубже, снижают температуру тела, замедляют работу сердца, угнетают дыхание. Всё это позволяет значительно снизить уровень потребления энергии, то есть перейти в своего рода сберегательный режим, — самое то на суровое время нехватки пищи и холодов.

Спячка — это тем не менее не тотальное отключение организма на долгое время: иногда животные всё же просыпаются. Такие периодические периоды бодрствования нужны для того, чтобы поесть, поменять положение тела, или, как у сусликов из начала статьи, избавиться от лишнего.

Неожиданное пробуждение может случиться, если животное не нагуляло достаточно запасов или его потревожили. Например, рано проснувшихся медведей часто относят к шатунам, а на самом деле шатунизмом обычно страдают те, кто был настолько не готов к спячке, что просто не впал в нее. Большая часть шатунов — это больные, раненые или старые животные, но и классические шатуны, и рано проснувшиеся — злые, невыспавшиеся — очень опасны для человека.

Гибернация — это куда более радикальная форма спячки, это уже не просто сберегательный режим, а тотальная экономия. Во время гибернации скорости большинства процессов в организме замедляются максимально, а температура тела падает практически до уровня окружающей среды. Такой экстремальный сон помогает тем, кому нужно пережить по-настоящему сложное время.

Часто к гибернации прибегают мелкие животные, у которых в обычном состоянии скорость метаболических процессов крайне высока.

Гибернацией, кстати, называют глубокую спячку зимой, а для летней спячки есть отдельный термин — эстивация. Для спячки рептилий тоже есть свой термин — брумация.

Самым же глубоким сном считается анабиоз. При анабиозе активность метаболизма прекращается практически полностью, иногда даже сложно отличить живое от неживого. Никаких кратких пробуждений во время анабиоза нет. Анабиоз позволяет организму выживать в условиях, которые на первый взгляд кажутся несовместимыми с жизнью — при полном отсутствии воды, экстремально высоких или низких температурах, радиации. В этом состоянии организм может сохранять жизнеспособность неопределенно долгое время, вплоть до того момента, пока условия не станут благоприятными для восстановления — и уж тогда-то жизнь снова проснется.

Для большинства животных анабиоз невозможен — они слишком сложно устроены. Большинство любителей анабиоза — это одноклеточные или небольшие беспозвоночные, как, например, тихоходка — известная выживальщица.

Тихоходка способна пережить радиоактивное излучение, высокие и низкие температуры, даже нахождение в открытом космосе — и не погибнуть. Всё это благодаря анабиозу.

Дальше мы почти везде будем говорить просто о спячке как о более широком понятии — если не имеется в виду конкретно анабиоз или гибернация.

Медведи, мыши, суслики? Приматы!

Чаще всего спячка ассоциируется с медведями, ежами, сусликами, на худой конец с летучими мышами, но на самом деле этот процесс встречается у самых разных животных. Спячка сурка, например, и вовсе вошла в популярную культуру: именно с его пробуждением связано поверье о Дне сурка. Считается, что если пробудившийся зверек пугается собственной тени (то есть день ясный и солнечный), то весна будет холодной и поздней. Однако сурок — это животное, характерное для Северной Америки, а вот в Европе предсказателями работали ежи, барсуки и медведи.

От мышей до летучих мышей, от птиц до приматов — спячка встречается у самых разных видов. Несмотря на то, что чаще всего спячка — это ответ на холода, иногда животное спасается, наоборот, от жары или засухи. Причем у каждого вида есть свои, присущие только ему особенности спячки.

Медведи, например, самые крупные из существующих животных, впадающих в спячку, что вообще-то довольно необычно: спячка — удел мелких животных. В отличие от остальных, более мелких животных у медведя температура тела практически не снижается. В этом есть смысл, так как в ином случае по весне ему пришлось бы тратить чересчур много энергии, чтобы нагреть себя до нормальной температуры.

Для защиты от атрофии мышц и разрушения костей у медведей припасено волшебное средство: впадая в спячку, они просто отключают ряд генов.

Есть в их спячке и другой интересный момент: чем старше животное, тем раньше оно засыпает и тем дольше спит.

В отличие от медведей амфибии не только замедляют метаболизм, но и сильно снижают температуру, так что спячка у них проходит куда более радикально. Лягушки и иже с ними иногда просто вмерзают в лед, снижая температуру тела до отрицательной.

Древесные лягушки, например, в естественной спячке остаются вмороженными в лед в течение почти 200 дней при средней минимальной температуре около -14 °C — выживаемость при этом составляет 100%!

Для такого эффективного замерзания и последующего оттаивания в их мышцах и внутренних органах есть специальные антифризы и криопротекторы.

В спячку впадают не только многие млекопитающие, рептилии, амфибии, насекомые, но даже птицы! Да-да, среди птиц есть вид, у которого документально была подтверждена спячка, — это американский белогорлый козодой (Phalaenoptilus nuttallii). Еще один вид птиц — новозеландский скалистый крапивник — только подозревается в способности переживать холода, посапывая в гнезде. Такое поведение для птиц, мягко говоря, не характерно — их метаболизм очень быстрый и сверхэффективный, и обычно они не переживают холода, впадая в спячку, а улетают в теплые края. Конечно, в экстренных ситуациях некоторые виды птиц могут впадать в торпор, но он не длится больше нескольких часов, максимум нескольких дней.

Почему козодои вдруг отказались от стандартной практики миграции (причем часть белогорлых козодоев прекрасно мигрирует!) и предпочли спячку? Дело вот в чем: зимой летающих насекомых, основной кормовой базы, становится очень мало.

При этом маленький белогорлый козодой не смог бы выдержать конкуренции с более крупными видами, с которыми ему пришлось бы встретиться при перелетах. Спячка для него — наиболее эффективный выбор. Температура тела козодоев снижается, так же как у большинства впадающих в спячку животных (причем снижается иногда до критических температур — 3 °C!). У козодоев наблюдается именно спячка, не гибернация и тем более не анабиоз — они даже просыпаются время от времени.

Интересно, что даже среди приматов есть виды, которые впадают в спячку. Первым из обнаруженных сонь оказался толстохвостый лемур (Cheirogaleus medius), обитающий на Мадагаскаре.

Этот маленький примат известен тем, что впадает в длительную спячку на целых семь месяцев, прячась в дуплах деревьев. Причина этого вовсе не холода (да и какие холода на Мадагаскаре!), а сухой сезон, когда еды становится очень мало.

Лемуры используют свои толстые хвосты как «жировые аккумуляторы». За время активного сезона — с ноября по март — они много едят и накапливают жир, который потом постепенно расходуют в спячке. Еще одним уникальным видом оказался медленный лори (Nycticebus pygmaeus), который тоже может впадать в спячку, понижая температуру тела до 12 °C. Изменение температуры тела в зависимости от температуры окружающей среды — это уникальная черта среди приматов.

Почему нам и остальным приматам так не повезло и мы вынуждены все зимние месяцы жить как обычно? Скорее всего, потому, что приматы в целом живут в достаточно хорошем климате. Этого, конечно, не скажешь о людях — мы куда только не забираемся, от Земли Франца-Иосифа до Антарктики. Но формировались-то мы в теплом климате, экваториальном, где еды было если не вдосталь, то по крайней мере достаточно для выживания! Кроме того, крупные обезьяны предпочитают просто мигрировать за пищей, меняя место обитания и не встречая сильной конкуренции. Это не говоря уже о том, что у крупных приматов большая часть получаемой энергии уходит на работу мозг, то есть на поддержание когнитивной функции, а в условиях постоянных спячек развить достаточно «умный» мозг было бы сложно.

Чемпионы по спячке

Чемпионами в спортивном сне традиционно считаются суслики — некоторые виды способны спать до восьми месяцев!

Спячка буквально помогает им выживать: большинство видов обитают в условиях степей и гор, и за их сонными рекордами скрываются удивительные биологические особенности. В степях зимы суровые, хоть и малоснежные, а в горах к холодам добавляется иногда еще и толстый снежный покров.

К спячке любой уважающий себя суслик готовится заранее, накапливая специальный бурый жир — ткань, богатую митохондриями, вырабатывающими энергию. Такая энергетическая ткань, как теплое одеяло, помогает согревать суслика в краткие периоды бодрствования.

Сусликов существует около 40 видов, и все они спят немного по-разному. Например, североамериканский золотистый суслик (Callospermophilus lateralis) может спать до 7–8 месяцев. Этот вид обитает в горных районах Северной Америки, где зима длится практически полгода, а температура опускается иногда до -40 °C.

С наступлением холодов суслик готовит свою нору — глубокую и надежную, с несколькими входами и изолированным «спальным» участком. В нору он забирается в октябре-ноябре, засыпает и окончательно просыпается только весной.

Другие виды, такие как европейский суслик (Spermophilus citellus), проводят во сне чуть меньше времени — около полугода. Европейский суслик предпочитает степи и равнинные территории, где зимы тоже могут быть суровыми, но не такими продолжительными, как в горах. Каждый отдельный суслик при этом занимает отдельную камеру в общей норе.

Интересно, что не все суслики спят одинаково долго, и это зависит не только от вида, но и от места обитания. В теплых регионах, где зима мягкая, суслики могут сокращать период спячки или вовсе обходиться без нее. Например, каллигомовый суслик (Spermophilus elegans), обитающий в южных частях Северной Америки, может проводить в спячке всего несколько месяцев или не спать, если зима оказывается теплой.

Во время гибернации организм суслика переживает серьезные изменения: в нормальных условиях температура тела животного составляет около 37 градусов, но во время спячки она может опуститься до 2–5 градусов. Дыхание угнетается практически до минимума — становится эпизодическим, когда животное делает несколько вдохов, а потом долгое время не дышит. Из-за этого снижается и частота сердечных сокращений — до 5–20 ударов в минуту (при норме 200–300!). Суслик при этом не просто дремлет, а находится в состоянии полной неподвижности, хотя и просыпается время от времени.

Судя по последним данным, кстати, суслики вскоре могут потерять лавры сонного рекордсмена: появились сведения, что соня-полчок, другой представитель грызунов, может проводить в спячке до 11 месяцев в году! Сони сильно зависят от семян европейского бука и справедливо полагают, что бодрствовать и размножаться при отсутствии этих семян — абсолютно бессмысленная затея.

А как?

Как происходит спячка? Что именно сигнализирует организму, что пора забраться в нору поглубже, зарыться в листья и заснуть?

Самым главным триггером становится изменение окружающей среды — понижение температуры, изменение светового дня. Вообще, и за восприятие света и температуры, и за регуляцию циркадных ритмов отвечает специальная структура нашего мозга — супрахиазматическое ядро в гипоталамусе. Судя по всему, реагирует оно не только на смену дня и ночи, но и на более «глобальные изменения». Именно это запускает в организме экспрессию генов, влияющих на процессы, при которых планомерно снижается температура тела и скорость обмена веществ.

Например, исследования, проведенные на медведях, показали, что активность, ЧСС и температура тела животного начинают снижаться за несколько недель до входа в берлогу — как раз в ответ на изменения в окружающей среде. Медведи заходят в берлогу, только когда выпадает снег и температура окружающей среды достигает примерно 0 °C. После этого резко падает вариабельность ЧСС, и медведь засыпает, снижая активность до минимума. По всей видимости, влияет на спячку не только температура, но и влажность, а также состояние тела животного.

В литературе есть данные, что во время медвежьей спячки разница в экспрессии наблюдается более чем для десяти тысяч генов!

Еще на состояние медведя оказывает воздействие… микробиота. Во время спячки ее состав меняется, что довольно сильно влияет на потребление медведем энергии. Судя по всему, именно микробиота позволяет медведю так эффективно нагуливать жир, не страдая при этом ожирением, а потом так же эффективно использовать его во время сна.

Меняется и основной источник энергии: с глюкозы тело переходит на липиды. У спящих сусликов, например, активно синтезируется специальный гормон лептин, способствующий медленному расходованию и накоплению жира. Выделяются и вещества, влияющие на циркуляцию крови в теле: когда оно не двигается, это особенно важно.

Выход из спячки контролируется не менее сложной системой: зоной гипофиза под названием pars tuberalis, вырабатывающей соответствующие гормоны, и запасами жира.

А зачем?

А действительно, зачем вообще нужна спячка? Логично предположить, что в спячку стоит впадать в том случае, когда зимой, грубо говоря, нечего делать — нет еды, холод и снег. Но ведь иногда в спячку впадают и те, кто живет не на Крайнем Севере! Почему же так происходит и какие еще могут быть причины у спячки?

Основная причина спячки — это экономия энергии в те периоды, когда доступ к пище становится ограниченным. В холодные месяцы или, наоборот, в периоды засухи и жары многие животные страдают от потери кормовой базы. Именно в такой ситуации легче всего впасть в состояние, при котором организм может использовать заранее накопленные запасы, причем использовать их медленно и максимально эффективно, не тратя драгоценные калории на передвижение или когнитивную деятельность.

Примером служат медведи, которые активно питаются перед зимой, накапливая жир, а затем проводят несколько месяцев в спячке, расходуя этот резерв. В таком состоянии сна медведицы даже выкармливают детенышей — спячка помогает им потратить как можно меньше энергии на этот сложный процесс.

Вторая причина для того, чтобы впасть в спячку, — это защита от окружающей среды, в первую очередь от чрезмерных температур. Еды может быть вдосталь, но вот показывать нос в мир, в котором -40 °C, как-то не очень хочется. Многие животные впадают в спячку для защиты от экстремальных температур — как холода зимой, так и жары летом. Когда температура среды падает, поддержание нормальной температуры тела требует значительных энергетических затрат. Во время спячки животное снижает температуру тела и замедляет обмен веществ, что позволяет ему пережить холодный сезон без больших энергетических потерь. Это особенно важно для мелких животных, таких как ежи и летучие мыши, у которых нет толстого слоя жира для теплоизоляции.

Помимо защиты и экономии энергии, спячка, по всей видимости, помогает… продлевать жизнь! По крайней мере суркам. Ученые из Университета Калифорнии, изучавшие желтобрюхого сурка Marmota flaviventris, установили, что возраст сурка меняется в течение жизни неравномерно. У нас с вами с возрастом всё понятно — мы становимся старше с каждым днем и стареем равномерно. В конце года мы на 365 дней старее, чем в его начале. А у сурка старение происходит не плавно, а с разрывами. Для понимания, как вообще стареет организм, существует оценка по ДНК-маркерам — с ее помощью определяют так называемый эпигенетический возраст. У сурков во время спячки таких маркеров эпигенетического возраста накапливается меньше, чем во время бодрствования. Какие именно механизмы ответственны за это, пока непонятно: то ли влияет низкая подвижность и минимум потребляемых калорий, то ли замедление организма до почти полного затормаживания всех процессов, то ли то, что во время спячки животное иногда просыпается и нагревает клетки тела, тем самым «тренируя» их переносить стресс.

Интересно, что иногда спячка нужна для того, чтобы просто обеспечить лучшие условия потомству. Например, летучая мышь серый волосатохвост (Lasiurus cinereus) впадает в спячку, чтобы оттянуть время родов и вскармливания. Она замедляет скорость развития эмбриона, чтобы он родился в более «подходящем» мире. Вот это забота о потомстве!

А что насчет будущего?

Если вы интересуетесь научной фантастикой, то наверняка встречали там капсулы криосна: человек забирается в капсулу, засыпает и просыпается уже через много десятилетий или даже столетий. Есть ли вероятность такого будущего и можно ли будет, как Фрай из «Футурамы», устав от реальности, уснуть на тысячу лет, заморозив себя в криокапсуле? Или, что куда более важно, можно ли будет ввести человека в искусственную гибернацию и таким образом дать врачам возможность вылечить его, не подвергая риску?

Есть у спячки, особенно глубокой, когда температура тела опускается до температуры окружающей среды, очевидные минусы: при оттаивании в клетках тела могут случиться сбои, ошибки или просто чисто механические повреждения. Это лягушкам повезло: в их крови есть антифриз. Во время спячки во льду кристаллы льда всё-таки образуются, например, в различных полостях тела, а также под кожей. Но высокая концентрация глюкозы и некоторых других сахаров в жизненно важных органах лягушки предотвращает полное замерзание. Достаточно чуть-чуть солнечного тепла по весне — и лягушка воскресает из мертвых. Но мы, люди, так не умеем. Значит, и глубокая долгая гибернация для нас (по крайней мере на данный момент) недоступна.

Еще одно «злое» последствие спячки — это остеопороз, разрушение костей, а также атрофия мышц, не используемых в течение долгого времени. Медведи могут регулировать активность генов, влияющих на здоровье костей, но мы пока так не умеем. Возможно, с введением дополнительных препаратов или генной терапии этого риска можно будет избежать, но медицине развиваться до этих светлых времен еще очень много лет.

Если анабиоз и гибернация (то есть более полные варианты спячки) для нас пока выглядят нереалистичными, то вот спячка как таковая в целом возможна.

Довольно давно введение и выведение из спячки изучают на животных, изначально к спячке не приспособленных, например собаках. Искусственная спячка применительно к людям в литературе тоже уже встречается. Пока что это только экспериментальная методика, но подвижки есть. В 2021 году китайские ученые представили миру протокол исследования по введению в спячкоподобное состояние пациентов с инсультом.

Инсульт крайне коварен, и на самом деле у врачей есть не больше часа на то, чтобы спасти человека, сохранив ему все важные функции. Если мы сможем вводить пациентов с инсультом в спячку, этот час превратится в недели — эффективность терапии вырастет.

Вводят человека в такое состояние с помощью вливания в тело холодного (10–15 °C) физраствора, по сути, заменяя им кровь.

Такая спячка называется терапевтической гипотермией и в более «легком» варианте на самом деле довольно давно и успешно применяется, только температура, до которой охлаждают пациента, обычно не такая уж и низкая — в районе 32–34 °C. О терапевтической гипотермии и о том, как изучают спячку на животных, хорошо написала Александра Кочеткова. Снижение температуры до еще более низких значений медицине только предстоит.

Вряд ли уже завтра мы сможем погрузиться в криосон, чтобы выйти из него где-нибудь в 3024 году. Но подвижки есть, и чем больше мы изучаем естественную спячку братьев наших меньших, тем больше понимаем о спячке как таковой. Кто знает, может, путешествовать в будущее таким образом нам не удастся, но вот применять спячку в медицине и спасать тысячи, если не миллионы людей — эта картина вполне реалистичная.