Hibernacja - Hibernation
Hibernacja to stan minimalnej aktywności i depresji metabolicznej . Hibernacja to sezonowa heterotermia charakteryzująca się niską temperaturą ciała, powolnym oddychaniem i tętnem oraz niskim tempem metabolizmu . Najczęściej występuje w miesiącach zimowych .
Chociaż tradycyjnie zarezerwowany dla „głębokich” hibernatorów, takich jak gryzonie , termin ten został przedefiniowany i obejmuje zwierzęta, takie jak niedźwiedzie, i jest obecnie stosowany w oparciu o aktywną supresję metaboliczną, a nie o bezwzględny spadek temperatury ciała. Wielu ekspertów uważa, że procesy codziennego odrętwienia i hibernacji tworzą kontinuum i wykorzystują podobne mechanizmy. Odpowiednikiem w miesiącach letnich jest estywacja .
Hibernacja działa w celu oszczędzania energii, gdy nie ma wystarczającej ilości pożywienia. Aby osiągnąć tę oszczędność energii, zwierzę endotermiczne obniża tempo przemiany materii, a tym samym temperaturę ciała. Hibernacja może trwać dni, tygodnie lub miesiące — w zależności od gatunku, temperatury otoczenia, pory roku i stanu organizmu osobnika. Przed wejściem w stan hibernacji zwierzęta muszą zgromadzić wystarczającą ilość energii, aby przetrwać okres uśpienia, prawdopodobnie przez całą zimę. Większe gatunki stają się hiperfagiczne , jedząc duże ilości pożywienia i magazynując energię w złogach tłuszczu. U wielu małych gatunków gromadzenie pożywienia zastępuje jedzenie i otyłość.
Niektóre gatunki ssaków zapadają w stan hibernacji podczas ciąży młodych, które rodzą się podczas hibernacji matki lub wkrótce potem. Na przykład samice niedźwiedzi czarnych przechodzą w stan hibernacji w miesiącach zimowych, aby urodzić potomstwo. Ciężarne matki znacznie zwiększają swoją masę ciała przed hibernacją, co dodatkowo przekłada się na masę potomstwa. Nagromadzenie tłuszczu umożliwia im zapewnienie wystarczająco ciepłego i pielęgnacyjnego środowiska dla swoich noworodków. Podczas hibernacji tracą następnie 15-27% swojej wagi sprzed hibernacji, wykorzystując zmagazynowane tłuszcze jako energię.
Zwierzęta ektotermiczne przechodzą również okresy supresji metabolicznej i spoczynku , co u wielu bezkręgowców określa się mianem diapauzy. Niektórzy badacze i członkowie społeczeństwa używają terminu brumate do opisania zimowego spoczynku gadów, ale uważa się, że bardziej ogólny termin hibernacja jest odpowiedni do odnoszenia się do zimowego spoczynku. Wiele owadów, takich jak osy Polistes exclamans , pomimo ich ektotermii wykazuje okresy uśpienia, które często określa się mianem hibernacji. Botanicy mogą używać terminu „hibernacja nasion” w odniesieniu do formy spoczynku nasion .
| Część serii na |
| Uśpienie zwierząt |
|---|
 |
Ssaki
Istnieje wiele definicji terminów opisujących hibernację ssaków, a różne klady ssaków hibernują w różny sposób. Poniższe podrozdziały omawiają pojęcia hibernacji obligatoryjnej i fakultatywnej . Ostatnie dwa rozdziały zwracają uwagę w szczególności na naczelne, z których do niedawna nie sądzono, aby zapadały w stan hibernacji, oraz niedźwiedzie, których zimowy sen był kwestionowany jako nie będący „prawdziwą hibernacją” pod koniec XX wieku, ponieważ różni się on od hibernacji obserwowanej w gryzonie.
Hibernacja obowiązkowa
Hibernatory obowiązkowe to zwierzęta, które spontanicznie i corocznie zapadają w stan hibernacji niezależnie od temperatury otoczenia i dostępu do pożywienia. Do hibernatorów obowiązkowo zalicza się wiele gatunków wiewiórek ziemskich , innych gryzoni , mysich lemurów , jeży europejskich i innych owadożernych , stekowców i torbaczy . Gatunki te przechodzą coś, co tradycyjnie nazywa się „hibernacją”: stan fizjologiczny, w którym temperatura ciała spada do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia, a tempo akcji serca i oddychania drastycznie spada.
Typowy sezon zimowy dla obowiązkowych hibernatorów charakteryzuje się okresami odrętwienia przerywanymi okresowymi, eutermicznymi pobudzeniami, podczas których temperatura ciała i tętno powracają do bardziej typowych poziomów. Przyczyna i cel tych pobudzeń wciąż nie są jasne; pytanie, dlaczego hibernatory mogą okresowo powracać do normalnej temperatury ciała, nęka naukowców od dziesięcioleci i chociaż wciąż nie ma jednoznacznego wyjaśnienia, istnieje wiele hipotez na ten temat. Jedną z preferowanych hipotez jest to, że hibernatory budują „ dług snu ” podczas hibernacji i dlatego muszą od czasu do czasu rozgrzać się do snu. Zostało to poparte dowodami w arktycznej wiewiórce ziemnej . Inne teorie postulują, że krótkie okresy wysokiej temperatury ciała podczas hibernacji pozwalają zwierzęciu na odtworzenie dostępnych źródeł energii lub zainicjowanie odpowiedzi immunologicznej.
Hibernujące wiewiórki arktyczne mogą wykazywać temperaturę brzucha tak niską jak -2,9 ° C (26,8 ° F), utrzymując temperaturę poniżej zera przez ponad trzy tygodnie na raz, chociaż temperatura głowy i szyi pozostaje na poziomie 0 ° C ( 32 ° F) lub więcej.
Hibernacja fakultatywna
Hibernatory fakultatywne przechodzą w stan hibernacji tylko wtedy, gdy są zestresowane zimnem, pozbawione pożywienia lub jedno i drugie, w przeciwieństwie do hibernatorów obowiązkowych, które wchodzą w stan hibernacji w oparciu o sygnały sezonowe, a nie w odpowiedzi na stresory ze środowiska.
Dobrym przykładem różnic między tymi dwoma typami hibernacji są pieski preriowe :
- Bielik Prairie Dog jest bezwzględnym Hibernator.
- Blisko spokrewniony czarnoogoniasty piesek preriowy jest fakultatywnym hibernatorem.
Naczelne ssaki
Podczas gdy hibernacja była od dawna badana na gryzoniach (a konkretnie wiewiórkach ziemnych ), żaden ssak naczelny ani tropikalny nie zapadał w stan hibernacji aż do odkrycia hibernacji u lemurka karłowatego z Madagaskaru, który zimuje w dziuplach przez siedem miesięcy w roku. Zimowe temperatury na Madagaskarach czasami wzrastają do ponad 30 °C (86 °F), więc hibernacja nie jest wyłącznie przystosowaniem do niskich temperatur otoczenia.
Hibernacja tego lemura jest silnie zależna od zachowania termicznego jego nory: jeśli dziura jest słabo izolowana, temperatura ciała lemura waha się w szerokim zakresie, pasywnie podążając za temperaturą otoczenia; przy dobrej izolacji temperatura ciała pozostaje dość stała, a zwierzę przechodzi regularne okresy pobudzenia. Dausmann odkrył, że hipometabolizm u hibernujących zwierząt niekoniecznie jest połączony z niską temperaturą ciała.
Niedźwiedzie
Historycznie istniało pytanie, czy niedźwiedzie rzeczywiście zapadają w stan hibernacji, ponieważ doświadczają tylko niewielkiego spadku temperatury ciała (3–5°C) w porównaniu ze znacznie większym spadkiem (często 32 °C lub więcej) obserwowanym u innych hibernatorów. Wielu badaczy uważało, że ich głęboki sen nie jest porównywalny z prawdziwą, głęboką hibernacją, ale badania w 2011 roku obaliły tę teorię na niedźwiedziach czarnych w niewoli i ponownie w 2016 roku w badaniu niedźwiedzi brunatnych.
Hibernujące niedźwiedzie są w stanie przetwarzać swoje białka i mocz, co pozwala im przestać oddawać mocz na miesiące i uniknąć atrofii mięśni . Pozostają nawodnione tłuszczem metabolicznym, który jest wytwarzany w wystarczających ilościach, aby zaspokoić zapotrzebowanie niedźwiedzia na wodę. Nie jedzą ani nie piją podczas hibernacji i żyją z zapasów tłuszczu. Uważa się, że pomimo długotrwałej bezczynności i braku pokarmu hibernujące niedźwiedzie utrzymują swoją masę kostną i nie cierpią na osteoporozę. Zwiększają również dostępność niektórych niezbędnych aminokwasów w mięśniu, a także regulują transkrypcję zestawu genów, które ograniczają zanik mięśni. W badaniu przeprowadzonym przez G. Edgar Folk, Jill M. Hunt i Mary A. Folk porównali oni EKG typowych hibernatorów z trzema różnymi gatunkami niedźwiedzi w odniesieniu do pory roku , aktywności i spoczynku i odkryli, że zmniejszony odstęp relaksacji (QT) małych hibernatorów było takie samo dla trzech gatunków niedźwiedzi. Odkryli również, że odstęp QT zmienił się zarówno dla typowych hibernatorów, jak i niedźwiedzi z lata na zimę. To badanie z 1977 roku było jednym z pierwszych dowodów użytych do wykazania, że niedźwiedzie są hibernatorami.
W badaniu przeprowadzonym w 2016 roku przez weterynarza i profesora nadzwyczajnego na Inland Norway University of Applied Sciences Alina L. Evans zbadała 14 niedźwiedzi brunatnych przez trzy zimy. Ich ruch, częstość akcji serca (HR), zmienność rytmu serca (HRV), temperatura ciała (T b ), aktywność fizyczna, temperatury otoczenia (T ) i głębokość śniegu mierzono identyfikacji kierowcy na początku i na końcu hibernacji dla niedźwiedzie. Badania te zbudowały pierwszą chronologię wydarzeń zarówno ekologicznych, jak i fizjologicznych od początku do końca hibernacji w terenie. Badania te wykazały, że niedźwiedzie wejdzie ich den gdy śnieg przyjechał, a T spadła do 0 ° C, ale nawet do kilku tygodni, zanim weszli do ich den, aktywność, HR, a T b zaczęły spadać wolniej. Ich HRV drastycznie spadło raz w ich legowisku, co pośrednio sugeruje, że tłumienie metabolizmu jest związane z hibernacją niedźwiedzi. Pod koniec hibernacji i dwa miesiące przed pobudzenia, T niedźwiedzie b wzrost, niezwiązane z HRV lecz napędzany przez T A . HRV wzrasta tylko około trzech tygodni przed przebudzeniem, a niedźwiedzie opuszczają swoje legowisko dopiero wtedy, gdy temperatura na zewnątrz osiągnie niższą temperaturę krytyczną. Odkrycia te sugerują, że niedźwiedzie dostosowują się do warunków termicznych, a hibernacja niedźwiedzi jest napędzana przez sygnały środowiskowe, ale pobudzenie jest napędzane przez sygnały fizjologiczne.
Ptaki
Starożytni wierzyli, że jaskółki zapadają w stan hibernacji, a ornitolog Gilbert White udokumentował anegdotyczne dowody w swojej książce The Natural History of Selborne z 1789 roku, które wskazywały, że przekonanie to było wciąż aktualne w jego czasach. Obecnie wiadomo, że zdecydowana większość gatunków ptaków zazwyczaj nie zapada w stan hibernacji, zamiast tego wykorzystuje odrętwienie . Jednym ze znanych wyjątków jest pospolita słaba wola ( Phalaenoptilus nuttallii ), dla której hibernację po raz pierwszy udokumentował Edmund Jaeger .
Uśpienie i zamrożenie w ektotermach
Ponieważ nie mogą aktywnie obniżać temperatury ciała ani tempa metabolizmu, zwierzęta ektotermiczne (w tym ryby, gady i płazy) nie mogą hibernować. Mogą doświadczać zmniejszonego tempa metabolizmu związanego z chłodniejszymi środowiskami lub niską dostępnością tlenu ( niedotlenienie ) i wykazywać uśpienie (znane jako brumacja). Kiedyś uważano, że długoszpary osiadły na dnie Morza Północnego i stały się uśpione, ale badania przeprowadzone przez Davida Simsa w 2003 roku obaliły tę hipotezę, pokazując, że rekiny pokonywały duże odległości przez cały sezon, śledząc obszary o największej ilości planktonu. . Udokumentowano, że rekiny epoletowe są w stanie przetrwać trzy godziny bez tlenu i w temperaturach do 26 ° C (79 ° F) jako środek do przetrwania w swoim siedlisku na wybrzeżu, gdzie poziom wody i tlenu zmienia się wraz z przypływem. Inne zwierzęta, które mogą przetrwać długie okresy z bardzo małą ilością tlenu lub bez niego, to złota rybka , czerwonolicy , żaby drzewne i gęsi pręgowane . Zdolność do przetrwania w warunkach niedotlenienia lub beztlenowości nie jest ściśle związana z hibernacją endotermiczną.
Niektóre zwierzęta mogą dosłownie przetrwać zimę, zamrażając. Na przykład niektóre ryby , płazy i gady mogą naturalnie zamarznąć, a następnie „obudzić się” na wiosnę. Gatunki te wyewoluowały mechanizm tolerancji na zamrażanie, taki jak białka zapobiegające zamarzaniu .
Wyzwalacz indukcji hibernacji
Wyzwalacz indukcji hibernacji (HIT) jest nieco mylącą nazwą. Chociaż badania z lat 90. wskazywały na zdolność wywoływania odrętwienia u zwierząt przez wstrzyknięcie krwi pobranej od hibernującego zwierzęcia, dalsze badania nie były w stanie odtworzyć tego zjawiska. Pomimo niezdolności do wywołania odrętwienia, we krwi hibernatorów znajdują się substancje, które mogą chronić narządy przed ewentualnym przeszczepem. Naukowcom udało się przedłużyć życie wyizolowanego serca świni dzięki trafieniu. Może to mieć potencjalnie ważne implikacje dla przeszczepu narządów , ponieważ może umożliwić narządom przeżycie do 18 godzin poza organizmem ludzkim. To byłaby wielka poprawa w stosunku do obecnych 6 godzin.
Domniemany HIT to mieszanina pochodząca z surowicy krwi, zawierająca co najmniej jedną substancję podobną do opioidów . DADLE to opioid, który w niektórych eksperymentach wykazuje podobne właściwości funkcjonalne.
W ludziach
Naukowcy badali, jak wywołać u ludzi hibernację. Zdolność do hibernacji byłaby przydatna z wielu powodów, takich jak ratowanie życia ciężko chorych lub rannych osób poprzez tymczasowe wprowadzenie ich w stan hibernacji do czasu podjęcia leczenia. W przypadku podróży kosmicznych rozważana jest również hibernacja człowieka, na przykład w przypadku misji na Marsa .
Archeolodzy badają również, czy hibernacja była możliwa u wczesnych gatunków hominidów .
Zobacz też
- Stan spoczynku
- Apatia
- Odpoczynek zimowy
- Kriobiologia
- Karolina Olsson , „Śpiąca piękność Oknö”
- ObjectiveSql , zobacz github
Bibliografia
Dalsza lektura
- Carey, WN; Andrews, MT; Marcina, SL (2003). „Hibernacja ssaków: reakcje komórkowe i molekularne na obniżony metabolizm i niską temperaturę”. Recenzje fizjologiczne . 83 (4): 1153–1181. doi : 10.1152/physrev.00008.2003 . PMID 14506303 .
- "Hibernacja". Encyklopedia Nauki i Technologii McGraw-Hill . 1-20 (wyd. 11). McGraw-Hill. 2012.