Веселин Денков - На грани жизни
Как подчеркивает профессор Киршенблат, роль и значение нейросекреции ядра промежуточного мозга (в частности, гипоталамуса, являющегося его частью) и желез внутренней секреции в физиологических механизмах зимней спячки все еще недостаточно выяснены и представляют интерес для будущих исследований.
Каковы механизмы, регулирующие состояние зимней спячки?
Ясно, что оцепенение и зимняя спячка — это строго контролируемые физиологические состояния. У некоторых видов зимоспящих животных продолжительность ежедневного оцепенения определяется количеством пищи и необходимостью экономить энергию. Очевидно, что не только переход в состояние оцепенения, но и продолжительность этого состояния, как и выход из него, должны строго регулироваться организмом зимоспящих животных.
В естественных условиях зимняя спячка начинается в определенное время года, но она связана не только с наступлением холода и нехваткой пищи, а и с продолжительностью светового дня и с наступлением гормональных изменений. Например, невозможно заставить впасть в гибернацию зимоспящих млекопитающих в период размножения, несмотря на искусственно созданные идентичные условия.
Впавшее в оцепенение млекопитающее с низкой температурой тела внешне выглядит совершенно инертным, как будто мертвым. Оно не способно совершать согласованные движения, едва или совсем не реагирует на внешние раздражители и напоминает холоднокровное животное в охлажденном состоянии. Вся его нервная система не может работать согласованно, несмотря на то что дыхание, сердечные сокращения и многие другие физиологические функции остаются вполне координированными, хотя и очень замедленными. Если температура окружающей среды все же понижается до нуля или еще ниже, некоторые млекопитающие, впавшие в состояние зимней спячки, погибают. Другие реагируют так: либо быстро выходят из состояния зимней спячки, либо у них прекращается понижение температуры тела в результате регулируемого увеличения отделения тепла, так что температура тела животного остается на каком-то низком, но постоянном уровне (например, 5 °C). Эти реакции со всей определенностью показывают, что при спячке ряд функций центральной нервной системы сохраняется. В качестве примера можно привести ежа, температура тела которого во время холодов поддерживается в пределах 5–6 °C. Это позволяет такому млекопитающему избегать замерзания и в то же время экономить «горючее». Таким способом животное его не расходует ни на энергоемкий процесс полного пробуждения, ни на поддержание высокой температуры тела, присущей ему в активном состоянии. Для млекопитающего, которому несколько раз в течение зимы приходится пережить сильные морозы, повторные пробуждения могут оказаться очень невыгодными в отношении расхода энергии, в то время как поддержание температуры тела на предельно низком уровне, все еще предохраняющем животных от замерзания, является значительно более экономным.
Выход из состояния зимней спячки
С наступлением весны, что связано с потеплением и увеличением продолжительности светового дня, зимоспящие млекопитающие выходят из состояния оцепенения, т. е. «пробуждаются».
Очевидно, что повышение температуры тела при пробуждении связано с наибольшими расходами энергии по сравнению с другими этапами зимней спячки. В этот период появляются интенсивные конвульсивные движения мышц, т. е. дрожь, благодаря чему быстро выделяется тепловая энергия. В процессе согревания важную роль играют не только мышцы, но и особый вид жира, названный бурой жировой тканью. В отличие от обыкновенной белой жировой ткани у многих млекопитающих возникают большие или меньшие участки скопления своеобразного бурого жира, который отличается от белого жира не только по цвету, но и по характеру цитохрома, благодаря которому он может интенсивно поглощать кислород, тогда как белая жировая ткань, наоборот, метаболически малоактивна.
Считается доказанным, что важнейшую роль для поддержания теплопродукции при пробуждении впадающих в зимнюю спячку млекопитающих играет именно бурая жировая ткань. Она называется еще и сонной железой, так как встречается у всех зимоспящих млекопитающих, несмотря на то, что ее также обнаружили почти у всех негибернирующих млекопитающих (за исключением лошади и свиньи).
Исследования Джонсона в 1971 г. показали, что бурая жировая ткань, имеющая столь важное значение для зимоспящих млекопитающих, не выявлена у тех, хотя и немногочисленных, видов птиц, которые впадают в зимнюю спячку.
Бурая жировая ткань у млекопитающих расположена между лопатками, вдоль яремных вен, в грудной клетке возле аорты, в желудке, на уровне почек и надпочечников. Установлено, что она функционирует как своеобразный радиатор. Когда животное пробуждается от зимней спячки, эта жировая ткань согревается быстрее всего. Оттуда тепло распространяется на переднюю часть тела, и после того, как достигнута определенная температура, суженные кровеносные сосуды в задней части тела расширяются, все тело равномерно снабжается кровью и таким образом начинает согреваться.
Бурая жировая ткань отличается высокой активностью, подверженной сезонным переменам, и ритмом, подобно железам внутренней секреции, из-за чего некоторые исследователи уподобляют ее железе. Доказано, что ее масса у ежа и сурка уменьшается на 70 % во время зимней спячки. По данным некоторых ученых, если у ежа удалить 50 % бурой жировой ткани прежде, чем он впадет в гибернацию, то животное потеряет способность пережить зимнюю спячку и погибнет при понижении температуры. Не случайно французский ученый Пьер Росийон назвал бурую жировую ткань зимней одеждой млекопитающих.
Бурая жировая ткань при наблюдении под микроскопом значительно отличается от белой. Цитоплазма клетки белой жировой ткани содержит крупную жировую каплю, в то время как цитоплазма клетки бурой жировой ткани имеет большое число маленьких жировых (липидных) капель и запасы гликогена. Эти маленькие липидные капли облегчают активирование липидов, так как поверхность соприкосновения между цитоплазмой и маленькими каплями велика. По сравнению с белой бурая жировая ткань очень богата митохондриями, в которых производится энергия. Более того, митохондрии в бурой жировой ткани содержат внутренние мембраны, которые более часто расположены, чем в других тканях. Это создает большую поверхность для действия ферментов. Другими словами, благодаря этим своеобразным «теплоцентралям» (митохондриям) горючее (липиды и гликоген) может окисляться, чтобы произвести тепловую энергию, в которой нуждается организм млекопитающих. Доказано, что «разжигание» бурой жировой ткани происходит в результате нервных импульсов, так как она обильно иннервирована и, кроме того, снабжается кровью, так что с помощью кровообращения тепловая энергия распределяется по жизненно важным центрам организма. Установлено, что симпатический нерв (который является частью вегетативной нервной системы) управляет этим «разжиганием». Возбужденный нервными импульсами, которые тепловые рецепторы, расположенные по всему телу, направляют в головной и спинной мозг, симпатический нерв подает команды, передаваемые в орган-исполнитель (бурая жировая ткань) от «проводящих путей» — двух нейронов симпатического нерва.
В 1981 г. американские физиологи Р. Смит и Б. Горвиц из Калифорнийского университета провели исследования бурой жировой ткани, на основании которых они назвали ее внутренней согревающей рубашкой, покрывающей часть общей сосудистой сети. По данному сигналу она становится активным метаболическим «нагревателем», воздействующим непосредственно на кровь, когда она уходит и возвращается из периферийных частей тела. По мнению этих ученых, клетки бурой жировой ткани обладают высоким потенциалом обмена веществ. При выходе из состояния оцепенения температура бурой жировой ткани, особенно в местах ее скопления, оказывается значительно выше, чем других частей тела.
Температура в различных частях тела выходящего из состояния зимней спячки животного неодинакова, так как процесс согревания протекает неравномерно. Обычно передняя часть тела, где расположены такие жизненно важные органы, как мозг и сердце, согревается быстрее. Повышение температуры сердца, возможно, важнейший этап пробуждения, так как оно обеспечивает циркуляцию крови и таким образом доставку кислорода во все остальные органы. Исследования показывают, что согревание задней части тела начинается только после того, как температура передней части приближается к норме. Именно в тот момент, когда все тело животного быстро достигает нормальной температуры, происходит наибольшее потребление кислорода, после чего оно понижается и достигает нормального уровня. На начальной стадии пробуждения поток крови почти всецело направлен в жизненно важные органы в передней части тела, только после их согревания он заметно усиливается и в задних частях. Это было установлено с помощью радиоактивных индикаторов. Исследования коллектива под руководством К. Иохансена в 1964 г. показали, что скелетные мышцы в передней части тела млекопитающего, пробуждающегося от зимней спячки, получают в 16 раз больше крови, чем у бодрствующего животного. Это служит подтверждением того, что мышечная ткань играет важную роль в повышении теплоотдачи при выходе из состояния зимней спячки. Доказано, что в начале этого периода мышцы задней части тела получают примерно в 10 раз меньше крови, чем мышцы передней части. В то же время в бурой жировой ткани объем крови больше ее объема и в самых активных мышцах, что тоже подтверждает участие этой ткани в выработке тепла. Исследования тех же ученых еще в 1961 г. показали, что желудочно-кишечный тракт (особенно тонкие кишки) меньше всего снабжен кровью в момент пробуждения от зимнего сна.
