Dlaczego niektóre zwierzęta hibernują?

Podczas zimowych miesięcy dzikie zwierzęta potrzebują zacisznego i ciepłego legowiska oraz dostępu do pożywienia. Niektóre z nich ewolucyjnie rozwinęły jednak przystosowanie służące przetrwaniu w skrajnych temperaturach, nazywane hibernacją. Dlaczego jednak tylko niektóre zwierzęta hibernują, a inne nie? Z czego to wynika?

Pewne zwierzęta wykształciły ewolucyjną zdolność do snu zimowego zwanego w skrócie hibernacją. Kiedy noce stają się długie, a temperatury są coraz niższe, ich ciało przechodzi specyficzne zmiany w fizjologii, które w efekcie zmuszają organizm do spowolnienia metabolizmu i zapadnięcia w długi, wielotygodniowy sen. Dla tych gatunków zwierząt to nie tylko kwestia tymczasowego komfortu, ale wręcz przystosowanie konieczne do przetrwania. Dlaczego jednak hibernują tylko niektóre gatunki, a inne nie?

Czym jest hibernacja?

Wedle słownika biologicznego, hibernacja (łac. hibernare) to „fizjologiczny stan organizmu, o charakterze przystosowawczym, polegający na wyłączeniu termoregulacji, znacznym spowolnieniu procesów życiowych i obniżeniu temperatury ciała, zwiększający tolerancję organizmu wobec niesprzyjających warunków środowiskowych”. Wraz z obniżeniem temperatury ciała, spowolnieniu ulega też praca serca, mózgu i większości innych organów oraz czynności fizjologicznych. Hibernacja jest więc stanem służącym przetrwaniu w warunkach zimowych, gdy temperatura spada poniżej 0 C. Stąd druga nazwa tego zjawiska – sen zimowy, lub odpoczynek, letarg czy diapauza zimowa. Wyróżnia się dwa rodzaje hibernacji naturalnej: obligatoryjną oraz fakultatywną, którą wywołują czynniki środowiskowe. Organizmy posiadające wykształconą zdolność do przechodzenia w stan hibernacji określa się mianem hibernatorów lub hibernantów.

Jak wyewoluowała zdolność do hibernacji u zwierząt?

Zdolność do hibernacji rozwinęła się niezależnie u przedstawicieli różnych grup systematycznych, osiągając u nich nieco inny ewolucyjnie stopień rozwoju. Formy tego zjawiska to: hibernacja, estywacja, torpor. Wciąż toczy się na ich temat dyskusja, ponieważ granice między tymi formami nie są jednoznaczne.

Estywacja (łac. aestivatio) określana też mianem sen letni (lub odpoczynek, letarg czy diapauza letnia) oraz tzw. torpor to stany zbliżone do hibernacji. W publikacjach anglojęzycznych hibernacja jest zwykle utożsamiana ze stanem torporu, przy czym wyróżnia się dwie jego pododmiany: krótką nazywaną torporem dziennym, oraz długą określaną torporem wydłużonym lub hibernacją. W innych opracowaniach oddzielnie rozróżnia się torpor, estywację i hibernację.

W estywacji następuje podobny jak przy hibernacji zimowej zanik aktywności i obniżenie metabolizmu. Jednak w tym wypadku ułatwia to zwierzęciu przetrwanie okresu letniego niedoboru wody lub pokarmu, a nie zimowych mrozów i śniegu. Z kolei torpor określa stan organizmu, w którym również następuje kontrolowane obniżenie temperatury ciała, jednak tylko u zwierząt stałocieplnych i są to zazwyczaj krótkotrwałe okresy obniżenia ciepłoty ciała, trwające w sumie zaledwie od kilku godzin, do kilku dni. W torporze jest też mniejszy stopień spowolnienia metabolizmu, niż w stanie hibernacji i estywacji. Dłuższe okresy odrętwienia zimowego to hibernacja, natomiast letniego – estywacja. Jak zatem widać, granice pomiędzy opisanymi stanami są dosyć płynne, a same stany są bardzo do siebie zbliżone. Te metaboliczne niuanse pozwalają wnioskować, dlaczego tylko niektóre zwierzęta hibernują, a inne estywują lub podlegają torporowi.

Jakie zmiany metaboliczne zachodzą w trakcie hibernacji?

W hibernacji następuje wyłączenie termoregulacji. Zewnętrznym bodźcem prowokującym te zmiany jest obniżenie ciepłoty otoczenia poniżej temperatury progowej, która jest różna zależnie od gatunku i zwykle ujemna. Powyżej tej temperatury progowej hibernacja nie następuje. Odwrotny proces zachodzi przy estywacji, tu występuje dodatnia temperatura progowa.

W czasie opisywanych zmian metabolicznych w organizmie zwierzęcia dochodzi do szeregu zmian hormonalnych, w tym m.in.: zwężenie naczyń krwionośnych i spowolnienie akcji serca, spowolnienie oddychania (do wystąpienia bezdechu włącznie) i obniżenie zużycia tlenu, spadek temperatury ciała (często jest ona tylko nieznacznie wyższa od temp. otoczenia), spadek aktywności mózgu i obniżenie pobudliwości nerwowej. Wszystko to powoduje w efekcie znaczny spadek metabolizmu oraz odrętwienie ciała i słabą reakcję na bodźce zewnętrzne. Niektóre gatunki nie wyłączają jednak termoregulacji, a temperatura ciała spada u nich tylko nieznacznie, pomimo, że nie jedzą i pozostają w swoich zimowych kryjówkach.

W hibernacji typowej dla ssaków, ich temp. ciała spada do ok. 5°C, dzięki czemu zimowy okres kilku do kilkunastu tygodni śpią bez pobierania pokarmu. Energię niezbędną do spowolnionego życia ich organizm czerpie z zapasów nagromadzonego wcześniej tłuszczu (brunatna tkanka tłuszczowa, czyli charakterystyczne dla ssaków „gruczoły snu zimowego”). Energia z tego tłuszczu umożliwia szybkie ogrzanie ciała przy wiosennym wybudzaniu i powrocie do normalnej aktywności. Niektóre ssaki potrafią utrzymywać obniżoną temp. ciała w czasie hibernacji na poziomie nawet poniżej 0°C (u susła arktycznego do -2,9°C).

W 2011 r. naukowcy amerykańscy odkryli, że hibernacja u niektórych zwierząt rozpoczyna się dzięki aktywacji niektórych receptorów mózgowych przez nukleozyd adenozynę. To niezwykle ważny krok w identyfikacji czynników powodujących tego typu stany metaboliczne.

Dlaczego hibernacja jest promowana tylko u niektórych gatunków zwierząt?

Hibernacja to ewolucyjna strategia życiowa umożliwiająca uniknięcie szybkiego, a przez to energochłonnego tempa przemiany materii (metabolizmu) niezbędnego do podtrzymania normalnych procesów życiowych oraz utrzymania stałej temperatury ciała. Hibernacji, estywacji czy torporowi w większości przypadków podlegają zwierzęta drobne, o małej powierzchni ciała i charakteryzujące się wysokim metabolizmem. U takich zwierząt, utrzymanie stałej temperatury ciała przy okresowym niedoborze pokarmu staje się bowiem zbyt kosztowne energetycznie i szybko prowadziłoby do wyczerpania oraz śmierci z zimna/gorąca oraz głodu/pragnienia. Natomiast u dużych hibernantów może o tym decydować np. pora rozrodu – np. hibernujące na zimę niedźwiedzie w tym czasie rodzą młode, dla których produkują dzięki temu własne mleko.

Ciekawy sposób hibernacji to również obniżenie punktu zamarzania swojego ciała, poprzez zwiększenie stężenia zawartego w nim glicerolu, glukozy, lub poprzez wytworzenie specjalnych białek zapobiegających tworzeniu się kryształków lodu w tkankach i ograniczających ich ilość – tzw. histereza termiczna. Podlegają jej np. gady i płazy terenów zimnych, czy niektóre ryby polarne. Owady oprócz glicerolu wykorzystują w tym celu także inne alkohole, jak np. sorbitol, rybitol, erytrytol oraz glikol, a także disacharydy (np. trehalozę i sacharozę).

Większość hibernujących lub estymujących zwierząt wyszukuje sobie na ten czas odpowiednią kryjówkę zwaną hibernakulum, która ochroni przed drapieżnikami i zimnem lub gorącem oraz utrzymuje wilgotność.

Hibernujące gatunki zwierząt.

Wśród zwierząt które w toku ewolucji wykształciły zdolność do hibernacji są m.in. niektóre gat. płazów oraz kilka rzędów ssaków. Wśród nich należy wymienić gat.: kolczatka (stekowce), oposy karłowate (torbacze), pancerniki (szczerbaki), jeże (owadożerne), chomiki i susły (gryzonie), niedźwiedzie i borsuki (drapieżne), wiele gat. nietoperzy, kilka gat. lemurów (ssaki naczelne), jeden gat. ptaka lelek zimowy. Hibernują też owady (głównie ich jaja, larwy lub poczwarki), u których określa się to mianem diapauzy. Kilka gat. małych kolibrów, jerzyków i czepigi z rodzaju Colius, oraz niektóre nietoperze zapadają w stan torporu, w czasie którego obniżają ciepłotę ciała. W razie potrzeby (np. pogorszenia warunków atmosferycznych uniemożliwiających żerowanie) letarg może się jednak przeciągnąć do kilku dni. Wśród zwierząt zapadających w sen letni zwany estywacją można natomiast wymienić wiele gat. zasiedlających regiony klimatu tropikalnego oraz większość gat. pustynnych i stepowych – np. ślimaki, pijawki, niektóre gryzonie i susły.

Przeczytaj również: Jakie zwierzaki zasypiają na zimę? Sen zimowy czy hibernacja?