Ученые обнаружили, что кальций, присутствующий в телах медведей и составляющий основной компонент костей, подвергался эффективному циклу, благодаря которому кости были защищены. Задача Донахью и его команды заключалась в создании новых методов лечения костей у людей в процессе сравнивания структуры гормонов, которые связаны с образованием костей у людей и медведей.
Исключительно эффективная система не впервые наблюдается у медведей, впадающих в спячку. В одном из исследований, опубликованных в журнале Nature в 2001 году, изучение медведей того же вида показало, что в период спячки их потери мышечной силы меньше по сравнению с другими животными. Ученые, которые изучали медведей более четырех лет, подсчитали, что в конце пятимесячной спячки медведи теряют всего лишь 23% мышечной силы и около 1015% протеинов. В отличие от них, люди, которые проводят такое же количество времени в постели, потеряли бы 85% мышечной силы и 90% протеинов.
Эти безупречные системы у медведей также порождают большое количество важных вопросов, на которые нужно ответить. Медведь весит сотни килограммов и остается неподвижным в течение долгих месяцев, при этом кости находятся под давлением большого веса, и к тому же еще больший вес давит на мышцы, состоящие из более мягких тканей в контактирующей с землей области тела.
Обессиленные и обездвиженные пациенты в больницах требуют тщательного ухода. Медсестры переворачивают их в течение дня, при этом вес тела больного распределяется между различными областями. Таким образом предотвращается возникновение болезней. Уход медсестер и докторов за парализованными пациентами строится на принципах системы, которая есть у медведей: костные клетки эффективно используют кальций, а метаболизм медведя позволяет удерживать мышечную потерю на более низких уровнях. Изучение причин такой силы костей медведей может привести к открытию способа лечения остеопороза.
Мышечная потеря неизбежна у людей, которые голодают, и может быть даже фатальной. Желудки голодающих детей вздуваются в результате того, что мышцы в их телах рвутся из-за отсутствия жира и дальнейшего накопления воды. Однако у медведей такого накопления не наблюдается, и они избегают ситуации, которая может привести к смерти.
Тем не менее почему костные и мышечные клетки медведей могут демонстрировать такие сложные образования? Как эти клетки могут регулировать вход и выход кальция из своих мембран таким сознательным образом? Как получается, что медведи не подвергаются риску потерять мышцы, как это наблюдается у голодающих людей, даже если они остаются без еды в течение нескольких месяцев? Конечно же, сознательность, наблюдаемая в клетках, не принадлежит молекулам, которые их составляют. Атомы кислорода, углерода и азота не могут знать, что нужно медведям и, соответственно, не способны планировать. Процесс урегулирования в клетках принадлежит сущности, обладающей превосходным интеллектом. Не может быть сомнений, что это наш Господь, всемогущий Бог, который создал медведей и даровал им метаболизм для поддержки здоровья в течение периода спячки.
По сравнению с остальными своими сородичами белый медведь живет в наиболее суровых атмосферных условиях. При хорошей упитанности он может выдержать холод до 40 °С. Доказано, что беременные и не достигшие половой зрелости самки белого медведя зимой впадают в состояние зимней спячки. Для этой цели они выкапывают в снегу яму и остаются в ней несколько месяцев, пока родившиеся за это время медвежата не подрастут и достаточно не окрепнут и пока не наступит теплая погода. Самцы белого медведя не впадают в состояние гибернации.
Группа ученых под руководством доктора Ральфа Нельсона зимой 1977/78 годов провела в Рочестерской клинике «Майо» в штате Южная Дакота (США) ряд опытов по изучению зимней спячки американского черного медведя барибала. Исследователи ставили себе цель выяснить, каким образом этот вид медведя за время трех-, пятимесячного сна расходует ежедневно до 4 тысяч калорий, не получая пищи и воды и не удаляя отходов из организма.
Исследуя при помощи радиоизотопных методов пробы, взятые из крови и тканей этого медведя, ученые пришли к предположению, что данные свойства животного обусловлены особым гормоном, поступающим еще осенью в его организм из гипоталамуса. Процессы обмена веществ у медведей, находящихся в состоянии гибернации, оказались похожими на метаболические процессы, протекающие в человеческом организме при сухом голодании. Однако было установлено, что организм медведя осуществляет эти процессы значительно более рационально. Голодающий человек расходует для поддержания жизни как жировую, так и мышечную ткани. После длительного голодания человек не только худеет, но и теряет силы. Медведи, наоборот, просыпаясь весной, обладают той же сильной мускулатурой, какая была у них осенью, и не испытывают чувства голода еще две недели. Ученые установили также, что во время зимней спячки обмен белков в пять раз более интенсивен, чем при активном состоянии животного. Для обеспечения такого обмена медведи осенью накапливают запасы белков для зимней спячки, питаясь не менее 12 часов в сутки. Калорийность их дневной нормы необыкновенно велика достигает 20 тысяч калорий. Сильно повышенный белковый обмен во время зимней спячки предполагает образование многих продуктов отхода. Но в данном случае продукты распада белков появлялись в ничтожных количествах. Почки медведя выделяли всего лишь несколько капель мочи, которые через стенки мочевого пузыря всасывались обратно в кровь. Наряду с этими открытиями еще не установлено, почему в организме медведя не скапливаются ядовитые продукты распада, прежде всего мочевина, которая при активном состоянии животного удаляется с мочой. Независимо от того, что в период зимней спячки температура тела медведей иногда значительно падала, все процессы обмена веществ протекали нормально. Кроме того, удалось выяснить, что при температуре воздуха в помещении 8 °С на поверхности кожи медведя поддерживалась температура +35 °С, в прямой кишке +22 °С, в полости рта +35 °С (при +38 °С в активном состоянии). Однако частота сердечных сокращений и ритм дыхания значительно снижались.
Интерес к уникальным данным о гибернации медведей обусловлен поисками современной медицинской науки. Зимняя спячка черного медведя может послужить моделью для подбора диеты при хронической почечной недостаточности. В организме животного, впадающего в зимнюю спячку, отсутствуют обычные конечные продукты распада белка, а концентрация в крови аминокислот, белка, щелочных солей и т. п. остается неизменной на протяжении всей зимы. Кроме того, азот не накапливается в брюшной полости. Поэтому, если ученым удастся получить в чистом виде вещество (предположительно гормон), поступающее в организм из гипоталамуса медведей, с помощью которого регулируются жизненные процессы во время зимней спячки, то они смогут успешно лечить людей, страдающих заболеванием почек. Если замедлить распад белков, то образование мочевины сократится и таким образом можно будет защитить организм больного человека от излишка этого отравляющего вещества. Если удастся выделить этот предполагаемый гормон, то появится надежда создать на его основе препараты для лечения ряда болезней (хронических заболеваний почек, бессонницы, ожирения и др.). Если бы мы научились впадать в спячку при неблагоприятных условиях, как медведи, мы бы смогли жить несколько сотен лет. Раскрытие тайны медведей может заинтересовать и специалистов космической медицины с точки зрения будущих сверхдальних космических полетов. Этот интерес обусловливается тем фактом, что медведи спят три-пять месяцев в году, и подобный процесс может быть вызван у космонавтов, что даст возможность сэкономить запасы продуктов питания, которые нельзя взять в космический корабль в необходимых количествах.
Существует ли летняя спячка в мире животных?
Интересное биологическое явление, вызываемое периодическими (или неожиданными) метеорологическими переменами, изменяющимися условиями жизни в летний сезон, представляет собой так называемая летняя спячка у животных, которая, в сущности, весьма сходна с зимней. Научное название летней спячки эстивация (от лат. aestas «лето»). В подобное неактивное состояние впадает ряд видов животных при наступлении сильной жары и засухи, когда становится невозможно найти пищу и воду, чтобы выжить. Летняя спячка частое явление у некоторых видов рыб. Особенно она характерна для обитателей пресноводных водоемов, преимущественно экваториальных и тропических областей земного шара.
Сравнительно хорошо изучена летняя спячка у рыб двоякодышащих африканского протоптера и американского чешуйчатника. Африканский протоптер, представляющий собой редкое создание природы, поистине может называться необыкновенной рыбой. В известных энциклопедиях животного мира Брема протоптер назван рыбой-саламандрой. Многие ученые, изучающие эволюцию животного мира, считают, что это существо, вероятно, является первой попыткой природы превратить водного обитателя в сухопутного еще 400 миллионов лет тому назад. Поводом для такого предположения является тот факт, что эта рыба кроме жаберной системы использует для дыхания также парный плавательный пузырь, обильно насыщенный кровеносными капиллярами и играющий роль легких. Для передвижения по земной поверхности природа наделила эту рыбу вместо гибких плавников очень твердыми отростками, напоминающими ножки. Протоптер приспособился переносить продолжительные засушливые периоды, которые часто случаются в Центральной Африке и главным образом в притоках Белого Нила, Конго и Замбези, где неглубокие пресноводные водоемы полностью пересыхают. Он достигает двух метров в длину. В засушливый период года, с августа до ноября-декабря, когда водоемы, в которых он обитает, пересыхают, протоптер выкапывает себе нору в иле, примерно полметра-метр глубиной, и устраивается на ее дне, где формирует для себя специальную капсулу. После этого он выделяет большое количество слизи, которой склеивает глинистые стены капсулы. В результате образуется нечто похожее на кокон с узким проходом для дыхания, расположенным напротив рта и достигающим поверхности, по нему поступает атмосферный воздух. Так рыба проводит длительный период времени (пять-шесть месяцев), свернувшись в клубок в состоянии полного оцепенения. В это время она переходит на легочное дыхание, используя атмосферный воздух, а так как обмен веществ в ее организме резко понижается, потребность в кислороде уменьшается.
Впадая в глубокую летнюю спячку, эта рыба живет за счет предварительно накопленного жира. В засушливый сезон года местное население ходит ловить протоптеров, вооружившись лопатами и обнаруживая их по слуху, легочное дыхание рыбы уловимо даже для нетренированного уха. После наступления дождливого сезона вода размягчает илистую капсулу и рыба оживает. Известен случай, когда протоптер вместе с его глинистым коконом был успешно перевезен из Африки в Европу, после чего был «оживлен» в воде и обитал в аквариуме несколько лет. Быстрое пробуждение рыбы от летней спячки опасно. Ее мускулатура очень медленно восстанавливает свою способность двигаться. Кроме того, необходимо, чтобы у дыхательного механизма было достаточно времени для переключения с легочного дыхания на дыхание жабрами.
В подобное состояние впадает и встречающийся в наших краях вьюн когда водоемы, где он обитает, высыхают в летнюю жару. Вьюн зарывается в ил и впадает в состояние летней спячки. Его можно обнаружить замурованным в сухой ил, в котором нет никакой влаги, и тогда он кажется окаменелостью. Вот почему он получил название Misgurnus fossilis fossilis происходит от лат. fossicius, что означает «окаменелый», «ископаемый», т. е. окаменелый остаток организма, жившего в давние времена. При неблагоприятной для него засухе вьюн пребывает в этом состоянии продолжительное время. А при увлажнении его жизнедеятельность восстанавливается. Установлено, что вьюн, хотя и не является двоякодышащей рыбой, вдыхает атмосферный воздух ртом. Воздух проходит через кишечный тракт, где осуществляется газообмен благодаря обильной сети мельчайших кровеносных сосудов капилляров, и выводится через анальное отверстие. Летняя спячка у этих рыб, подобно зимней спячке, является приобретенным эволюционным путем биологическим приспособлением к неблагоприятным условиям жизни. В таком состоянии, когда рыбы наименее активны и процессы обмена веществ сведены до возможного минимума, они живут за счет заранее накопленного жира, причем потребляя незначительное количество кислорода.
В то время как для наших географических широт определяющим фактором сезонности в жизни земноводных (лягушек, тритонов, саламандр) является температура окружающей среды, в тропиках и субтропиках эту роль играет влажность. При достаточно высокой температуре воздуха, но низкой влажности (в период засухи) земноводные обычно впадают в летнюю спячку. В странах с тропическим климатом, где температура и влажность высокие, земноводные активны весь год. Но в районах, где чередуются засушливые и дождливые периоды, когда наступает засуха, пагубная для многих видов земноводных, они впадают в летнюю спячку, зарываются в ямы в почве, под корни, камни и т. п. Типичным примером может служить остров Ява, на котором земноводные проводят в состоянии летней спячки почти пять месяцев. Во время как зимней, так и летней спячки земноводные не питаются, все их процессы жизнедеятельности и обмена веществ значительно замедляются.
Известно, что представители обширного класса пресмыкающихся это животные с непостоянной температурой тела, которая зависит от температуры окружающей среды. Пресмыкающиеся любят тепло и часами греются на солнце. Ороговевшие покровы их тела и отсутствие кожных желез предохраняют их от чрезмерной потери воды. Некоторые из них даже приспособились жить в очень сухом климате, в жарких и безводных пустынях. Однако жара в тропиках служит причиной впадения некоторых из них в летнюю спячку. Так, например, некоторые виды змей постоянные обитатели жарких пустынь, где им зачастую угрожает тепловой удар, способны впадать в летнюю спячку в самые жаркие дни. Это и есть защитная реакция организма, когда потребление кислорода и образование тепла в организме минимальны.
Зарывшись в ил, впадает в летнюю спячку анаконда, достигающая 11-метровой длины. В эстивацию впадают и самые крупные представители пресмыкающихся крокодилы. Когда водоемы пересыхают, они зарываются глубоко в ил. Несмотря на то что поверхностный его слой высыхает и затвердевает, в глубине влага сохраняется, там они и остаются на время своей летней спячки. По этому поводу знаменитый путешественник Александр Гумбольдт привел рассказ одного европейского колониста, которому пришлось заночевать в хижине, построенной прямо на земле на берегу реки Ориноко (Венесуэла, Южная Америка). Среди ночи его разбудил сильный шум, и земля под ногами зашевелилась. Комья земли полетели во все стороны, и наконец из-под земли появился огромный крокодил. Очевидно, он пребывал в состоянии летней спячки и, к ужасу колониста, именно в эту ночь проснулся.