Содержание:
Введение………………………………………………………
Адаптивные физиологические ритмы: циркадные и сезонные...
Циркадные ритмы…………………………………………………
Лунные циклы….…………………………………………………..
Приливные и годовые ритмы…………………………………….
Зимняя спячка……………………………………………………. .
Летняя спячка……………………………………………………..
Торпор ……………………………………………………………..
Погребенные животные…………………………………………..
Список используемой литературы………………………………
Введение
Биологические ритмы — колебания смены и интенсивности процессов и физиологических реакций. В их основе лежат изменения метаболизма биологических систем, обусловленные влиянием внешних и внутренних факторов. Факторы, которые влияют на ритмичность процессов, происходящих в живом организме, получили определение «синхронизаторы», или «датчики времени».
К внешним факторам относятся:
- изменение освещенности (фотопериодизм), температуры (термопериодизм);
- магнитного поля;
- интенсивности космических излучений;
- приливы и отливы;
- сезонные и солнечно-лунные влияния;
- социальные влияния, характерные для человека.
К внутренним факторам относятся нейрогуморальные процессы, протекающие в определенном, наследственно закрепленном темпе и ритме.
Ритмы, независимые от внешних синхронизаторов, называются эндогенными. Ритмы, формирующиеся под влиянием внешних синхронизаторов, т. е. факторов внешней среды, идентифицированы как экзогенные. Для большинства биоритмов характерна эндогенность генерирования, малая изменчивость установившейся длительности циклов на протяжении онтогенеза.
Ритмы формируют внешние синхронизаторы. Ярким примером формирования эндогенных ритмов под влиянием синхронизаторов внешней среды является влияние на новорожденного ребенка с его эндогенными ритмами таких синхронизаторов как свет, звук, пища и др., а по мере развития ребенка усиливается роль социальных факторов. Сравнительно быстро у ребенка формируется суточный, 24-часовой ритм физиологических процессов.
Основными параметрами биоритмов являются такие показатели:
Период — время между двумя одноименными точками в волнообразно изменяющемся процессе.
Акрофаза — точка времени в периоде, когда отмечается максимальное значение исследуемого параметра.
Мезор — уровень среднего значения показателей изучаемого процесса.
Амплитуда — величина отклонения исследуемого показателя в обе стороны от средней.
Фаза колебания характеризует состояние колебательного процесса в момент времени; измеряется в долях периода, а в случае синусоидальных колебаний — в угловых и дуговых единицах.
Классификация ритмов базируется на строгих определениях, которые зависят от выбранных критериев.
Ю. Ашофф (1984 г.) подразделяет ритмы:
- по их собственным характеристикам, таким как период;
- по их биологической системе, например популяция;
- по роду процесса, порождающего ритм;
- по функции, которую выполняет ритм
Биологические ритмы, совпадающие по кратности с геофизические ритмами, называются адаптивными (экологическими). К ним относят суточные, приливные, лунные и сезонные ритмы. В биологии адаптивные ритмы рассматриваются с позиций общей адаптации организмов к среде обитания, а в физиологии — с точки зрения выявления внутренних механизмов такой адаптации и изучения динамики функционального состояния организмов на протяжении длительного периода времени.
В течение многих миллионов лет эволюции «шлифовалась» временная организация биосистем. Постоянно адаптируясь к меняющимся условиям и воздействиям факторов окружающей среды, вместе с живой материей, синхронно с её усложняющимся развитием, совершеннее и разнообразнее становились биоритмы. Уместно предположить, что эволюция животного мира «шла» через совершенствование биоритмов, выполнявших ведущую роль факторов адаптации к изменяющимся условиям внешней среды. Суточная периодичность времени, смена дня и ночи, индуцировали и закрепили суточные ритмы многочисленных процессов в организме, а смена времени года сформировала сезонные ритмы.
Ритм — это универсальная особенность самодвижения материи, результат борьбы противоположностей, которые являются источником самодвижения, характеризующегося непрерывной сменой доминирования каждой из двух противоборствующих сторон. Так достигается качественная устойчивость материальных объектов. Таким образом, ритм внутренне присущ движению. Физиологические ритмы как основной параметр существования живых организмов
Физиологические ритмы — циклические колебания в различных системах организма. Они составляют основу жизни. Одни ритмы поддерживаются в течение всей жизни, и даже кратковременное их прерывание приводит к смерти; другие появляются в определенные периоды жизни индивидуума, причем часть из них находится под контролем сознания, а часть протекает независимо от него. Ритмические процессы взаимодействуют друг с другом и с внешней средой.
Изменение ритмов, выходящее за пределы нормы, либо появление их там, где они раньше не обнаруживались, связано с болезнью.
Физиологические ритмы являются одной из основных форм проявления жизнедеятельности, они наблюдаются у всех живых организмов и на всех уровнях организации живой материи — от субклеточных структур до целостного организма. Как правило, они не являются строго периодическими колебаниями: в определенных пределах меняется их период, амплитуда, форма, уровень. Примером их могут служить записи некоторых физиологических ритмов у человека: электрокардиограмма, сфигмограмма сонной артерии, сейсмокардиограмма, пневмограмма, электроэнцефалограмма, суточная периодика частоты дыхания, суточная периодика экскреции калия с мочой.
Адаптивные физиологические ритмы: циркадные и сезонные.
Адаптивные физиологические ритмы выработались в процессе эволюции как форма приспособления организмов к циклически меняющимся условиям среды. Наиболее изучены околосуточные (циркадные) ритмы, которые отражают периодичность геофизических факторов, обусловленную вращением Земли вокруг своей оси. В течение суток закономерно изменяется, прежде всего, естественное освещение. Суточным колебаниям подвержены цикл день – ночь, температура и влажность воздуха, напряженность электрического и магнитного поля Земли, потоки разнообразных космических факторов, падающих на Землю в конкретный временной цикл. Под влиянием этих внешних факторов совершалась эволюция всех форм жизни на Земле, колебания их в настоящее время, как и миллионы лет назад, играют жизненно важную роль для всех без исключения обитателей Земли. Например, для дневных животных восход Солнца — сигнал для активной деятельности: добывания пищи, строительства жилья, выращивания потомства, а с наступлением темноты активизируются животные, ведущие ночной образ жизни. И все животные «подстраиваются» к этому суточному ритму. А кто не сможет «вписаться» в этот режим, заданный природой, погибают. Для выживания любой организм должен соизмерить свой ритм с внешними ритмами. Адаптация конкретного организма или видовая адаптация к внешним условиям в широком биологическом смысле — это синхронизация жизненных процессов (ритмов) организма или целой популяции с внешними ритмами, таким образом, циркадная периодичность жизненных функций является врожденным свойством.
Циркадные ритмы
Наиболее очевидные те биологические ритмы, которые соотносятся с природным суточным циклом-сменой дня и ночи внутри 24-часового периода. Это так называемые циркадные ритмы. Собственно, циркадные ритмы являются эндогенными процессами, то есть процессами, контролируемыми внутренними силами организма. Эти проявляются даже в том случае, когда внешние воздействия среды не меняются и искусственно сделаны постоянными. При изменении состояния внешней среды циркадные ритмы проявляются в организме и остаются еще некоторое время, тогда как нециркадные исчезают.
В каждом суточном цикле саранча активна на протяжении светлого времени и пассивна в темноте. Внешне это похоже на настоящий циркадный цикл, но если поместить саранчу в условия постоянного света или постоянной темноты, обычный для насекомых ритм активности быстро исчезает. В том же суточном цикле американский таракан (Periplaneta americana) активен только первые несколько часов темноты. Если это насекомое содержится при постоянном освещении или в темноте, то его поведение показывает, что действующий циркадный ритм является эндогенным.
На первый взгляд циркадные ритмы кажутся тем же самым, что и различные физиологические реакции, связанные с внешним суточным циклом. Но врождённые циркадные ритмы имеют четыре основные черты: они являются эндогенными, синхронизируются с внешними факторами, не подвержены влиянию температуры тела и могут быть разрушены только с течением времени, если внешние условия среды искусственно меняются.
Узнавание ритма
После нескольких дней, проведённых без воздействия основных естественных компонентов суточного цикла (например смены света и темноты, тепла и холода), циркадные ритмы животных становятся менее чёткими. Некоторые делаются немного короче, чем 24 часа, а некоторые немного длиннее, отсюда термин «цикадные» что означает «приблизительно сутки». Если южная летяга (Glaucomys volans) содержится в постоянной темноте, её циркадный ритм активности сокращается, часто превращаясь 23,5 – часовой цикл, который является её наследственной периодичностью. Когда животное возвращается к нормальному 24- часовому режиму, периодичность света-темноты и температуры синхронизирует её циркадный ритм таким образом, что она снова становится равным точно 24 часам. Эта способность внешних факторов синхронизировать циркадные ритмы называется «загрузкой», а воздействующие внешние факторы называются «программирующими», или «задающими» время.
Когда одногорбому верблюду (Camelus dromedarius) не хватает воды, колебания температуры его тела (Разница между верхним и нижним значениями) увеличивается от 2 °С до 6 °С, но циркадная периодичность изменения температуры не изменяется. Хотя температура тела влияет на многие физиологические процессы, она не затрагивает циркадные ритмы.
Циркадная активность комаров, проявляющаяся при низкой освещенности, становится более выраженной, если освещенность искусственно усилить. Таким образом, циркадные ритмы могут нарушаться многими искусственными внешними факторами.
Что контролируют циркадные ритмы
Если шишковидную железу, или эпифиз, воробья удалить хирургическим путём, он немедленно теряет свои циркадные ритмы. Если эпифиз пересадить обратно, воробей снова их обретает. Если пересадить эпифиз от птицы с иными циркадными ритмами, реципиент немедленно приобретает донорские ритмы взамен своих собственных. Более того, если прикрыть глаза воробья от воздействия света, его циркадные ритмы не меняются, но, если непрозрачный материал помещается на череп воробья, над шишковидной железой, птица теряет свои ритмы. У птиц циркадные ритмы регулирует секретируемый шишковидной железой гормон мелатонин, а эпифиз стимулируется светом от фоторецепторов в мозге, а не в глазах.
Сходные с результатом эксперимента по пересадке эпифиза у птиц эффект был получен в опытах с куколкой шелкопряда, которой пересаживали мозг. Без мозга куколка теряет своё циклическое поведение по превращению во взрослое насекомое, но если ей снова пересадить мозг, или мозг, полученный от других видов, циклическое поведение возвращается или соответственно становится таким, как у видов, мозг которых был имплантирован. Значит, и в этом случае поведение контролируется секрецией определённого гормона.
У млекопитающих часть среднего мозга, известная как гипоталамус, содержит два небольших собрания клеток, называемых надзрительными ядрами. Эти клетки, безусловно, являются биологическими часами и совместно с эпифизом запускают циркадные ритмы.
Надзрительные ядра «загружаются» внешним светом через глаза, но воздействуют на поведение не через гормональную активность (как у птиц и насекомых), а через нервную систему.
Лунные циклы
Несмотря на расстояние в 384 400 км и на то, что её свет (или, точнее, свет Солнца, отраженный от её поверхности) в 300 000 раз слабее, чем прямой солнечный свет, Луна оказывает важное, иногда загадочное влияние на поведение многих животных. Она воздействует на нашу планету своим светом и гравитацией, которая оказывает влияние даже через облака. Проведенными исследованиями было доказано, что для многих животных лунные ритмы являются эндогенными.
Подводный снегопад и танцующие рыбы
Впечатляющая вспышка массового размножения морских животных запускается Луной и происходит каждый год по всей лини Большого Барьерного рифа в австралийском Квинсленде. Огромное количество кораллов, образующих риф, начинает размножаться в один и тот же час, в одну и ту же ночь, в конце ноября – начале декабря, почти точно через неделю после полнолуния. В это время практически все составляющие эту огромную природную структуру миллионы коралловых полипов одновременно выбрасывают в океан свои «пакеты» со спермой или яйцами. Это явление встречи яиц и спермы и происходящее оплодотворение похоже на настоящую вьюгу, за исключением того, что «снег» двигается вверх больше чем вниз.
Интересны также вызываемые луной брачные танцы грунионов (Leuresthes tenuis) – изящных серебристых рыбок, обитающих у побережья Калифорнии. Икрометание у них происходит восемь раз за сезон, но оно всегда начинается на третью или четвёртую ночь после полнолуния, во время высоких весенних приливов. В этот момент размножающие рыбки выбрасываются на песок пляжа и там начинают бешено прыгать, и кружится бок о бок, как в пляске. Самцы, которых с избытком хватает на пляже, обвиваются вокруг тела самок, оплодотворяя икру. Самки закапывают икринки в песок, а затем с откатывающимися волнами и сопровождаемые самцами возвращаются в море. Икра остаётся в песке до следующего высокого прилива, который стимулирует молодь к выведению, после чего волны уносят с собой обратно в море молодых грунионов.
Мир животных под воздействием луны
Хотя большинство случаев влияния Луны на поведение животных известно для морских видов, но и для наземных описаны многие замечательные и даже таинственные примеры.
Доктор Р. Хартланд-Роу установил, что механизм появления взрослых и размножения у поденки (Povilla adusta) основан на влиянии Луны. Эти данные он получил, наблюдая 22 стаи насекомых в Уганде, с марта 1953 по апрель 1955 года. Исследования, проведённые на Кази, Джиндже и озере Альберта, показали, что стаи появлялись в течение пяти дней после полнолуния, причём массовый вылет насекомых приходился на следующую после полнолуния ночь. В трёх отдельных случаях стаи поденок были отмечены одновременно в местах отдалённых друг от друга на 75 км. Взрослые поденки живут несколько часов, и поэтому цель синхронного вылета и образования стай состоит во встрече двух полов, достижении максимального успеха спаривания и кладки яиц, прежде чем насекомые погибнут. Исследования показали, что у особей, постоянно содержащихся в полной темноте, лунные ритмы образования стай сохранялись, демонстрируя их эндогенное происхождение.
Уровень поведенческой активности, демонстрируемый животными, взаимосвязан с луной у многих видов. Как сообщал доктор Д. К. Ягода, изучавший животных, живших в течение двух месяцев в закрытых помещениях, кузнечиковые хомячки (Onychomys sp.) демонстрировали максимум активности – во время полнолуния. Более того, если их содержали при постоянном освещении, температуре и атмосферном давлении, крысы, хомяки и многие другие грызуны демонстрировали высокую активность связанного с Луной поведения в часы, когда Луна над горизонтом, и низкую – когда за ним.
Взрослый муравьиный лев, выглядит как хрупкая, медлительная стрекоза. Своё название это насекомое получило по личинке – прожорливому хищнику с громадными челюстями. Личинка роет коническую ямку в песке и скрывается в засаде на её дне, ожидая возможности схватить неосторожное насекомое, заползшее в неё. Исследование, проводившееся южноафриканскими энтомологами доктором Г. Я. Юзедом и доктором В. К. Мораном, из университета в Родезии, показало, что объём ямки, которую роет личинка муравьиного льва, совпадает с фазой луны и является наибольшим во время полнолуния. Но остаётся непонятным, как Луна влияет на изменения объёма ямки.
Циркадный механизм не универсален. Он различается в зависимости от биологического вида или даже от типа клеток у одного организма. Полагают, что циркадный механизм замыкается именно на уровне клетки в отличие, например, от менструального цикла, включающего нервные и эндокринные взаимодействия многих тканей. Клеточные механизмы можно изучать методами биохимии и генной инженерии. Существует множество биохимических способов воздействия на работу циркадных часов. Сначала использовались преимущественно световые импульсы. Так, для дрозофилы постоянного освещения — даже на уровне света неполной Луны — достаточно, чтобы остановить ход часов. При этом свет действует опосредованно, а не прямо на молекулы колебательного механизма.
У большинства циркадных ритмов период почти совсем не зависит от уровня температуры, если только она остается в физиологически допустимых пределах. Более того, циркадные часы в отличие от подлинных независимых (по температуре) систем не защищены от перепадов температуры: малейшее изменение последней способно сдвинуть их фазу. Помимо света и перепадов температуры на период влияют многие химические вещества, изменяющие проницаемость мембран и нарушающие синтез белка. Их кратковременное введение приводит к сдвигу фазы. Однако затрагиваемые при этом процессы многочисленны и многообразны, и не ясно, чем может быть опосредовано их влияние на ход часов. Вероятно, ни сам АТФ, ни процесс его синтеза и распада не являются деталями механизма часов. То же можно сказать и о синтезе белков.
Приливные и годовые ритмы
Удары волн о берег и смена сезонов могут повлиять на эндогенные биологические ритмы. Эти приливные и годовые ритмы являются самыми короткими и самыми длинными соответственно.
Неудивительно, что многие морские животные проявляют биологические ритмы, связанные с приливами и отливами и периодически повторяющиеся каждые 12,4 часа. Приспособление к этим ритмам позволяет животным выживать в условиях местообитаний с резкими циклическими изменениями, состоящими в том, что сначала территория покрывается водой, а затем за следующие 6 часов, открывается палящему солнцу и хищникам, сидящим в засаде не пляже.
Зелёный краб (Carcinas maenas) хорошо прячется среди камней или в расщелинах, когда прилив отступает. Однако он твёрдо знает, что можно выходить из своего убежища, когда вода снова начинает покрывать берег. Он один из тех животных, которые обитают в приливно- отливной зоне морских побережий и, появляясь и прячась, ярко демонстрирует ритмическое поведение.
Некоторые приливные ритмы не являются эндогенными, они запускаются только внешними воздействиями – изменениями солёности, давления, температуры, механическим воздействием, причиняемым потоком воды.
Тем не менее существует ряд фиксированных эндогенных приливных ритмов, для которых внешние воздействия служат в основном для синхронизации с приливами, а не для их запуска. Даже после того, как североамериканские манящие крабы (род Uca) содержались в полной темноте, без приливов на протяжении 25 дней, они всё ещё демонстрировали обычный, связанный с приливами ритм появления и затаивания, подтверждая, что эти ритмы являются эндогенными. В местах обитания этих видов крабов, на берегу моря приливы опаздывают на 50 минут каждый день. Это запоздание было смоделировано в экспериментальном приливном ритме, созданным для этих крабов изучавшим их в начале 1970 года доктором Ж. Палмером. В отличие от зелёных, манящие крабы появляются при низком приливе для поисков партнёра и демонстрации территориального поведения и прячутся под водой во время высокого прилива.
Годовые ритмы
Годовые ритмы с периодом в 365 дней служат причиной разного рода поведенческих феноменов, происходящих только один раз в году, включая миграции животных в разных уголках земного шара, зимнюю спячку и даже смену оперения и окраски меха в течении года.
Так как годовую ритмику составляют очень длительные периоды времени, их сложно смоделировать в экспериментах и соответственно выяснить, являются ли годовые ритмы, демонстрируемые животными, только запускаемыми внешними факторами или эндогенными.
Эксперименты, предполагают содержание животных в искусственных условиях постоянного света или темноты, или температуры в течении многих лет, для того чтобы пронаблюдать, сохраняется ли определённый ритм. Присутствие эндогенных ритмов было выявлено у нескольких различных видов. Например было показано, что годовой цикл линьки обоих видов – садовой славки (Sylvia borin) является эндогенным.
Птицы обоих видов содержались в постоянных условиях при 12-часовой освещённости и следующей за ней 12-часвой темноты на протяжении более чем двух лет. Этот режим исключал какие-либо сезонные изменения освещенности, и при нём годовой цикл линьки сохранился.
В лабораторных экспериментах было доказано, что изменения в семенниках обыкновенного скворца (Sturnus vulgaris) управляются эндогенными ритмами. Таким же образом при содержании многие годы в постоянной темноте жука антренуса (Anthrenus verbasci) он сохранял свой годовой ритм появления взрослого насекомого из куколки. И пятнистый олень (Cervus nippon) продолжал сбрасывать и отращивать рога ежегодно, несмотря на световой режим, экспериментально навязанный ему.
В другую очень важную группу биологических ритмов, имеющих огромное значение для высших и низших организмов, входят сезонные (околосезонные), годичные ритмы, обусловленные вращением Земли вокруг Солнца. Сезонные изменения растительного покрова Земли, миграция птиц, зимняя спячка ряда видов животных — это примеры ритмов с годичным периодом. Сезонные колебания жизненных функций характерны и для человека. Так, в регионах с сезонными контрастами климата интенсивность обмена веществ выше зимой, чем летом. Холод является адекватным стимулятором функции щитовидной железы. Артериальное давление, количество эритроцитов, гемоглобина обычно ниже в жаркое время года. Весной и летом у большинства людей работоспособность выше, чем зимой. Пик выдающихся спортивных достижений приходится на весенне-летний и ранний осенний периоды. Хорошо известно волнообразное течение многих заболеваний, при котором периоды обострения сменяются длительными ремиссиями: так, туберкулез чаще обостряется весной, а язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки — весной и осенью. В осенне-зимний и весенний периоды выявляют наибольшее число первичных больных инсулинозависимых сахарным диабетом.
Сезонные колебания физиологических показателей у многих теплокровных в определенной мере повторяют суточные: в зимний период отмечается понижение обмена и двигательной активности, в весенне-летний — активизация физиологических процессов.
Зимняя спячка
Для того чтобы бодрствовать и сохранять активность на протяжении зимы, животные должны сохранять постоянную температуру тела, а для этого необходимо увеличивать скорость обмена веществ. Чтобы увеличь её, звери должны больше есть, но богатой энергией пищи в зимнее время очень мало. Для некоторых животных зимой пищи становится слишком мало, в результате вероятность погибнуть от голода увеличивается во много раз.
Большой сон
Зимняя спячка не наступает внезапно. Подготовка животных к ней занимает многие недели, в это время они много едят, откладывают слои жира, который будет служить запасом энергии и станет средством существования на протяжении всего периода гибернации. Некоторые виды, такие как сони («dormice,» «спящие мыши», названные так из-за их гибернационных талантов, «dormir» от французского «спать»), впадают в спячку более чем на шесть месяцев: суслик (Spermophilus parryii), живущий на Северной Аляске, может проводить в спячке до восьми месяцев. Такой длительный период спячки, требует значительных жировых отложений. Летучие мыши, например, в период накопления жира могут увеличить свой общий вес на четверть.
Ежи, которые известны как, возможно, самые «крепко спящие» животные, претерпевают целый ряд физиологических изменений, предшествующих спячке. Содержание калия в их крови увеличивается, а репродуктивные органы заметно уменьшаются в размерах, поскольку зимой в них нет необходимости. То же самое происходит и со многими эндокринными железами, включая щитовидную, переднюю долю гипофиза и часть надпочечников, которые сокращают свою функцию.
Когда слои жира накоплены и приближается время спячки, животные становятся более медлительными. Сигналом к самой спячке у впадающих в неё животных часто оказывается понижения до определенного уровня температуры окружающей среды. Когда зверь засыпает, то удобно устроившийся в своей «зимней квартире», он кажется глубоко заснувшим, хотя на самом деле, состояние гибернации, в котором он находится, гораздо глубже чем любой нормальных сон.
У животных в состоянии гибернации резко снижается частота дыхания (некоторые летучи мыши делают всего одно дыхательное движение в два часа). То же самое происходит с сердечной деятельностью (у летучей мыши от 1000 ударов в минуту при полёте до 25 в минуту во время спячки). Интенсивность кровообращения также снижается настолько, что кожа и конечности кажутся холодными при прикосновении. Температура тела животного в спячке может упасть до 20 °С, то есть не намного превышать температуру окружающей среды, и поэтому животные в гибернации часто кажутся мёртвыми.
На самом деле, внутренние части тела, особенно находящиеся рядом с сердцем, остаются тёплыми, а их физиологические функции осуществляются на самом низком уровне. Регуляция температуры происходит расположенным в мозге гипоталамусом. Этот отдел мозга предупреждает слишком большое снижение температуры тела животного на протяжении спячки, даже если температура воздуха падает до довольно низкого уровня.
Красный волосатохвост (Lasiurus borealis) выживает, даже если температура тканей его тела, как и температура воздуха, падает до -5 °С.
Такие звери как сони, суслики и летучи мыши, действительно во время зимовки просыпаются через определённые интервалы времени для отправления своих естественных надобностей. Если в это время ими будет найден подходящий корм, они едят и тем самым пополняют свои жировые запасы.
Спящие более глубоким сном ежи, наоборот, не просыпаются всю зиму. На протяжении всего долгого периода гибернации для защиты внутренних органов от бактерий, населяющих их кишечник, вокруг кровеносных сосудов собирается большое количество лейкоцитов, образующих барьер для бактериальных заражений.
Пробуждающий зов
Несвоевременное пробуждение от зимнее спячки может быть более опасным для зимующего животного, чем сам сон на протяжении долгих зимних месяцев в состоянии предельно сниженной жизненной активности.
Опасность заключается в том, что процесс пробуждения значительно повышает метаболическую активность и требует больших затрат энергии. Такие животные как ежи, у которых в норме пробуждение происходит только весной, когда запас жира на исходе, просыпаясь не вовремя, попадают в опасную ситуацию.
В момент пробуждения оставшийся жир быстро расходуется на согревание тела. В результате, если зимующее животное пробуждается не вовремя и не может пополнить запасы жира, перед тем как снова заснуть, оно подвергается опасности преждевременно израсходовать запасы жира и погибнуть. Поэтому спящих ежей не рекомендуется тревожить и будить.
Летняя спячка
Тогда как одни животные впадают в зимнюю спячку, чтобы избежать холода зимой, другие прибегают к такому же способу, сталкиваясь с необыкновенным повышением температуры или во время жесткой засухи летом. Летняя спячка встречается реже, чем зимняя, и получила название – эстивация. Эстивация опасна для различных животных, и иногда, например в случае длительной засухи она может длиться годами.
Спрятавшиеся от жизни в кокон
Самые известные животные, впадающие в летнюю спячку, - это африканские протоптеры. Эти рыбы – бурый протоптер (Protopterus annectens) и тёмный протоптер (P. dolloi), обычно обитают в болотах и реках. Во время жары водоёмы могут полностью высыхать и оставаться пересохшими на протяжении многих месяцев. С началом засухи протоптеры в мягком иле, или на дне водоёма роют норку, заканчивающуюся более широкой камерой. Там рыба остаётся до тех пор, пока уровень воды не достигнет входа в норку. После этого вход в норку запечатывается пористой, пропускающей воздух земляной пробкой. Теперь даже без воды протоптеры не погибнут, так как быстро выделяют вокруг себя большое количество густой слизи, которая затвердевая, образует внутри камеры защитный кокон. Используя проходящий в камеру воздух, протоптеры могут дышать и, если это необходимо, оставаться погребёнными в этом состоянии многие месяцы.
Учёными отмечен случай, когда живые рыбы были выкопаны и извлечены из слизистых коконов, - они пролежали в них без доступа воды более четырёх лет. Протоптеры были, конечно, истощены, но живы.
Как только заканчивается засуха и в новый в новый сезон дождей болота наполняются водой, бурый протоптер просыпается, выбирается из кокона и начинает нормально питаться.
Для того чтобы вывести рыбу из состояния спячки, достаточно шума, падающих капель дождя. Сельские жители Судана, для которых протоптер – популярный деликатес, обманывают рыбу, заставляя её выбраться из подземных камер. Незадолго до начала сезона дождей они отправляются на пересохшие водоёмы, где протоптеры уютно устроились в своих коконах, и начинают громко и отрывисто стучать пальцами по тыкве. Этот шум напоминает шум капель дождя, стучащих по илу, и побуждает протоптера выйти из летней спячки. Когда рыба пробуждается, она издаёт характерные хрюкающие звуки. Когда люди слышат эти звуки, они быстро раскапывают землю и хватают застигнутых врасплох протоптеров. Но не все протоптеры способны впадать в летнюю спячку – разогуб (Neoceratodus forsteri) из Австралии погибает, если его речной дом пересыхает. Похожая на угря южноамериканская рыба лепидосирен, или чешуйчатник (Lepidosiren paradoxa)? Так же впадает в летнюю спячку. Его нора располагается в илистом дне озёр или болот с выходом на воздух, но в отличие от своих африканских родственников чешуйчатник не делает кокона.
Оставшиеся в живых
На протяжении летней спячки метаболизм в организме протоптера заметно снижается. То же самое происходит при настоящей зимней спячке, и всё это позволяет рыбе выживать. Для того чтобы выжить протоптер использует разнообразные физиологические приспособления, позволяющие значительно продлить время физического заточения в коконе. Лишенный возможности питаться, он получает энергию другим путём, который называется аутоканнибализм или аутофагия. В процессе аутофагии организм рыбы активно переваривает часть тканей своего тела, в особенности свои мышцы. Так, один протоптер, которого обследовали непосредственно перед тем, как он себя «запечатал», имел длину 40,6 см, а затем, через шесть месяцев «заточения», стал короче. Его длина уменьшилась до 36,5 см, а вес соответственно с 347 – до 289 г. Спустя два месяца после выходы из кокона эта рыба снова приобрела свои начальные пропорции.
Ещё более удивительной является способность протоптера избегать опасного воздействия токсичных продуктов собственной жизнедеятельности. Поскольку, находящемуся в коконе протоптеру некуда выбрасывать свою мочу, его почки рециркулируют из мочи воду и удерживают в себе токсичные компоненты. Почки рыбы развили невероятную устойчивость к ядовитым компонентам мочи и способны увеличивать их концентрацию до более чем 20 000 частей мочевины на миллион без вредного воздействия. Для сравнения следует напомнить, что концентрация более чем 10 частей мочевины на миллион, как правило, смертельно для большей части позвоночных. Когда протоптер возвращается в воду, его почки выделяют запасенную мочевину и рыба возвращается к нормальной жизни.
Летняя спячка у прочих
Сухопутные рыбы избегают высокой температуры воздуха, оставаясь спать в своих норках до тех пор, пока условия не оказываются более благоприятными.
Похоже, земляные черви впадают в летнюю спячку во время особенно жаркого лета, вырыв камеру глубоко в почве и свернувшись спирально внутри. И многие сухопутные улитки, особенно пустынные обитатели, втягиваются внутрь своих раковин для избежания высыхания в условиях сухого лета, выделяя специальную мембрану на отверстии раковины, которая уменьшает испарение. Они могут оставаться закрытыми таким образом при необходимости на годы, до тех пор, пока не возвратятся дожди.
Торпор
Зимняя спячка – наиболее распространённый среди животных, но не единственный способ пережить холода. Например у многих видов колибри при понижении температуры воздуха наступает оцепенение, или торпор, которое так же называется торпидностью, или оцепенением. Это явление может рассматриваться как разновидность ночной спячки.
Такие крошечные создания, как колибри, имеют исключительно высокий уровень обмена веществ, и так как они большей частью питаются на лету, то на сбор пищи расходуют значительное количество энергии. Кроме того, из-за очень маленьких размеров эти птицы не могут хранить в своём теле сколь-нибудь значительные запасы питательных веществ. В дневное время, когда температура окружающей среды высока и пищи в виде цветочного нектара и крошечных насекомых достаточно, такие особенности физиологии не причиняют неудобств. Но что происходит ночью?
Живущие без полуночной закуски
Во-первых, колибри не видят в темноте и не могут найти пищу. Во-вторых, если бы даже они и видели, но цветы, нектар которых служит им основной пищей, закрываются на ночь, а дневные насекомые прячутся. Кроме того, ночью холодает, и для поддержания высокого уровня обмена веществ и температуры тела колибри нуждалась бы в большем по сравнению с дневным количестве пищи. Очевидно, что такое стечение обстоятельств привело бы птиц к смерти, но каждую ночь колибри впадают в оцепенение – подобное сну состояние, похожее на зимнюю спячку. В этот период температура их тела резко понижается, у некоторых видов на 30 °С. На следующее утро, когда температура воздуха повышается до своего обычного дневного уровня, то же происходит и с температурой тела колибри, и птицы, выходя из состояния оцепенения, начинают активно кормиться. Столь удивительная и эффективная физиологическая стратегия известна под названием гетеротермии.
Температура воздуха, вызывающая оцепенение колибри, часто взаимосвязана с высотой местности над уровнем моря. Повсеместно, чем выше обитание птиц, тем холоднее и ниже температура, приводящая к оцепенению. Колибри Андская горная звезда (Oreotrochilus estella), обитающая в горах на высотах 3800 - 4200 м над уровнем моря, впадает в оцепенение, только когда температура воздуха опускается до 7 °С, тогда как колибри Евлампис (Eulampis jugularis), обитающий на высоте менее чем 1500 м над уровнем моря, впадает в оцепенение, когда температура окружающей среды становится меньше 20 °С.
По-настоящему впадающая в спячку птица?
Такие виды птиц, как, например, африканские птицы-мыши, стрижи (особенно гнездящиеся) и ласточки, могут при необходимости впадать в оцепенение на несколько дней, особенно в холода, когда пища недоступна. Однако это их состояние не является настоящей спячкой, такой, которую демонстрирует спящий козодой. Спящий козодой – это единственная птица, которой свойственная настоящая спячка, продолжающаяся приблизительно 88 дней в году.
Землеройки – интересная группа насекомоядных млекопитающих, в число которых входят самые крошечные виды. Так же как и колибри, они обладают чрезвычайно интенсивным уровнем обмена веществ и высокой температурой тела, и также постоянно живут на грани голодной смерти.
В отличие от колибри землеройки могут охотится ночью так же хорошо, как днём, и активны даже зимой.
Спящие зимой
О медведях часто говорят, что они впадают в зимнюю спячку, но это, строго говоря, не совсем так. Хотя они и находятся большую часть зимы в берлоге, их физиологические процессы не столь глубоки, как при настоящей зимней спячке. Осенью медведи активно питаются и откладывают большие жировые запасы так же, как настоящие гибернаторы. Так же с началом зимы медведи ложатся в берлогу и засыпают, их дыхание и частота сердцебиения значительно замедляются и почти на 50 процентов уменьшается уровень поглощения кислорода. Тем не менее, температура их тела понижается всего на несколько градусов, тогда как у настоящих гибернаторов она падает до уровня лишь немного превышающего температуру воздуха. Более того, медведи могут просыпаться зимой, и на многие дни покидать берлогу в поисках пищи. Самки медведей даже рожают в берлоге детёнышей, а этого не могло бы происходить, если бы звери впадали в глубокую спячку.
Использующие ил как изолятор
Амфибии, рептилии и насекомые являются холоднокровными, или пойкилотермными, животными. Они неспособны регулировать температуру собственного тела, которая находится в непосредственной зависимости от температуры воздуха. Ночью и особенно зимой температура тела этих животных значительно падает. В результате в эти периоды жизни амфибии и рептилии становятся очень уязвимыми и обычно прячутся в разнообразные убежища для того, чтобы избежать хищников и сохранить драгоценное тепло тела. Если температура воздуха сильно понизится и соответственно понизится температура их тела, для этих животных возникает опасность погибнуть от переохлаждения. Лягушки избегают этого, закапываясь на зиму в ил на дне пруда. Здесь они становятся тёплыми, и впадая в оцепенение потребляют меньше кислорода. Это означает, что они могут выжить, дыша сквозь кожу, что потребует меньших затрат энергии, чем тогда, когда они дышат лёгкими.
Змеи между тем предпочитают на зимние месяцы собираться в подземные логова. Глубина такого логова напрямую зависит от уровня, до которого снижается обычно температура в это время года, а так же от длительности периода оцепенения. Змеи часто собираются в больших количествах, для того чтобы сохранить, насколько это возможно, тепло своего тела. Они даже разделяют свои места зимовки с другими пойкилотермными животными, такими, как ящерицы, черепахи и жабы.
Спаривание, следующее за большим сном
Каждый год тысячи обыкновенных подвязочных змей (Thamnophis sirtalis parietalis) собираются в нарциссовую страну озёр в провинции Манитоба, недалеко от озера Виннипег (Канада). Логовом могут служить любые убежища: известковые пещеры, ямы от выкорчеванных деревьев, канализационные коллекторы и просто кучи камней, в которых собираются до 10 000 змей одновременно. Они прячутся в убежищах в начале сентября и появляются снова в мае. В это время в течение трёх недель у змей происходит бурный ритуал спаривания, после которого животные на всё лето расползаются по ближайшим болотам.
Однако, несмотря на объединение в убежищах и другие предпринимаемые животными усилия, 80 процентов молодых подвязочных змей не в состоянии пережить свою первую зиму.
Пауза для роста
Случается, что некоторые виды насекомых используют период, когда у них снижается уровень обмена веществ и приостанавливаются рост и развитие, для того чтобы пережить трудные времена. Этот этап жизни известен как диапауза.
Диапауза используется, например, такими видами, как некоторые жуки, бабочки и другими взрослыми насекомыми, для выживания во время зимовки. В этом случае диапауза может рассматриваться как этап зимней спячки.
Во время зимней диапаузы оплодотворённые яйца на ранних стадиях развития находятся внутри самок и сохраняются за счёт замирания до весны. Весной, когда взрослые насекомые выходят из стадии оцепенения, развитие яиц продолжается и они откладываются самками.
Погребенные животные
Среди самых удивительных встреч, отмеченных в анналах естественной истории, били находки животных в полых камнях. После раскалывания из таких полых камней появлялись жабы, а иногда и другие маленькие захороненные животные. Каким образом они были захоронены и как они могли выжить в таком состоянии, без какого-либо источника питания?
Жабы в полостях
Хорошо документированный случай, описывающий случай, описывающий находку жабы внутри полностью запечатанного камня, имел место в 1835 году. Недалеко от Ковентри, некий Джон Брутон обратил внимание на камень, упавший из вагона около железнодорожных путей. Когда камень ударился о землю и раскололся, в его середине оказалась полость. К сожалению жаба повредила себе голову, и Брутон держал повреждённую амфибию напоказ в своём офисе до тех пор, пока через 10 лет она не умерла.
Другой случай произошёл значительно позже в Новой Зеландии, в 1982 году. Бригада железнодорожников продлевала пути возле Те-Куити. В обтёсываемой плите осадочной породы аргиллита они заметили небольшую полость. Крошечная камера находилась в 4 метрах под землёй. Когда удивлённый рабочий пригляделся, он увидел живую лягушку, уютно устроившуюся внутри полости. Ещё минуту назад она была похоронена под многими тоннами земли. Вторая живая лягушка была обнаружена следом в другой полости, в том же самом пласте камня.
Одним из очевидцев этой удивительной находки был Л. Эндрю, контролёр железнодорожных работ, который утверждал, что лягушки не могли провалиться в дыру – они были определённо внутри полостей, когда камень был расколот во время обработки.
Подлинник или подделка
Единственный сохранившийся экземпляр жабы в камне теперь демонстрируется в музее чудес в английском Брайтоне. Экспонат состоит из полой конкреции камня, внутри которого находится мумифицированное тело жабы. Считается, что она была найдена в 1899 году, когда конкреция была расколота рабочими в каменоломне в Левайсе, восточном Суссексе (Англия). Но подлинная ли она? Может быть и нет.
Сейчас существует как ряд достоверно зарегистрированных свидетельств о жабах, заключённых в тюрьму, там и множество разоблачений таких открытий.
Но если эти случаи действительно происходили как они могут быть объяснены? Одна из теорий – жабы попадают в камни ещё очень маленькими, через отверстия, обычные в известняках, или через трещины, ведущие внутрь. Попав внутрь каменной камеры, они растут и попадают в ловушку, если не найдут выход назад раньше. Запах жаб, может привлекать в их полости крошечных насекомых, которыми они питаются. Воздух свободно проникает через поры или трещины в камне, так же как и влага. Это может поддержать жабу во время всего её вынужденного заточения.
Если жабы впадают в состояние оцепенения, как это случается при неблагоприятных внешних условиях, уровень обмена веществ у них снижается, позволяя жабам выживать значительно дольше, чем если бы они были в своём нормальном активном состоянии.
Современный случай, делает сюжет о захоронении живых животных снова актуальным. Произошёл он с выброшенной жестяной банкой из-под кока-колы, с кольцом для открывания, которую нашёл школьник из средней школы в Реале (Уельс) в 1995 году.
Убирая мусор в школьном дворе, мальчик обнаружил выброшенную банку. Он был очень удивлён, найдя внутри лягушку – животное было гораздо больше, чем отверстие в банке. После осмотра банки и лягушки, директор средней школы по науке Давид Вилсон, заключил, что лягушка могла попасть в банку ещё головастиком, а потом, постепенно выросла, до размеров не позволяющих ей выбраться из банки. Он решил что она питалась насекомыми попадающими в банку. Этот случай является сценарием, очень похожим на наиболее обычную версию, дающую объяснение феномену погребённых в камнях жаб.
Список используемой литературы:
Биологические ритмы. Под ред. Ю. Ашоффа, пер. с англ., т. 1—2, М., 1984;
Биологические часы. Под ред. С.Э. Шноля, пер. с англ., М., 1964;
Бюннинг Э. Ритмы физиологических процессов. — М., 1961. с. 45 – 98.
Губский В. И., Губский Л. В. Циркадные ритмы и механизмы
циркадной организации// Усп. совр. биол. Т. 68. 1969. С. 23 – 44.
Чернышевский. А.Г. Биологические ритмы.- Проблемы космической биологии. т. 41, 1980.
Шукер К. Удивительные способности животных. Загадки живой природы. М.,2002. «Мир книги».с. 90-115