Кибернетика медвежьей спячки
Зимняя спячка — это очень выгодное умение: когда все плохо — просто поставить жизнь «на паузу». Но как это сделать? Некоторые животные, вроде земляных белок или сурков, решают проблему радикально: снижают обменные процессы в 50 раз и замерзают почти до нуля. Это позволяет им долгое время находиться без пищи и дотянуть до того времени, когда снег сойдет и жизнь станет полегче.
До сих пор ученым было более или менее понятно, как происходит спячка у некрупных животных. Но свежий Science рассказывает о том, как на Аляске был поставлен первый эксперимент с черными медведями, в ходе которого ученые наблюдали за их долгим зимним сном.
Несколько черных медведей, включая одну беременную самку, отловили поздней осенью в лесах Аляски, доставили в Институт арктической биологии, присоединили к их телам датчики и отправили спать в специально построенные загоны в огороженной части леса. Условия были максимально приближены к естественным, т. к. обычно черные медведи устраиваются под корнями деревьев, в пещерах, расселинах или просто роют себе ямку в земле, выстилая ее сухой травой и листьями. В своих загонах отловленные животные уютно свернулись клубочками и уснули, а ученые с помощью датчиков фиксировали динамику температуры их тела и уровень обменных процессов.
Медведь спит в искусственной берлоге в ходе эксперимента. Video by Øivind Tøien/Institute of Arctic Biology/University of Alaska Fairbanks
Иногда медведи вставали, почесывались, чистили свою шерсть, устраивали свое ложе поудобнее, но потом снова проваливались в сон — несколько мохнатых живых клубочков. Такая поза экономит тепло, которое никак нельзя растрачивать понапрасну. В активное время, когда медведи ведут нормальную жизнь, добывая себе пропитание, температура их тел составляет 37-38 °C. А во время спячки она незначительно снижалась, колеблясь между 30 и 34 °С.
Эта незначительность разницы температуры между режимом спячки и нормальным режимом очень необычна; еще большие сюрпризы начались, когда удалось измерить уровень обмена веществ у этих медведей.
Поскольку у медведей температура падает несильно, оставался вопрос: насколько их состояние вообще стоит называть спячкой? Может быть, они просто отдыхают, экономят силы, но все процессы идут в их организме примерно как летом?
Оказалось, что у мишек обмен веществ падает совершенно непропорционально их температуре: до уровня 25% от нормального, то есть вчетверо; сердце, например, бьется девять раз в минуту. В этом главная неожиданность. Выходит, их спячка — самая настоящая, не просто «отдых». Но почему тогда они держат такую высокую температуру тела? Зачем?
И еще тут же возникает вопрос: не открывает ли это новые перспективы для лечения некоторых заболеваний или, например, для космонавтов, которым, чтобы долететь до Альфа Центавра, нужно умножить жизнь на два, погрузившись в сказочный «зимний» сон.
Илья Колмановский: Я поговорил с авторами исследования, сопоставил их мысли с классическими фактами — и у меня есть такая теория.
Мелкие животные (некоторые из них весят всего 5-10 граммов) имеют очень мало жира и очень быстро остывают. Сравните большую и маленькую бутылку воды — какая быстрее замерзнет? Поэтому им никак не продержаться зиму, не отключив полностью просто все: и «печку», и все остальные процессы вроде сердцебиения и работы почек.
Медведь — это барин. Огромный размер (200-300 килограммов), много жира, мех, медленно остывает, хорошо держит тепло. Поэтому он может отключить не все системы, а оставить работать одну, довольно затратную: отопление.
Главный вопрос: почему он делает именно такой выбор? Почему крупному животному важно сохранить именно высокую температуру?
Один из возможных ответов: сердце. Маленькое сердце какого-нибудь суслика легко «запустить» даже на фоне значительного понижения температуры: импульс быстро распространится по всей мышце, потом еще раз и еще — и быстро наладится циклический ритм, при котором предыдущий электрический импульс служит причиной следующего.
Большое сердце очень чувствительно к падению температуры. Подобно большому двигателю, его труднее завести — и после паузы в 8-20 секунд (у медведей зимой именно так) сердце может и не завестись, случится фибрилляция, и надо будет бежать за дефибриллятором, а где его взять в лесу?!
Во всем этом есть урок для человека. Ведь мы — крупные животные. И мы еще хуже, чем медведи, переносим понижение температуры тела: 34 °С для нашего сердца уже критично. Первого автора исследования Ойвинда Тойена из Института Арктики при Университете Аляски полученные результаты наводят на мысль: если мы хотим заснуть на полгода в космическом путешествии, для нас есть выход. Можно понизить обмен и таким способом «расквитаться по счетам» за жизненно необходимое отопление организма.
Более житейский вывод для меня такой: во время ужасных зимовок в городах проекта нам нужно отключать все функции, кроме какой-то одной, самой важной — и так выживать. Например, в Москве (сегодня было –23 °С!) я предлагаю на всю зиму перестать работать, ездить на машине и водить детей в школу. Освободившиеся силы предлагаю тратить на медитацию: очень просветляет. А что бы сделали вы?