冬眠的动物一直在睡觉吗?从代谢、体温和睡眠看动物如何过冬

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整个冬天躲在洞穴里,到了春天才重新露面。看到动物这样生活,很容易让人想:要是能一口气睡上几个月,应该很舒服吧。然而,冬眠研究揭示了一些无法用“一场漫长的午睡”来解释的现象,例如动物先把体温升回来,随后才出现睡眠。

关键不在于睡了多久,而在于身体消耗了多少能量。为了熬过难以觅食的季节,冬眠动物会大幅改变调节代谢和体温的方式。把熊与小型哺乳动物放在一起比较,就会发现它们采用的办法并不相同。

怎样分辨动物是在睡觉,还是在降低代谢?

闭着眼、一动不动,并不能告诉我们身体里正在发生什么。研究睡眠时,科学家会利用脑电波等指标,区分快速眼动睡眠(REM睡眠)和非快速眼动睡眠(非REM睡眠)。研究冬眠时,重点则包括根据耗氧量估算的代谢率,以及体温、心率等指标。

与冬眠有关的“低代谢休眠(torpor)”,是动物通过调节,使代谢、体温等降低的一种状态。有些休眠持续数小时,之后动物便恢复活动、进食,这类称为日休眠;冬眠则可以包含多次持续数天到数周的休眠。[1]

打个比方,普通睡眠和冬眠就像两栋同样挂着“暂停营业”牌子的楼,里面的设备却采用不同的运行方式。冬眠时,能量消耗的速度本身发生了很大变化。身体内部仍在进行调节,并没有直接关机。

为什么冬眠途中还要把身体重新暖起来?

许多小型冬眠动物在维持一段时间的低代谢状态后,会暂时把体温恢复到平常的范围。它们在冬眠过程中穿插着这样的复温阶段,因此不能简单地说成“秋天睡下,直到春天一次也不醒”。[1][2]

这就带来一个有意思的问题:既然要节省能量,为什么还要特意把身体暖起来?

复温需要消耗能量。科学家正在研究周期性复温的作用,包括它与睡眠的关系,但目前还没有一个能够解释所有物种的统一答案。[1][2] 把它想象成“定期重启”,有助于理解这个过程,却不等于已经弄清重启的目的。冬眠是一个复杂过程,需要在节省能量的同时维持必要的生理功能。

熊的体温降得不多,为什么也能度过冬天?

有些小型冬眠动物在休眠期间会大幅降低体温。熊也会冷到同样的程度吗?

2011年一项关于美洲黑熊的研究发现,冬眠期间,它们的代谢率被抑制到基础代谢率的约25%,体温则以数天为一个周期,在30~36℃的范围内调节。[6] 这里值得留意的是“降至约四分之一”,而不是“降低了25%”。

这样的组合说明,仅凭体温有多低,无法判断动物节省了多少能量。也不能简单地认为,只要把身体冷却下来,就会自动进入冬眠。这项研究中的熊在维持相对较高体温的同时,大幅减少了能量消耗。

这些数值来自特定物种和特定研究条件。与其把它们当成所有熊或冬眠动物共用的“设定值”,不如把它们看作一个具体例子:冬眠可以有不同的实现方式。

休眠之后,动物还会再睡一觉吗?

休眠与睡眠的关系,比“看起来都不动”复杂得多。2019年一项灰鼠狐猴研究记录了日休眠期间及之后的脑电活动。研究对象是6只圈养雄性,比较的是环境温度约为25℃和10℃的两种条件。[3]

在约25℃的环境中,休眠期间仍然能观察到非REM睡眠和REM睡眠。而在较冷的环境条件下,当体温降到约21℃以下时,通常的非REM睡眠和REM睡眠大幅减少,或不再出现。研究还观察到,休眠结束后,与非REM睡眠深度有关的δ波有所增加。[3]

这些结果说明,动物在低体温下度过的时间,不能直接算作普通睡眠时间。不过,这项研究针对的是一种特定灵长类动物的日休眠。由此推断“所有动物冬眠越久,就越缺觉”,还为时过早。睡眠如何出现,会随物种、体温和休眠深度而变化。[2][3]

“明明一直在休息,为什么还要再睡?”这个问题,恰好能带我们认识休息背后不同的生理状态。

冬天犯困、情绪低落,也是在冬眠吗?

冬天容易犯困,或者懒得出门时,人们常会说“我也想冬眠”。用它来表达心情,是一个很贴切的比喻。但这个比喻不能证明,人的季节性不适与动物冬眠有着相同的机制。

美国国家精神卫生研究所(NIMH)将季节性情感障碍(SAD)解释为一种随季节反复出现的抑郁症。在冬季发作型SAD中,除了情绪低落,还可能出现睡眠过多、伴有碳水化合物渴求的过量进食、体重增加,以及回避社交等表现。[5]

仅凭冬天更困这一项变化,无法判断是否患有SAD。研究者正在探索生物钟、褪黑素等与冬季日照变化相关的作用机制,但不能据此断言“身体预感到食物短缺,于是开始冬眠”。[5]

如果情绪低落或明显的困倦持续存在,已经影响工作、学习或日常生活,就值得向医疗专业人员咨询,而不必等到春天。就诊时,可以说清楚症状何时开始、睡眠和食欲发生了哪些变化,以及往年同一季节是否也出现过类似情况。SAD的治疗方法包括光照疗法、心理治疗和药物治疗等。[5]

技术能让人类也进入冬眠吗?

如果能人为诱导出动物身上的节能状态,或许可以用于医疗或太空飞行。科学家也在探索这种可能性。

2023年的一项研究用超声刺激大脑下丘脑的视前区,在小鼠中诱导出体温和代谢同时下降的类休眠状态。通过测量体温并据此调整刺激,研究人员将这种状态维持了超过24小时。研究还报告,通常不会进入休眠的大鼠也出现了体温下降。[4]

这项研究的主角是处于实验条件下的啮齿动物,并不是一种能让人睡过整个冬天的设备。把它理解为探索哪些神经回路参与代谢调节、怎样才能安全干预这些回路的一步,就能看清这项成果的意义及其适用范围。

看冬眠,不妨想想身体内部的“时间节奏”

从洞穴外面看,冬眠动物似乎什么也没做。但它们的身体内部正在降低代谢、调节体温,有时还会复温,睡眠状态也随之变化。

除了问“它睡了多少小时”,再问一句“这期间它用了多少能量,处于什么生理状态”,冬眠就会变得立体得多。熊的体温与代谢之间的组合、休眠后的脑电活动、复温所需的能量,都揭示了那副静止外表之下,为度过冬天而进行的精细调节。

至于人类冬季的不适,我们可以欣赏“冬眠”这个比喻,也可以具体观察自己的睡眠和情绪变化。把两者区分开,既能保留对生物的好奇,也能重视自己需要的照护。

参考资料(6条)

[1] Ruf & Geiser(2015), Daily torpor and hibernation in birds and mammals. 比较日休眠与冬眠的综述。 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4351926/

[2] Heller & Ruby(2004), Sleep and circadian rhythms in mammalian torpor. 探讨睡眠与休眠关系的综述。 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14977404/

[3] Royo et al.(2019), Daily Torpor and Sleep in a Non-human Primate, the Gray Mouse Lemur (Microcebus murinus). 测量脑电活动的原创研究。 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6768945/

[4] Yang et al.(2023), Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound. 以啮齿动物为对象的原创研究。 https://www.nature.com/articles/s42255-023-00804-z

[5] NIMH, Seasonal Affective Disorder. 关于季节性情感障碍的官方介绍。 https://www.nimh.nih.gov/health/publications/seasonal-affective-disorder

[6] Tøien et al.(2011), Hibernation in black bears: independence of metabolic suppression from body temperature. 关于美洲黑熊的原创研究。 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21330544/

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