„Най-удивителното в живата природа са нейните жизнени прояви и способността й да се приспособява към условията на средата…“ Професор В. А. Догел (1882—1955)
Зимният сезон е изключително неблагоприятен за повечето представители на животинския свят както поради ниските си температури, така и с рязкото намаляване на възможностите за изхранване. Като противодействие на това в своя дълъг многовековен процес на еволюционно развитие много животински видове са си изработили своеобразни приспособителни механизми, за да могат да преживеят през неблагоприятните сезони на годината. При едни животни се е затвърдил инстинктът за запасяване с храна, грижливо събирана в техните убежища за суровия зимен сезон, а при други се е формирало друго могъщо приспособление за избягване на неблагоприятните зимни условия — миграцията. Известни са изумителните далечни прелети на много видове птици, миграциите на някои видове риби и други представители на животинския свят. При много животински видове обаче е възникнал един друг съвършен физиологично-приспособителен механизъм, който може би е едно от най-интересните и загадъчни биологични явления в живата природа. Това е зимният сън при животните, наречен хибернация (от лат. hybernar — презимуване)1. Това интересно биологично явление се характеризира с намаляване на жизнените функции на организма до онзи минимум, който му позволява да прекара неблагоприятните зимни условия без приемаме на храна. В състояние на хибернация изпадат тези животински видове, които не са в състояние да си осигуряват храна през зимата и съществува опасност да загинат от глад и студ. Съвсем погрешно мнозина аналогично използуват думите летаргия и летаргичен сън (от гръцки lethargia), с които в медицината се означава болестен сън при човека, неподдаващ се на насилствено прекратяване. Хибернацията е широко разпространено явление в природата, въпреки че нейните проявления са различни при представителите на отделните групи животни с непостоянна телесна температура (пойкилотермни), известни още като студенокръвни, при които телесната температура зависи от околната температура, или животни с постоянна телесна температура (хомойотермни), известни като топлокръвни. При животните с непостоянна телесна температура с настъпването на студеното време активността им се понижава. При тези условия обмяната на веществата при тях се забавя и според понижаването на температурата на тялото се намалява произвеждането на енергия. От тази категория животни в състояние на зимен сън изпадат много видове насекоми, мекотели, риби, ракообразни, земноводни и влечуги, а от животните с постоянна температура — много видове бозайници и само няколко вида птици. При насекомите ниските температури оказват силно въздействие върху скоростта на жизнените им процеси, като ги забавят в значителна степен. Например установено е, че при 0°С дишането се потиска, като скоростта на окислителните процеси при повечето видове насекоми намалява близо 10—15 пъти в сравнение със скоростта им при 20°С. При отрицателни температури силно се забавя или практически спира цялото развитие на насекомото. Това анабиотично състояние е известно под името диапауза, която настъпва при появяването на неблагоприятни условия за живот и продължава през цялата зима — дотогава, докато условията станат по-благоприятни с идването на пролетта. Някои видове насекоми са способни да понесат твърде ниски температури — например гъсениците на сивата ливадна пеперуда преживяват температура до —30°С. Настъпването на зимния сезон заварва отделните видове насекоми в различни стадии от тяхното развитие, в което те презимуват — като яйца, ларви, какавиди или възрастни форми. Характерно е, че презимуването се предшествува от определена подготовка на организма, състояща се в натрупване на резервни мазнини в стадия от развитие, в който ще презимува (необходима за макар и понижената обмяна на веществата), и най-вече силно обезводняване на организма (при замръзване на водата ледените кристали биха разрушили структурата на тъканите и биха причинили смъртта на насекомото). Продължителността на вцепенението при насекомите е в пряка зависимост от запасите на мазнини в организма. При някои видове насекоми, които изпадат в анабиоза през цялата зима и през част от есента и пролетта, този запас достига повече от 18% мазнини, докато при други (например медоносните пчели) той не превишава повече от 1,5—2%. Впрочем това е така, защото пчелите не изпадат в продължителна анабиоза, но все пак при температура от 0 до 6°С се вцепеняват, като в това състояние може да прекарат 7—8 дни. При по-ниска температура те загиват. Интерес представлява как насекомите усещат точно момента, когато трябва да излязат от състоянието на анабиоза. С нарастването на деня през пролетта удължената дневна светлина и повишената температура служат на много животински видове като сигнал да сложат край на зимуването. Никой не знае обаче на какво точно реагират насекомите. Двама учени от университета в Корнъл, Ню Йорк, дават отговор на подобна сезонна реакция у два вида насекоми. Въпреки че двата вида насекоми приблизително по едно и също време излизат от диапаузата, те реагирали съвсем различно на изменящата се продължителност на деня. Американските учени открили, че един вид зелена златоочица от род Chrysopa излязла от състоянието на диапауза скоро след като била оставена на изкуствено осветление в лабораторията за критичен период от време. Количеството дневна светлина, стимулиращо преминаването от ларвно (диапауза) в какавидно състояние, било между 12 и 14 часа, което отговаряло на дължината на дени през март, когато диапаузата завършва при естествени условия. Ако продължителността на деня не достигнела тази критична стойност, насекомите изобщо не завършвали диапаузата. Друг вид зелена златоочица (от същия род Chrysopa) реагирала съвсем различно, въпреки че крайният резултат бил същият. Очевидно вторият вид насекоми не се нуждаели от определена критична продължителност на деня, за да излязат от диапаузата, но скоростта, с която излизали от това състояние, зависела от дължината на деня. Насекоми, събрани от естествената им жизнена среда към края на декември, се нуждаели от 90 дни, за да излязат от диапаузата при естествени условия. При постоянен режим от 12 часа светлина и 12 часа тъмнина им били необходими 78 дни; при 13 часа светлина и 11 часа тъмнина били необходими около 22 дни; при 14 часа светлина и 10 часа тъмнина били необходими 17 дни, а когато дължината на деня станала 15 часа, насекомите излизали от диапаузата само за 14 дни. Учените са на мнение, че моделът на реакцията означава, че при естествени условия диапаузата завършва постепенно с нарастването на дните в края на зимата и насекомите са отново напълно активни в ранна пролет. Съветският учен Н. И. Калабухов е изследвал анабиозата на някои видове пеперуди. Той установил, че времетраенето на зимния им сън е различно — например пеперудата пауново око прекарва в анабиоза 166 дни, като се събуждала при температура 5,9°С, докато при копринената пеперуда този период е 193 дни, а температурата — 8,6°С. Според учения дори различните географски райони оказвали влияние върху продължителността на диапаузата. Паяците също изпадат в състояние на анабиоза. От мекотелите в състояние на хибернация изпадат много видове охлюви. Например срещащите се в нашата страна градински охлюви (Helux pomatia и Helux lucorum) около 6 месеца (от октомври до началото на април) спят зимен сън. След дълъг подготвителен период, в който натрупват необходимите хранителни резерви в организма си, те изкопават дупки в земята за презимуване на дълбочина, където може да се поддържа температура 7—8°С. След като затворят дупките добре, охлювите се спускат на дъното, където се настаняват с отвора на черупката си нагоре. След това те затварят отвора на черупката си, изпускайки слизеста материя, която след кратко време се втвърдява и става еластична (подобна на ципа), наречена зимно покривало на черупковия отвор. При много студено време и при намаляване на хранителните резерви в организма охлювът се оттегля още по-навътре, прави още някоя преграда, като по този начин се образуват въздушни камери, играещи ролята на прекрасен изолатор. Установено е, че при продължително зазимяване охлювите губят повече от 20% от теглото си, като най-голяма е загубата на тегло през първите 25—30 дни (до 10%) от хибернацията. Това се дължи на обстоятелството, че всички обменни процеси постепенно намаляват, достигайки до онзи минимум, при който животното изпада почти в състояние на анабиоза с едва доловими жизнени функции. По време на зимния сън охлювът не се храни, пулсациите на сърцето му са силно забавени, дишането му почти спира. През пролетта, когато настъпят първите топли дни и температурата в почвата на 5—10 сантиметра дълбочина достигне 8—10°С и растителността започне да се развива (необходимата храна), а също паднат първите дъждове (необходимата влажност), хибернацията на охлювите се прекратява и те излизат от дупките си. Тогава те започват интензивна дейност по възстановяване на изчерпаните хранителни резерви на организма, за което поемат огромно количество храна. Водните охлюви също изпадат в състояние на хибернация, като повечето от тях се заравят в тинята на дъното на водоема, който обитават. От ракообразните обикновеният речен, блатният и езерният рак изпадат в състояние на анабиоза, като обикновено мъжките зимуват групово в дълбоки ями на дъното, а женските поединично в дупки, като още през ноември те са прилепили към късите си крачка оплодените яйца (от 50 до 500 броя), от които ще се излюпят едва през юни рачета с големина на мравка. Животните се подготвят за зимата по различен начин. По своеобразен начин се пригаждат към ниската температура на водата през зимата и някои видове риби. Обикновено температурата на тялото при рибите е непостоянна и съответствува на температурата на водата или леко я превишава (до 0,5—1°С). При внезапно рязко понижаване на температурата на водата рибите изпадат в шоково състояние. След кратка възбудителна фаза те престават да дишат, да плават и изглеждат като мъртви. Достатъчно е обаче водата да се затопли, и те бързо „оживяват“. Силното намаляване на обмяната на веществата при рибите при понижаване на температурата отдавна е привличало вниманието на учените. Описани са случаи, когато риби, замръзнали през зимата в леда, „оживяват“ след разтопяването му. По този начин се появило предположението, че дори след замръзване рибите могли да живеят. Задълбочените експерименти обаче не потвърдили това. Оказало се, че замръзналите риби оживяват само ако не са замръзнали кръвоносните им съдове. Особено много в тази област е работил съветският ихтиолог Бородин. Той заключил след редица изследвания, че ако рибите замръзнат във водата, те безвъзвратно загиват. При замръзване във въздуха те могат да оживеят, но само в случай, че замръзването обхваща единствено повърхностните тъкани. Гибелно за рибите се оказвало не самото охлаждане, а образуването на ледени кристали в кръвта и тъканите, които повреждат стените на кръвоносните съдове. По данни на Вейгман, ако рибата замръзне във въздуха, тя може известно време да живее за сметка на запасите от кислород в плавателния си мехур. Предположението на някои учени, че замръзналите риби дишат с хрилете, е без основание. Интересно е приспособлението, което показва при дълготрайно пълно вцепеняване черната риба (Dallia pectoralis). Тя е една от най-издръжливите на студ риби и обитава водоемите на полуостровите Чукотка (реки, езера и торфени блата) и Аляска. Суровият климат там позволява размразяване на ледовете само през летните месеци, когато рибите се размножават. През останалия период от годината рибите остават заровени и замръзвали в тинята. Ако температурата на телесните им сокове не спадне под — 0,3°С, при бавно размразяване те оживяват, но при замръзване на ‘кръвта загиват. В анабиоза тези риби могат да прекарат месеци наред до настъпване на съживяването им за късия период на размножаване. Подобна издържливост показват и някои други видове риби. По своеобразен начин се пригаждат към ниската температура на водата през зимата някои риби, обитаващи северната част на Атлантическия океан и арктическите води, като изменят състава на кръвта си. С понижаването на температурата на водата през есента в кръвта им се натрупват соли в такава концентрация, каквато има морската вода, при което положение кръвта трудно замръзва (своеобразен антифриз!). От пресноводните риби в зимен сън изпадат през ноември шаранът, каракудата, костурът, сомът и други. Когато температурата на водата спадне под 8—10°С, тези риби се оттеглят в по-дълбоките части на обитаваните от тях водоеми, заравят се в придънната тиня и остават в състояние на хибернация през цялата зима. Например при шарана в това състояние сърдечната му дейност се намалява от нормално 25—30 на 2—3 удара в минута, а дишането му се забавя до 3—4 пъти в минута. Интересно приспособление е констатирано при есетрата, чигата и моруната, които при голям студ обвиват тялото си със слуз, предпазваща ги от неблагоприятните въздействия на околната среда и студа, и тогава (изпадат в анабиотично състояние. Предпочитат да изчакат големите студове в зимен сън и някои морски риби. Така например селдата (херингата) още от есента се приближава към крайбрежията на Ледовития океан, където изпада в състояние на хибернация на дъното на някое малко заливче. Черноморската хамсия също презимува в южните райони на морето край бреговете на Грузия и съседния бряг на Мала Азия на дълбочина 70—80 метра, през което време тя е слабо активна и не се храни. Зимният сън при рибите се характеризира с крайно ограничаване на активността им, с пълно прекратяване или рязко намаляване на храненето, с рязко намаляване на интензивността на обмяната на веществата. По време на хибернацията организмът им се поддържа за сметка на натрупаните от обилното хранене през есента мазнини. Интересно биологично явление, предизвикано от периодични или неочаквани метеорологични промени, изменящи условията на живот през летните засушавания, представлява т. нар. летен сън при животните, който по същество е сходен със зимния сън. Най-често летният сън се среща при някои видове риби. Особено характерен е за обитателите на сладководните водоеми предимно в тропическите страни. Сравнително добре е изучен летният сън при двойнодишащите сладководни риби. Например африканският протоптерус (Protopterus aethiopicus) и американският лепидосирен (Lepidosiren paradoxa) се заравят в тинята при пресъхване на водоема, изпадайки в летен сън, понякога до 9 месеца (фиг. 71). През това време те дишат атмосферен въздух. В подобно състояние изпада и виюнът (Misgurnus), срещащ се у нас в Дунав и разливите му, които много често през летните горещини пресъхват. Тогава виюнът се заравя в тинята и изпада в състояние на хибернация. Той може да се намери в сухата тиня, в която няма никаква влага, във вид на вкаменелост, откъдето е получил латинското си име fossilis, което значи вкаменен остатък от организъм, живял в минали геологични времена. В това състояние той издържа продължително време неблагоприятните за него засушавания и при възвръщане на водата, която залива тинята, той възстановява жизнеспособността си. Установено е, че виюнът, който не е двойнодишаща риба, диша атмосферен въздух. Той поема въздуха през устата, който преминава през чревния канал, където се осъществява обмяната на газовете благодарение на обилната мрежа от най-малките кръвоносни съдове —
капилярите. Накрая въздухът се изхвърля през аналния отвор. Зимният и летният сън при рибите е еволюционно придобито биологично приспособление към неблагоприятните жизнени условия, като недостатъчен кислороден режим на застоялите води след образуването на лед през зимата или пресъхването на водоемите през лятото. В това състояние, когато рибите са най-слабо активни, те живеят за сметка на натрупаните преди това мазнини, като консумират незначително количество кислород. Много видове земноводни също изпадат в зимен и летен сън. В страни с умерен климат (например у нас) земноводните (жаби, тритони, дъждовници и други) са активни само през лятото, докато при суровите зимни условия прекарват в състояние на хибернация. Едни видове прекарват зимния сън във водата — голямата водна жаба (Rana ridibunda), планинската жаба (Rana temporaria), горската жаба (Rana dalmeatina) полово зрелите тритони (Tritns vulgaris) и други. Обикновено те лягат на дъното или се завират в дълбоките подмоли между камъните или в разни кухини. Други презимуват във вцепенено състояние на сушата в дупки от гризачи, в скални дупки, в кухини между корените на дърветата, заровени в пръстта, под камъни и листа — зелената и голямата крастава жаба (Bufoviridis и Bufo bufo), жабата-дървесница (Hyla arborea), дъждовникът (Salamandra salamandra). В страните с тропически климат, където температурата е висока и влажността е голяма, земноводните са активни през цялата година. В райони обаче, където се редуват сухи с дъждовни периоди, през сухия период, когато настъпват засушавания, които са пагубни за много видове земноводни, те изпадат в „летен сън“, заравяйки се в дупки в почвата, под корени, камъни и други. Типичен пример е остров Ява, където земноводните прекарват в летен сън около пет месеца. Както през зимния, така и през летния сън земноводните преустановяват да се хранят и всичките им жизнени процеси силно намаляват. В подобно анабиотично състояние изпада и сибирският ъглозъб (от рода на тритоните), който прекарва 2 месеца от годината във водата и още толкова на сушата, а останалото време прекарва в анабиоза. Точно в такова състояние през 1955 г. една минно-геоложка бригада при разкопки намира в Магаданската област на Съветския съюз на 14-метрова дълбочина един запазен екземпляр от това земноводно. Когато след работа бригадата се прибрала в палатката заедно с находката и запалила печката, замръзналото животно постепенно се размразило и размърдало. Поставили го в буркан с вода и то започнало да се движи. Оживялото животно дори живяло цели 12 часа. Този случай станал достояние на някои журналисти, които побързали да обявят в пресата „бомбастичната сензация“ — откриване на изкопаем древен тритон, който след близо 2 милиона години в анабиоза отново оживял. Това съобщение достигна дори и до нашите средства за масова информация. Разбира се, съветските учени-зоолози по-късно опровергаха „твърдението“, установявайки, че се касае не за изкопаем тритон, а за съвременен вид — сибирски ъглозъб (Hynobins keyserlingi). От класа на влечугите почти всички видове от нашата фауна през зимата изпадат в състояние на хибернация. Ниските зимни температури са основната причина за преминаването им в това състояние. Например, ако се вземе дори и през лятото някоя змия и се постави за няколко часа в хладилник, тя става съвършено вяла, неактивна и с нея може да се борави, както с парче от въже. Зимните квартири на змиите обикновено са подземни пещери, образувани от изгнили корени на големи стари пънове, дупки в скалите и други, които не са достъпни за враговете им. В такива укрития змиите се събират по много заедно, понякога дори от различни видове (отровни и неотровни), образувайки големи змийски кълба, известни сред народа като „мъртвила“. В тях понякога може да се преброят от десетки до стотици змии, което е довело до погрешното схващане, че змиите се събират на кълба, за да се топлят. Установено е обаче, че температурата на змийските тела по време на хибернацията почти не се различава от температурата на околната среда, а събирането на много змии заедно се обуславя от рядкостта на удобни за презимуване убежища. Потвърждението на този факт е, че някои змийски квартири се използуват за презимуване от тях десетилетия наред. Всичко това обаче се отнася за змиите, обитаващи страни с умерен климат, какъвто е нашият. Но има змии, постоянни обитатели на топлите пустини, където непрекъснато ги заплашва угрозата от топлинен удар, обезводняване или гладна смърт през сухите сезони. Установено е, че смъртният предел на температурата при тях е 50—55°С. Превишаването на този предел довежда до моментална смърт. Разбира се, природата се е погрижила да създаде у тези влечуги защитно-приспособителни механизми. Освен съществуващия слой празно пространство, изпълняващо функцията на топлоизолационна въздушна възглавница, която предпазва змията от топлинен удар и от изгаряне, животните са в състояние да изпаднат в летен сън през най-топлите дни. Това е защитна реакция на организма, при която употребяването на кислорода и отделянето на топлина са минимални. Водните костенурки презимуват заровени в тинята на обитавания от тях водоем, докато сухоземните навлизат до 1/2 м в почвата в някои естествени укрития или дупки на къртици, лисици, гризачи и други и изпадат в състояние на хибернация. Повечето видове гущери също презимуват в дупки, които не са заплашени от наводнение. Характерно за тях е, че при топли слънчеви дни през зимата се „събуждат“ и излизат от зимните си убежища за няколко часа за ловуване, след което отново се скриват в дупките си, изпадайки във вцепенено състояние, често по няколко заедно в една дупка. И така повечето от животните с непостоянна телесна температура, при които температурата е в зависимост от околната среда, изпадат в състояние на хибернация. Но най-удивителното е, че и много животни с постоянна температура, каквито са птиците и бозайниците, също са в състояние да спят зимен и летен сън през неблагоприятните сезони на годината. При по-голямата част от птиците през дългия еволюционен процес на тяхното развитие е възникнало друго могъщо приспособление за избягване на неблагоприятните зимни условия — прелетът. Въпреки това още Аристотел (384—322 година преди новата ера) в своята многотомна „История на животните“ е обърнал внимание на факта, че „част от птиците отлитат, за да презимуват в топлите страни, а други се скриват в разни убежища, където изпадат в зимен сън“. До същия извод стигнал и големият шведски природоизпитател Карл Линей, който в труда си „Система на природата“ (1735) пише: „През есента, когато времето застудее, лястовиците, не намирайки достатъчно насекоми за изхранването си, започват да търсят убежища за презимуване между тръстиките на езерата и реките.“ Дълго време обаче твърденията на Аристотел и Линей били отхвърляни от орнитолозите, позовавайки се на известния факт, че част от птиците мигрират към топлите страни, а немигриращите са активни и през зимата, а спящи зимен сън птици, въпреки твърдението на мнозина, науката не познава. Едва след като през 1947 г. двама американски учени — Калбуртсън и Йеджър, открили в скална дупка в състояние на хибернация птицата спящ козодой (Phalaenoptilus nuttallii), станало ясно, че и някои видове птици могат да изпадат в това състояние през неблагоприятните сезони на годината. Двамата учени провели по-задълбочени изследвания и установили, че този вид птици, преди да изпаднат в зимен сън, губели значителна част от теглото си и в определен момент от това изтощение се включвал механизмът на прехода към състояние на вцепенение. По време на хибернацията обмяната на веществата при тези птици рязко се понижавала. Потребността им от кислород намалявала близо 30 пъти, а температурата от 40—41°С спадала до 18—19°С, а дори и по-ниско. Те изпадали във вцепенение, продължаващо около 3 месеца. В това състояние се създавало впечатление, че са мъртви. Установено било, че по време на зимния сън козодой с тегло 40 грам изразходвал 0,15 милилитра кислород на 1 грам тегло за 1 час, докато в обикновено състояние той изразходвал 2,7 милилитра. Същите учени опръстенили една от тези птици и през следващите години се изяснило, че тя презимува все на същото място в продължение на 4 години. По-късно било установено, че и друг негов роднина — козодоят (Chordeilis minor), обитаващ Северна Америка и Антилските острови, също изпада в състояние на хибернация. В Дания е бил открит в същото състояние при температура на въздуха 0°С и европейският обикновен козодой (Caprimulgus europaeus). Проведените опити показали, че при изкуственото спадане на температурата на въздуха до 4° С птицата се вцепенявала, като от 37—40° С температурата й спаднала до 16—17,5°, а дихателната й ритмика от 50—70 спадала на няколко движения в минута. Съществуват наблюдения, че и някои видове лястовици (селски искални) също изпадат в хибернация през зимата. Състояние на краткотрайно вцепенение, което учените (наричат торпидност, е наблюдавано при новоизлюпените пилета на черния бързолет (Apusapus), които изпадат в това състояние, когато родителите им ги напуснат за няколко дни при неблагоприятни условия (например наближаващ циклон). Във вцепенено състояние температурата на тялото им от 39°С спадала до 20°С и дори по-ниско, пулсът и дишането им се забавяли и в това състояние те издържали 7—12 дни. При връщането на родителите им те ги затопляли с телата си и малките се възвръщали към живот. При благоприятно време малките бързолети излитали от гнездата за 33—35 дни, а при неблагоприятно, когато изпадали във вцепенение, им били необходими 40—50 дни.
Отдавна е известно, че в същото торпидно състояние изпадат и малките на някои видове колибри при забавяне повече от десетина минути на майката отишла за храна (при колибрите само женската изхранва поколението). След връщането й и затоплянето на тялото на малките те се възвръщат към живот. Учените са установили, че няколко вида от възрастните колибри (Calypte costae, С. anua, liugenes и Lampornis),обитаващи американския континент, също са способни да изпадат във вцепенение през особено хладните нощи, като телесната им температура се понижава до 8,8°С.
Известно е, че теглото на различните видове колибри варира от 1,7 до 19,1 грама. Установено е също, че потребността от кислород при дребните екземпляри в покой е 11—16 милилитра на 1 грам тегло за 1 час, по време на полет е 70—85 милилитра, а във вцепенено състояние — само 0,17 милилитра. Интересен факт е обстоятелството, че всички птици, способни да изпадат във вцепенение, в систематично отношение са близни родственици и притежават общи физиолого-екологични особености. Изпадането на тези птици във вцепенение през неблагоприятните условия, когато настъпват студове и липсва храна, представлява приспособителна реакция, затвърдена в процеса на еволюцията. Хибернация та при бозайниците се характеризира с намаляване на жизнените функции на организма до онзи минимум, който му позволява да прекара неблагоприятните зимни условия без храна. Недостигът на храна обаче не винаги е единствената причина за изпадане в състояние на зимен сън. Често неговото настъпване се определя и от степента на зимните студове. Така при климати с рязко разграничени зимни и летни периоди зимният сън протича с точността, характерна за природните явления, а в географски райони с не особено силни различия между лятото и зимата хибернацията при бозайниците настъпва в различно време и зависи предимно от степента на застудяването, както и от продължителността на деня. Презимуването на бозайниците се предшествува от физиологична подготовка на организма. Тя се състои преди всичко в натрупване на резервни мазнини, главно под кожата, в телесните празнини, около червата, в гръдната област (в кафявата мастна тъкан). При някои бозайници подкожната мазнина достига до 25% от общата маса на тялото им. Така например лалугерът (Citellus citellus) в края на лятото увеличава до 3 пъти теглото си в сравнение с теглото си през пролетта. При мармота (Marmota bobak) подкожната и вътрешната мазнина през юни е 10—15 грама, през юли 250—300 грама, а в края на август — I 750—800 грама, докато язовецът (Meles meles) складира до няколко килограма мазнина. Големи запаси подкожна тлъстина натрупват представителите на сем. Сънливци (Myoxidae ) — градинският, горският, мишевидният и
лешниковият. Особено много затлъстява и обикновеният сънливец (Glis glis). В древния Рим сънливците са ги хващали веднага след заспиването им, когато са най-тлъсти. Печени, те били задължително блюдо на трапезите на знатните римски патриции. Преди заспиването затлъстява много и таралежът (Er inace us europaeus ), и кафявата мечка (Ursus arctos), а също и всички прилепи (разред Chiroptera). Други бозайници, като хомяците (Cricetus cricetus и Mesocricetus aurattis) и бурундука (Tomias sibiricus) предпочитат да натрупват хранителни запаси в убежището си за временното си пробуждане през зимата. Зимните квартири на едни бозайници са естествени кухи стъбла и хралупи по дърветата, където например изпадат в зимен сън всички видове сънливци. Други зимноспящи животни, например прилепите, прекарват хибернацията най-често в пещери, необитаеми тавани, заспивайки на колонни, като висят с главата надолу. Трети, като лалугера, мармота, таралежа и други, предварително изкопават дупки в почвата, където прекарват зимния сън. Съветският зоолог П. Стротелев наблюдавал таралеж, който си изкопал землянка с две помещения, покрил землянката със сухи клончета, а пода — с дъбови листа. Едното помещение служило за склад, в който таралежът държал своите запаси за зимата, а другото било приготвено като спално за зимния сън. Азиатският бурундук също прави дупките си с 2 камери (складова и жилищна). Мармотът дълбае дупки с 5—6 входа, които преди зимния сън запушва отвътре с пръстта. Наред е външните фактори, като температура, светлина, наличност на храна и др., и редица вътрешни фактори — термо-регулация, ендокринна и нервна дейност и други, оказват влияние за настъпването на зимиия сън. В природата основният стимул за изпадане в хибернация е спадането на температурата и намаляването на светлинния ден, които в процеса на еволюцията са се затвърдили като сигурен сигнал, че наближават неблагоприятните зимни дни, когато животните са лишени от храна. През 1971 година американски учени, за да установят за колко време зимноспящите животни заспиват, провели телеметрични измервания на температурата на кожата и на тялото, а също и електрокардиографски изследвания чрез имплантирана радиокапсула при 4 таралежа, 3 мармота, 4 обикновени сънливци и 4 градински сънливци. Животните били поставени при лабораторни условия от температура 20—25°С при температура 4— 6°С. Експериментите показали, че таралежите, мармотите и градинските сънливци, подложени на въздействието на ниска температура, изпадали във вцепенение още в първите 24—48 часа, докато при обикновените сънливци това ставало едва след 10 денонощия. При приближаване на зимния сезон и настъпване на застудяване подвижността на животните постепенно намалява дотогава, докато накрая те изпадат в пълно вцепенение. Според степента на вцепеняване са известни 3 типа зимен сън:
1) лек (факултативен), съпътствуван от леко вцепеняване, който се прекъсва лесно (при мечки, еноти, енотовидни кучета);
2) периодично прекъсван зимен сън, характеризиращ се с пълно вцепеняване, съпронодепо със събуждане през по-топлите зимни дни (при хомяци, бурундуци, дългоухи прилепи)
3) истински непрекъснат зимен сън, представляващ трайно, продължително вцепеняване (при лалугери, таралежи, скокливи мишки и много видове прилепи).
В състояние на хибернация всички жизнени процеси при бозайниците се понижават в значителна степен. На първо място от 20 до 100 пъти се понижава интензивността на процесите на обмяната на веществата. Честотата на дишането и сърдечните удари също рязко намаляват. Така например, докато дихателната ритмики при лалугери през активния период от живота им е от 100 до 360 вдишвания в минута, по време на хибернация тя е от 1 до 15. При хомяка намаляването на броя на вдишванията в минути е от 32 на 8, при таралежите от 50 на 5, а при прилепите от 100 на 15 в минута. Честотата на сърдечните съкращения при лалугери в активен период е 200—400 удара в минута, а при хибернация намалява на не повече от 10; при прилепите тя намалява от 120 на 16 и така нататък. По време ни зимния сън температурата на тялото на бозайниците рязко се понижава, като почти съвпада с околния въздух и често се изменя в съответствие с колебанията му. В този случай те временно се „превръщат“ в животни с непостоянна телесна температура (пойкилотермни). За разлика от истинските пойкилотермни животни обаче бозайниците възстановяват способността си към регулиране на постоянна телесна температура при затопляне на времето и нормална двигателна активност.
С помощта на електронноизчислителна машина през 1971 година, американските учени Р. Люже, Е. Грей и Ф. Сут моделирали топлопродукцията и топлоотдаването на мармота (Marmota fiaviventris) при изменение на неговата температура от 36°С в периода на активност до 7°С през времето на зимния сън. Сравнявайки измерените температурни показатели на създадения модели на живия мармот, се установило абсолютно съвпадaне на резултатите. Доказано било, че мармотът контролира телесната температура дори в състояние на зимен сън. При хиберниращите бозайници кръвта от периферията се отдръпва предимно във вътрешните органи (кръвните депа) и кръвното налягане се понижава. В кръвта значително се повишава съдържанието на инсулина и на въглеродния двуокис, от който зимният сън става по-дълбок, докато количеството на захарта постепенно намалява, тъй като тя е основният източник на енергия. Появяват се регресивни промени също в жлезите с вътрешна секреция и в половата система, която обаче показва активност към края на зимния сън, тъй като непосредствено след събуждането си животните трябва да пристъпят към размножаване. Някои учени обясняват тази особеност с факта, че през втората половина от зимния сън в кръвта на животните се натрупва значително количество витамин Е в резултат на усиленото разпадане на мазнините. Отдавна е установено от много изследователи, че основен резерв за поддържане на жизнените процеси в зимноспящите бозайници представлява т. нар. кафява мастна тъкан, наречена още сънна жлеза, тъй като тя се среща при всички хиберниращи бозайници. Кафявата мастна тъкан представлява резервна тъкан, разположена главно между костните лопатки на рамото. Дишането на тази тъкан е по-усилено, отколкото при обикновената мастна тъкан, като по време на зимния сън намалява значително. Тази резервна мастна тъкан е с висока активност, показваща сезонни промени и ритъм, подобен на жлезите с вътрешна секреция. Доказано е, че нейната маса при таралежи и мармоти намалява със 70% по време на хибернация. Според някои учени, ако 50% от кафявата мастна тъкан се отстрани при таралежа, животното е неспособно да преживее зимния сън и умира при спадане на температурата. Понякога при по-топли зими много зимноспящи животни се пробуждат и през това време се хранят, ако има храна, и отново заспиват. Така например при прилепите са установени много индивидуални различия в зимния сън. При лалугерите е доказано, че периодите на пробуждане съставляват 7% от времето на зимния им сън, като се повтарят средно 1 път на 11 денонощия и траят по няколко часа. През това време животните изразходват толкова резерви от организма си, колкото за 10 денонощия зимен сън. Хомяците пък се събуждат на всеки няколко дни. Поставени при лабораторни условия обаче, зимноспящите бозайници променят до известна степен поведението си. При наши наблюдения върху лалугери, хванати от природата и отглеждани във вивариум, се установи по-късно настъпване на зимния сън (към края на ноември) и по-рано събуждане — още от средата на февруари (в природата лалугерът спи от септември до средата на март). Причината за това е значително по-високата температура (12—20°С) в помещенията в сравнение с температурата при природни условия. Поставени в хладилна камера (6—9°С), лалугерите заспиваха непробудно, изпаднали в пълно вцепенение до момента на изваждането им от камерата и поставянето им при по-висока температура (дори до края на април), но излизаха много измършавели, тъй като бяха изразходвали всички натрупани енергетични запаси. При лалугери, отглеждани от нас втора и трета година при лабораторни условия, наблюдавахме, че почти не заспиваха или по-точно факултативният сън беше много краткотраен. Това е напълно обяснимо. С изменяне на условията — постоянната температура и осигурената храна, постепенно се изменя и наследствено придобитият инстинкт. Очебиен пример в това отношение е сирийският златист хомяк (Mesocricetus auratus), който от няколко десетилетия вече се отглежда, размножава и използува като лабораторно животно при експерименталните изследвания. При лабораторни условия с постоянна температура 20—22°С хомякът почти е изгубил способността си да изпада в зимен сън, докато в природата спи през цялата зима. Факултативен е зимният сън и на кафявата мечка (Ursus arctos). В природата през лятото тя натрупва дебел слой подкожна тлъстина, като непосредствено преди настъпване на зимата се устройва в бърлогата си за продължителен сън. По време на хибернацията тази тлъстина се използува от организма й като източник на хранителни вещества, а също предпазва животното от измръзване. Температурата на тялото й спада, чувствително намалява и обмяната на веществата, поради което се понижава и разходът на хранителни вещества. Известно е, че понякога при топли зимни дни мечките се разбуждат, а след това отново заспиват. Обикновено обаче възвръщането им към нормална жизнена дейност става през пролетта, когато времето се затопля и температурата на тялото им се повиши. В някои модерни зоопаркове, където мечките се отглеждат в специални помещения с климатична инсталация или постоянна температура от 20—25°С и им се осигурява храна, те изобщо не заспиват. В природата при топли зими и когато не натрупа достатъчно подкожни тлъстини, кафявата мечка може също да не изпадне в състояние на хибернация. Въпреки че белите полярни мечки в сравнение с останалите си родственици са изложени най-много на суровите атмосферни условия, само бременните и полово незрелите женски спят зимен сън през зимата. Те си изравят дупка в снега и остават там няколко месеца, като през това време малките се раждат и развиват и не излизат навън, докато не укрепнат достатъчно и не настъпи затопляне на времето. Предполага се, че те се раждат и сучат от майка си по време на зимния й сън. Група учени под ръководството на доктор Нелсон през зимата на 1977/78 година провели в Рочестерската клиника „Майо“ в САЩ серия експерименти върху зимния сън на американската мечка гризли (Ursus horribilis), която е родственица с кафявата мечка, за изясняване на един от интересните секрети на природата, а именно по какъв начин мечките гризли в продължение на 5-месечен сън изразходват денонощно до 4000 калории, без да получават храна и вода и без да отделят отпадъчните продукти на обмяната. Учените са на мнение, че тези свойства на животното са обусловени от особен хормон, постъпващ още през есента в организма му от хипоталамуса и който те се мъчат да изолират. От друга страна, голям интерес представлява фактът, че обменните процеси при спящите мечки приличат на протичащите в човешкия организъм, намиращ се при пълно гладуваме. Учените установили обаче, че организмът на мечката ги осъществява много по-рационално. Гладуващият човек изразходва за поддържане на живота си както мастна тъкан, така и мускулна. След гладуване той е не само отслабнал, но и обезсилен. Мечките, напротив, събуждайки се през пролетта, притежават същата силна мускулатура, каквато са имали и през есента, и не изпитват чувство на глад още 2 седмици. Установено било още, че белтъчната обмяна по време на хибернация е пет пъти по-интензивна, отколкото при обикновени условия, само че продуктите от разпадането на белтъците се появяват в много малки количества. Бъбреците на мечката отделяли само няколко капки урина, която през стената на пикочния мехур се връщала обратно в кръвта. Наред с тези открития още не е установено защо в организма на мечката не се натрупват отровни продукти, преди всичко карбамид (пикочина), който при активно състояние животното изкарва с урината. За регулиране на процеса на хибернацията при бозайниците са изказани различни хипотези. Според някои съществува някаква химична съставка в кръвта. Така например двама учени от медицинския институт в Мейууд, щата Илиноис (САЩ), при инжектиране на серум, взет от бозайник в състояние на зимен сън, в тялото на буден бозайник от същия вид наблюдавали как инжектираното животно внезапно изпада в състояние на дълбок сън, носещ всички белези на естествената хибернация. Тази съставка в кръвния серум все още не е идентифицирана, но учените са на мнение, че тя действува като регулатор на количеството на определени хормони. Доказателство за това е фактът, че бозайници, на които инжектирали от хормона тестостерон, се събуждат от зимния сън по-рано от другите хиберниращи животни. Швейцарски изследователи от Базелския университет изучавали така наречения. фактор сън. Те отделили вещество от венозната кръв на мозъка па спящ зимен сън таралеж и го вкарали на друг буден таралеж, предизвиквайки у него сън. Подобни изследвания са проведени от Кноли през 1952 година, който изолирал вещество от мозък на хиберниращи бозайници, което предизвикало заспиване дори при неспящи зимен сън бозайници — в случая куче и котка, и то в продължение па 2 до 4 дни. При настъпването на пролетта и затоплянето зимноспящите животни се събуждат от вцепенението, като излизат от убежищата си съвършено измършавели, тъй като са изразходвали всички резервни енергетични вещества на организма. При изследвания върху мармота е установено, че намаляването на теглото му е резултат както от изразходваната мастна тъкан, така и от вътрешните органи. Мастната му тъкан била намаляла с 99%, черният дроб — с 59%, диафрагмата — с 4%, белите дробове -с 45%, мускулатурата — с 30%, сърцето с 27%, а скелетът -с 12%. Повечето от зимноспящите бозайници, като например таралежите, лалугерите, прилепите и други, след събуждането си и излизането от зимните си квартири са измъчвани от глад и при възможност се нахранват до насита. Те търсят денонощно храна и апетитът им, особено при таралежите, е пословичен, тъй като дневно изяждат повече храна, отколкото е собственото им тегло. Причината за събуждането не е само повишената температура, но и увеличената продължителност на деня. Понякога събуждане може да се предизвика и механично — чрез силен шум и други фактори. Излизането от състояние на хибернация започва с учестяване на дихателната ритмика, довеждаща до повишаване на сърдечните удари, на вътрешната телесна температура и на отделяната топлина. За увеличаване на топлопрс-дукцията спомага депонираният в черния дроб гликоген, който започва бързо да се изразходва. Накрая всички физиологични процеси на организма се нормализират. Обикновено за това са необходими само няколко часа. Зимният сън при бозайниците е един съвършен приспособителен механизъм, затвърдил се в процеса на еволюцията, чийто патент човекът все още не е разшифровал напълно. При бъдещото овладяване на космическото пространство предстоят дълги прелети до далечни планети. При полет до Луната, която е на сравнително близко разстояние от Земята и се изискват само дни за пристигането там, проблеми в това отношение не съществуват. Човешки крак вече стъпи на лунната повърхност. Нужни бяха неголеми запаси от кислород, храна и вода. Но при пътешествие до Марс е необходима цяла година, до Сатурн — 4 години, а пътят до Уран би продължил десетилетие. При това положение да се запаси космическият кораб с всичко необходимо е невъзможно. Изчисленията показват, че теглото на нужните запаси за 10—15 денонощия достига теглото на членовете на екипажа, а запасите за 1 година превишават теглото на екипажа около 60 пъти. При полети към по-далечни планети от слънчевата система, които могат да продължат десетки години, теглото па запасите би достигнало астрономически цифри. Тези факти показват, че да се осигурят нормални жизнени условия на космонавтите в бъдещите продължителни полети със съществуващите методи е невъзможно. От друга страна, учените са установили, че в състояние на хибернация организмът изразходва значително по-малко вещества за жизнената си дейност, отколкото в активно състояние. Този факт още повече вдъхва надеждата, че в бъдеще по време на космически полети до далечни планети космонавтите може да бъдат привеждани в състояние на хибернация, което ще позволи да се осъществи значителна икономия както на храна, така и на физически сили. Ето защо погледите на учените, занимаващи се с тези проблеми, са насочени отново към патентите на живата природа. В това отношение особено примамлива е перспективата космонавтите по време на по-голямата част от дългото пътешествие да бъдат изолирани в специално помещение в космическия кораб в състояние на анабиоза и в необходимия момент автома-тично или по команда от Земята да бъдат възвърнати безопасно към нормална температура и нормално състояние.
Защо учените се насочват към това интересно биологично явление, искайки да го моделират в космонавтиката? Преди всичко най-примамливото е, че животните в състояние на хибернация изразходват много малко кислород и не се хранят. Изключително интересен феномен в състояние на хибернация у животните е констатираната повишена устойчивост към неблагоприятните въздействия на факторите на околната среда. Например установено е, че инфекциозни болести при тях не се развиват дори при изкуствено заразяване, а много отрови, смъртоносни за организма при обикновени условия, се оказват безсилни при спящи зимен сън животни. Дори е доказано, че хиберниращи животни, облъчени със смъртоносни доза йонизиращи лъчения (Ro-лъчи), преживяват, като след събуждането жизнените им функции продължават да протичат напълно нормално. Този изумителен временен имунитет срещу болести, отрови и най-вече срещу опасната радиация е изключително важен за бъдещите дълготрайни космически полети. Като се има пред вид вероятността космическият кораб да преминава през зони от опасни лъчения, става ясно от какво значение е сигурността на космонавтите от йонизиращата радиация. Далечните космически полети обаче ще се извършват със скорости, близки до тази на светлината. Това поражда от своя страна редица нови проблеми пред космическата биология. При такива полети живите организми ще бъдат подложени дълго време под влиянието на повишеното ускорение и от учените се изисква предварително да установят дали космонавтите ще понесат безболезнено подобно изпитание. В това отношение интерес представляват експериментите, за които съобщава съветският учен Н. Тимофеев, проведени върху опитни животни. Установено било, че тяхната устойчивост към претоварването (ускорението) зависи от интензивността на обмяната на веществата. Например при охлаждане на плъхове до температура 28—22°С животните можели двойно, по-леко да издържат на огромното ускорение, тридесет пъти превишаващо земното. А когато животните се намирали в състояние на свръхдълбока хипотермия при телесна температура от 5 до 8 С, тнхнлтл жизнена дейност се възстановявала дори след петминутно действие на ускорение 70—80g. В този случай кръвта ставали 5—6 пъти по-тежка от живака. Ако същото ускорение (натоварване) беше получено не от центрофуга, както е било в условията на експеримента, а в условията на космически кораб, то само след 5 минути корабът би развил втора космическа скорост и би станал спътник на Слънцето. Днес учените дискутират и по въпроса за най-целесъобразната (при космическите полети) степен на анабиоза, при което състояние ще бъде приведен космонавтът. В това отношение те разграничават 2 степени: 1) хибернация, при която е налице частична анабиоза със запазване на дишането и сърдечната дейност, макар много забавени, и понижаване на телесната температура до 20—28°С, и 2) хипотермия, представляваща дълбока анабиоза, при която телесната температура се понижава до 2—6°С. При втората степен всяко понижаване на телесната температура с 1°С намалява потребността на организма от кислород и обмяната ни веществата средно с 5%. Изчисленията са показали, че хибернацията спестява 35—40% от жизнено необходимите запаси на организма, а дълбоката хипотермия — близо 100%. Следователно втората степен на анабиоза практически решава всички проблеми за далечни междупланетни полети, които стоят пред космическата биология. Създаването и поддържането на анабиоза без охлаждане на целия организъм обаче е невъзможно. Ето защо учените търсят методи за осигуряване на безопасност на защитно-приспособителните механизми на човешкия организъм и за предпазването му от сърдечно съдови смущения при привеждане в състояние на анабиоза. И това отношение вече са постигнати немалки успехи и дори възникна нов клон на биологията, наречен криобиология. При сложни сърдечно-съдови, мозъчни и очни операции, а също и при пациенти, непонасящи фармакологичните наркози, хирурзите използуват заимствувания от природата патент, наречен хипотермия. При него внимателно и бързо се охлажда целият организъм (или част от него), при което рязко се понижава обмяната на веществата, движението на кръвта се забавя значително, а чувствителността изчезва напълно. 1 1 = 9,80665 м/сек2. Това позволява на хирурзите да вършат своята работа спокойно, без непредвидени усложнения. Установено е, че когато човек е охладен изцяло до температура 34°С, зрението и слухът изчезват. При 29,5°С нормалният механизъм на терморегулацията преустановява дейността си. Чувствителността изчезва, зениците се разширяват, пулсът, спада на около 40 удара в минута (нормалният е 70—75 удара в минута), а кръвното налягане спада значително. При 26,5°С дихателните движения спират. Обикновено операциите се извършват при 24°С, като се използуват изкуствени бели дробове с чист кислород при ритъм на работа 30 пъти в минута. След приключване на хирургическата интервенция нормалната телесна температура на пациента се възвръща чрез постепенно равномерно затопляне. Всички жизнени процеси започват да функционират при 26,5°С се възвръща дихателната ритмика, при 30°С — пулсът и кръвното налягане, при 32°С започва да действува механизмът на терморегулацията, а при 34,5°С се възобновяват слухът и зрението. Цялата тази процедура обаче продължава най-много 1—2 часа. При бъдещите космически полети, които ще продължават години, ще се изисква привеждане на космонавтите в състояние на продължителна анабиоза (хибернация или хипотермия). Това от своя страна поражда принципно нови решения, които изискват многобройни експерименти и проучвания. Но като се има пред вид, че космическата биология е още в своите „юношески“ години, ясно е, че нейният път на развитие е правилно избран и той минава (за кой ли път вече?) отново през патентното бюро на живата природа.