Наблюдение венских ученых за животными

Что такое зимняя спячка?

Сони-

полчки

Что происходит во время сна?

Ранняя осень, Вена. В уличных кафе еще сидят туристы в футболках, а наверху, в Венском лесу, уже стоят холода. Без теплой куртки не обойтись. Клаудия Бибер и Франц Хёльцль из местного ветеринарного университета петляют на микроавтобусе по буковой роще. Им надо проверить деревянные домики, в которых летними днями отсыпаются их подопечные — мелкие грызуны сони-полчки, ведущие ночной образ жизни. К середине сентября многие летние жилища уже опустели. Их обитатели перебрались на «зимние квартиры», зарывшись в норы между корнями деревьев на глубину до 70 сантиметров.

Франц Хёльцль снимает с дерева домик номер 201. Сразу видно: внутри кто-то есть. Он погружает в листву руку в защитной перчатке — и извлекает наружу пять серых пушистых комочков. Каждый перекладывает в отдельный холщовый мешочек. Теперь им предстоит пройти стандартную проверку. Исследователи определят по имплантированному под кожу микрочипу их идентификационные номера. Замерят семенники у самцов. Возьмут соскоб со слизистой оболочки пасти, несколько волосков шерсти. И анализ помета. Благо напуганные зверьки производят его в избытке. Напоследок — взвешивание.

Клаудия Бибер кладет самца под номером 73 039 в термопакет и взвешивает. 111 граммов — записывает в дневнике Франц Хёльцль. «За последние две недели зверек набрал 12 граммов», — комментирует он довольным тоном. Похоже, этот экземпляр хорошо подготовился к холодному и голодному сезону зимней спячки.

Вот уже несколько лет ученые наблюдают за популяцией сонь-полчков в пригороде Вены. Их цель — раскрыть тайну этого загадочного состояния сезонного оцепенения, характерного для многих видов животных. В том числе для некоторых млекопитающих: плацентарных, сумчатых и яйцекладущих. Даже для тропических лемуров. «Вероятно, это свойство сформировалось на очень раннем этапе эволюции», — рассказывает Томас Руф, еще один специалист из Венского ветеринарного университета.

С виду кажется, что пушистые грызуны просто спят, уютно прильнув друг к другу, чтобы переждать холодную зиму. Но с биологической точки зрения зимняя спячка — это не просто долгий сон. А уникальное состояние, в котором перестраиваются жизненно важные функции организма. Обмен веществ замедляется до предела, организм словно балансирует на грани жизни и смерти. Но при этом воспринимает малейшие колебания температуры окружающей среды — вплоть до десятой доли градуса. И адекватно на них реагирует.

Рекордсмен: грызун соня-полчок проводит в зимней спячке много месяцев

Сони-полчки — идеальный объект для изучения таких физиологических изменений. Эти юркие грызуны — рекордсмены по зимней спячке. Они проводят в этом состоянии целых восемь месяцев. И экземпляр номер 73 039 не станет исключением.

Скоро он прекратит кормиться и забьется глубоко в норку. Напоследок, перед окончательным погружением в сон, функции его организма активизируются: пульс и дыхание участятся, расход кислорода возрастет на 80 процентов. А через час все процессы жизнедеятельности как по команде резко пойдут на спад. Еще через несколько часов зверек впадет в «торпор». Так биологи называют состояние полного оцепенения и бесчувственности. Пульс замедлится с 300 до восьми ударов в минуту, дыхание станет редким. И перестроится на особый ритм: серия быстрых вдохов с длительными перерывами — до часа при сильных холодах.

На клеточном уровне остановятся все энергоемкие обменные процессы. Организм перестанет сжигать глюкозу. Вместо нее для выработки энергии будут использоваться накопленные за лето жировые запасы.

Невероятно, но факт: обмен веществ у всех видов животных, впадающих в зимнюю спячку, замедляется одинаково. Они расходуют равное количество кислорода на один грамм массы тела. То есть активность организма, независимо от вида и размера животного, снижается до минимального порога, необходимого для поддержания жизни.

Через несколько часов после погружения в спячку тело у сони-полчка остывает — до плюс 0,7 градуса при нулевой температуре в логове. Еще более крепкой «закалкой» отличаются арктические суслики, которые выдерживают охлаждение тела до минус 2,9 градуса.

«Раньше определяющим фактором зимней спячки считалось снижение температуры тела, — говорит Томас Руф. — Теперь известно, что на самом деле решающее значение имеет гипометаболизм, то есть произвольное замедление обмена веществ. А падение температуры — это уже его результат».

Спячка медведей

Пробуждение для нормального сна

Прекращение активности мозга

Например, у медведей во время спячки температура тела не опускается ниже 30 градусов. Поэтому раньше считалось, что они просто спят зимой дольше, чем в теплое время года. Ошибочность этого представления доказали ученые из Аляскинского университета на примере американских черных медведей барибалов. В период спячки у этих крупных хищников обменные процессы замедляются до такого же минимума, как у сонь-полчков и сурков.

Через две-три недели после перехода в режим экономии энергии организм экземпляра 73 039 внезапно сам собой разогреется до нормальной температуры. Топливом послужат отложения бурого жира. Его клетки способны «сжигать» жирные кислоты и вырабатывать необходимое количество тепла. «Особенно много бурого жира у животных, впадающих в спячку, — говорит Руф. — До 1950-х годов эту толстую жировую прослойку между лопатками даже называли «железой зимней спячки».

Пару дней у экземпляра 73 039 продержится высокая температура. Почти на все это время он перейдет в состояние обычного ночного сна. Затем огонь жизни начнет угасать. И зверек опять впадет в «торпор».

Все животные в период спячки время от времени выходят из оцепенения, в основном для того, чтобы «нормально» поспать, объясняет Томас Руф. Почему так происходит, ученые пока не знают. На такие пробуждения приходится 70 процентов энергозатрат за всю зиму.

Какие только теории не выдвигались для объяснения этого феномена. Некоторые ученые считают, что периодические пробуждения нужны для активизации иммунной системы. Организму нужно бороться с болезнетворными микробами, которые размножаются при низких температурах.

Томас Руф придерживается другого мнения. Фазы разогрева организма нужны для выработки дополнительного белка, обеспечивающего работоспособность сердца на холоде. Например, у человека сердце останавливается, если температура тела опускается до 28 градусов. А у медведей в спячке она не падает ниже 30 градусов. Поэтому им и не нужно периодически просыпаться.

Популярна и другая гипотеза, увязывающая эти пробуждения со специфическими изменениями в головном мозге. В фазе полного оцепенения обмен электрическими сигналами между клетками мозга у экземпляра номер 73 039 практически прекращается. Если сделать ему энцефалограмму, то никакой электрической активности зарегистрировать не удастся. Если же рассмотреть клетки его мозга «вживую» под микроскопом, то откроется еще более странная картина: нейроны словно съежились. Их ветвящиеся отростки дендриты, воспринимающие сигналы от других нейронов, укорочены. А синапсы (межклеточные контакты) разомкнуты.

Тем не менее, ни сони-полчки, ни сурки, ни суслики после пробуждения не похожи на «слабоумных». Исследования показывают, что во время коротких фаз разогрева организма мозг у них «оживает». Всего за несколько часов дендриты снова вытягиваются, разветвляются и образуют синапсы. «Возможно, цель этих периодических пробуждений — восстановление работоспособности мозга», — говорит Томас Руф.

Тау-протеин и

болезнь Альцгеймера

Профилактика артерио-

склероза и мышечной атрофии

Стратегия выживания 

Биомедицинская иллюстрация болезни Альцгеймера, компьютерное изображение

Разгадка этого феномена может иметь практическое значение для медицины. В нервных клетках животных, впадающих в спячку, обнаружены отложения специфического белка — химически модифицированного тау-протеина. Именно он накапливается в клетках мозга у больных синдромом Альцгеймера. И разрушает нейроны. Оказывается, при периодических пробуждениях параллельно с восстановлением дендритов происходит распад тау-протеина.

Атеросклероз коронарных артерий

Возможно, при замедлении обмена веществ тау-протеин предохраняет нервные клетки от повреждения, предполагают авторы этого открытия. В таком случае его накопление — это нормальная реакция организма. А при болезни Альцгеймера она просто выходит из-под контроля.

Долгие зимние месяцы экземпляр номер 73 039 спит в норе, периодически нагреваясь и вновь остывая. Его жировые запасы мало-помалу иссякают. Но уровень холестерина у него в крови все равно намного выше, чем летом. Для человека такая высокая концентрация была бы смертельно опасна.

То же самое явление наблюдается во время спячки у медведей. Но что удивительно: при вскрытии туш животных, убитых охотниками, исследователи не находили признаков снижения эластичности артерий. У человека при таком высоком уровне холестерина и многомесячном пребывании в неподвижном состоянии случился бы инфаркт или инсульт. Разгадка этого секрета поможет сделать прорыв в профилактике артериосклероза.

Когда в Венский лес придет весна, у экземпляра номер 73 039 сработают «внутренние часы». И он проснется. В отличной физической форме. Разве что похудевший на 20-30 граммов. Длительное оцепенение не нанесет ему никакого вреда. У человека при малоподвижном образе жизни дрябнут мышцы и слабеют кости. А у животных во время зимней спячки они чудесным образом не подвержены дистрофии. Если когда-нибудь удастся разгадать этот феномен, то медики смогут помочь детям с врожденной мышечной атрофией и пожилым пациентам, прикованным к постели.

У экземпляра номер 73 039 есть все шансы пережить зиму «Раньше считалось, что многие животные умирают во время зимней спячки из-за суровых условий», — говорит Томас Руф. Но при ближайшем рассмотрении оказалось, что мелкие млеко-питающие гибнут в основном от лап хищников. «А глубоко под землей в герметичных норах они надежно защищены, благо почти не издают запаха из-за охлаждения организма. И им гарантировано выживание».

Так что эволюционное предназначение зимней спячки — это не только экономия энергии, но и защита от хищников. Сезонный «тайм-аут» — это своеобразная стратегия выживания. Ее принцип прост: иногда лучше замедлиться, чтобы продлить себе жизнь. И сохранить шанс обзавестись потомством.

Этим и займется экземпляр номер 73 039, когда весной 2013 года выберется из своей зимней норки.