ภาวะพักตัว, ภาวะซึม, และการจำศีล

สัตว์เอาชีวิตรอดจากความหนาวเย็น ความร้อน หรือการขาดแคลนอาหารได้อย่างไร โดยการเข้าสู่สภาวะที่มีการควบคุมการเผาผลาญที่ลดลง ตั้งแต่ภาวะซึมรายวันไม่กี่ชั่วโมงไปจนถึงการจำศีลในฤดูหนาวหลายเดือน

Definition

ภาวะพักตัว (dormancy) เป็นสภาวะทั่วไปของการระงับหรือลดกิจกรรมและการเผาผลาญลงอย่างมาก ซึ่งภาวะซึม (torpor) เป็นช่วงเวลาสั้นๆ และการจำศีล (hibernation) เป็นภาวะพักตัวที่ยืดเยื้อตามฤดูกาล โดยทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการลดอัตราการเผาผลาญและโดยทั่วไปคืออุณหภูมิร่างกายที่ถูกควบคุม เพื่ออนุรักษ์พลังงานเมื่อสภาพแวดล้อมไม่เอื้ออำนวย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสรีรวิทยาของการลดการเผาผลาญ: ภาวะซึมรายวัน, การจำศีลตามฤดูกาล, การพักตัวในฤดูร้อน, และภาวะหยุดพัฒนาการ; การลดลงของอุณหภูมิร่างกายและอัตราการเผาผลาญในช่วงสภาวะเหล่านี้; การเข้าสู่สภาวะ, การคงอยู่, และการตื่นตัวที่ถูกควบคุม; และการประหยัดพลังงานและความท้าทายทางสรีรวิทยาที่เกี่ยวข้อง เนื้อหานี้กล่าวถึงว่าสภาวะเหล่านี้ช่วยเพิ่มความทนทานของสัตว์ต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือขาดแคลนทรัพยากรได้อย่างไร การครอบคลุมเป็นไปในเชิงเปรียบเทียบและกลไกการทำงาน

Core questions

• ทำไมสัตว์จึงเข้าสู่ภาวะซึมหรือการจำศีล แทนที่จะยังคงกระตือรือร้น?
• อุณหภูมิร่างกายและอัตราการเผาผลาญลดลงไปมากน้อยเพียงใดในช่วงสภาวะเหล่านี้?
• สัตว์จำศีลเอาชีวิตรอดจากความหนาวเย็นที่ยืดเยื้อและทำให้อุณหภูมิร่างกายอุ่นขึ้นเป็นระยะได้อย่างไร?
• สภาวะพักตัวแตกต่างกันอย่างไรในแต่ละช่วงเวลาของวัน ฤดูกาล และการพัฒนา?

Key theories

การลดการเผาผลาญที่ถูกควบคุม

ภาวะซึมและการจำศีลเป็นการลดอัตราการเผาผลาญที่ถูกควบคุมอย่างแข็งขัน ซึ่งมักจะต่ำกว่าที่อุณหภูมิร่างกายที่ลดลงเพียงอย่างเดียวจะทำให้เกิดขึ้นได้มาก ช่วยให้ประหยัดพลังงานได้มากในขณะที่สัตว์ยังคงสามารถตื่นตัวกลับมาทำงานได้ตามปกติ

พื้นฐานงบประมาณพลังงานของภาวะพักตัว

สัตว์เข้าสู่สภาวะพักตัวเมื่อต้นทุนพลังงานของการยังคงกระตือรือร้นและอบอุ่นเกินกว่าทรัพยากรที่มีอยู่ ดังนั้นการลดการเผาผลาญจึงช่วยอนุรักษ์พลังงานและน้ำที่สะสมไว้จนกว่าสภาพแวดล้อมที่เอื้ออำนวยจะกลับมา

Mechanisms

ในภาวะซึมและการจำศีล สัตว์เลือดอุ่นจะลดจุดตั้งค่าการควบคุมอุณหภูมิของร่างกายลง และปล่อยให้อุณหภูมิร่างกายลดลงเข้าใกล้กับอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม ในขณะที่อัตราการเผาผลาญลดลงเหลือเพียงเศษเสี้ยวของปกติ ซึ่งมักจะมากกว่าที่อุณหภูมิเพียงอย่างเดียวจะอธิบายได้ เนื่องจากมีการยับยั้งการเผาผลาญอย่างแข็งขัน ภาวะซึมรายวันกินเวลาหลายชั่วโมงและถูกใช้โดยนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดเล็กเพื่อเอาชีวิตรอดจากคืนที่หนาวเย็นหรือการอดอาหาร; การจำศีลตามฤดูกาลกินเวลาหลายสัปดาห์ถึงหลายเดือน โดยมีช่วงเวลาตื่นตัวเป็นระยะๆ ซึ่งสัตว์จะทำให้อุณหภูมิร่างกายอุ่นขึ้นโดยใช้ไขมันสะสมและเนื้อเยื่อไขมันสีน้ำตาลในการสร้างความร้อน การพักตัวในฤดูร้อน (estivation) เป็นการตอบสนองที่คล้ายกันต่อความร้อนและความแห้งแล้ง และภาวะหยุดพัฒนาการ (diapause) เป็นการหยุดพัฒนาการที่ถูกกำหนดไว้ในแมลงและสัตว์อื่นๆ ตลอดช่วงเวลาดังกล่าว สัตว์จะต้องปกป้องเซลล์จากความหนาวเย็น จัดการสมดุลกรด-เบสและไอออนที่อุณหภูมิต่ำ และยังคงความสามารถในการตื่นตัว ทำให้สภาวะเหล่านี้เป็นรูปแบบของการลดการเผาผลาญที่ถูกควบคุมอย่างเข้มงวด แทนที่จะเป็นการเย็นลงแบบธรรมดา

Clinical relevance

สรีรวิทยาของการจำศีลและการลดการเผาผลาญได้รับการศึกษาเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับการปกป้องเนื้อเยื่อในระหว่างอุณหภูมิต่ำและการไหลเวียนของเลือดที่ลดลง และการควบคุมการเผาผลาญ ข้อมูลนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์

History

นักสรีรวิทยาเปรียบเทียบ เช่น Bartholomew และ Pengelley ได้บันทึกรูปแบบของภาวะซึมและการตื่นตัวเป็นจังหวะของการจำศีล และการศึกษาเนื้อเยื่อไขมันสีน้ำตาลได้เปิดเผยว่าสัตว์จำศีลทำให้อุณหภูมิร่างกายอุ่นขึ้นได้อย่างไร ซึ่งเป็นการยืนยันว่าภาวะพักตัวเป็นสภาวะที่มีการควบคุมและย้อนกลับได้ของการลดการเผาผลาญ ไม่ใช่เพียงแค่การเย็นลงแบบเฉื่อยชา

Key figures

• Charles Richard Taylor
• Knut Schmidt-Nielsen
• George Bartholomew
• Eric Pengelley

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

การจำศีลเป็นเพียงการนอนหลับลึกเท่านั้นหรือไม่?

ไม่ใช่ การจำศีลคือการลดอัตราการเผาผลาญและอุณหภูมิร่างกายที่ถูกควบคุม ซึ่งต่ำกว่าการนอนหลับมาก และสัตว์จำศีลจะทำให้อุณหภูมิร่างกายอุ่นขึ้นเป็นระยะๆ; เป็นสภาวะทางสรีรวิทยาที่แตกต่างกันโดยมีเป้าหมายเพื่อประหยัดพลังงาน

ความแตกต่างระหว่างภาวะซึมและการจำศีลคืออะไร?

ภาวะซึมคือช่วงเวลาสั้นๆ ของการลดการเผาผลาญที่กินเวลาหลายชั่วโมง ซึ่งมักใช้ในช่วงข้ามคืน ในขณะที่การจำศีลเป็นรูปแบบของภาวะซึมที่ยืดเยื้อตามฤดูกาล กินเวลาหลายสัปดาห์ถึงหลายเดือน โดยมีการตื่นตัวเป็นระยะๆ