Секреты зимнего сна: как медведи, сурки и другие животные превращаются в «биологические батарейки»
Зимний лес кажется безжизненным. Но это иллюзия. Под толщей снега, в берлогах и норах, прямо сейчас идет скрытая, поразительно экономная жизнь. Спячка — слово знакомое каждому с детства, однако это не просто какой-то один биологический процесс. Это не просто долгий сон, а большое количество сложных биологических стратегий, созданных в борьбе за выживание и отшлифованных миллионами лет эволюции.
СПРАВКА: Спячка (гибернация) — это особый физиологический процесс, который позволяет животному пережить неблагоприятный период
Как медведь ухитряется полгода обходиться без еды, воды и туалета, не отравив собственный организм? Как суслик, остывая до состояния «холодной сосиски», замедляет сердце до нескольких ударов в минуту, если обычно оно колотится со скоростью 300 ударов? Каким образом некоторые лягушки умудряются превратиться в ледышку, а весной преспокойно ожить? Вопросов много, ответы на них — удивительные и неожиданные. Многие ученые изучают эти процессы.
СПРАВКА: Гибернация — состояние физиологического торможения обмена веществ и остановки формообразовательных процессов при понижении температуры. Наблюдается у представителей ряда классов: амфибий, рептилий, около 200 видов млекопитающих и некоторых птиц.
Научное название спячки — гибернация. Но как раз у медведей гибернация самая что ни на есть слабая. Медведь вообще зимой не впадает в анабиоз, как мы его представляем, он спит, и довольно чутко. И температура его тела снижается незначительно: с нормальных +37 °C до примерно +31°C. Правда, для нас с вами охлаждение даже на три градуса — гарантированная гипотермическая кома, а для косолапого — рядовой рабочий режим. Но вдруг — шум или опасность, и зверь выходит из этого состояния за считанные минуты, готовый действовать. Причина такого «компромиссного» анабиоза — в габаритах. Кадьяк — самый большой медведь, впадающий в спячку весит в среднем 800 кг. Разогреть такую тушу, если бы она остыла до +5 °C, как у мелких грызунов, задача энергетически почти невыполнимая. Вот и приходится мишкам жертвовать глубиной покоя ради безопасности.
Иное дело — настоящая глубокая гибернация, которую демонстрируют суслики, сурки, ежи, летучие мыши. Здесь метаболизм снижается по некоторым данным до 1% от базового, а температура падает до +2…+8 °C. Арктические суслики и вовсе поставили рекорд: –2,9 °C — самая низкая температура, зарегистрированная когда-либо у млекопитающего. Кровь при этом остается жидкой, потому что работает суперкулинг, или переохлаждение. Организм суслика избавляется от ядер кристаллизации — частиц или структур, которые служат центрами, где начинают расти кристаллы льда. Поэтому жидкости не замерзают даже ниже нуля. Эта особенность восторгает ученых, ведь обычно переохлажденные жидкости нестабильны, так или иначе ядра кристаллизации все равно появляются. Но вот суслики как-то научились избавляться от них полностью.
Исследования этого процесса могут иметь значение для медицины, в разработке методов сохранения органов для трансплантации.
Что еще любопытно: спячка у сусликов это не полная «отключка». Примерно раз в неделю-две животное включает внутренний обогрев и за несколько часов разогревается до нормальной температуры. В это время оно спит уже настоящим, «быстрым» сном, перерабатывает накопившиеся отходы метаболизма, а затем снова остывает до следующего цикла. Ученые подтвердили, что такие периоды нагрева крайне важны для сохранения мозга сусликов.
Колибри, крошечные птички, вынуждены есть огромное количество пищи относительно своего веса. Обмен веществ у них самый быстрый среди всех птиц, а по интенсивности энергозатрат они превосходят даже многих млекопитающих. И поэтому каждую ночь колибри проваливаются в мини-анабиоз, чтобы не погибнуть от голода до рассвета: температура с +41 °C падает до +15…+20 °C, а пульс уменьшается с 1200 ударов в минуту до 50–180.
Интересны также мадагаскарские карликовые лемуры — единственные приматы, освоившие настоящую сезонную спячку, причем на срок до семи месяцев. Для нас это принципиальный факт: значит, механизмы гибернации зашиты где-то глубоко и в нашей эволюционной ветке, а стало быть, потенциально их можно разбудить и у человека.
Суслик — своего рода король спячки: пять ударов сердца в минуту, а дыхание с огромными паузами. Но лесная лягушка (Rana sylvatica) уходит еще дальше. Она замерзает буквально насмерть. Сердце встало, кровь не течет, до семидесяти процентов воды в организме — лед. Кристаллы растут в брюшной полости и под кожей, но внутрь клеток не проникают: глюкоза связывает воду, уменьшает вероятность образования льда внутри клеток и стабилизирует белки. Мочевина усиливает её действие и помогает клеткам сохранять функциональность даже в условиях сильного обезвоживания. Глюкоза и мочевина работают как природный антифриз. Весной лягушка оттаяла и запрыгала.
Теперь к главному: как вообще организм проворачивает такой трюк? У медведей, барсуков. Енотов, сусликов весь фокус в смене топлива. В период нагула животные запасают не просто жир, а так называемый бурый жир. Именно эта ткань позволяет суслику за три-пять часов разогреться с +5 °C до +37 °C при пробуждении. А при вхождении в спячку на молекулярном уровне к процессу подключается неожиданный помощник — сероводород.
Мы привыкли считать его ядом, но в микродозах организм производит его сам. У сусликов перед входом спячку уровень сероводорода резко подскакивает, и он обратимо глушит комплекс IV митохондриальной дыхательной цепи. Фактически это аварийная кнопка выключения клеточного дыхания. Действуя в связке с другими сигнальными каскадами, она запускает лавинообразное падение метаболизма.
Если посмотреть на спячку глазами физиолога, становится ясно: это элегантное решение сразу нескольких проблем, о чем инженеры и врачи пока только мечтают.
1. Проблема первая — голод. Животное не ест месяцами. Медведь теряет до тридцати-сорока процентов веса, но чтобы не сжечь драгоценные мышцы, организм полностью перестраивается на жировой обмен. Холестерин взлетает до значений, немыслимых для человека — 300–400 миллиграммов на децилитр, однако атеросклеротические бляшки при этом не образуются. Это подтверждено гистологией. Жиры превращаются в кетоновые тела, которыми питается мозг. Но настоящая сенсация — в поведении инсулина. При подготовке к спячке у медведей развивается мощная и при этом полностью обратимая нечувствительность к этому гормону. Один из центральных механизмов здесь связан с белком PTEN, который модулирует инсулиновый сигнальный каскад. В результате глюкоза не расходится по всем мышцам без разбора, но адресно поступает в мозг и жировые «депо». Весной чувствительность к инсулину возвращается в норму. У человека поломка того же механизма ведет к диабету второго типа, а у медведя это просто инструмент сезонной настройки.
2. Проблема вторая — жажда. Ни глотка воды месяцами. Химия отвечает на это просто: при сжигании одного грамма жира выделяется примерно 1,1 грамма метаболической воды. Верблюжий горб эксплуатирует тот же принцип, но в спячке он доведен до совершенства.
3. Проблема третья — токсины. Мочевина обязана выводиться, иначе уремия и гибель. У мелких гибернаторов почки отключаются почти полностью: клубочковая фильтрация падает до нуля, моча не образуется. По сути, это управляемая острая почечная недостаточность. У человека без диализа — летальный исход. Ученые ищут молекулярный «тормоз», защищающий почки суслика, чтобы в перспективе помогать людям с хроническими заболеваниями почек. У медведей путь другой — почки частично работают, но и они месяцами не мочатся. Тут в дело вступает микробный симбиоз. Мочевина всасывается из мочевого пузыря обратно в кровь и транспортируется в кишечник, где специальные бактерии расщепляют ее до аммиака и углекислого газа. Азот из аммиака печень использует для синтеза новых аминокислот и белка. Медведь, сжигая жир и перерабатывая мочу, не просто избегает отравления, но еще и сохраняет, а отчасти даже наращивает мышечную ткань. Это подтверждено опытами с мечеными изотопами азота. Замкнутая система жизнеобеспечения — космические инженеры пока только мечтают о такой.
4. Проблема четвертая — неподвижность. Человек за пять месяцев лежачего режима получил бы тяжелую атрофию мышц и ломкость костей. У медведя баланс остеобластов и остеокластов не нарушается — паратгормон и кальцитонин работают автономно.
СПРАВКА: баланс остеобластов и остеокластов это динамическое равновесие, которое обеспечивает постоянное обновление костной ткани, поддержание её структуры, прочности и минеральной плотности. Эти клетки выполняют противоположные функции, и их скоординированная работа необходима для нормального ремоделирования кости.
Гены разрушения мышечного белка подавлены, а уровень нейротрофического фактора мозга BDNF и фактора роста IGF-1 остается высоким. Итог: потеря мышечной массы за всю зиму не превышает десяти процентов.
У мелких спящих свои чудеса: у сусликов и хомяков кишечник худеет на тридцать-пятьдесят процентов, ворсинки уплощаются — и это резко экономит энергию на содержание одного из самых затратных органов. Зато при первом же кормлении после пробуждения все восстанавливается за сутки-двое. Механизм, что немаловажно, сейчас активно изучают в контексте лечения синдрома короткой кишки.
5. Проблема пятая — холод и сохранность мозга. Гипоталамус переставляет «термостат» на запредельно низкие отметки, и нейроны перестают воспринимать холод как угрозу. Но самое потрясающее — история с синапсами. В глубоком анабиозе нейроны сурка отстригают до тридцати процентов дендритных шипиков — тех самых микроскопических выростов, где формируются межнейронные контакты. Выглядит это как радикальное удаление лишних программ ради экономии энергии.
Однако за несколько часов отогрева шипики восстанавливаются в точности на прежних местах. Этот феномен называют синаптической скульптурой, и для нейробиологов он стал одним из ключей к пониманию механизмов памяти и таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера. А чтобы защитить нейроны и другие белки от холодового шока, в клетках резко возрастает концентрация шаперонов — белков теплового шока HSP70 и HSP90, а также малых стресс-белков. Они работают как ремонтная бригада и антифриз одновременно: обволакивают уязвимые структуры и не дают им разрушиться.
Все эти детали интересны не сами по себе. Они — ключ к медицине будущего и к освоению дальнего космоса. Представьте: раненого человека вводят в состояние управляемой гибернации и получают «золотой час» для транспортировки в больницу без фатальных повреждений мозга. Уже сегодня врачи охлаждают пациентов после остановки сердца до +32…+34 °C, но это грубый, полный побочных эффектов метод. Мечта — отыскать молекулярный путь, которым пользуются суслики, и дать пациенту возможность плавно и безопасно снижать метаболизм самостоятельно, без внешнего холода.
Обратимая инсулинорезистентность медведей — потенциальный источник терапии диабета второго типа.
Умение клеток донорских органов впадать в спячку, подобно лягушке или суслику, могло бы растянуть срок их хранения с часов до недель и перевернуть всю трансплантологию. А радиационная устойчивость сусликов в гибернации — деление клеток останавливается, ДНК консервируется до пробуждения — делает гипобиоз едва ли не самым реалистичным способом долететь до Марса, не опасаясь губительной космической радиации.
Так что в следующий раз, глядя на мирно сопящего в норе суслика — в зоопарке или на видео — помните: внутри этого скромного зверька работает биологический реактор тоньше и сложнее любых лабораторий. И в его генах, возможно, спрятаны ответы на острые вопросы медицины ближайшего будущего.
На самом деле, механизмы зимней спячки у разных животных - это отдельная болшая тема, которую мы затронули только самую малость. Для тех, кто хочет углубиться - вот еще замечательная картинка , илюстрирующая и гипофагию и торпор , вы можете самостоятельно узнать, что же это такое
