Скрытая жизнь и анабиоз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История изучения анабиоза

2. Причины существования мнимой смерти

3. Анабиоз

3.1 Анабиоз у рыб

3.2 Анабиоз у амфибий

3.3 Анабиоз у рептилий

4. Спячка

4.1 Спячка у рыб

4.2 Спячка у амфибий

4.3 Спячка у рептилий

4.4 Спячка у птиц

4.5 Спячка у млекопитающих

5. Диапауза

6. Оцепенение

Заключение

Список литературы



Введение

анабиоз спячка диапауза оцепенение

Обмен веществ - одно из главнейших свойств жизни, определяющее тесную вещественно-энергетическую связь организмов со средой. Метаболизм проявляет сильную зависимость от условий существования. В природе мы наблюдаем два основных состояния жизни: активную жизнедеятельность и покой. При активной жизнедеятельности организмы питаются, растут, передвигаются, развиваются, размножаются, характеризуясь при этом интенсивным метаболизмом. Покой может быть разным по глубине и продолжительности, многие функции организма при этом ослабевают или не выполняются совсем, так как уровень обмена веществ падает под влиянием внешних и внутренних факторов.

В своем эволюционном развитии многие растительные и животные организмы приобрели своеобразные механизмы приспособления, чтобы иметь возможность пережить неблагоприятные сезоны года. В эти периоды условия их жизни резко ухудшаются в связи с нехваткой пищи, исключительно низкими или высокими температурами, высокой влажностью или засухой и прочими факторами. Многие организмы погибли бы, если не обладали бы совершенными физиологическими механизмами приспособления. Речь идет о возможности впадать в состояние продолжительного бездействия и покоя, наблюдаемого у многих животных и растительных организмов. У различных видов это состояние осуществляется своеобразно, разными способами, в зависимости от степени эволюционного развития животного или растительного организма.

В состоянии глубокого покоя, т. е. пониженного вещественно-энергетического обмена, организмы становятся менее зависимыми от среды, приобретают высокую степень устойчивости и способны переносить условия, которые не могли бы выдержать при активной жизнедеятельности. Состояния активной жизнедеятельности и покоя чередуются в жизни многих видов, являясь адаптацией к местообитаниям с нестабильным климатом, резкими сезонными изменениями, что характерно для большей части планеты.

Известно, что большое число микроорганизмов, насекомых, мелких холоднокровных животных и представителей растительного мира, оказываясь в неблагоприятных для них условиях жизни, могут впадать в состояние анабиоза. В этом состоянии «мнимой смерти», на грани жизни и смерти, этим организмам удается таким уникальным способом сохранить жизнь в течение суровых зим или в летние засухи и жару.

Анабиоз -- явление, характерное не только для микроорганизмов. Оно определенным образом связано с периодическим состоянием зимней спячки и у высокоорганизованных животных. Известно, что в зимнюю спячку впадают многие животные с постоянной температурой тела (ежи, суслики, летучие мыши, сурки и др.), а также многие виды животных с непостоянной температурой тела (ящерицы, лягушки, змеи, черепахи и др.). которые проводят зиму, зарывшись в ил, грязь или в землю, спрятавшись под опавшие листья, под кору деревьев и т. п. Там они находятся в неподвижном состоянии оцепенения, в условиях крайне пониженной жизнедеятельности.



1. История изучения анабиоза

В 1705 г. знаменитый голландский ученый Антони ван Левенгук поместил под сконструированный им микроскоп высушенный песок, взятый из желоба около водосточной трубы на крыше его дома, и он заметил, что, после того как песок был увлажнен, произошло нечто необычайное -- высохшие в нем микроорганизмы, выглядевшие погибшими, начали двигаться, то есть «оживали». Это были невидимые простым глазом микроскопические черви -- красные коловратки (Philodina roseola).

Изучая биологическое состояние высушенных и увлажненных коловраток, Левенгук пришел к выводу, что они обладают большой устойчивостью к высыханию. Он считал, что коловратки защищены оболочкой, которая не позволяет влаге полностью испариться из их организма. Изобилие организмов во временно образовавшихся лужах он тоже объяснял их свойством оставаться живыми, хотя и высушенными в тине пересохшей лужи.

В 1743 г. английский ученый Нидхем наблюдал подобное же странное явление в зернах пшеницы, зараженных пшеничной нематодой (Tylenchus tritici). Его личинки оказались способны сохраняться более двух лет даже в высушенных зернах пшеницы. Попав вместе с зернами в почву, они впитывали влагу, и личинки пшеничных нематод восстанавливали свою жизнедеятельность и выходили в почву. Нидхем взял зерна из зараженного колоса, размолол их и положил под микроскоп. В поле зрения он наблюдал неподвижных личинок, которые оживали после того, как их смачивали каплей воды. Нидхем считал, что высушенные пшеничные нематоды обладают особенной жизнестойкостью, отличающейся от нормальной.

В 1777 г. итальянский ученый Ладзаро Спалланцани подтвердил наблюдения Левенгука. Спалланцани исследовал возможность оживления высушенных красных коловраток филодиний после их пребывания в условиях высокой (+49°C) и низкой (--21°С) температур, установив при этом, что они переносят ее и оживают сразу же после создания для них благоприятных условий. Опыты с активными коловратками показали, что они погибают уже при температуре 35 -- 36°С.

При изучении биологических особенностей тихоходок Спалланцани установил, что и они, как и коловратки, способны переносить высушивание и оживать после того, как их увлажнят. Его наблюдения показали, что при высушивании жизнедеятельность тихоходок постепенно прекращалась, ножки втягивались в тело, объем уменьшался, и они превращались в шарики. Процесс их оживления после добавления воды проходил тоже постепенно -- тело, впитав влагу, приобретало свой первоначальный объем, жизненные функции восстанавливались, и животные становились подвижными.

Коловратка Philidina roseola на разных стадиях высыхания (по П. Ю. Шмидту, 1948): 1- активная; 2 - начинающая сокращаться; 3 - полностью сократившаяся перед высыханием; 4 - в состоянии анабиоза

Так оформились три точки зрения на причины устойчивости организмов к высушиванию: Левенгук считал, что коловратки защищены своей оболочкой, не позволяющей влаге полностью испариться. Нидхем же считал, что высохшие коловратки сохраняют жизнь, протекающую по законам какого-то особого тайного способа жить без наличия в их организме воды и без кислорода, содержащегося в воздухе. Точка зрения Спалланцани сводилась к тому, что жизнь коловраток, тихоходок и нематод пшеницы при высушивании прекращается, но после добавления воды снова возникает, и организмы как бы воскресают.

Несмотря на то, что взгляды Нидхема и Спалланцани страдали метафизичностью, все же их исследования сыграли важную роль в изучении явлений, связанных с жизнью и смертью этих микроскопических организмов.

Эти интересные явления привлекли к себе внимание многих исследователей. Были предприняты многочисленные попытки выяснить их сущность. Так, в 1842 г. французский ученый Дуайер подтвердил наблюдения Спалланцани о необычайной способности тихоходок сопротивляться высушиванию, а Давен в 1859 г. тщательно изучил нашумевший вопрос об оживлении личинок пшеничных нематод, сохранявшихся годами в зернах пшеницы.

Все большее внимание многих естествоиспытателей было привлечено к этому интересному и необъяснимому в то время явлению «воскресения» животных и растительных организмов, которые подвергались высушиванию или замораживанию. В 1873 г. немецкий ученый Вильгельм Прайер предложил обозначить его термином «анабиоз». Так он называл все случаи безжизненного состояния организмов, при которых они не теряли жизнеспособности. А само состояние, в которое впадали коловратки, тихоходки и пшеничные нематоды,-- именно над ними он проводил свои опыты, -- Прайер предложил называть анабиотическим.

Значительный вклад в разъяснение проблемы анабиоза внес крупный русский ученый профессор Порфирий Иванович Бахметьев. С помощью собственноручно изготовленного электрического прибора (термопара в виде иглы, соединенная с гальванометром) Бахметьев проводил опыты по изучению температуры насекомых в связи с внешними условиями, состоянием покоя и анабиоза. Этот прибор он назвал «электрический термометр». Наибольшую известность среди биологов Бахметьев снискал своими работами о «мнимой смерти», т. е. об анабиозе насекомых при замораживании. В анабиозе Бахметьев видел возможность продления человеческой жизни. Бахметьев первым начал строго научно изучать состояние организма насекомых при замораживании. С помощью своего уникального электрического термометра он определял температуру тела насекомых, помещенных в холодную камеру с температурой от -12 до -22°. Температура тела бабочки, помещенной в холодную камеру, сначала постепенно понижалась до - 10°, потом начинала быстро повышаться до -1,5°, после чего снова постепенно понижалась до -10°. Это необычайное явление Бахметьев назвал температурным скачком.

Изучая явления переохлаждения, а затем постепенного замораживания жидкостей тела бабочек, Бахметьев установил, что вскоре после «температурного скачка» насекомое могло ожить, если его извлечь из холодной камеры, несмотря на то что оно уже было заморожено, находилось в затвердевшем состоянии и выглядело мертвым. В подобном состоянии их нельзя считать живыми, поскольку процессы обмена веществ в их замерзшем теле почти прекратились, но они не умерли, так как если их согреть, то они снова оживают.

Позже, в 1912 г., Бахметьев продолжил свои исследования анабиоза, но на этот раз у млекопитающих. В качестве экспериментальной модели он избрал летучую мышь, которая впадает в зимнюю спячку. Первый опыт был проведен в феврале того же года. Летучую мышь перевязали тюлем, поместили в небольшую банку, чтобы она могла двигаться, в задний проход вставили термометр и поместили банку в холодную камеру при температуре -22°. Температуру летучей мыши записывали каждую минуту. В начале опыта ее температура была +26,4°, через две минуты температура стала +23° и потом начала быстро понижаться и достигла 0°. Потом температура опустилась ниже 0° и медленно понижалась. За 18 мин она снизилась, от 0 до -2,5°, но затем продолжала падать быстрее. Когда тело летучей мыши охладилось до --4°, Бахметьев вынул ее из холодной камеры. Тело оказалось совершенно твердым и не подавало никаких признаков жизни. При дуновении сверху на крыльях образовался иней. Постепенно крылья начали как бы отмокать и появились дыхательные движения. Летучая мышь ожила и прожила в доме ученого еще несколько недель, после чего умерла.

В 1922 г. русский ученый Шмидт высушивал животных на покровных стеклах на воздухе, после чего помещал их в пробирку с хлористым кальцием для полного высушивания. После этого коловраток переносили в пробирки с натрием. С помощью вакуумного насоса ученый выкачивал воздух до 0,2 мм ртутного столба и запечатывал пробирку. Высушенных таким способом коловраток он сохранял в течение трех месяцев, и после добавления воды часть из них оживала. В результате научно обоснованных оригинальных опытов Шмидту окончательно стало ясно, что коловратки, тихоходки и нематоды при высушивании сохраняют свою жизнеспособность.

В период с 1923 по 1926 г. австрийский ученый Рам исследовал устойчивость коловраток, тихоходок и нематод к высыханию и низким температурам и установил, что эти организмы впадают в анабиотическое состояние не только при высушивании, но и при замерзании.

Приблизительно в то же время французский ученый Поль Беккерель высушил семена различных растений (клевера, лютика, льна и др.) в вакууме при 40°С, запаял их в стеклянные пробирки, из которых выкачал воздух с помощью вакуумного насоса, и сохранял их в течение 4 месяцев, после чего поместил на 10 ч в жидкий гелий при температуре -269°С. Когда позже семена были посеяны, они взошли даже лучше, чем контрольные семена, хранившиеся в обычных условиях.

В 1928 г. советский ученый Сахаров, выясняя устойчивость гусениц озимой совки (Agrotis segetum) к холоду, пришел к выводу, что при температуре от -4° до -6°С не всегда наступает замораживание. Гусеницы обладали свойством не замерзать даже при температуре -11°С, если в их организме содержалось более 2,5% жиров и не меньше 11 % воды, содержащихся при нормальном состоянии.

В природе многие обитатели замерзающих зимой водоемов вмерзают в лед. Весной после таяния льдов большая часть этих организмов оживает. В 1930 г., взяв пробу льда одного из подмосковных озер, советский ученый Н. В. Болдырев сумел после размораживания обнаружить 117 видов различных животных и растительных организмов. В числе этих видов ледовой фауны были главным образом представители пресноводных животных (коловратки, инфузории, ракообразные, моллюски, нематоды, ресничные черви и др.). После размораживания все эти животные очень быстро оживали. Так, например, коловратки и инфузории оживали буквально через несколько минут.

Кусок льда со вмерзшими в него пресноводными обитателями (из С. А. Зернова, 1949)

В более поздних исследованиях (1948 г.) Шмидт снова изучал анабиотическое состояние при замораживании, насекомых и некоторых животных с постоянной температурой тела. Он пришел к заключению, что в первый период после фазы переохлаждения не наступает полное замерзание организма, а начинают только появляться кристаллы в жидкостях и клетках организма. Следовательно, и анабиоз возможен только при условии, которое исключает полное замерзание всех клеток.

Сегодня известно, что многие растительные и животные организмы при неблагоприятных условиях (замороженные или высушенные) существенно замедляют или даже полностью прекращают обмен веществ, развитие и размножение, но, несмотря на это, не погибают. При благоприятных условиях они снова восстанавливают процессы жизнедеятельности. В состоянии анабиоза живые организмы переносят сильный мороз и жару, высокое давление, глубокий вакуум, мощную радиацию, вибрации и т. п.



2. Причины существования мнимой смерти

Зимний сезон неблагоприятен для многих представителей мира животных и растений как из-за низкой температуры, так и резкого сокращения возможностей добывать пищу. В ходе эволюционного развития многие виды животных и растений приобрели своеобразные приспособительные механизмы, чтобы выжить в неблагоприятное время года. У одних видов животных возник и утвердился инстинкт создавать запасы пищи; у других выработалось другое приспособление -- миграция.

Способность организмов к анабиозу рассматривается некоторыми учеными как первичное и неотъемлемое свойство самых древних структур с самого возникновения жизни. В связи с этим высказана гипотеза о том, что первичные организмы могли возникнуть не в воде, а на суше, они отличались большой устойчивостью к влиянию высоких и низких температур, высыханию, излучению. По-видимому, жизнеспособная структура, впервые возникшая на Земле, была безводной и устойчивой к теплу, холоду, излучениям, а ее функционирование началось позже при взаимодействии с водой. Способность к анабиозу является всеобщим и первичным свойством жизнеспособности структур.

Однако в процессе эволюции у многих видов животных замечен и другой совершенный физиологический механизм приспособления -- способность впадать в безжизненное на первый взгляд состояние, которое у различных видов животных проявляется по-разному и имеет разные наименования (анабиоз, гибернация, гипотермия и др.). Между тем все эти состояния характеризуются заторможенностью функции жизнедеятельности организма до того минимума, который позволяет ему пережить неблагоприятные зимние условия без приема пищи.

В подобное состояние мнимой смерти впадают те виды животных, которые не в состоянии обеспечить себя пищей зимой и для них существует опасность гибели от холода и голода. И все это, выработанное в процессе эволюции, подчинено строгой природной целесообразности -- необходимости сохранить вид.

Способность к анабиозу имела большое значение для эволюции организмов: способствовала сохранению их при наступлении неблагоприятных условий, расселению.



3. Анабиоз

Анабиоз (лат. anabiosis -- оживление, от др.-греч. бнб- -- «вновь» и вйпт -- «жизнь») - cостояние живого организма, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что отсутствуют все видимые проявления жизни.

Анабиоз наблюдается при резком ухудшении условий существования (низкая температура, отсутствие влаги и др.). При наступлении благоприятных условий жизни происходит восстановление нормального уровня жизненных процессов. Наиболее устойчивы к высушиванию, нагреванию, охлаждению спорообразующие бактерии, грибы, простейшие (образующие цисту). У многоклеточных организмов угнетение жизнедеятельности и ее почти полная остановка вошли в нормальный цикл развития -- семена, споры.

В природе анабиоз не является патентом только животных организмов. Он широко представлен и среди микроорганизмов из царства Protozoa, к которым относятся все виды бактерий и синезеленых водорослей. Анабиоз представлен и в мире растений (низших и высших). У многих микроорганизмов и видов растений природа в своем длительном эволюционном процессе развития создала прекрасное приспособление для впадения в состояние покоя или анабиоза при неблагоприятных условиях. В этом состоянии они могут переживать в течение длительного времени (для некоторых видов бактерий даже миллионы лет!) и при создании нормальных условий восстанавливать свою жизнедеятельность.

Однако, анабиоз - достаточно редкое явление. Он возможен далеко не для всех видов и является крайним состоянием покоя в живой природе. Его необходимое условие - сохранение неповрежденными тонких внутриклеточных структур (органелл и мембран) при высушивании или глубоком охлаждении организмов. Это условие невыполнимо для большинства видов, имеющих сложную организацию клеток, тканей и органов. Таким образом, способность к анабиозу - всеобщее и первичное свойство жизнеспособных тел, не реализуемое только у высших организмов вследствие усложнения их строения и формирования у них других приспособлений к воздействию неблагоприятных факторов среды. Анабиоз существенно отличается от спячки тем, что характеризуется полной приостановкой жизнедеятельности, в то время как во время спячки процессы жизнедеятельности лишь замедляются. Отличие состояния анабиоза от смерти в том, что в последнем случае структуры клетки разрушаются и не могут возобновить свое функционирование.   

Способность к анабиозу обнаруживается у видов, имеющих простое или упрощенное строение и обитающих в условиях резкого колебания влажности (пересыхающие мелкие водоемы, верхние слои почвы, подушки мхов и лишайников и т. п.).

Анабиоз может быть «вынужденным» (анабиоз мхов и лишайников в жаркое время суток) и «сезонным» (анабиоз спор микроорганизмов, семян высших растений). В основе анабиоза всегда лежит процесс уменьшения содержания в клетках биологически активной свободной воды в результате: высыхания организма; глубокого охлаждения организма (биологически активная свободная вода переходит в формы, подобные льду); помещения в среду с высокой концентрацией солей (вода выходит из клетки в окружающую среду). При этом если в среднем содержание воды составляет порядка 75-85% массы организма, то в состоянии анабиоза оно снижается до 6-9%. Например, при созревании зерновки пшеницы содержание воды падает от 70-75% до 15-20%, влажность зеленого мха кукушкина льна в сухие дни понижается до 9%. 

По мнению П. Ю. Шмидта, в своей основе явление анабиоза охватывает два основных состояния:

1) анабиоз при высушивании -- непосредственное высыхание живых организмов. Тесно связан с этим явлением и осмотический анабиоз -- этот своеобразный процесс обезвоживания животных организмов, обитающих в морской воде. В известной степени связана с анабиозом при высушивании и летняя спячка животных вследствие уменьшения количества воды в теле из-за усиленного испарения и недостатка воды в жарких пустынных областях;

2) анабиоз при замерзании -- извлечение воды из живого организма вследствие его замерзания, сопровождающееся различными неблагоприятными изменениями при образовании льда.

К такому состоянию принадлежит явление зимней спячки у млекопитающих. При их высокой организации и постоянной температуре тела подавление жизнедеятельности у них более сложное, но все же его трудно резко разграничить с анабиозом при замерзании.

Помимо уменьшения содержания воды в организмах, в состоянии анабиоза происходят и другие изменения: уменьшаются размеры тела, оно становится более плотным; загустевает и уплотняется цитоплазма; органоиды клеток приобретают твердое состояние; ферменты теряют активность; в клетках накапливается глицерин, предохраняющий клетки от чрезмерной деформации при высыхании и растворяющий вредные вещества, концентрирующиеся в клетке вследствие испарения из нее воды; на поверхности клеток образуются плотные оболочки, защищающие содержимое клеток; полностью прекращаются реакции обмена веществ.

При анабиозе организм не растет, не развивается, не стареет. Благодаря этому продолжительность существования организма возрастает во много раз. Продолжительность анабиоза у разных организмов различается: семена многих растений находятся в состоянии анабиоза от конца одного вегетационного периода до другого; мхи и лишайники- от жарких часов суток до повышения влажности воздуха. Установлена жизнеспособность спор аэробной бактерии в мясных консервах, приготовленных примерно 114 лет назад, а также бактерий, образующих споры, в сухой почве в течение 300 лет. При исследовании толщи древнего ледника Центральной Антарктики были обнаружены жизнеспособные микроорганизмы в горизонтах, возраст которых составляет примерно от 8 000 до 13 000 лет. На Аляске в слое замерзшего ила рядом с когтями леммингов, пролежавшими около 15 000 лет, найдены всхожие семена люпина.

Типичным примером анабиоза при высушивании служит так называемая скрытая жизнь семян многих растений, которые могут в сухом состоянии сохранять всхожесть 50 лет и более.

Беспозвоночные -- гидры, черви, усоногие раки, водные и наземные моллюски, некоторые насекомые, а из позвоночных -- земноводные и пресмыкающиеся могут терять 1/2 и даже 3/4 заключенной в их теле воды, впадая в состояние анабиоза, а затем оживать снова.

Если процесс дегидратации идет с нарушением структуры живого белка, то происходит его денатурация (свертывание), и тогда восстановление жизненных процессов становится невозможным.

В настоящее время известно, что существуют некоторые виды бактерий, которые, попадая в неблагоприятные для них условия жизни, превращаются в стойкие образования с плотной многослойной оболочкой, называемые спорами. Это крайне обезвоженные клетки с толстой оболочкой. Такие спорообразующие бактерии преимущественно представляют собой бациллы и клостридии (принадлежащие к семейству Bacillaceae). За длительный эволюционный процесс они выработали прекрасный способ выживания при неблагоприятных для жизни условиях. При помощи спорообразования они повышают свою устойчивость к физическим, химическим и биологическим факторам внешней среды, сохраняясь в анабиотическом состоянии на протяжении многих лет. Они выдерживают даже высушивание в вакууме, очень низкие и высокие температуры (погибают лишь при 120°С). Позже, попадая в подходящие для них условия жизни, они снова возвращали свою жизнедеятельность и болезнетворное действие, становясь причиной опасных заболеваний животных и человека. Спорообразующие возбудители сибирской язвы, ботулизма, столбняка, злокачественных опухолей, газовой гангрены и др., впадая в анабиотическое состояние, долгие годы сохраняют свою жизнеспособность. Этим объясняется затухание на известный период и внезапное проявление некоторых заболеваний у животных. Известны так называемые мертвые поля, где в прежние времена зарывали в землю животных, погибших от сибирской язвы (сейчас их трупы сжигают). Через какой-то отрезок времени люди при распахивании земли или животные на пастбищах могли заразиться (болезнь является зоонозом, т. е. общей для животных и людей). А споры столбняка не погибают даже при температуре, близкой к абсолютному нулю. Стоит только их разморозить, и жизнь снова возвращается к ним.

Как показали опыты по охлаждению насекомых и других мелких животных до t°--90--160° и сперматозоидов кролика до t°--78--183°, оживление животных, впавших в состояние анабиоза, наступает только тогда, когда тканевые жидкости остаются при низкой температуре в переохлажденном, т. е. жидком, состоянии. Это возможно и при мгновенном переходе воды в стекловидную аморфную массу, вследствие чего протоплазма не разрушается. При образовании кристаллов льда, разрушающих структуру клеток и белковых молекул, оживление невозможно.

Явление анабиоза при высушивании и низкой температуре широко распространено среди микроорганизмов. Наиболее стойки к высушиванию, охлаждению и нагреванию спорообразующие бактерии, а также грибки. Споры сибиреязвенной палочки долгие годы не теряют жизнеспособности ни в сухой почве степей и пустынь, ни в замерзшей почве арктической тундры. Многие бактерии, не образующие спор, переносят длительное охлаждение до t° ниже 0°, что позволяет выделять их чистые культуры из трупов и других объектов, в которых при обычных условиях развивается и другая микрофлора. Стойки к высыханию и охлаждению некоторые виды патогенных фильтрующихся вирусов. Явление анабиоза при высушивании и охлаждении используют при изготовлении сухих живых вакцин, длительном сохранении штаммов бактерий, вирусов и клеток опухолей, консервировании тканей для трансплантации. При сохранении микробов, высушенных вместе со специальной средой при низкой температуре, иммунизирующие свойства вакцин не теряются в течение нескольких месяцев и даже лет. Чистые культуры вирусов также сохраняют длительный срок в подсушенных и замороженных тканях восприимчивых животных.

3.1 Анабиоз у рыб

Теплолюбивые рыбы (карп, карась, толстолобик и др.) впадают в анабиоз при сильном похолодании. Холодолюбивые (лососи, форель, налим и др.), наоборот, при повышении температуры воды. Некоторые рыбы способны приостанавливать жизнедеятельность и в период засухи, при сильном обмелении водоемов.

Пресноводные рыбы средней полосы России -- щука, плотва, окунь способны жить при температуре воды от 3 до 30 градусов Цельсия.

Рекордсменом же можно считать карася, который выживает в прудах, промерзающих до самого дна, и не погибает, если вода прогревается до 40 градусов Цельсия.

На Чукотке и Аляске обитает удивительная рыбка даллия. Зимой в тех местах морозы достигают 45 градусов. Болота и речки промерзают насквозь. Вместе с ними замерзает и даллия. Однако весной, когда северные водоемы оттаивают, далия оживает и за короткое полярное лето успевает подготовиться к нересту и отметать икру.

В анабиоз могут впадать многие рыбы. Замороженные до отвердевания окунь, налим и некоторые другие рыбы при медленном размораживании начинают оживать и ведут себя как совершенно здоровые рыбы. Важно, чтобы не замерзали кровь рыбы и их жабры.

В замороженном состоянии рыба может находиться только определенный срок. Явление анабиоза можно использовать для транспортировки на большие расстояния живой рыбы. Для этого необходимо разработать режимы замораживания и последующего возвращения разных видов рыб к жизни.

3.2 Анабиоз у амфибий

Находясь в состоянии анабиоза, амфибии резко сокращают потребление кислорода. Так, наши северные лягушки свыше семи месяцев в году проводят на дне водоемов, зарываются в ил. Они довольствуются предельно малым количеством потребляемого кислорода, которого в толще ила совсем немного, и кожного дыхания оказывается вполне достаточно.

Но все это мизерное потребление пищи, воды, кислорода не может продолжаться длительное время. Лишь в лучшем случае несколько лет.

Самое длительное состояние анабиоза, по сведениям отечественных ученых, продолжалось около сотни лет. На севере нашей страны из глубины 11 метров была извлечена глыба льда, в которой находился вмерзлый в лед тритон -- углозуб. При осторожном оттаивании тритон ожил, нормально питался мухами и тараканами. Возраст льда, из которого он был вынут, определялся в 100 лет.

3.3 Анабиоз у рептилий

Пресмыкающиеся, живущие в северных районах с низкой температурой или наоборот, в южных районах с высокой температурой, также могут впадать в состояние анабиоза.

Змеи собираются вместе, образуя змеиный клубок, как и при спячке. Ящерицы прячутся под камнями или зарываются в песок, где и пережидают неблагоприятные условия.



4. Спячка

Спямчка (зимняя -- гибернация, летняя -- эстивация) - период замедления жизненных процессов и метаболизма у гомойотермных животных в периоды малодоступности пищи и, соответственно, невозможности сохранения активности и высокого уровня метаболизма. Характеризуется снижением температуры тела, замедлением дыхания и частоты сердцебиения, торможением нервной деятельности (так называемый «глубокий сон») и других физиологических процессов.

Обычно перед спячкой животные усиленно питаются и накапливают относительно большие запасы питательных веществ в виде жира (в случае сезонной спячки до 30-40 % массы тела) и укрываются в убежищах с благоприятным для спячки микроклиматом (гнёзда, норы, дупла и т. п.).

В зависимости от длительности и рода неблагоприятных условий различают следующие виды спячки:

Суточная спячка у колибри и летучих мышей

Сезонная спячка -- зимняя (гибернация) у насекомоядных и грызунов либо летняя (эстивация) у пустынных животных

Нерегулярная -- при внезапном наступлении неблагоприятных условий (енотовидные собаки, белки)

Некоторые крупные млекопитающие (медведи, барсуки, еноты) впадают в зимний сон -- разновидность гибернации, с меньшей степенью снижения уровней физиологических процессов и метаболизма. У бурого медведя при зимнем сне температура тела снижается в невысокой степени (с 37° до приблизительно 31 °C), и легко и быстро повышается при пробуждении.

Некоторые виды проводят в спячке часть беременности, и в этом случае роды происходят сразу после выхода из спячки.

В случае зимней спячки она обычно характеризуется периодами действительной спячки и периодами, когда температура тела возвращается к обычному уровню.

Среди млекопитающих в спячку впадают грызуны, один вид лемуров, европейский ёж и другие насекомоядные, сумчатые. Плиний Старший считал, что ласточки также способны к спячке, но это является ошибочным утверждением -- птицы, за исключением дремлюг, обычно не впадают в спячку. В состояние, сходное со спячкой (резко пониженная температура тела и оцепенение) в отсутствие родителей впадают птенцы колибри и стрижей.

До последнего времени считалось, что явление спячки не наблюдается среди приматов. Но в 2004 году были опубликованы доказательства того, что малый карликовый лемур с Мадагаскара проводит в спячке в дуплах деревьев семь месяцев в году. Это особенно интересно, учитывая тот факт, что зимняя температура на Мадагаскаре может составлять более чем 30 °C, поэтому спячка этого лемура, судя по всему, вызвана в первую очередь не необходимостью пережидания низких температур.

Животное, которое традиционно считают способным до впадения в спячку, это медведь. Но степень подавления метаболических процессов у медведя зимой намного меньше, чем у грызунов, насекомоядных, и других животных - поэтому обычно биологи считают, что это нельзя называть спячкой в настоящем биологическом смысле понятия. Также у медведя при спячке температура тела снижается не очень сильно (от 37 ° до примерно 31 ° C), и легко и быстро восстанавливается; в то время как у земляных белок (род Xerus) в спячке может снижаться температура тела вплоть до -2 ° C . Процесс, похожий на спячку, известен в нескольких видов рептилий - но является ли это действительной спячкой, пока неизвестно.

Обычно перед спячкой животные усиленно питаются и накапливают относительно большие запасы питательных веществ в виде жира. Несколько видов проводят в спячке часть беременности, и в этом случае роды происходят сразу после выхода из спячки.

Несколько десятков лет считалось, что гигантская акула в зимний период, опускаясь до придонных горизонтов северных районов океана, впадает в спячку. Но исследования, проведенные в 2003 году Дэвидом Симсом, опровергли это предположение, показав, что акулы в этот период активно передвигаются в поисках мест с наибольшим количеством планктона.

По степени глубины спячки различают:

Сезонная или факультативная спячка. Характеризуется тем, что температура тела животного, число дыхательных движений и общий уровень метаболизма (обмена веществ) снижаются мало. При беспокойстве сон легко может быть прерван. Характерна для медведей, енотов, енотовидных собак, барсуков.

Настоящая непрерывная сезонная спячка. Характеризуется потерей способности к терморегуляции (гетеротермия), резким снижением числа дыхательных движений и частоты сердечных сокращений, снижением активности обмена веществ.

Летняя спячка или экстивация, также называемая летней диапаузой является свойственной организмам низких широт и обеспечивает их выживание в засушливый период года.

Часто она может наблюдаться у грызунов, лишенных в летний период полноценного и богатого водой корма. Например песчаный суслик в Средней Азии впадает в летнюю спячку июне -- июле. У сусликов летняя спячка обычно без перерыва переходит в зимнюю.

Летняя спячка наблюдается также у некоторых обитателей тропической зоны. Африканские ежи Atelerix albiventris впадают летом в спячку, длящуюся до трёх месяцев, а мадагаскарские насекомоядные -- тенреки впадают лето в спячку до четырёх месяцев.

4.1 Спячка у рыб

Своеобразным путем приспосабливаются к низким температурам воды зимой и некоторые виды обширного класса рыб (Pisces). Обычная температура тела у рыб непостоянна и соответствует температуре воды или слегка ее превышает (на 0,5 -- 1°С). При внезапном резком понижении температуры воды рыбы впадают в шоковое состояние. После краткой фазы возбуждения они перестают дышать, плавать и выглядят как мертвые. Достаточно, однако, чтобы вода потеплела, и они быстро «оживают».

Значительное уменьшение обмена веществ у рыб при понижении температуры воды издавна привлекало внимание ученых. Установлено, что некоторые виды рыб оживают после того, как их заморозили, тогда как другие виды погибают еще до того, как температура воды достигла точки замерзания. Описаны случаи замерзания некоторых видов колюшек, на которых проводились опыты. Лед разбил сосуд, в котором находились рыбы, но после размораживания они продолжали плавать, словно ничего и не случилось.

Опыты показали, что замороженные рыбы оживают лишь в тех случаях, когда не замерзли их кровеносные сосуды. Особенно много в этой области работал советский ихтиолог Бородин. В результате ряда исследований он пришел к заключению, что если рыбы замерзнут в воде, то они безвозвратно погибнут. При замораживании на воздухе они могут ожить, но лишь в том случае, если замораживание распространяется только на их поверхностные ткани. Губительным для рыб оказалось не само охлаждение, а образование в их крови и тканях кристалликов льда, повреждающих стенки кровеносных сосудов. Другие исследования показали, что если рыба замерзает на воздухе, то она может известное время жить за счет запасов кислорода в своем плавательном пузыре. Доказано, что предположение о том, что замерзшие рыбы дышат с помощью жабр, лишено оснований.

4.2 Спячка у земноводных

По образу жизни и устройству класс земноводных (Amphibia) является переходным между типично водными позвоночными (рыбы) и типично наземными животными. Известно, что различные виды лягушек, тритонов, саламандр и других, населяющих страны с умеренным климатом, тоже проводят неблагоприятный зимний сезон в состоянии гибернации, или, точнее, оцепенения, так как это животные с непостоянной температурой тела, которая зависит от температуры окружающей среды.

Так, например, в Болгарии, лягушки активны только в теплые месяцы, а с наступлением суровых зимних условий впадают в состояние зимней спячки. К зиме они готовятся заранее. Еще летом накапливают запасы питательных веществ в своем организме, а осенью при понижении средней дневной температуры до 8 -- 12°С, а ночной до 3 -- 5°С отправляются к местам будущей зимовки. Иногда они преодолевают несколько километров. При дальнейшем похолодании они скрываются в свои зимние убежища и впадают в состояние оцепенения, при котором жизненные процессы в их организме крайне замедляются. Например, потребление кислорода понижается в 2 -- 3 раза. Поэтому они расходуют накопленные летом питательные вещества постепенно, но все же (хотя и исключительно медленно) земноводные растут и их половые клетки созревают. Одна часть земноводных зимует под водой, а другая -- на суше.

Обычно зимующие в воде земноводные предпочитают быстротекущие, незамерзающие реки и ручьи, каналы и озера с вливающимися в них реками, протоки и др., т. е. выбирают водоемы, в которых вода богата кислородом. В период зимней спячки у земноводных резко увеличивается диаметр кровеносных сосудов в коже, через которые в воде осуществляется дыхание. Земноводные, предпочитающие зимовать на суше, устраиваются в норах, вырытых животными, под толстым слоем листьев, мха и т. п. Некоторые виды способны даже зарываться в землю.

Установлено, что зимняя спячка лягушек продолжается от 130 до 230 дней и ее продолжительность зависит от продолжительности зимы и от степени теплолюбивости и морозоустойчивости различных видов.

В водоемах, чтобы перезимовать, лягушки собираются группами по 10 -- 20 экземпляров (иногда до 100) различного пола и возраста, а иногда и различного вида и зарываются в ил или в подводные впадины и другие пустоты. Установлено, что при групповой зимовке лягушек уровень обмена веществ у них почти на 40% ниже, чем у зимующих в одиночку. Во время зимней спячки лягушки дышат только через кожу, их пульс замедляется, причем сон у них неглубокий, и при неблагоприятных условиях они могут переместиться в другое место в том же водоеме.

Зимняя спячка у земноводных не отличается покоем и безопасностью -- скорее она для них одно из серьезных испытаний. В больших реках они нередко становятся жертвами крупных хищных рыб. Но самая значительная опасность таится в замерзании зимующих на суше (а иногда и в воде) или в их гибели в водоемах из-за недостатка кислорода. При очень суровых зимах наблюдается массовая гибель земноводных, особенно когда водоемы, в которых они зимуют, промерзают до самого дна. Уцелевшие земноводные весной, преодолев неблагоприятные жизненные условия, выходят из состояния зимней спячки, и жизнь пробуждается заново.

4.3 Спячка у рептилий

Из класса пресмыкающихся (Reptilia) почти все виды нашей фауны зимой впадают в состояние зимней спячки. Низкие зимние температуры -- основная причина этого явления. Например, если взять даже летом какую-нибудь змею и поместить ее на несколько часов в холодильник, она становится вялой, неактивной, и с ней можно обращаться, как с куском веревки.

Зимняя спячка пресмыкающихся в самых северных областях их распространения может продолжаться до 7 - 8 месяцев. Южнее их зимняя спячка короче, причем в теплые солнечные дни даже зимой они просыпаются, выползают из своих нор и греются на солнце.

Зимние квартиры змей -- это обычно подземные пещеры и пустоты, образовавшиеся вокруг больших старых пней с гнилыми корнями, щели в скалах и других местах, которые недоступны их врагам. В таких укрытиях собирается большое число змей, даже различных видов, образуя огромные змеиные клубки.

Большинство видов ящериц (луговая, полосатая, зеленая, лесная, коротконогая, крымская, веретеница) тоже впадают в зимнюю спячку, зарывшись в почву, в норах, которым не угрожает наводнение, чаще всего на крутых сухих склонах. Македонские и стенные ящерицы находят убежище в трещинах скал. В теплые солнечные дни зимой ящерицы могут «пробуждаться» и выползать из своих зимних убежищ на несколько часов, чтобы поохотиться, после чего снова прячутся в свои норки.

Болотные черепахи проводят зиму, зарывшись в ил водоемов, в которых они обитают, в то время как сухопутные забираются на глубину до 0,5 м в почву в какие-нибудь естественные укрытия или норы кротов, лисиц, грызунов и других, закрываясь торфом, мхом и влажными листьями.

4.4 Спячка у птиц

Итак, мы выяснили, что большинство животных с непостоянной температурой тела, которая зависит от окружающей среды, впадают в состояние зимней спячки. Но удивительно, что и многие животные с постоянной температурой тела, например птицы, тоже могут впадать в зимнюю спячку в течение неблагоприятных сезонов года. Известно, что большая часть птиц избегает неблагоприятных зимних условий путем перелетов. Но еще Аристотель (384 -- 322 гг. до н. э.) в своей многотомной «Истории животных» обратил внимание на тот факт, что «часть птиц улетает, чтобы перезимовать в теплых странах, а другие укрываются в разных убежищах, где впадают в зимнюю спячку».

К этому выводу пришел и крупный шведский естествоиспытатель Карл Линней, который в своем труде «Система природы» (1735 г.) писал: «Осенью, когда начинается похолодание, ласточки, не находя достаточно насекомых для пропитания, начинают искать убежище для зимовки в зарослях тростника вдоль берегов озер и рек».

Только после того как в 1937 г. американские ученые обнаружили в щели скалы в состоянии зимней спячки козодоя (Phalaenoptilus nuttalii), стало ясно, что и некоторые виды птиц могут впадать в подобное состояние в неблагоприятные сезоны года. Оба ученых провели более углубленные исследования и установили, что, прежде чем впасть в зимнюю спячку, этот вид птиц теряет значительную часть своего веса, и в определенный момент в результате такого истощения включается механизм перехода в состояние оцепенения. В этом состоянии обмен веществ резко понижается, потребность в кислороде сокращается почти в 30 раз, а температура тела от 40 -- 41°С опускается до 18 -- 19°С и даже ниже. Птицы впадали в оцепенение, продолжавшееся около 3 месяцев, и создавалось впечатление, что они мертвы. Было установлено, что во время зимней спячки козодой весом 40 г расходовал 0,15 мл кислорода на 1 г веса за час, тогда как в обычном состоянии -- 2,7 мл. Те же ученые окольцевали одну из этих птиц, и в последующие годы выяснилось, что она всегда зимовала на одном и том же месте на протяжении 4 лет.

Продолжительное пребывание птиц при низких температурах ученые обозначают термином «гипотермия» (от греч. hypo - под, низкое и thermos - тепло, теплота), т. е. охлаждение.

До сих пор механизм гипотермии у птиц до конца не изучен.

Интересно, что все птицы, способные впадать в состояние оцепенения, в систематическом отношении являются между собой близкими родственниками и обладают общими физиолого-экологическими особенностями. Впадание этих птиц в состояние оцепенения при неблагоприятных условиях жизни представляет собой приспособительную физиологическую реакцию, закрепившуюся в процессе эволюции.

4.5 Спячка у млекопитающих

Несмотря на то, что животные с постоянной температурой тела обычно переносят условия холодного климата, недостаток подходящей пищи зимой стал причиной приобретения и постепенного закрепления в процессе эволюции некоторыми из них этого своеобразного инстинкта -- проведения неблагоприятного зимнего сезона в неактивном состоянии зимней спячки.

По степени оцепенения многие ученые различают три типа зимней спячки:

1) легкий (факультативный), выражающийся в легком оцепенении, которое легко прекращается (еноты, барсуки, медведи, енотовидные собаки);

2) периодически прекращающаяся зимняя спячка, характеризующаяся полным оцепенением, сопровождающимся пробуждением только в более теплые зимние дни (хомяки, бурундуки, длинноухие ночницы -- летучие мыши);

3) настоящая непрекращающаяся зимняя спячка, представляющая собой стабильное, продолжительное оцепенение (суслики, ежи, сурки, тушканчики, сони и большинство видов летучих мышей.

Прежде считали, что зимняя спячка и оцепенение возникают в результате несовершенства терморегуляционной системы млекопитающих в условиях похолодания, что таким способом выражается определенная «примитивность» в организации и дефекты механизмов физиологического контроля. В последнее время тщательные исследования многих ученых из различных стран показали, что зимнюю спячку не следует объяснять недостаточностью терморегуляции, наоборот, это превосходно отрегулированное физиологическое состояние. Следовательно, сходство между находящимися в состоянии зимней спячки млекопитающими с постоянной температурой тела и животными с непостоянной температурой тела (например, лягушками или ящерицами) лишь кажущееся.

Чтобы зимоспящие млекопитающие впадали в состояние гибернации, необходимы многие внешние и внутренние факторы. Наравне с внешними факторами (температура, свет, наличие пищи и др.) на наступление зимней спячки оказывает влияние ряд внутренних (терморегуляция, эндокринная и нервная деятельность и др.). В природе основными стимулами для впадания в состояние зимней спячки являются понижение температуры и уменьшение продолжительности дня. В процессе эволюции эти факторы утвердились в качестве надежного сигнала, свидетельствующего о приближении неблагоприятных зимних дней, лишающих животных пищи.

Зимней спячке млекопитающих предшествует определенная физиологическая подготовка организма. Она состоит прежде всего в накоплении запасов жира, главным образом под кожей, в полостях тела, на всей протяженности кишок, в грудной области (бурая жировая ткань)

Некоторые млекопитающие, например хомяки (Cricetus cricetus и Mesocricetus auratus) и бурундуки (Tamias sibiricus), не накапливают больших запасов жира, а делают запасы пищи в своем убежище, чтобы пользоваться ими в периоды своего краткого пробуждения зимой

Во время зимней спячки все виды млекопитающих лежат неподвижно в своих норах, свернувшись в клубок. Так лучше всего сохранить тепло и ограничить теплообмен с окружающей средой. Зимние квартиры многих млекопитающих -- это естественные пустоты стеблей и дупла деревьев.



5. Диапауза

Диапауза (от др.-греч. дйЬрбхуйт -- перерыв, остановка) -- состояние физиологического торможения обмена веществ и остановки формообразовательных процессов. Сигнал к переходу в диапаузу -- это уменьшение продолжительности светового времени суток.

Во время диапаузы повышается устойчивость организма к действию неблагоприятных внешних условий, например насекомые становятся устойчивыми к инсектицидам. Окончание диапаузы связано с изменениями в организме, которые могут определяться длительным действием низкой зимней температуры; диапауза обеспечивает морозостойкость и зимовку организмов. В условиях засушливого климата субтропиков и тропиков наблюдается летняя диапауза -- так называемая эстивация, например у розового червя и хлопковой совки.

Диапауза может наступать на стадии яйца, личинки или взрослого насекомого (имаго). Каждому виду свойственна своя диапаузирующая стадия. У каждого биологического вида диапауза приурочена к определённой фазе развития. Эмбриональная диапауза -- период покоя на стадии яйца между оплодотворением и дроблением или по окончании дробления -- наблюдается у коловраток, низших ракообразных, саранчовых, тутового шелкопряда, у ряда млекопитающих, относящихся к 7 отрядам, например у грызунов, хищных (соболь, норка и др.). Личиночная диапауза проявляется, например, у бабочки боярышницы, зимующей в стадии гусеницы на деревьях. Куколочная диапауза наблюдается у капустной белянки и капустной совки, зимующих в стадии куколки на деревьях и в почве. Имагинальная диапауза (на фазе имаго) наблюдается у комаров, жуков-листоедов (колорадский жук) и др. насекомых; при ней может сохраняться подвижность животного, но прекращается созревание половых продуктов. Чаще всего диапауза зависит от экологии вида. Даже у очень близких видов одного рода, но живущих в разных условиях, диапауза бывает на разных фазах развития, а у видов неродственных семейств -- на одной и той же фазе, если они имеют сходный образ жизни.

Различают диапаузу обязательную, или облигатную, и необязательную, или факультативную. Обязательная диапауза обеспечивает прохождение в течение года только одной генерации. Она свойственна насекомым с годичным циклом развития, обычным обитателям лесов умеренного пояса.



6. Оцепенение

Оцепенение животных (разновидность анабиоза, при которой организм может вернуться к активному состоянию без воздействия внешних факторов) - состояние резко пониженной жизнедеятельности, наступающее у холоднокровных животных как приспособление к переживанию неблагоприятных условий внешней среды, особенно к недостатку тепла, влаги и пищи.

При оцепенении животное неподвижно, прекращает питаться; газообмен и другие физиологические процессы у него резко замедляются. Зимнее оцепенение наступает при понижении температуры окружающей среды, оно характерно для животных северных и умеренных широт, в том числе, многих наземных и водных беспозвоночных, рыб, земноводных (лягушек, тритонов, жаб), пресмыкающихся (ящериц, змей). Одни прячутся под кору деревьев, под опавшую листву, забираются в дупла, в норы грызунов, под камни, зарываются в землю и мох, другие закапываются в ил. Животные впадают в оцепенение при разной температуре воздуха; так, некоторые насекомые, рыбы, земноводные впадают в оцепенение при температуре ниже +15° - +10° градусов Цельсия. Другие - лишь при 0° градусов Цельсия. Длительность оцепенения в значительной степени зависит от климатических условий, от количества питательных веществ, накопленных в организме перед впадением в оцепенение. У животного в состоянии оцепенения температура тела почти не отличается от температуры окружающей среды и лишь изредка понижается ниже 0° градусов Цельсия. Однако большинство животных, впадающих в оцепенение, способно к переохлаждению, то есть к понижению температуры ниже 0° градусов Цельсия, без образования льда за счет накопления в клетках и межклеточном пространстве антифризов. Летнее оцепенение встречается значительно реже и связано с наступлением засухи. Некоторые рыбы (например, двоякодышащие), земноводные и пресмыкающиеся впадают в оцепенение при высыхании водоёмов, в которых они обитают; некоторые наземные улитки и пресмыкающиеся, например, степные черепахи, впадают в оцепенение при выгорании растительности. При впадении в летнее оцепенение животные или высыхают (теряют очень много воды), или прячутся во влажные убежища (например, зарываются в ил).

Состоянию оцепенения обычно предшествует накопление в организме антифризов, например, у паразитической осы (Bracon cephi) концентрация глицерина к зиме достигает 30% от веса свободной воды в организме (5 молей на 1 кг воды), а к весне вновь уменьшается. Это огромное количество растворенного глицерина снижает температуру замерзания жидкости, заполняющей сосуды и межклеточное пространство ( гемолимфы) до -17,5° градусов Цельсия, а температура, до которой может быть переохлаждена гемолимфа (точка её переохлаждения), снижается в еще большей степени. В результате чего личинка осы Bracon cephi может быть охлаждена без образования льда до -47,2° градусов Цельсия. Удалось выделить и детально изучить антифриз, содержащийся в крови антарктической рыбы трематомус. Этот антифриз по своей химической природе представляет собой белок включающий в свою молекулу цепочки сахаров ( гликопротеид), и, находясь в крови, даже в ничтожной концентрации предотвращает образование льда в воде в 200 - 500 раз более эффективно, чем поваренная соль (хлористый натрий).

...