Цели: увеличить области познания учеников; научиться анализировать явление временного прекращение жизнедеятельности у живых организмов, использующих его как средство приспособиться и выжить в неблагоприятных условиях.
Оборудование: таблицы моллюсков, ракообразных, насекомых, рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих.
Зимний сезон неблагоприятен для многих представителей мира животных и растений как из-за низкой температуры, так и резкого сокращения возможностей добывать пищу. В ходе эволюционного развития многие виды животных и растений приобрели своеобразные приспособительные механизмы, чтобы выжить в неблагоприятное время года. У одних видов животных возник и утвердился инстинкт создавать запасы пищи; у других выработалось другое приспособление – миграция. Известны поразительно дальние перелёты многих видов птиц, миграции некоторых видов рыб и других представителей мира животных. Однако в процессе эволюции у многих видов животных замечен и другой совершенный физиологический механизм приспособления – способность впадать в безжизненное на первый взгляд состояние, которое у различных видов животных проявляется по-разному и имеет разные наименования (анабиоз, гипотермия и др.). Между тем все эти состояния характеризуются заторможенностью функции жизнедеятельности организма до того минимума, который позволяет ему пережить неблагоприятные зимние условия без приёма пищи. В подобное состояние мнимой смерти впадают те виды животных, которые не в состоянии обеспечить себя пищей зимой и для них существует опасность гибели от холода и голода. И всё это выработанное в процессе эволюции, подчинено строгой природной целесообразности – необходимости сохранить вид.
Зимняя спячка – широко распространённое явление в природе, несмотря на то, что её проявления различны у представителей отдельных групп животных, будь то животные с непостоянной температурой тела (пойкилотермные), называемые ещё и холоднокровными, у которых температура тела зависит от окружающей температуры, или животные с постоянной температурой тела (гомойотермные), называемые ещё и теплокровными.
Из числа животных с непостоянной температурой тела в состояние зимней спячки впадают различные виды моллюсков, ракообразных, паукообразных, насекомых, рыб, земноводных и пресмыкающихся, а из животных с постоянной температурой тела- несколько видов птиц и многие виды млекопитающих.
Как зимуют улитки?
Из типа мягкотелых в зимнюю спячку впадают многие виды улиток (например, все наземные улитки). Встречающиеся садовые улитки впадают в зимнюю спячку в октябре, и она длится до начала апреля. После долгого подготовительного периода, в течение которого они накапливают в своём организме необходимые питательные вещества, улитки находят или выкапывают норки, чтобы несколько особей могли вместе перезимовать глубоко под землёй, где температура будет поддерживаться на уровне 7 - 8°С. Хорошо закупорив норки, улитки спускаются на дно и залегают отверстием раковины вверх. Затем они закрывают это отверстие, выпуская слизистое вещество, которое вскоре затвердевает и становится эластичным (похожим на плёнку). При значительном похолодании и недостатке питательных веществ в организме, улитки зарываются ещё глубже в землю и образуют ещё одну плёнку, таким образом создавая воздушные камеры, играющие роль прекрасного изолятора. Установлено, что во время продолжительной зимовки улитки теряют более 20% своего веса, причём самая большая потеря приходится на первые 25-30 дней. Это объясняется тем обстоятельством, что все процессы обмена веществ постепенно затухают, чтобы достигнуть того минимума, при котором животное впадает почти в состояние анабиоза с едва уловимыми жизненными функциями. Во время зимней спячки улитка не питается, дыхание почти прекращается. Весной, когда наступают первые тёплые дни и температура почвы достигает 8-10° С, когда начинает развиваться растительность и выпадают первые дожди, улитки вылезают из своих зимних убежищ. Тогда начинается интенсивная деятельность по восстановлению исчерпанных пищевых резервов в их организме; это выражается в поглощении огромного по сравнению с их телом количества пищи.
Водяные улитки прудовики тоже впадают в состояние зимней спячки – большинство из них зарывается в ил на дне водоёма, в котором они обитают.
Где зимуют раки?
Всем известна популярная в народе угроза: “Я тебе покажу, где раки зимуют!”. Предполагают, что эта поговорка появилась во времена крепостного права, когда помещики, наказывая провинившихся крепостных мужиков, заставляли их ловить раков зимой. Между тем известно, что это почти невозможно, так как раки зимуют, глубоко зарывшись в ямы на дне водоёмов.
С точки зрения систематики класс ракообразных подразделяется на два подкласса – высшие и низшие ракообразные.
Из высших ракообразных речной, болотный и озёрный раки впадают в состояние зимней спячки. Самцы зимуют группами в глубоких ямах на дне, а самки – в одиночку в норках, причём они ещё в ноябре приклеивают к своим коротким ножкам оплодотворённые яйца, из которых лишь в июне вылупятся рачки величиной с муравья.
Из низших ракообразных интерес представляют водяные блохи (род Дафнии). Они откладывают, в зависимости от условий, два вида яиц – летние и зимние. Зимние яйца имеют прочную оболочку и образуются при наступлении неблагоприятных условий жизни. Для некоторых видов низших ракообразных высыхание и даже замерзание яиц являются необходимым условием для продолжения их развития.
Диапауза у насекомых
По многочисленности видов насекомые превосходят все остальные классы. Их температура тела зависит от окружающей среды, оказывающей сильное воздействие на скорость жизненных воздействий, причём низкие температуры в значительной степени уменьшают эту скорость. При отрицательных температурах сильно замедляется или практически останавливается всё развитие насекомого. Это анабиотическое состояние, известное под названием “диапауза”, представляет собой обратимую остановку процессов развития и вызывается внешними факторами. Диапауза наступает при возникновении неблагоприятных для жизни условий и продолжается всю зиму, пока с наступлением весны условия не станут более благоприятными.
Наступление зимнего сезона застаёт разные виды насекомых на разных стадиях их развития, в которых они и зимуют – в виде яиц, личинок, куколок или взрослых форм, но обычно каждый отдельный вид впадает в диапаузу на определённой стадии своего развития. Так, например, семиточечная божья коровка зимует во взрослом состоянии.
Характерно, что зимовке насекомых предшествует определённая физиологическая подготовка их организма, состоящая из накопления в их тканях свободного глицерина, который не допускает замерзания. Это происходит на той стадии развития насекомого, в которой они будут зимовать.
Ещё с наступлением первых признаков похолодания осенью насекомые находят удобные убежища (под камнями, под корой деревьев, под опавшей листвой в норках в почве и пр.), где после снегопада умеренно низкая и равномерная температура.
Продолжительность диапаузы у насекомых находятся в прямой зависимости от запасов жира в организме. Пчёлы не впадают в продолжительную диапаузу, но всё же при температуре от 0 до 6° С оцепеневают и в этом состоянии могут находится 7-8 дней. При более низкой температуре они погибают.
Интересно и то, как насекомые точно определяют момент, когда им следует выйти из анабиотического состояния. Учёный Н.И. Калабухов исследовал анабиоз у некоторых видов бабочек. Он установил, что продолжительность диапаузы у отдельных видов различная. Например бабочка павлиний глаз пребывала в состоянии анабиоза 166 дней при температуре 5,9° С, в то время как тутовому шелкопряду понадобилось 193 дня при температуре 8,6°С. По мнению учёного, даже различия в географическом районе оказывают влияние на продолжительность диапаузы.
Впадают ли в зимнюю спячку рыбы?
Своеобразным путём приспосабливаются к низким температурам воды зимой и некоторые виды обширного класса рыб. Обычная температура тела у рыб не постоянная и соответствует температуре воды. При внезапном резком понижении температуры воды рыбы впадают в шоковое состояние. Достаточно, однако, чтобы вода потеплела, и они быстро “оживают”. Опыты показали, что замороженные рыбы оживают лишь в тех случаях, когда не замерзли их кровеносные сосуды.
Оригинально приспосабливаются к низким температурам воды зимой некоторые рыбы, обитающие в арктических водах: они изменяют свой состав крови. С понижением температуры воды осенью в их крови скапливаются соли в такой концентрации, какая характерна для морской воды, а при этом кровь замерзает с большим трудом ( своеобразный антифриз).
Из пресноводных рыб ещё в ноябре в зимнюю спячку впадают карп, ёрш, окунь, сом и другие. Когда температура воды падает ниже 8 - 10°С, эти рыбы переходят в более глубокие части водоёмов, зарываются большими группами в ил и остаются там в состоянии зимней спячки на протяжении всей зимы.
Некоторые морские рыбы тоже переносят сильные холода в состоянии зимней спячки. Так, например, сельдь уже осенью приближаются к побережью Ледовитого океана, чтобы впасть в состояние зимней спячки на дне какого-нибудь небольшого заливчика. Черноморская хамса тоже зимует в южных районах моря – у берегов Грузии, в это время она не активна и пищу не потребляет. А азовская хамса перед наступлением зимнего периода мигрирует в Чёрное море, где собирается в группы в сравнительно малоподвижном состоянии.
Зимняя спячка у рыб характеризуется крайне ограниченной их активностью, полным прекращением питания и резким уменьшением обмена веществ. В это время их организм поддерживается за счёт запасов питательных веществ, накопленных благодаря обильному питанию в осенний период.
Зимняя спячка земноводных
По образу жизни и устройству класс земноводных является переходным между типично водными позвоночными и типично наземными животными. Известно, что различные виды лягушек, тритонов, саламандр также проводят неблагоприятный зимний сезон в состоянии оцепенения, так как это животные с непостоянной температурой тела, которая зависит от температуры окружающей среды.
Установлено, что зимняя спячка лягушек продолжается от 130 до 230 дней и её продолжительность зависит от продолжительности зимы.
В водоёмах, чтобы перезимовать, лягушки собираются группами по 10-20 экземпляров, зарываются в ил, в подводные впадины и другие пустоты. Во время зимней спячки лягушки дышат только через кожу.
Зимой тритоны обычно устраиваются под тёплыми прогнившими пнями и стволами упавших деревьев. Если они не находят поблизости таких удобных “квартир”, то удовлетворяются трещинами в почве.
Пресмыкающиеся тоже впадают в зимнюю спячку
Из класса пресмыкающихся почти все виды нашей фауны зимой впадают в состояние зимней спячки. Низкие зимние температуры – основная причина этого явления.
Зимние квартиры – это обычно подземные пещеры или пустоты, образовавшиеся вокруг больших старых пней с гнилыми корнями, щели в скалах и других местах, которые не доступны их врагам. В таких укрытиях собирается большое число змей, образуя огромные змеиные клубки. Установлено, что температура змей в период зимней спячки почти не отличается от температуры окружающей среды.
Большинство видов ящериц (луговая, полосатая, зелёная, лесная, веретеница) тоже впадают в зимнюю спячку, зарывшись в почву, в норы, которым не угрожает наводнение. В тёплые солнечные дни зимой ящерицы могут “пробуждаться” и выползать из своих зимних убежищ на несколько часов, чтобы поохотиться, после чего снова прячутся в свои норки, впадая в состояние оцепенения.
Болотные черепахи проводят зиму, зарывшись в ил водоёмов, в которых они обитают, в то время как сухопутные забираются на глубину до 0,5 м в почву в какие-нибудь естественные укрытия или норы кротов, лисиц, грызунов, закрывшись торфом, мхом и влажными листьями.
Подготовка к зимовке начинается ещё в октябре, когда черепахи накапливают жир. Весной при временном потеплении они просыпаются, иногда на целую неделю.
Есть ли птицы, впадающие в зимнюю спячку?
Большинство животных с непостоянной температурой тела, которая зависит от окружающей среды, впадают в состояние зимней спячки. Но удивительно, что и многие животные с постоянной температурой тела, например, птицы, тоже могут впадать в зимнюю спячку в течение неблагоприятных сезонов года. Известно, что большая часть птиц избегает неблагоприятных зимних условий путём перелётов. Ещё Аристотель в своей многотомной “Истории животных” обратил внимание на тот факт, что “часть птиц улетает, чтобы перезимовать в тёплых странах, а другие укрываются в разных убежищах, где впадают в зимнюю спячку”.
К этому выводу пришёл и крупный шведский естествоиспытатель Карл Линней, который в своём труде “Система природы” писал: “Осенью, когда начинается похолодание, ласточки, не находя достаточно насекомых для пропитания, начинают искать убежище для зимовки в зарослях тростника вдоль берегов озёр и рек”.
Оцепенение, в которое впадают некоторые виды птиц, значительно отличается от зимней спячки, свойственной многим млекопитающим. Прежде всего, организм птиц не только не накапливает энергетических запасов в виде жира, но, наоборот, расходует значительную их часть. В то время как млекопитающие впадают в зимнюю спячку, заметно прибавив в весе, птицы перед оцепенением сильно худеют. Вот почему явление оцепенения у птиц, как считает советский биолог Р. Потапов, должно называться не зимней спячкой, а гипотермией.
До сих пор механизм гипотермии у птиц до конца не изучен. Впадение птиц в состояние оцепенения при неблагоприятных условиях жизни представляет собой приспособительную физиологическую реакцию, закрепившуюся в процессе эволюции.
Какие млекопитающие впадают в зимнюю спячку?
Как и у тех животных, о которых шла речь раньше, так и у млекопитающих зимняя спячка – это биологическое приспособление для переживания неблагоприятного сезона года. Несмотря на то, что животные с постоянной температурой тела обычно переносят условия холодного климата, недостаток подходящей пищи зимой стал причиной приобретения и постепенного закрепления в процессе эволюции некоторыми из них этого своеобразного инстинкта – проведение неблагоприятного зимнего сезона в неактивном состоянии зимней спячки.
Различают три типа зимней спячки по степени оцепенения:
1) лёгкое оцепенение, которое легко прекращается (еноты, барсуки, медведи, енотовидные собаки);
2) полное оцепенение, сопровождающееся периодическими пробуждениями только в более тёплые зимние дни (хомяки, бурундуки, летучие мыши);
3) настоящая непрекращающаяся зимняя спячка, представляющая собой стабильное, продолжительное оцепенение (суслики, ежи, сурки, тушканчики).
Зимней спячке млекопитающих предшествует определённая физиологическая подготовка организма. Она состоит, прежде всего, в накоплении запасов жира, главным образом под кожей. У некоторых спящих зимой зимней спячкой подкожный жир достигает 25% общей массы тела. Например, суслики ещё в начале осени толстеют, увеличивая вес своего тела втрое по сравнению с весенне-летним весом. Перед зимней спячкой значительно толстеют и ежи, и бурые медведи, а также и все летучие мыши.
Другие млекопитающие, например хомяки и бурундуки, не накапливают больших запасов жира, а делают запасы пищи в своём убежище, чтобы пользоваться ими в периоды своего краткого пробуждения зимой.
Во время зимней спячки все виды млекопитающих лежат неподвижно в своих норах, свернувшись в клубок. Так лучше всего сохранить тепло и ограничить теплообмен с окружающей средой. Зимник квартиры многих млекопитающих – это естественные пустоты стеблей и дупла деревьев.
Из насекомоядных млекопитающих ёж, готовясь к зимней спячке, собирает в укромном месте мох, листья, сено и устраивает себе гнездо. Но “поселяется” в своём новом доме лишь тогда, когда температура долгое время удерживается ниже 10° С. Перед этим ёж обильно питается, чтобы накопить энергию в виде жира.
Зимняя спячка бурых медведей является лёгким оцепенением. В природе летом медведь накапливает толстый слой подкожного жира и непосредственно перед наступлением зимы устраивается в своей берлоге для зимней спячки. Обычно берлога покрывается снегом, так что внутри значительно теплее, чем снаружи. Во время спячки, накопленные жировые запасы используются организмом медведя и как источник питательных веществ, а также предохраняют животное от замерзания.
С физиологической точки зрения зимняя спячка млекопитающих характеризуется ослаблением всех функций жизнедеятельности организма до того минимума, который позволил бы им пережить неблагоприятные зимние условия без пищи.