宋士一, 任 月, 劉春燕, 楊 明(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

0 引 言

冬眠(Hibernation)是動物對季節(jié)性能源短缺的一種適應[1],2003年國際生理學會生理學專業(yè)委員會(IUPS Thermal Commission)將冬眠定義為:哺乳動物在冬季出現的一種非活躍狀態(tài),此時動物的體溫和代謝率降低;冬季過后,動物恢復活躍狀態(tài),體溫和代謝率恢復到原來水平。許多冬眠動物調節(jié)自身生理狀態(tài),在冬眠時使體溫下降到接近于0 ℃,處于低代謝狀態(tài),并且在動物出眠后,機體沒有產生低溫損傷,非冬眠哺乳動物,包括人類,通常都不表現自發(fā)性的低代謝,低體溫狀態(tài),人試圖從冬眠哺乳動物的自發(fā)性低代謝中學習如何誘導人類的低代謝[2],這為臨床干預代謝減退和低體溫提供了理想的動物模型[3]。

哺乳動物冬眠增加了對低體溫、嚴重缺血、細菌感染、廢用性肌萎縮的抵抗力,并且延長哺乳動物的壽命[4]。東北刺猬(Erinaceusamurensis)是一種典型的儲脂型冬眠哺乳動物,隸屬于哺乳綱、猬形目、猬科,是刺猬的一種,在國內廣泛分布于東北、華北及長江流域,在國外主要分布于俄羅斯東南部和朝鮮半島[5-6]。刺猬大約在9月開始育肥,育肥到10月開始入眠,11月中旬進入深眠階段到來年的3月中旬出眠,到4月份開始進行繁殖。刺猬在異溫季節(jié)分為3個階段即入眠、深眠和出眠,每個階段由冬眠和覺醒交替形成短周期,每個短周期的一次冬眠稱為一個冬眠陣(Hibernation Bout)[7]。

20世紀50年代,國內就已開展了有關刺猬冬眠時與禁食時刺猬的體重及器官重量的改變[8]的研究。20世紀90年代,孫金生和曾縉祥對刺猬的褐色脂肪和顫抖性產熱能力進行了研究[9]。近年來,國內有學者對刺猬嗅球冬眠期與非冬眠期c-Fos表達差異進行了研究[10]。1975年,國外有刺猬睡眠和冬眠階段覺醒作為一種循環(huán)現象[11]和性激活期體表和睪丸溫度的關系的報道[12]。本實驗室前期工作發(fā)現,在冬季條件下飼養(yǎng)的東北刺猬,如果飼以充足的食物,會表現出深冬眠、少冬眠和不冬眠等不同的冬眠模式,這可能反映了刺猬不同個體間的不同適應策略,國內外研究對此關注較少。本研究以東北刺猬為研究對象,分析了在實驗室條件下飼養(yǎng)的東北刺猬的不同冬眠模式,并進而分析了冬眠組和不冬眠組動物體重和攝食等宏觀指標的變化及相關性,從而更深刻地理解東北刺猬適應冬季嚴酷環(huán)境的不同生理策略。

1 研究方法

1.1 實驗動物

實驗動物為東北刺猬12只,分別于2014年10月和2015年6月捕自遼寧遼中(北緯41°52′,東經122°72′),并轉至沈陽師范大學動物房單籠飼養(yǎng),飼養(yǎng)籠大小48 cm×35 cm×20 cm,用碎刨花做巢材,喂飼以充足狗糧(愛倍成犬糧)及飲水。動物房內自然溫度(16～28 ℃)和光照。

1.2 實驗動物分組

在冬眠季節(jié),將進行冬眠(刺猬體表溫度降低到15.3 ℃以下,全身皆刺,呼吸極慢而微弱,有時或完全停止,毫無生命的表現)的刺猬定義為冬眠組,沒有進行冬眠的刺猬定義為非冬眠組。

1.3 體表溫度和環(huán)境溫度記錄

用紅外無線遙感溫度計(泰仕電子工業(yè)股份有限公司,TES-1327K)每天測量刺猬的體表溫度,記錄數據。

將半導體溫度記錄元件iButton(Maxim/Dallas公司,DS1921L)懸掛于動物房中,用于記錄環(huán)境溫度。

1.4 攝食量的記錄

實驗開始,第1 d投入充足食物并稱重,第2 d收回剩余食物,并記錄食物重量,依次反復,計算出每天攝食量(攝食量=投食量-剩余食物量)并記錄。

1.5 體重的記錄

用電子天平(上表電子儀器廠,SB10001)測量刺猬體重,1周1次并記錄。

1.6 數據統(tǒng)計分析

使用SPSS統(tǒng)計軟件包(SPSS 20.0 for Windows)進行數據統(tǒng)計分析。體表溫度及體重分析采用獨立樣本T檢驗(Independent-SamplesTtest)。攝食量則以體重為協(xié)變量做協(xié)方差分析(Analysis of covariance)。冬眠天數百分比分別與體表溫度、攝食量、體重、初始體重的關系做相關性分析(Correlation Analysis)。*表示P<0.05,組間差異顯著。

2 實驗結果

2.1 體表溫度、攝食量、體重

刺猬在9月份開始到10月份是育肥期,大約在10月末開始出現冬眠現象。在育肥期,冬眠組的刺猬體表溫度與非冬眠組差異不顯著(P>0.05,圖1a)。

(a) 環(huán)境溫度; (b) 冬眠組和非冬眠組在育肥期和冬眠期體表溫度圖;(c) 冬眠組和非冬眠組在冬眠階段體表溫度比較; (d) 冬眠組和非冬眠組在冬眠階段攝食量比較圖;(e) 冬眠組和非冬眠組在冬眠階段體重比較圖。圖1 體表溫度、攝食量、體重變化圖Fig.1 Changes of body temperature, food intake and body weight

在冬眠季節(jié),環(huán)境溫度在5～15 ℃,冬眠組和非冬眠組的體表溫度、攝食量、體重差異顯著。冬眠組的平均體表溫度(12.6±1.7 ℃～19.8±2.0 ℃)顯著低于非冬眠組(19.2±1.3 ℃～24.2±0.6 ℃)(p<0.05)(圖1b)。

冬眠組的平均攝食量(0.24±0.2(g/d)～17.77±9.3(g/d))顯著低于非冬眠組(47.82±11.8(g/d)～70.49±9.9(g/d))(p<0.05)(圖1c)。

冬眠組和非冬眠組的初始體重沒有顯著差異,隨著冬眠的持續(xù),冬眠組的平均體重(623.0±101.5 g～636.0±106.1 g)顯著低于非冬眠組(780.8±96.1 g～1 043.5±91.6 g)(p<0.05)(圖1d)。

2.2 冬眠組體表溫度、攝食量、體重和初始體重分別與冬眠天數百分比的相關性

觀察并記錄冬眠組刺猬在冬天的冬眠天數,并計算冬眠天數百分比。在環(huán)境溫度為5～15 ℃間,對冬眠組進行體表溫度、攝食量、體重增長率和初始體重分別與冬眠天數百分比之間的相關性分析(圖2)。

(a) 冬眠組體表溫度及冬眠天數百分比關系圖; (b) 冬眠組攝食量及冬眠天數百分比關系圖;(c) 冬眠組體重增長率及冬眠天數百分比關系圖; (d) 冬眠組初始體重及冬眠天數百分比關系圖。圖2 冬眠組體表溫度、攝食量、體重與初始體重與冬眠天數百分比回歸關系圖Fig.2 Relationship between body temperature, food intake, weight and initial weight with the percentage of hibernating days in hibernating group

體表溫度與冬眠天數百分比具有明顯的正相關關系(r=0.914,f=240.987,p<0.01)(圖2a);

攝食量與冬眠天數百分比回歸關系是F(g/d)=0.725～0.011P(g/d)(r=0.738,f=29.868,p<0.01)(圖2b);

體重增長率與冬眠天數百分比回歸關系是W(g)=0.468～0.621P(g)(r=0.470,f=6.704,p<0.01)(圖2c);

初始體重同冬眠天數百分比沒有相關關系(p>0.05)(圖2d),說明冬眠組初始體重并不影響期冬眠天數。

2.3 冬眠組冬眠時期、覺醒時期和非冬眠組的體表溫度和攝食量比較

冬天,冬眠組在覺醒時期體表溫度為(22.37±0.53)℃,在冬眠時期為(13.94±0.45)℃,而非冬眠組的體表溫度為(22.31±0.26)℃(圖3a),冬眠組覺醒時期體表溫度與非冬眠組不存在顯著差異,兩者均明顯高于冬眠組冬眠時期體表溫度(p<0.05)。

冬眠組覺醒時期下的攝食量為37.12±7.28(g/d),非冬眠組為61.74±8.06(g/d)(圖3b),冬眠組覺醒時期的攝食量與非冬眠組也沒有顯著差異。

(a) 冬眠組的冬眠時期和非冬眠時期及非冬眠組體表溫度的比較圖;(b) 冬眠組的非冬眠時期與非冬眠組的攝食量比較圖;(H-NT: 冬眠組非冬眠時期; H-T: 冬眠組冬眠時期; NH: 非冬眠組)。圖3 冬眠組冬眠時期與覺醒時期及非冬眠組間體表溫度、攝食量比較圖Fig.3 Difference between body temperature and food intake of hibernation period and arouse period in hibernating group

3 討 論

趙以炳是中國冬眠生理學的奠基人之一。1947—1951年,趙以炳監(jiān)測到冬眠季節(jié)非冬眠刺猬平均體溫為34.5 ℃。環(huán)境溫度在-4～27 ℃刺猬均可出現冬眠現象,冬眠刺猬體溫降低,呼吸減弱。若環(huán)境溫度為零上,冬眠的刺猬體溫會比環(huán)境溫度高1 ℃左右,若環(huán)境溫度為零下,則有很大溫度差。刺猬體溫在-2～41 ℃都能存活,若溫度過高或過低都會導致刺猬死亡[13]。在非冬眠季節(jié)用低溫誘導刺猬冬眠[14],而在冬眠季節(jié)用高溫防止了刺猬冬眠[15]。揭示低溫時導致冬眠一個重要因素。

本實驗結果表明,實驗室條件下飼養(yǎng)的東北刺猬會在冬天會選擇冬眠和非冬眠兩種模式越冬。冬眠的動物在冬眠時期表現低體溫,體表溫度接近環(huán)境溫度,低體溫狀態(tài)還伴隨著攝食量的減少,體重下降的現象,這些均與冬眠天數成正相關。冬眠時期有時間不等的覺醒時期。覺醒時期的動物體表溫度、攝食量恢復正常水平。而不進行冬眠的動物,在冬眠季節(jié)沒有表現出低體溫的現象,體表溫度、攝食量顯著高于冬眠的動物,體重顯著增加。

在環(huán)境惡劣食物短缺的自然條件下,哺乳動物會通過冬眠節(jié)約能量,這不僅保證其在嚴酷的環(huán)境中得以生存,還能為翌年春天繁殖儲備能量[16],增加繁殖的存活率。并且有假說提出,冬眠可以延長動物的壽命[17]。在冬眠時期,動物會表現出低體溫,有的甚至會低于0 ℃,且無傷害,保護動物在冬眠過程中免于各種疾病[16]。例如:北極黃鼠在冬眠時體溫會降到-2.9 ℃[18]。刺猬廣泛分布于東北、華北及長江流域及山東等地區(qū),屬于雜食性動物,主要以昆蟲及其幼蟲為主。在冬季,環(huán)境寒冷且食物缺乏的情況下,刺猬會以冬眠的方式節(jié)約能量,冬眠時期伴隨著周期性的覺醒,這些覺醒的作用是在新陳代謝下降時期,修復生理上的消耗損壞[19],在覺醒時期刺猬會進行覓食[20],有利于它們生存。

當動物從外界獲得足夠能量時可能改變動物的冬眠模式[15], 在食物充足條件下,部分刺猬在整個冬眠季節(jié)完全不冬眠, 一直進食,體重顯著增加。 提示在食物充足條件下,刺猬可能不進行冬眠, 這可能是一種更好的生存模式。 1955年,趙以炳指出環(huán)境相同的情況下, 刺猬的反應方式也并不完全相同, 這可能與中樞神經系統(tǒng)的活動有關[21], 具體有關冬眠的中樞神經系統(tǒng)調節(jié)的機理還有待研究者去探索。

總之,刺猬越冬有不同的冬眠模式。冬眠越冬的刺猬節(jié)約能量,減少了進食;不冬眠越冬的刺猬始終進食,體重顯著增加,提示在食物豐富的條件下,不冬眠可能是一種更好的生存策略。

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