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 спячкой. Научное название летней спячки, как мы уже упомянули, — «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.
Это явление известно и в мире растений. Общеизвестна способность семян растений впадать в анабиоз на длительный срок без проявлений признаков жизни и развития в летний сезон.
В природной обстановке многим животным и растениям приходится проводить неблагоприятный для них сезон года в состоянии покоя, при котором процессы жизнедеятельности более или менее заторможены. Многие одноклеточные организмы (жгутиконосцы, амебы и инфузории), живущие в пересыхающих водных бассейнах, чтобы выжить, образуют цисты. Само явление называется инцистированием. С наступлением неблагоприятного сезона эти организмы становятся неподвижными, округляются, теряют свои жгутики и реснички, образуют вокруг себя плотную и слизистую оболочку. Образовавшиеся цисты во многих отношениях более устойчивы при неблагоприятных внешних воздействиях. Инцистирование сопровождается заметным обезвоживанием цитоплазмы одноклеточного животного. Попадая снова в благоприятные условия, циста впитывает воду, набухает, ее оболочка лопается, и из нее выбирается одноклеточное животное, готовое к активной жизни.
Сходное явление наблюдается и у низших многоклеточных животных — губок. С наступлением осени в теле пресноводных губок образуются скопления клеток, содержащих большой запас питательных веществ. Они окружаются двумя плотными оболочками, между которыми наблюдаются воздушные камеры и скелетные образования. Так образуются маленькие шарики, которые называют геммулами. Зимой тело губки погибает и разлагается, но геммулы сохраняются. Весной их оболочка трескается, массы клеток выходят наружу, и из них развиваются молодые губки.
Заторможенность процессов жизнедеятельности можно наблюдать и в яйцах (зародышах) животных, особенно таких, которым предстоит пребывать в условиях неблагоприятного сезона. Так, например, зародыши маленького морского рачка артемии (Artemia salina) способны переносить продолжительное высыхание. Зародыши артемии издавна используются для кормления аквариумных рыбок и зачастую транспортируются в высушенном состоянии (в состоянии анабиоза) на большие расстояния (даже за границу), при этом они не теряют своей жизнеспособности.
Описаны случаи сильного замедления процессов развития под влиянием внешних воздействий и у зародышей некоторых видов рыб (семги, пеляди) и земноводных (озерная и травяная лягушки). После устранения неблагоприятных факторов зародыши продолжают нормальное развитие.
При засухе и сильной жаре в летнюю спячку впадают и некоторые виды улиток, укрывающихся в своих подземных убежищах.
В подобное состояние впадают и некоторые виды пиявок. Так, например, японский зоолог Ока еще в 1922 г. наблюдал в состоянии оцепенения паразитирующих на панцире японских водных черепах тропических пиявок из вида Ozobranchus jantseanus. При выходе водных черепах на берег эти пиявки полностью высыхают на несколько дней. Оказавшись в воде, они восстанавливают свою жизнедеятельность.
У насекомых диапауза может наступить не только под влиянием низких температур, но и при чрезмерно высокой температуре, сочетающейся с пониженной влажностью. В таких случаях некоторые виды впадают в летнюю (тепловую) диапаузу, при которой их развитие прекращается до наступления необходимой для их жизнедеятельности температуры и влажности.
Летняя спячка — частое явление у некоторых видов рыб. Особенно она характерна для обитателей пресноводных водоемов, преимущественно экваториальных и вообще тропических областей земного шара. Сравнительно хорошо изучена летняя спячка у рыб двоякодышащих-африканского протоптера (Protopterus aethiopicus) и американского чешуйчатника (Lepidosiren paradoxa).
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 его из водного в сухопутного обитателя еще 400 млн. лет тому назад. Поводом для такого предположения является тот факт, что эта рыба, кроме жаберной системы, использует для дыхания и парный плавательный пузырь, обильно насыщенный кровеносными капиллярами и играющий роль легких. Для передвижения по земной поверхности природа наделила рыбу вместо гибких плавников очень твердыми отростками, напоминающими ножки. Эта рыба приспособилась переносить продолжительные засушливые периоды, которые часто бывают в Центральной Африке и главным образом в притоках Белого Нила, Конго и Замбези, где неглубокие пресноводные водоемы полностью пересыхают. Протоптер достигает в длину 2 м. В засушливый период года — с августа до ноября-декабря, когда обитаемые им водоемы пересыхают, протоптер выкапывает себе нору в иле, достигающую 0,5–1 м, 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 напротив рта, достигающим поверхности и служащим для поступления атмосферного воздуха. Так рыба проводит длительный период времени (5–6 месяцев), свернувшись в клубок в состоянии полного оцепенения. В этот период она переходит на «легочное» дыхание, используя атмосферный воздух, а так как обмен веществ 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 этой рыбы от летней спячки опасно. Ее мускулатура очень медленно восстанавливает свою способность двигаться. Кроме того, необходимо, чтобы ее дыхательный механизм имел достаточно времени для переключения с легочного дыхания на дыхание жабрами.
В летнюю спячку впадает и упомянутый американский чешуйчатник, тоже представляющий собой двоякодышащую рыбу. Он обитает в заболоченных бассейнах рек, густо поросших водной растительностью, в Южной Америке и особенно в бассейне Амазонки. В дождливый период эта рыба усиленно питается и накапливает жир, который необходим ей как резервное питание на то время, когда она зароется в ил и впадет в состояние оцепенения. Весь засушливый сезон она проводит в состоянии летней спячки и при этом дышит атмосферным воздухом. Однако если водоем, в котором рыба обитает, не пересыхает, она вообще не впадает в летнюю спячку.
В подобное состояние впадает и встречающийся у нас вьюн (Misgurnus fossilis), когда водоемы, где он обитает, в летнюю жару высыхают. Тогда 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 свое название fossilis — от лат. fossil, что означает окаменелый остаток организма, жившего в давние геологические времена. В этом состоянии вьюн выдерживает продолжительное время при неблагоприятной для него засухе. При увлажнении жизнедеятельность восстанавливается. Установлено, что вьюн, хотя и не является двоякодышащей рыбой, вдыхает атмосферный воздух ртом, проводя его через кишечный тракт, где осуществляется газообмен благодаря обильной сети мельчайших кровеносных сосудов — капилляров, и выбрасывает его через анальное отверстие.
Летняя спячка у 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 потребляют 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 высокая и влажность большая, 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, где земноводные проводят в состоянии летней спячки почти 5 месяцев. Как при зимней, так и при летней спячке земноводные не питаются, и все их процессы жизнедеятельности и обмена веществ значительно замедляются.
Известно, что представители обширного класса пресмыкающихся (Reptilia) — 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 и в очень сухом климате, в жарких и безводных пустынях. Однако жара в тропиках служит причиной впадания некоторых из них в летнюю спячку.
Так, например, некоторые виды змей — постоянных обитателей жарких пустынь, где им зачастую угрожает тепловой удар, — способны впадать в летнюю спячку в самые жаркие дни. Это и есть защитная реакция организма, при которой потребление кислорода и образование тепла в организме минимальны.
Зарывшись в ил, впадает в летнюю спячку и 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, где они и проводят свою летнюю спячку. 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 как бы задвигалась. Комья земли полетели во все стороны, и наконец из-под земли появился огромный крокодил. Очевидно, он находился там в состоянии летней спячки и, к ужасу колониста, именно в эту ночь проснулся.
В тропических странах в летнюю спячку впадают и многие виды ящериц. Степные черепахи, обитающие в среднеазиатских пустынях, также впадают в летнюю спячку, при которой процессы обмена веществ значительно замедлены.
Летняя спячка является патентом и некоторых теплокровных млекопитающих, обитателей: степей и пустынь, таких, как туркестанский и североамериканский суслики, сенегальский еж и другие. С наступлением сильной жары они впадают в состояние оцепенения на продолжительный срок.
Известно, что все обитатели пустыни испытывают недостаток воды. Но различные виды животных преодолевают это затруднение различными способами. Среднеазиатский тонкопалый суслик (Spermophilopsis leptodactylus) зарывается в глубокие норы, где температура не такая высокая, как на поверхности песка, и расход воды соответственно меньше.
Из мелких животных, обитающих в жаркой, сухой и скудной растительностью пустыне Мохаве в Калифорнии, интересен один вид сусликов, названный в «честь пустыни» мохавеским. Американские ученые Джордж Бартоломью и Джек Хедзен изучали экологию и поведение этого грызуна в природных и лабораторных условиях. Суслик, достигающий 15 см длины и 150 г веса, коричневого цвета, роет себе нору в рыхлом песке в тени деревьев и кустов, растущих в пустыне и снабжающих его пищей. Большую часть года — с августа до марта — мохавеский суслик остается в своей норе в состоянии оцепенения. В весенние месяцы, когда растительность пустыни находится в расцвете, он покидает свое убежище, чтобы продолжить свой род и накопить жир, готовясь к возвращению под землю. В лабораторных условиях этот суслик вел себя так же, как и в природных, что способствовало исследованиям. Было установлено, что он активен с марта до августа. В остальную часть года даже при комнатной температуре, несмотря на изобилие пищи и воды, он периодически впадал в состояние оцепенения, длившееся от нескольких часов до нескольких суток. Это состояние чередующихся периодов сна и бодрствования продолжалось от позднего лета до ранней весны и включало в себя два самостоятельных процесса — зимнюю и летнюю спячки, которые, в сущности, сливались в один общий сон. Исследования двух американских ученых показали, что у мохавеского суслика эти два процесса — нечто другое, как две стороны одного и того же физиологического явления. При впадении животного в состояние оцепенения потребление кислорода и температура тела резко падают, причем температура тела соответствовала температуре окружающей среды или слегка превышала ее. Его дыхание останавливалось на продолжительный период времени, а пульс был замедленным. При пробуждении у суслика восстанавливалась нормальная температура тела, нормализовалась частота дыхания, причем увеличивалось потребление кислорода, ускорялось сердцебиение, появлялась дрожь (при которой выделялось тепло). Пробуждение происходило очень быстро — для него требовалось не больше часа. Оно могло произойти внезапно от сильного шума или прикосновения, тогда как для впадания в состояние оцепенения суслику было необходимо почти 6 ч. После пробуждения потребление кислорода достигало максимума через 15–20 мин, а температура тела повышалась от 20 до 30 °C за 20–35 мин. Обмен веществ начинал повышаться при температуре окружающей среды 36,6 °C. При температуре окружающей среды 20 °C потребление кислорода оцепеневшим сусликом составляло только около 1/10 от того, каким оно было в состоянии бодрствования при той же температуре. Главными источниками энергии для организма во время зимней и летней спячки служил накопленный в период активности жир. Ученые вычислили, что окисление 1 г жира требует 2 л кислорода, что означает, что впавший в оцепенение суслик, весящий 300 г и использующий 0,8 м3 кислорода на 1 г массы в течение 1 ч, сжигает 0,29 г жира ежедневно. Следовательно, за 172 дня зимней и летней спячки он расходует 50 г жира, которые полностью удовлетворяют его потребности в энергии. А это составляет ровно половину того запаса жира, который накапливает грызун в период своей активной жизни в бодрствующем состоянии.
Пример с мохавеским сусликом показывает, что, в сущности, оба вида спячки (летняя и зимняя) — это только две стороны одного и того же физиологического явления- защитно-приспособительной реакции организма.