ГИБЕРНАЦИЯ,

или какие биохимические процессы лежат в основе оцепенения и зимней спячки

Мы, жители средней полосы, привыкли к тому, что осенью, когда лучи солнца становятся не такими теплыми и небо все чаще затягивают тучи, в природе происходят ставшие привычными изменения: деревья сбрасывают листья, исчезают комары, мухи и бабочки, птицы улетают на юг, а мы достаем из шкафов теплые пальто и куртки. Начинается период долгой зимы, которая в разных регионах нашей страны может длиться много месяцев. При этом мы редко задумываемся о том, как проводят зиму наши соседи – дикие обитатели окрестных лесов, полей и лугов. Да, мы помним, что медведь зимой спит в берлоге, волки, лисы и зайцы, переодевшись в более теплый зимний мех, продолжают вести активный образ жизни, а синицы, дятлы и поползни продолжают разыскивать семена растений и спящих насекомых в заснеженных лесах и парках.

Однако млекопитающие и птицы – теплокровные животные, поэтому при достаточном количестве корма они способны поддерживать температуру своего тела на постоянном уровне [1]. Вспомним, например, что клесты даже строят гнезда и выводят птенцов в самые холодные зимние месяцы, поскольку именно в это время созревают семена сосны и ели – их основная пища. Тем не менее, количество доступного корма зимой значительно меньше, чем летом, поэтому многие птицы откочевывают в южные области или совершают более дальние перелеты. Сезонные миграции характерны и для многих млекопитающих, однако большая часть обитателей наших широт проводит зиму, не покидая родных мест. Рядом с нами зимуют и холоднокровные позвоночные – пресмыкающиеся и земноводные, температура тела которых полностью зависит от температуры окружающей среды.

Вспомним, что удельная теплоотдача организма резко возрастает при уменьшении линейных размеров тела животного, поэтому медведю или волку гораздо легче, или «дешевле» в плане затрат энергии, поддерживать зимой постоянную температуру тела, чем, например, мелким представителям отрядов грызунов или насекомоядных. Поэтому неудивительно, что многие мелкие млекопитающие в процессе эволюции избрали единственно верную стратегию выживания в зимний период: не пытаться поддерживать температуру своего тела высокой, не считаясь с затратами энергии, так как энергоресурсов (запасов корма или подкожного жира может и не хватить), а позволить ей опуститься до температуры окружающей среды, как это происходит у холоднокровных животных [1, 2].

Главная опасность такой стратегии заключается в том, что температура окружающей среды может упасть ниже температуры замерзания жидкостей тела, в первую очередь крови, и тогда образующиеся кристаллы льда могут разрушить клеточные мембраны, порвать капилляры, повредить нервы, что неизбежно приведет к гибели организма. Поэтому млекопитающие, даже находясь в состоянии глубокого оцепенения, должны контролировать температуру тела, увеличивая или уменьшая теплопродукцию в зависимости от колебаний температуры.

Еще большую опасность резкие перепады температур представляют для холоднокровных животных, так как они не способны регулировать температуру своего тела за счет повышения интенсивности обмена веществ. Многие из них проводят зиму в состоянии глубокого переохлаждения, когда температура падает ниже точки замерзания, но кровь и другие жидкости тела в лед не превращаются. Другие животные, наоборот, остаются живыми после замерзания, когда значительная часть жидкости в их теле превращается в лед, и последующего оттаивания. Итак, и мелкие млекопитающие, впадающие в спячку, и пресмыкающиеся, и земноводные способны выживать в самые суровые зимы. Попробуем разобраться, как это удается сделать некоторым представителям теплокровных и холоднокровных животных.

Что такое гибернация?

Термин “гибернировать” (от латинского hiberna – зима) означает проводить зиму в оцепенении, но гибернация млекопитающих отличается от гибернации холоднокровных позвоночных и беспозвоночных рядом специфических особенностей [1, 2]. Во-первых, у млекопитающих при впадении в спячку уменьшение скорости обмена веществ предшествует снижению температуры тела животного. Ингибирование метаболизма млекопитающих при гибернации, в отличие от холоднокровных животных, является не результатом снижения температуры тела, а происходит вследствие уменьшения теплопродукции за счет подавления биохимических процессов. Млекопитающие способны охлаждаться до низких температур без нарушения координации между отдельными физиологическими процессами в организме и контролировать температуру своего тела, не давая ей опускаться ниже точки замерзания крови (Рис. 1).

Рисунок 1. Малая бурая ночница Myotis lucifugus в полете. Ночницы, как и многие другие виды летучих мышей, проводят зиму в пещерах, каменоломнях, заброшенных шахтах в состоянии глубокого оцепенения. При этом частота сердечных сокращений летучих мышей, которая в активный период составляет 500-900 ударов в минуту, снижается до 10-20 ударов, а температура их тела опускается до 0,5-0,9^оС, что, однако, выше точки замерзания крови [1]. В экспериментальных условиях эти животные могут даже переносить переохлаждение до -7 и даже до -9^оС втечение нескольких дней, но если их кровь превращается в лед, они погибают. В природе, по-видимому, с такими низкими температурами летучие мыши не сталкиваются.

Во-вторых, млекопитающие накапливают значительный запас питательных веществ, что позволяет им находится в спячке на протяжении многих месяцев. Так, содержание гликогена в печени у многих видов сусликов увеличивается осенью почти в 2 раза, а содержание жира – на 35-50%, причем накапливаются в основном жиры, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая и линоленовая), имеющие низкие температуры замерзания. Именно сжигание жиров обеспечивает необходимую продукцию тепла в процессе спячки и согревание животного при пробуждении [2].

В третьих, зимняя спячка млекопитающих состоит из нескольких периодов сна (так называемых «баутов») продолжительностью 2-4 недели и кратковременных (на несколько часов) пробуждений между ними, которые, вероятно, нужны, чтобы восстановить кислотно-щелочной баланс крови и избавиться от накопившейся мочи [2]. То есть млекопитающие способны периодически «включать» обменные процессы, приводящие к продукции тепла, согреваться от 2-4 ° С до 37-38 ° С, а потом снова замедлять метаболизм.

Пробуждение у гибернирующих млекопитающих состоит из двух стадий. На первой стадии температура тела увеличивается до 10-12 ° С благодаря химическому термогенезу при окислении бурого жира и несократительному (недрожательному) термогенезу в скелетных мышцах. Бурый жир, в соответствии со своей локализацией, способствует разогреванию в первую очередь головного и спинного мозга, а также сердца и внутренних органов в области сердца. Несократительный термогенез в скелетных мышцах характеризуется отсутствием внешних проявлений мышечного сокращения. На второй стадии выработка тепла осуществляется за счет сократительного термогенеза, который характеризуется синхронным сокращением сразу большой массы мышечных волокон [2]. Таким образом, скелетная мускулатура играет важную роль в общей теплопродукции гибернаторов, особенно в периоды пробуждений.

Жизнь при температуре тела около нуля, или как зимуют теплокровные

Гибернация характерна для представителей нескольких отрядов млекопитающих: яйцекладущих (ехидна, утконос), сумчатых (сумчатая мышь, Тасманийский опоссум), насекомоядных (тенрек, землеройки, ежи), рукокрылых (летучие мыши), приматов (карликовые лемуры с острова Мадагаскар), хищных (медведь, скунс, енот), грызунов (суслики, сурки, бурундуки, тушканчики, хомяки). Гибернировать могут и некоторые птицы (колибри, стрижи) [1].

Переход в состояние оцепенения у животного могут вызывать такие внешние факторы, как недостаток кормов, снижение температуры окружающей среды, изменение длины светового дня или газового состава воздуха. Но, прежде всего, гибернация обусловлена эндогенными ритмами, связанными с циклическими изменениями активности нейроэндокринной системы животного. Предполагается, что при переходе к зимней спячке происходит постепенное уменьшение порога гипоталамической температуры (определенной заданной температуры тела, которая контролируется специальными клетками гипоталамуса) [1]. Различные температурные воздействия на гипоталамус животного (например, искусственное охлаждение или нагревание через вживленные термоэлементы) приводят к компенсаторным изменениям теплопродукции организма. Так, повышение температуры гипоталамуса относительно заданной величины приводит к снижению скорости метаболизма и теплопродукции, а снижение температуры гипоталамуса – к обратному эффекту. Таким образом, прогрессивное снижение порога гипоталамической температуры во время перехода животного к гибернации приводит к падению скорости метаболизма, уменьшению теплопродукции и постепенному снижению температуры тела животного. При пробуждении от спячки, наоборот, происходит повышение порога гипоталамической температуры. По-видимому, изменение порога гипоталамической температуры животного определяется изменением концентрации нейропептидов, серотонина и других эндогенных соединений, а также изменениями активности соответствующих ферментативных систем (Рис. 2).

Основным источником энергии при гибернации являются жиры, поэтому гликолиз в разных тканях животных подавляется практически полностью. У летучих мышей и сурков это обеспечивается за счет резкого снижения в зимний период количества ключевых ферментов гликолиза – фосфофруктокиназы, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы и пируваткиназы, а также изменения их изоферментного состава. У американских тушканчиков к подавлению гликолиза приводит фосфорилирование протеинкиназами фосфофруктокиназы и пируваткиназы, ингибирующее их активность, а у некоторых сусликов – фосфорилирование пируватдегидрогеназы – фермента, направляющего продукты гликолиза в цикл Кребса, также вызывающее подавление ее активности.

Значительные перестройки метаболизма происходят в скелетной мускулатуре, которая, как говорилось выше, играет важную роль в общем термогенезе гибернаторов. Большинство мышц спящих животных полностью неактивно, однако сердце продолжает работать в замедленном ритме, сокращаются межреберные мышцы и диафрагма, обеспечивая редкие дыхательные движения. Кроме того, основная масса скелетных мышц очень быстро (всего за несколько часов) полностью восстанавливает свою сократительную активность при периодических пробуждениях животных между баутами спячки. Что же позволяет сердцу и скелетным мышцам сохранять свою работоспособность в таком широком диапазоне температур?

Как известно, функциональная активность мышц разных типов обеспечивается работой сократительных белков (миозина и актина) и регулируется посредством изменения концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме клеток. Увеличение уровня внутриклеточного Са²⁺ происходит за счет его входа в цитоплазму из внеклеточного пространства через Са-каналы плазматической мембраны (ПМ), которые передают возбуждение на Са-каналы саркоплазматического ретикулума (СР), освобождающие Са²⁺ из полостей ретикулума. За удаление Са²⁺ из цитоплазмы в процессе расслабления мышцы отвечает локализованная в мембранах ретикулума Са-АТФаза СР [3].

При гибернации в мышцах многих животных (хомяки, суслики) обнаружено изменение спектра изоформ тяжелых и легких цепей миозина и увеличение уровня фосфорилирования регуляторных легких цепей миозина эндогенными протеинкиназами. Эти изменения приводят к снижению актин-зависимой АТФазной активности миозина и, следовательно, к подавлению сократительной активности мышц. Кроме того, в мышцах сусликов Spermophilus undulatus в разные периоды баутов спячки изменяется организация толстых миозиновых филаментов. Если у спящих или пробудившихся животных эти филаменты имеют упорядоченную структуру с регулярным расположением миозиновых головок, т.е. способны взаимодействовать с тонкими актиновыми филаментами и обеспечивать сокращение, то при пробуждении регулярная структура миозиновых нитей полностью нарушается. По-видимому, такое нарушение структуры сократительного аппарата в значительной степени обеспечивает продукцию тепла при несократительном термогенезе на первых этапах пробуждения, поскольку энергия, освобождаемая при гидролизе АТФ миозиновой АТФазой, не затрачивается на механическую работу, а выделяется в виде тепла.

Уже осенью при подготовке к зимней спячке у бурундуков и сусликов происходят значительные изменения свойств Са-каналов ПМ. Снижается чувствительность этих каналов к деполяризации мембраны и уменьшается время жизни открытого состояния канала, т.е. в зимний период снижается вход Са²⁺ в клетки через Са-каналы ПМ и, как следствие, падает сократительная активность сердечной мышцы. Как и во многих других случаях, изменение свойств Са-каналов ПМ сердца при гибернации связано, по крайней мере, у сусликов, с уменьшением уровня фосфорилирования субъединиц каналов эндогенными протеинкиназами.

В нашей лаборатории было обнаружено, что при гибернации более чем в 2 раза снижается активность Са-АТФазы СР скелетных мышц сусликов Spermophilus undulatus , причем падение активности фермента также связано с уменьшением уровня фосфорилирования белков мембран ретикулума эндогенными протеинкиназами [4]. Кроме того, в зимний период происходят значительные изменения белкового состава мембран СР.

В мембранах СР скелетных мышц гибернирующих сусликов содержание Са-связывающих белков снижается в 3-4 раза, тогда как содержание Са-АТФазы и Са-каналов практически не изменяется [4]. Интересно отметить, что наблюдаемые изменения происходят уже осенью при подготовке сусликов к спячке и сохраняются в течение всех зимних месяцев даже при содержании животных при высокой температуре, когда они не впадают в спячку. Таким образом, изменение функциональных свойств Са-транспортирующих систем мембран СР скелетных мышц сусликов при гибернации обеспечивается за счет изменения количества и уровня фосфорилирования регуляторных белков. По-видимому, протеинкиназам принадлежит одна из главных ролей в перестройке метаболизма мелких млекопитающих при гибернации.

Жизнь при температуре тела ниже нуля, или как зимуют холоднокровные

Итак, основная стратегия выживания в зимний период у мелких млекопитающих заключается в снижении общих энергозатрат за счет понижения температуры тела и поддержании этой температуры на уровне, всегда превышающем температуру замерзания жидкостей тела. Однако такая стратегия недоступна беспозвоночным и большинству низших позвоночных. Как же им удается пережить зимнюю стужу?

Проблем с замерзанием не возникает у пресноводных организмов (водные беспозвоночные, рыбы, зимующие в водоемах земноводные), так как достаточно глубокие водоемы не промерзают до дна, а температура воды подо льдом всегда выше 0 ° С. В то же время большинство сухопутных организмов сталкивается с этой проблемой. В связи с этим в процессе эволюции у них выработались приспособления, позволяющие бороться с образованием льда или выживать в условиях, когда жидкости тела превращаются в лед, сердце перестает сокращаться, а кровь циркулировать. (Следует, однако, заметить, что в лед превращается только внеклеточная жидкость, а цитоплазма клеток не замерзает даже при очень низких температурах, так как превращение в лед цитоплазмы неизбежно ведет к разрушению внутриклеточных структур и гибели клетки.)

Рисунок 3. Подвязковая змея Thamnophis sirtalis проводит зиму в подземных пещерах, где температура редко опускается ниже нуля, часто собираясь вместе по нескольку сотен экземпляров. Её устойчивость к замерзанию не очень высока - примерно сутки при -1,5^оС и всего несколько часов при более низких температурах (температура замерзания крови у этой змеи около -0,5^оС). Тем не менее, это позволяет змеям выживать при заморозках в особенно холодные весенние и осенние ночи, а также дает возможность искать более теплые места, если температура в пещере опускается слишком низко.

Такой способностью обладают многие беспозвоночные, некоторые змеи (Рис. 3), черепахи (Рис. 4) и зимующие в лесной подстилке несколько видов лягушек и квакш (Рис. 5). Эта возможность обеспечивается за счет реализации ряда молекулярных механизмов, включая накопление низкомолекулярных криопротекторов, контроль за ростом кристаллов льда в плазме крови с помощью специальных белков, борьбу с обезвоживанием клеток и стабилизацией макромолекулярных внутриклеточных структур, а также обеспечение уникальной устойчивости клеток этих животных к ишемии (практически полному отсутствию кислорода) и способности проводить дни или недели в состоянии полного анаэробиоза. Рассмотрим более подробно, какие биохимические механизмы включаются в зимний период у одной из североамериканских лягушек Rana sylvatica (Рис. 6), у которой в лед превращается до 65% от массы тела [5].

Рисунок 4. Детеныши расписной черепахи Chrysemys picta вылупляются из яиц в сентябре, но остаются в гнездах на берегах рек и озер до следующей весны. В зимнее время они выдерживают замерзание (порой неоднократное!) жидкостей их тела. Взрослые черепахи проводят зиму под водой в непромерзающих до дна водоемах. Они обладают другой уникальной способностью - обходиться без кислорода в течение трех-четырех месяцев, когда поверхность водоема покрыта слоем льда.

Широко известно, что многие живые организмы способны к переохлаждению: жидкости их тела не замерзают даже при температурах ниже точки замерзания [1]. Переохлаждение имеет свои пределы: спонтанное образование льда начинается в так называемой точке критического переохлаждения, которая для некоторых арктических видов беспозвоночных может достигать - 50 ° С. Такая способность к существованию в переохлажденном состоянии обеспечивается накоплением в организме животных специфических криопротекторов (антифризов) – веществ, препятствующих возникновению центров кристаллизации воды и, соответственно, образованию льда. У большинства беспозвоночных в роли такого криопротектора выступает глицерин.

а)

б)

Рисунок 5. Серая квакша Hyla versicolor может менять свою окраску летом от серого до лимонно-зеленого цвета (а), а зимой, превратившись в лед, она становится голубой (б). Обратите внимание на типичную "скрюченную" позу промерзшей квакши - лапы плотно прижаты к телу, пальцы спрятаны под брюшко. Такая поза позволяет этой и другим лягушкам уменьшать потери воды за счет испарения во время длительных (до нескольких недель!) периодов промерзания.

Одна из главных опасностей для животных с такой стратегией – контакт покровов тела со льдом. Такой контакт или возникновение в крови центров кристаллизации воды у организма, находящегося в состоянии глубокого переохлаждения, вызывает мгновенное лавинообразное промерзание тканей, что, как правило, приводит к гибели [1]. Именно поэтому многие насекомые, их личинки или куколки, зимуют в специальных непроницаемых для воды коконах или в специально найденных сухих местах (Рис. 7).

а)

б)

Рисунок 6. Лесная лягушка Rana sylvatica летом и (а) и зимой (б). У промерзшей лягушки останавливается сердце, прекращается циркуляция крови, отсутствует дыхание, не регистрируется электрическа активность мозга, но все эти функции удивительным образом восстанавливаются уже через 1-2 ч после оттаивания.

Зимующей в лесной подстилке лягушке контактов со льдом избежать трудно. Образование льда в ее теле начинается уже при относительно высоких температурах (от - 2 до - 3 ° С) и благодаря этому протекает медленно и контролируемо [5]. В плазме крови лягушки содержатся специфические белки и липопротеиды, выступающие в роли центров кристаллизации льда и, в то же время, препятствующие образованию крупных кристаллов. Более того, в качестве центров кристаллизации льда выступают и бактерии, обитающие на коже и в кишечнике этих лягушек. Благодаря их присутствию «промерзание» тела лягушки идет от периферии к центру, причем начало замерзания периферических частей тела стимулирует ряд процессов подготовки внутренних органов к скорому образованию льда.

а)

б) и в)

Рисунок 7. У золотарниковой пестрокрылки Eurosta solidagilis и галловой моли Epiblema scudderiana личинуи живут и питаются в галлах - наростах на стеблях золотарника Solidago sp., иногда оба вида на одном растении (а). В этих же галлах личинки последних возрастов проводят зиму (б, в). Личинка пестрокрылки накапливает большие большие концентрации антифризов - глицерина и сорбитола, что снижает температуру замерзания жидкостей тела до -8, -9^оС. Однако при более низких температурах они могут промерзать, при этом в лед превращается до 65% жидкостей их тела. Личинки галловой моли накапливают до 8% глицерина и могут охлаждаться (без замерзания) до -38^оС. Для избежания контактов со льдом они окружают себя плотным шелковистым коконом.

Начало образования льда стимулирует повышение в крови лягушки уровня глюкозы, которая с одной стороны выступает в качестве криопротектора, а с другой увеличивает осмолярность жидкостей тела и препятствует обезвоживанию и уменьшению объема клеток ниже критического порога при образовании льда в органах и тканях. Помимо глюкозы, увеличивается содержание в клетках трегалозы и пролина, которые выступают в качестве стабилизаторов структуры мембран. Глюкоза образуется в печени в результате b -адренергической стимуляции расщепления гликогена гликогенфосфорилазой, т.е. этот процесс контролируется уровнем гормонов в крови. Выход глюкозы из клеток печени в кровь и ее поступление в клетки органов и тканей обеспечивается переносчиками глюкозы, количество которых в мембранах клеток возрастает осенью в несколько раз. Кроме того, в зимний период резко возрастает содержание в клеточных мембранах белков-аквапоринов (каналов для воды), так как увеличение концентрации глюкозы сопровождается перераспределением воды между клетками и окружающей жидкостью. Поскольку промерзание идет от поверхности внутрь тела, содержание глюкозы увеличивается также от периферии к центру. Следствием этого является снижение температуры замерзания жизненно важных внутренних органов лягушки, в первую очередь сердца: сердце лягушки замерзает последним и оттаивает первым, обеспечивая начало циркуляции крови [5].

При превращении внеклеточной жидкости в лед клетки оказываются в условиях жесткой гипоксии и перестают снабжаться кислородом. Их выживание в этот период поддерживается за счет внутренних ресурсов и анаэробных ферментативных процессов. Вследствие этого в клетках разных органов и тканей в значительных количествах накапливаются лактат и аланин. Хотя общий пул адениловых нуклеотидов при замерзании снижается, соотношение АТФ/АДФ поддерживается на высоком уровне.

Важно подчеркнуть, что в зимний период в клетках лягушки резко возрастает активность антиоксидантных ферментов и содержание глутатиона. Это связано с тем, что при оттаивании и восстановлении кровоснабжения тканей в клетках наблюдается всплеск образования активных форм кислорода, что напоминает хорошо известную ситуацию с повреждением тканей млекопитающих при ишемии и последующей реперфузии. Кроме того, уровень активных форм кислорода может расти и за счет автоокисления глюкозы, концентрация которой, как говорилось выше, возрастает в ходе промерзания в десятки раз [5].

Итак, за выживание лягушек зимой отвечают многие физиологические и биохимические процессы: изменение уровня гормонов в крови, синтез специфических белков-криопротекторов и переносчиков, накопление в тканях глюкозы, перестройка метаболизма на работу в анаэробных условиях и многие другие. Так как в течение зимы похолодания часто сопровождаются оттепелями, замерзание и оттаивание тела лягушки и, следовательно, описываемые перестройки метаболизма происходят неоднократно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. М.: Мир, 1982.
2. Калабухов Н.И. Спячка млекопитающих . М.: Наука, 1985.
3. Рубцов А.М. Роль саркоплазматического ретикулума в регуляции сократительной активности мышц. Соросовский Образовательный Журнал. 1998. Т . 6, № 9. С . 17-24.
4. Рубцов А.М. Сезонные изменения активности мембранных ион-транспортирующих систем сердца и скелетных мышц животных гибернаторов. Российский физиологический журнал им . И . М . Сеченова . 2005, Т . 91, № 2, С . 141-151 .
5. Storey K.B., Storey J.M. Natural freeze tolerance in ectothermic vertebrates. Annual Review of Physiology . 1992. V. 54. P. 619-637.