Веселин Денков - На грани жизни

Экономию энергии при переходе в состояние оцепенения анализировал в своих исследованиях американский ученый Тейкер в 1965–1966 гг. Потребление кислорода в период зимней спячки определяется сравнительно легко, но нужно иметь в виду и количество энергии, необходимой для того, чтобы тело согрелось при выходе из этого состояния. Ученый исследовал калифорнийского мешетчатого прыгуна (Perognathus californicus) и установил, что при кратковременном оцепенении расход энергии на то, чтобы согреться, составляет значительную часть общих расходов энергии.

Прыгун весит около 20 г. Для него характерно то, что он легко впадает в состояние оцепенения при температуре окружающей среды от 15 до 32 °C. Если температура понижается ниже 15 °C, нормальное состояние оцепенения нарушается, и животное не может выйти из него самостоятельно. Другими словами, при охлаждении ниже 15 °C прыгун не способен выработать такое количество тепла в своем организме, чтобы началось его согревание. Тейкер установил, что прыгун легко впадает в состояние оцепенения и при ограничении нормы питания. При постепенном уменьшении количества пищи периоды оцепенения у него становятся все более продолжительными. Благодаря этому вес прыгуна не уменьшается даже в том случае, если количество пищи сократить в 3 раза по сравнению с тем, которое он потребляет в нормальных условиях, находясь в активном состоянии. Тейкер направил усилия на то, чтобы установить, с чего начинается процесс оцепенения. Имевшиеся у него данные по производству и расходу тепла на всех стадиях оцепенения позволили ученому ответить на этот вопрос. Оказалось, что переход к такому состоянию происходит в результате того, что при понижении температуры воздуха ниже критической отметки (около 32,5 °C) прекращается терморегуляторное поддержание уровня обмена веществ. При более низкой температуре понижение обмена приводило к понижению температуры тела. Другими словами, не было необходимости в особом механизме, который повышал бы расход тепла. Раз температура тела начинала понижаться, замедлялся обмен веществ, и животное впадало в состояние оцепенения, при котором выделение тепла в теле, как и температура тела, продолжало понижаться. Пробуждение прыгуна происходило при температуре выше 15 °C, причем потребление кислорода увеличивалось в 10–15 раз. Пробуждение являлось активным процессом, требовавшим значительного расхода энергии в течение сравнительно длительного периода, пока температура тела не достигала нормального уровня. Понижение температуры продолжалось около 2 ч, и общее потребление кислорода за это время составляло 0,7 мл на 1 г веса тела. Для согревания до нормальной температуры тела были необходимы 0,9 ч при потреблении кислорода 5,8 мл на 1 г веса тела. Таким образом, при переходе в состояние оцепенения, а затем при непосредственном выходе из этого состояния потреблялось 6,5 мл кислорода на 1 г веса тела в течение 2,9 ч. В то же время для поддержания нормальной температуры тела в течение 2,9 ч при температуре воздуха 15 °C прыгун потреблял бы 11,9 мл кислорода на 1 г веса тела. Следовательно, благодаря оцепенению этот грызун израсходовал 65 % той энергии, которая необходима для поддержания его нормальной температуры тела за тот же отрезок времени. Тейкер установил, что более длительные периоды оцепенения, например в течение 10 ч, дают еще большую экономию энергии. В конечном итоге он показал, что самый большой расход энергии связан с периодом пробуждения. При десятичасовом цикле на этот период приходилось 75 % всего расхода энергии.

Зимняя спячка бурых медведей (Ursus arctos) является факультативной. В природе летом этот медведь накапливает толстый слой подкожного жира и непосредственно перед наступлением зимы устраивается в своей берлоге для зимней спячки. Обычно берлога покрывается снегом, так что внутри значительно теплее, чем снаружи. Во время гибернации накопленные жировые запасы используются организмом медведя и как источник питательных веществ, а также предохраняют животное от замерзания. Температура его тела падает, ритм ударов сердца и дыхания сильно замедляется. Заметно понижается и обмен веществ, в связи с чем уменьшается и расход питательных веществ. Известно, что иногда в теплые зимние дни или в случае опасности медведь просыпается и даже выходит из берлоги, а затем снова засыпает в той же берлоге или в другом месте. Но обычно возвращение его к нормальной жизнедеятельности происходит весной, когда становится теплее и температура его тела повышается. Более продолжительное время, обычно до конца апреля, в своих берлогах задерживаются только самки, которые рождают там детенышей.

В природе, если зимы довольно теплые, особенно тогда, когда бурый медведь не накопит достаточного количества подкожного жира, он может не впасть в зимнюю спячку. В некоторых современных зоопарках, в которых медведей содержат в специальных помещениях с климатическим оборудованием, обеспечивающим постоянную температуру 20–25 °C; они вообще не засыпают.

Белый медведь (Thalarctos maritimus) по сравнению с остальными своими родственниками живет в наиболее суровых атмосферных условиях. При хорошей упитанности он может выдержать холод до -40 °C. Доказано, что беременные и не достигшие половой зрелости самки зимой впадают в состояние зимней спячки. Для этой цели они выкапывают в снегу яму и остаются там несколько месяцев, пока родившиеся за это время медвежата не подрастут, достаточно не окрепнут и не наступит теплая погода. Самцы белого медведя не впадают в состояние гибернации.

Группа ученых под руководством доктора Ральфа Нельсона зимой 1977–1978 гг. провела в рочестерской клинике «Майо» в штате Южная Дакота (США) ряд опытов по изучению зимней спячки американского черного медведя барибала (Euarctos americanus). Исследователи ставили себе цель: выяснить, каким образом этот вид медведя за время 3 — 5-месячного сна расходует ежедневно до 4 тыс. кал, не получая пищи и воды и не удаляя отходов из организма. Исследуя при помощи радиоизотопных методов пробы, взятые из крови и тканей, ученые пришли к предположению, что эти свойства животного обусловлены особым гормоном, поступающим еще осенью в его организм из гипоталамуса. Процессы обмена веществ у медведей, находящихся в состоянии гибернации, оказались похожими на метаболические процессы, протекающие в человеческом организме при полном голодании. Однако было установлено, что организм медведя осуществляет эти процессы значительно более рационально. Голодающий человек расходует для поддержания жизни как жировую, так и мышечную ткань. После длительного голодания человек не только худеет, но и теряет силы. Медведи, наоборот, просыпаясь весной, обладают той же сильной мускулатурой, какую имели осенью, и не испытывают чувство голода еще 2 недели. Ученые установили также, что во время зимней спячки обмен белков в 5 раз более интенсивен, чем при активном состоянии животного. Для обеспечения такого обмена медведи осенью накапливают запасы белков для зимней спячки, питаясь не менее двенадцати часов в сутки. Калорийность их дневной нормы необыкновенно велика — достигает 20 тыс. кал. Сильно повышенный белковый обмен во время зимней спячки предполагает и образование многих продуктов отхода. Но в данном случае продукты распада белков появлялись в ничтожных количествах. Почки медведя выделяли всего лишь несколько капель мочи, которые через стенки мочевого пузыря всасывались обратно в кровь. Наряду с этими открытиями еще не установлено, почему в организме медведя не скапливаются ядовитые продукты распада, прежде всего мочевина, которая при активном состоянии животного удаляется из его организма с мочой. Независимо от того, что в период зимней спячки температура тела у медведей иногда значительно падала, все процессы обмена веществ протекали нормально. Кроме того, удалось выяснить, что при температуре воздуха в помещении -8 °C на поверхности кожи медведя поддерживалась температура +35 °C, в прямой кишке +22 °C, в полости рта +35 °C (при +38 °C в активном состоянии). Однако частота сердечных сокращений и ритм дыхания значительно снижались (см. таблицу).