Zjawisko hibernacji.
Marek Guzik, Lucjan Schimscheiner.
Zakład Zoologii Instytut Biologii WSP Kraków Biologii WSP, Kraków
Hibernacja czyli sen zimowy pochodzi od łacińskiego słowa hibernare, co oznacza zimowanie. Stanowi rodzaj przystosowania organizmu do przetrwania trudnych warunków zimowych, ujemnych temperatur oraz braku pokarmu. W czasie hibernacji dochodzi do obniżenia temperatury ciała, a tym samym znacznego obniżenia metabolizmu. O hibernacji można mówić w odniesieniu do zwierząt stałocieplnych, natomiast zwierzęta zmiennocieplne zapadają w stan odrętwienia zimowego. Różnica między tymi zwierzętami polega na tym, iż zwierzęta stałocieplne obniżają temperaturę ciała do pewnej granicy i na tym poziomie potrafią ją utrzymać pomimo wahań temperatury otoczenia, natomiast u zwierząt zmiennocieplnych obniżenie temperatury ciała postępuje wraz z obniżaniem się temperatury otoczenia- Jednak zimujące płazy
i gady potrafią utrzymać temperaturę ciała na poziomie nieznacznie wyższym niż temperatura otoczenia o ile utrzymuje się ona na poziomie 0DC.
Zjawisko hibernacji występuje u zwierząt stałocieplnych, z tym, że odnosi się głównie do ssaków. Wśród ssaków w sen zimowy zapadają: stekowce, torbacze i łożyskowce. W naszej faunie w sen zimowy zapadają np. nietoperze, jeż, susły, świstak, popielicowate, chomik. U tych zwierząt występuje bardzo znaczne obniżenie temperatury ciała (u chomika o 25-30°C), niekiedy prawie do poziomu temperatury otoczenia 6°C — chomik; 8°C — świstak. Znacznie obniża się rytm oddechowy, spada ciśnienie krwi oraz zmniejsza się liczba uderzeń serca (u jeża z 200 do 20 uderzeń na minutę, u nietoperza z 450 do 15 uderzeń na minutę). U wielu ssaków drapieżnych np. i niedźwiedzia, borsuka czy jenota oraz u gryzoni np. u wiewiórki występuje tzw, hibernacja płytka albo spoczynek zimowy. W tym przypadku obniżenie temperatury ciała jest znacznie mniejsze (u niedźwiedzia z 38°C do 31,3°C). W tym stanie również ulegają zahamowaniu funkcje życiowe jednak w mniejszym stopniu (liczba uderzeń serca u niedźwiedzia zmniejsza się z 40 do 8 uderzeń na min. u gryzoni do 2 - 5 uderzeń na minutę). Zaniepokojone zwierzę może natychmiast rozpocząć aktywne życie, a samica niedźwiedzia rodzi w tym czasie młode, karmi je i chroni od zimna (Tęgowska 1990).
Termoregulacja zwierząt stałocieplnych jest uwarunkowana obecnością w podwzgórzu ośrodków termoregulacyjnych. W czasie hibernacji zwierząt stałocieplnych następuje zatem okresowe wyłączenie termoregulacji, co prowadzi do okresowego przejścia tych zwierząt w stan zmiennocieplności. W głównej mierze dotyczy to zwierząt zapadających w stan hibernacji głębokiej.
Wśród ptaków jedynym gatunkiem zapadającym w sen zimowy jest lelek zimnodrętw (lelek Nuttalla) (Phalaenoptilus nuttallii) z Arizony. Temperatura ciała pogrążonych we śnie ptaków wynosi 18-15°C, podczas gdy ich normalna temperatura w czasie życia aktywnego wynosi 40-41°C. Okres hibernacji trwa u tych ptaków ok. 3 miesiące. (Busse 1990)
Życie zwierząt zmiennocieplnych jest wyraźnie skorelowane z temperaturą otoczenia.
Z uwagi na to, iż nie mają one rozwiniętych ośrodków termoregulacyjnych w podwzgórzu, temperatura ich ciała zmienia się wraz ze zmianami temperatury otoczenia. W przypadku tych zwierząt często używa się terminu odrętwienie zimowe zamiast hibernacja. W naszej strefie klimatycznej podlegają temu zjawisku wszystkie płazy i gady oraz wiele gatunków ryb. Na okres zimy płazy i gady wyszukują sobie różnego rodzaju kryjówki na lądzie lub spędzają zimę
w wodzie. Z gadów żyjących w Polsce jedynie żółw błotny spędza zimę w wodzie. Zagrzebuje się w mule na dnie zbiornika, chowa w pancerzu i tak w stanie odrętwienia przebywa nawet do
7 miesięcy (Młynarski 1971). W tym czasie nie odżywia się, nie oddycha płucami. Pozostałe gady, takie jak: jaszczurki i węże okres zimowy spędzają na lądzie- Ponieważ są zwierzętami ciepłolubnymi już we wrześniu wyszukują sobie różne kryjówki dogodne do spędzenia zimy. Jaszczurki zimują pojedynczo (wyjątek padalec), natomiast węże zazwyczaj masowo. W tym przypadku w miejscu zimowania przebywają zazwyczaj różne gatunki węży, płazów, a nawet małych ssaków. Największa opisana kolonia zimujących żmij liczyła 800 osobników. Zimujące gady znajdują się zazwyczaj na głębokości od 40 cm do 2 m po powierzchnią gruntu (Viitanen 1967). Ma to duże znaczenie dla tych zwierząt, bowiem nie wytrzymują one temperatury poniżej -2°C. W przypadku utrzymywania się temperatury otoczenia w pobliżu 0°C gady jak
i płazy są zdolne do utrzymania temperatury swojego ciała na nieznacznie wyższym poziomie. Różnica temperatur między ciałem a podłożem w przypadku zimujących żmij wynosiła od
0,1 °C do 3,5°C (temp. gruntu - 0,2°C, temp żmii — mierzona w kloace — + 3,4°C). Najniższą temperaturą zimującej żmii było 0,0°C przy temp podłoża - 0,l°C (Viitanen 1967).
Płazy później niż gady zapadają w stan odrętwienia i nawet w tym stanie wykazują pewną aktywność. Płazy, które zimują w wodzie (żaba trawna, żaba wodna i żaba śmieszka) zagrzebują się w mule na dnie, ale zaniepokojone aktywnie pływają, choć bardzo powoli i niezdarnie. Płazy zimujące na lądzie (żaba moczarowa, żaba jeziorkowa, ropuchy, kumaki, grzebiuszka, rzekotka, traszki i salamandra) gromadzą się w różnych zagłębieniach nawet do 1,5 m i okres zimy spędzają zazwyczaj w większych różnogatunkowych grupach, w których trwa powolne przemieszczanie się osobników. Płazy będące na powierzchni skupiska wciskają się w środek, wypychając na zewnątrz inne osobniki. Stwierdzono, że zimujące płazy również utrzymują temperaturę ciała wyższą niż temperatura podłoża o ok. 0,5°C (Juszczykl987).
Zimujące w wodzie płazy wybierają do tego celu wolno płynące cieki wodne. Ma to duże znaczenie dla zimujących osobników, bowiem w przypadku zamarznięcia powierzchni płaz nie ginie z braku tlenu. Może się jednak zdarzyć, że ciek przemarznie do dna. Powoduje to śmierć płazów. Często można spotkać płazy częściowo uwięzione w lodzie. Nie powoduje to uszkodzeń tych części ciała. Żaba trawna wytrzymuje kilkudniowe całkowite uwięzienie w lodzie, jeżeli temperatura nie obniży się poniżej - 2°C. Podobną temperaturę tolerują też nasze płazy zimujące na lądzie. U płazów tych występuje obniżenie temperatury ciała poniżej 0,0°C jednak nie występuje jeszcze wytworzenia kryształów lodu w organizmie.
U płazów stwierdza się w okresie zimy obniżenie aktywności metabolicznej wielu narządów. Zmniejsza się ciężar przewodu pokarmowego, wątroby, ciał tłuszczowych, degeneracji ulegają komórki nabłonkowe przewodu pokarmowego (Guzik, Schimscheiner, 1985). W przypadku płazów zimujących w wodzie wymiana gazowa zachodzi wyłącznie przez skórę. Również znacznemu zahamowaniu ulegają funkcje wegetatywne organizmu. W tym czasie jednak następuje ostateczny rozwój narządów generatywnych. U samic dojrzewają oocyty w jajnikach, wzrasta ciężar jajowodów, u samców tworzą się modzele godowe i dojrzewają plemniki. (Juszczyk, Zyśk 1983, Guzik i inni 1989)
W naturalnych warunkach wszystkie nasze płazy zimują, jednak wydaje się, że nie
w każdym przypadku jest to konieczne. Kumaki hodowane od jaja w pracowni nie zmieniają
w okresie zimy trybu życia, są aktywne a na wiosnę normalnie się rozmnażają. Jeżeli jednak kumak spędzi swoją pierwszą zimę w warunkach odrętwienia zimowego, nie jest zdolny do rozrodu bez okresowgo obniżenia temperatury. Natomiast żaba trawna trzymana w pracowni, w okresie zimy przestaje jeść, a na wiosnę jej komórki jajowe nie są zdolne do zapłodnienia. W tym przypadku przebywanie żaby w niskich temperaturach wydaje się koniecznością.
W przypadku ryb można wyróżnić dwie grupy . Jedne wraz z nastaniem zimy skupiają się w większe grupy i zapadają w stan odrętwienia, który w czasie zaniepokojenia mogą przerwać (amur, lin, karp, leszcz). Inne gatunki są aktywne przez całą zimę, odżywiają się i sprawnie pływają (okoń, sandacz, płoć, pstrąg, piskorz). Wydaje się, że głównym czynnikiem różniącym te dwie grupy ryb jest temperatura w jakiej spędzają okres życia aktywnego (od wiosny do jesieni). Ryby żyjące w wodzie zimnej pozostają aktywne i w zimie, natomiast ryby żyjące w ciepłej wodzie w okresie zimy zapadają w stan odrętwienia. Istotną cechą tego rodzaju zimowania zwierząt zmiennocieplnych jest niedopuszczenie do wykrystalizowania wody w organizmie. Wiadomo, że woda zamarza w temperaturze 0°C. Krew zwierząt jest płynem o bardzo różnorodnym składzie chemicznym, a tym samych ma niższą temperaturę zamarzania. Dla przykładu temperatura zamarzania krwi żaby wynosi - 0,44°C. Nie wystarcza to jednak do obrony przed dalszym oziębianiem organizmu. Okazało się, że w organizmie wielu zimujących zwierząt znajdują się specjalne białka, które zapobiegają zamarzaniu płynów ustrojowych (antifreeze proteins), a ponadto we krwi płazów i gadów pojawiają się znaczne ilości glukozy, glicerolu lub tauryny, które to związki chronią tkanki (Layne 1995). W efekcie tego zwierzęta te pomimo obniżenia się temperatury ich ciała poniżej 0°C nie zamarzają, a płyny ustrojowe bardzo powoli krążą.
Takie substancje jak glicerol, glukoza i tauryna odgrywają podstawową rolę u płazów i gadów, w czasie odrętwienia zimowego. Dotychczas opisano kilka takich gatunków. Cztery gatunki należą do płazów bezogonowych. Są to: Rana sylvatica, Hyla versicolor, Hyla crucifer i Pseudacris triseriata. Tolerują one temperaturę około - 3, - 8°C. Zamarza u nich część płynów ustrojowych, nie zamarzają jednak np. mózg, serce i wątroba. Najbardziej odpornym na niskie temperatury jest płaz ogoniasty — salamandra syberyjska (Hynobius kiy.scrtingi), który toleruje temperaturę - 35°C pozostając w stanie zamrożenia prawdopodobnie do kilkunastu lat. Stwierdzono, że przez kilka tygodni toleruje on temperaturę dochodzącą nawet do - 50°C (Nurkowska 1993).
Wśród gadów zdolność do zamarzania stwierdzono u żółwika malowanego (Chrysemys picta), który toleruje temperaturę - 4, - 8°C on węża Thamnophis sirtalis wytrzymującego w stanie zamrożenia temperę - 2,5°C (Nurkowska 1993).
Zima jest dla wielu zwierząt okresem krytycznym. Przystosowanie organizmu do niskich temperatur ma dla nich podstawowe znaczenie.