Dołącz do czytelników
Brak wyników

Temat numeru

28 czerwca 2018

NR 25 (Styczeń 2018)

Czy możemy przespać zimę?

0 203

Cała kula ziemska jest zasiedlona przez organizmy żywe. Jednak w wielu miejscach warunki do życia są mało przyjazne.

Istnieją siedliska, gdzie temperatura osiąga nawet kilkaset stopni Celsjusza, w innych zaś spada kilkadziesiąt stopni poniżej zera. Są też miejsca niezwykle zasolone czy też całkowicie suche lub pozbawione tlenu. Pomimo skrajności praktycznie wszędzie tam znajdziemy życie. Jednak te najbardziej ekstremalne miejsca zamieszkują najczęściej tylko pierwotniaki lub bakterie i archeony. Jednak czasami nawet zwierzęta możemy spotkać w zaskakujących miejscach. Spowodowane jest to faktem ograniczonej pojemności siedlisk na terenach, gdzie warunki są bardziej przyjazne. Część osobników zwyczajnie musiała przeżyć na terenach o gorszej jakości i się do nich przystosować. W wyniku adaptacji nabywanych przez miliony lat ewolucji niektóre zwierzęta przystosowały się do życia w naprawdę trudnych warunkach. Jednym z takich przystosowań jest zdolność do ograniczania, przynajmniej na pewien czas, funkcji życiowych i przechodzenie w stan uśpienia. 

Uśpienie może przybierać różne formy. Może być krótkotrwałe, np. trwa­jące tylko część dnia, lub długie, nawet wielomiesięczne. Niektóre zwierzęta zapadają w sen, aby przeczekać wysokie temperatury, a inne, żeby przespać temperatury niskie. W tym pierwszym przypadku stan odrętwienia nazywamy estywacją, a w drugim hibernacją. Hibernacja jest fizjologicznym stanem, w który przechodzi organizm, gdy temperatura otoczenia utrzymuje się przez pewien czas poniżej temperatury progowej, zazwyczaj poniżej 0˚C. Następuje wtedy aktywacja specyficznych receptorów w mózgu, a następnie uaktywnienie się grup genów odpowiedzialnych za regulację procesu hibernacji. Dochodzi do wyłączenia termoregulacji organizmu,  skutkującego obniżeniem temperatury ciała i spowolnieniem procesów życiowych. Najlepiej jest ono widoczne na przykładzie pracy serca, którego częstotliwość skurczy spada u niektórych zwierząt z kilkuset do zaledwie kilku na minutę. Podobne zwolnienie jest widoczne w oddechu, który staje się ­również ­bardzo płytki, a czasami dochodzi nawet do bezdechu. Naczynia krwionośne obkurczają się, przez co przepływ krwi jest dodatkowo zminimalizowany. Skutkuje to znacznym zmniejszeniem zużycia tlenu. Dokładniejsze obrazowanie medyczne pokazało, że znaczące zmiany zachodzą także w innych organach ciała, nawet w centrum dowodzenia organizmu – mózgu. W jednym z badań zaobserwowano, że neurony hibernującego zwierzęcia skurczyły się, a liczba połączeń między nimi spadła aż o 60%. Temperatura ciała hibernujących zwierząt najczęściej wynosi kilka stopni powyżej zera. U ssaków jest to zazwyczaj około 5˚C, choć np. susły antarktyczne przemarzają całkowicie i osiągają tylko 2,9˚C! Temperatura ciała poniżej zera, choć u ssaków jest bardzo rzadka, to u innych grup zwierząt występuje częściej. Całkowicie przemarza wiele bezkręgowców, niektóre płazy, gady, a także ryby. Wykształciły one specjalne mechanizmy zabezpieczające je przed krystalizacją wody w komórkach i tkankach, która mogłaby zniszczyć ich delikatne struktury. Najczęściej opierają się one na zwiększeniu stężenia alkoholi (głównie glicerolu) bądź cukrów (np. glukozy lub trehalozy). Substancje te obniżają temperaturę tworzenia się kryształków lodu. Organizmy mogą także wytwarzać w tym celu specjalne białka, np. histerazę termiczną. Oczywiście pomimo tak drastycznego ograniczenia funkcji życiowych organizm wciąż musi zużywać pewne ilości energii, aby zachować stan czuwania i gotowość do wybudzenia w przypadku zmiany warunków termicznych. Energia ta pochodzi ze spalania tłuszczu zgromadzonego u ssaków w tkance tłuszczowej brunatnej, a u owadów w tzw. ciele tłuszczowym. Spalanie tkanki tłuszczowej brunatnej umożliwia także ogrzewanie organizmu i utrzymywanie jego temperatury na stałym poziomie.

Oczywiście zmiany zachodzące w fizjologii i anatomii hibernującego organizmu są bardzo różne u różnych zwierząt. U jednych są bardzo drastyczne i po wybudzeniu zwierzę potrzebuje wielu dni, a nawet tygodni, aby wrócić do wcześniejszej formy, a u innych są bardziej subtelne i zwierzę po obudzeniu się regeneruje się bardzo szybko. Do tej drugiej grupy należą zwłaszcza owady – niektóre ich gatunki są w stanie nawet rozmnażać się zaraz po wiosennym przebudzeniu. Te różnice w hibernacji różnych grup zwierząt skłoniły naukowców do wydzielenia różnych odmian tego procesu. I tak można mówić o hibernacji, śnie zimowym, letargu czy diapauzie. Jednak różnice pomiędzy tymi rodzajami spoczynku są często nieostre i nawet wśród naukowców nie ma jednomyślności. Dlatego w niniejszym artykule będziemy zbiorczo używać terminów hibernacja i sen zimowy na określenie zahamowanej aktywności organizmu w trakcie zimnych okresów.

Warto hibernować

Nie wszystkie gatunki zamieszkujące rejony o niskich temperaturach zapadają w sen zimowy. Dzieje się tak z kilku powodów. Po pierwsze zdolność do ­hibernacji jest jedną z możliwych adap­tacji ewolucyjnych jako odpowiedź na niekorzystne warunki środowiskowe. U wielu gatunków jednak nie wyewoluowała, a na drodze doboru naturalnego wykształciły one inne mechanizmy pozwalające im przetrwać. Mogą to być np.: robienie zapasów pożywienia na zimę, sezonowa zmiana diety na wegetariańską czy też – jak to najczęściej czynią ptaki – migracja w rejony cieplejsze i obfitujące w pokarm. Zdolność do hibernacji wykształciła się jednak niezależnie u wielu grup organizmów. To co je łączy to fakt, że zazwyczaj są to gatunki niewielkich rozmiarów. Jest to związane z tym, że mniejszy organizm szybciej ulega wychłodzeniu, a utrzymanie jego stałej temperatury wymaga wydatkowania relatywnie wyższych porcji energii niż w przypadku organizmów o dużych rozmiarach ciała. Oczywiście jak zwykle w biologii także tutaj są liczne wyjątki. Koronnym przykładem jest niedźwiedź brunatny – osiągający masę ponad 200 kg – drapieżnik przesypiający całą zimę.

Wyniki badań nad różnymi hibernującymi zwierzętami wskazują, że sen zimowy jest nie tylko konieczny, aby przetrwać chłodne okresy, ale także by zapewnić poprawne funkcjonowanie organizmu w ciepłym sezonie. Niektóre gatunki owadów, gdy nie hibernują, mają problemy z rozrodem kolejnej wiosny. Zjawisko to jest także znane u niektórych gadów. Hodowcy chcący z powodzeniem rozmnażać np. żółwie stepowe hibernują je przez część roku, wykorzystując do tego celu zwyczajne lodówki. Zwierzę musi być jednak wcześniej odpowiednio przygotowane do zimowania. Nie może być chore lub osłabione oraz musi mieć próżny przewód pokarmowy, co ma zapobiec fermentacji resztek pożywienia. Zwierzęta w trakcie snu zimowego najczęściej nie załatwiają swoich potrzeb fizjologicznych z powodu zahamowania pracy jelit, dlatego zazwyczaj już wiele dni przed rozpoczęciem hibernacji zaprzestają pobierania pokarmu. 
Naukowców zaskoczył fakt, że osobniki pozbawione możliwości hibernacji żyją krócej niż ich usypiający koledzy. Eksperymenty przeprowadzono na żołędnicy – gryzoniu z rodziny popielicowatych, które zimę spędzają hibernując zakopane w ziemnych norach. Okazało się, że telomery – struktury na końcach chromosomów – skracały się szybciej u osobników, które nie hibernowały. A jak wiadomo już od lat, skracanie telomerów wraz z wiekiem jest główną przyczyną starzenia się komórek. Z kolei badania na myszach udowodniły, że zmniejszenie temperatury ciała poprawia jego funkcjonowanie nawet u zwierząt naturalnie niehibernujących. Gdy badacze obniżyli temperaturę tych gryzoni o jedyne pół stopnia, długość ich życia wzrosła o 12% u samców i aż 20% u samic.

Jednak u niektórych zwierząt hibernacja jest fakultatywna i jej brak nie wiąże się z żadnymi negatywnymi objawami. Tak jest np. u pręgowców ­amerykańskich, które jeśli tylko mają dostęp do pożywienia, to wolą pozostać aktywne i nie zapaść w sen zimowy. Jednak jeśli już zwierzę decyduje się na hibernację, to lepiej, aby była ona mocna i długa. U niedźwiedzi odkryto, że osobniki, które hibernują w niższej temperaturze, zużywają mniej energii, a co za tym idzie budzą się w lepszej kondycji. Ponadto niższa temperatura podczas hibernacji wspomaga tempo rozrodu tych zwierząt. Jest to dla nich szczególnie istotne, ponieważ samice niedźwiedzi wydają na świat potomstwo właśnie podczas snu zimowego. Niestety, ocieplający się klimat powoduje zaburzenia w naturalnym cyklu rocznym zwierząt i niektóre w ogóle przestają hibernować lub robią to bardzo krótko. Niektórzy badacze wręcz sugerują, że jest to jedną z głównych przyczyn kurczenia się populacji niedźwiedzi brunatnych w Europie. Podobnie problemy ze snem przez ciepłe zimy miewają też wspomniane wcześniej popielicowate. Zbyt wysoka temperatura może powodować także wybudzanie się zwierząt w trakcie hibernacji, a jest to dla nich wyjątkowo szkodliwe. Proces wychodzenia ze stanu uśpienia, ogrzewanie organizmu i zwiększanie tempa pracy organów wewnętrznych jest niezwykle energochłonny. Z tego też powodu nie powinno się przeszkadzać hibernującym zwierzętom, np. nietoperzom, które mogą zimę spędzać nawet na naszych strychach. Każde wybudzenie zmniejsza ich szansę na szczęśliwe doczekanie wiosny i rozpoczęcie sezonu w dobrej kondycji.

Czy ludzie mogą hibernować?

Zdolność do hibernacji posiadają bardzo różnorodne gatunki z wielu taksonów. Hibernuje nawet przedstawiciel ptaków – lelek zimowy. Jak się okazuje, hibernacja nie jest obca także naszym kuzynom – naczelnym, wśród których hibernuje kilka gatunków lemurów. Co ciekawe, lemury, które hibernują, żyją średnio 10 lat dłużej od innych. Raz jeszcze może to być skutkiem zahamowanych na okres snu procesów starzenia komórek. Ta umiejętność lemurów daje nadzieję naukowcom pracującym nad problemem hibernacji ludzi. Z lemurami należymy do tego samego rzędu naczelnych, stąd nie zaskakują liczne podobieństwa fizjologiczne i anatomiczne. Kluczem do potencjalnego uruchomienia procesu hibernacji u człowieka jest prawdopodobnie poznanie mechanizmów nim sterujących na podstawowym poziomie genetycznym. Obecnie prowadzone są liczne badania na zwierzętach hibernujących, mające za zadanie zidentyfikować geny, białka i enzymy odpowiedzialne za regulację zmiany procesów metabolicznych związanych z hibernacją. Po części się t...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy