Hibernation - Hibernation

Chauve-souris nordique hibernant en Norvège
Chauves-souris hibernant dans une mine d'argent

L'hibernation est un état d'activité minimale et de dépression métabolique . L'hibernation est une hétérothermie saisonnière caractérisée par une température corporelle basse, une respiration et une fréquence cardiaque lentes et un taux métabolique bas . Il survient le plus souvent pendant les mois d' hiver .

Bien que traditionnellement réservé aux hibernateurs "profonds" tels que les rongeurs , le terme a été redéfini pour inclure des animaux tels que les ours et est maintenant appliqué sur la base d'une suppression métabolique active plutôt que d'une baisse absolue de la température corporelle. De nombreux experts pensent que les processus de torpeur quotidienne et d'hibernation forment un continuum et utilisent des mécanismes similaires. L'équivalent pendant les mois d' été est l' estivation .

L'hibernation fonctionne pour conserver l'énergie lorsque suffisamment de nourriture n'est pas disponible. Pour réaliser cette économie d'énergie, un animal endothermique diminue son taux métabolique et donc sa température corporelle. L'hibernation peut durer des jours, des semaines ou des mois, selon l'espèce, la température ambiante, la période de l'année et l'état corporel de l'individu. Avant d'entrer en hibernation, les animaux ont besoin de stocker suffisamment d'énergie pour durer toute la durée de leur période de dormance, peut-être aussi longtemps qu'un hiver entier. Les espèces plus grandes deviennent hyperphagiques , mangeant une grande quantité de nourriture et stockant l'énergie dans les dépôts graisseux. Chez de nombreuses petites espèces, la mise en cache de la nourriture remplace le fait de manger et de grossir.

Certaines espèces de mammifères hibernent pendant la gestation des jeunes, qui naissent soit pendant l'hibernation de la mère, soit peu de temps après. Par exemple, les ourses noires femelles entrent en hibernation pendant les mois d'hiver afin de donner naissance à leur progéniture. Les mères enceintes augmentent considérablement leur masse corporelle avant l'hibernation, et cette augmentation se reflète davantage dans le poids de la progéniture. L'accumulation de graisse leur permet de fournir un environnement suffisamment chaud et nourrissant pour leurs nouveau-nés. Pendant l'hibernation, ils perdent ensuite 15 à 27% de leur poids avant l'hibernation en utilisant leurs graisses stockées comme énergie.

Les animaux ectothermes subissent également des périodes de suppression métabolique et de dormance , ce qui, chez de nombreux invertébrés, est appelé diapause. Certains chercheurs et membres du public utilisent le terme brumate pour décrire la dormance hivernale des reptiles, mais le terme plus général d'hibernation est considéré comme adéquat pour désigner toute dormance hivernale. De nombreux insectes, comme la guêpe Polistes exclamans , présentent des périodes de dormance souvent qualifiées d'hibernation, malgré leur ectothermie. Les botanistes peuvent utiliser le terme « hibernation des graines » pour désigner une forme de dormance des graines .

Mammifères

Il existe une variété de définitions pour les termes qui décrivent l'hibernation chez les mammifères, et différents clades de mammifères hibernent différemment. Les sous-sections suivantes traitent des termes d' hibernation obligatoire et facultative . Les deux dernières sections signalent en particulier les primates, dont aucun n'était censé hiberner jusqu'à récemment, et les ours, dont la torpeur hivernale avait été contestée comme n'étant pas une « véritable hibernation » à la fin du 20e siècle, car elle est différente de l'hibernation observée dans rongeurs.

Hibernation obligatoire

Marmotte rassemblant du matériel de nidification pour son terrier chaud en vue de l'hibernation

Les hibernants obligatoires sont des animaux qui entrent spontanément et annuellement en hibernation indépendamment de la température ambiante et de l'accès à la nourriture. Les hibernateurs obligatoires comprennent de nombreuses espèces d' écureuils terrestres , d'autres rongeurs , des lémuriens souris , des hérissons européens et d'autres insectivores , monotrèmes et marsupiaux . Ces espèces subissent ce que l'on a traditionnellement appelé « l'hibernation » : un état physiologique dans lequel la température corporelle chute à près de la température ambiante, et les rythmes cardiaque et respiratoire ralentissent considérablement.

La saison hivernale typique pour les hibernateurs obligatoires est caractérisée par des périodes de torpeur interrompues par des réveils euthermiques périodiques, au cours desquels les températures corporelles et les fréquences cardiaques sont restaurées à des niveaux plus typiques. La cause et le but de ces éveils ne sont toujours pas clairs ; la question de savoir pourquoi les hibernateurs peuvent revenir périodiquement à des températures corporelles normales a tourmenté les chercheurs pendant des décennies, et bien qu'il n'y ait toujours pas d'explication claire, il existe de nombreuses hypothèses sur le sujet. Une hypothèse privilégiée est que les hibernants accumulent une « dette de sommeil » pendant l'hibernation et doivent donc parfois s'échauffer pour s'endormir. Ceci a été soutenu par des preuves chez le spermophile arctique . D'autres théories postulent que de brèves périodes de température corporelle élevée pendant l'hibernation permettent à l'animal de restaurer ses sources d'énergie disponibles ou d'initier une réponse immunitaire.

Les spermophiles arctiques en hibernation peuvent présenter des températures abdominales aussi basses que -2,9 °C (26,8 °F), maintenant des températures abdominales inférieures à zéro pendant plus de trois semaines à la fois, bien que les températures à la tête et au cou restent à 0 °C ( 32 °F) ou plus.

Hibernation facultative

Les hibernateurs facultatifs entrent en hibernation uniquement lorsqu'ils sont stressés par le froid, privés de nourriture ou les deux, contrairement aux hibernateurs obligatoires, qui entrent en hibernation en fonction de signaux de synchronisation saisonniers plutôt qu'en réponse à des facteurs de stress de l'environnement.

Un bon exemple des différences entre ces deux types d'hibernation peut être observé chez les chiens de prairie :

Primates

Alors que l'hibernation a longtemps été étudiée chez les rongeurs (notamment les écureuils terrestres ), aucun primate ou mammifère tropical n'a été connu pour hiberner jusqu'à la découverte de l'hibernation chez le lémurien nain à queue grasse de Madagascar, qui hiberne dans les trous des arbres pendant sept mois de l'année. Les températures hivernales malgaches s'élèvent parfois à plus de 30 °C (86 °F), donc l'hibernation n'est pas exclusivement une adaptation aux basses températures ambiantes.

L'hibernation de ce lémurien est fortement dépendante du comportement thermique de son trou d'arbre : si le trou est mal isolé, la température corporelle du lémurien fluctue largement, suivant passivement la température ambiante ; s'il est bien isolé, la température corporelle reste assez constante et l'animal subit régulièrement des périodes d'éveil. Dausmann a découvert que l' hypométabolisme chez les animaux en hibernation n'est pas nécessairement associé à une température corporelle basse.

Ours

Mère ours noir et oursons "denning"

Historiquement, la question de savoir si les ours hibernent vraiment ou non, car ils ne subissent qu'une baisse modeste de la température corporelle (3 à 5 °C) par rapport aux baisses beaucoup plus importantes (souvent 32 °C ou plus) observées chez les autres hibernateurs. De nombreux chercheurs pensaient que leur sommeil profond n'était pas comparable à une véritable hibernation profonde, mais des recherches en 2011 ont réfuté cette théorie chez les ours noirs en captivité et à nouveau en 2016 dans une étude sur les ours bruns.

Les ours en hibernation sont capables de recycler leurs protéines et leur urine, ce qui leur permet d'arrêter d'uriner pendant des mois et d'éviter l'atrophie musculaire . Ils restent hydratés grâce à la graisse métabolique produite en quantité suffisante pour satisfaire les besoins en eau de l'ours. Ils ne mangent pas et ne boivent pas non plus pendant l'hibernation et vivent de leur stockage de graisse. Malgré l'inactivité à long terme et le manque de nourriture, on pense que les ours en hibernation maintiennent leur masse osseuse et ne souffrent pas d'ostéoporose. Ils augmentent également la disponibilité de certains acides aminés essentiels dans le muscle, ainsi que régulent la transcription d'une suite de gènes qui limitent la fonte musculaire. Dans une étude réalisée par G. Edgar Folk, Jill M. Hunt et Mary A. Folk, ils ont comparé l' électrocardiogramme d'hibernateurs typiques à trois espèces d'ours différentes en ce qui concerne la saison, l'activité et la dormance, et ont constaté que l'intervalle de relaxation (QT) réduit de petits hibernateurs était le même pour les trois espèces d'ours. Ils ont également constaté que l'intervalle QT changeait pour les hibernateurs typiques et les ours de l'été à l'hiver. Cette étude de 1977 a été l'une des premières preuves utilisées pour montrer que les ours sont des hibernateurs.

Dans une étude réalisée en 2016 par un vétérinaire spécialisé dans la faune sauvage et professeur agrégé à l' Université des sciences appliquées de Norvège intérieure , Alina L. Evans a étudié 14 ours bruns pendant trois hivers. Leur mouvement, la fréquence cardiaque (FC), la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC), la température corporelle (T b ), l'activité physique, la température ambiante (T A ) et l'épaisseur de la neige ont été mesurés pour identifier les moteurs du début et de la fin de l'hibernation pour ours. Cette étude a construit la première chronologie des événements à la fois écologiques et physiologiques d'avant le début jusqu'à la fin de l'hibernation sur le terrain. Cette recherche a révélé que les ours entraient dans leur tanière à l'arrivée de la neige et que la T A tombait à 0 °C, mais même jusqu'à plusieurs semaines avant d'entrer dans leur tanière, l'activité, la FC et la T b commençaient à baisser lentement. Leur VRC a chuté de façon spectaculaire une fois dans leur tanière, ce qui suggère indirectement que la suppression métabolique est liée à l'hibernation des ours. Vers la fin de l'hibernation et deux mois avant l'éveil, le T b des ours augmente, sans rapport avec le VRC mais plutôt entraîné par le T A . Le VRC n'augmente qu'environ trois semaines avant l'éveil et les ours ne quittent leur tanière que lorsque les températures extérieures sont à leur température critique inférieure. Ces résultats suggèrent que les ours sont thermoconformes et que l'hibernation des ours est déterminée par des signaux environnementaux, mais que l'excitation est motivée par des signaux physiologiques.

Des oiseaux

Les anciens croyaient que les hirondelles hibernaient, et l'ornithologue Gilbert White a documenté des preuves anecdotiques dans son livre de 1789 L'histoire naturelle de Selborne qui indiquaient que la croyance était toujours d'actualité à son époque. Il est maintenant entendu que la grande majorité des espèces d'oiseaux n'hibernent généralement pas, mais utilisent plutôt la torpeur. Une exception connue est l' engoulevent d'Amérique ( Phalaenoptilus nuttallii ), pour lequel l'hibernation a été documentée pour la première fois par Edmund Jaeger .

Dormance et congélation chez les ectothermes

Parce qu'ils ne peuvent pas réguler activement à la baisse leur température corporelle ou leur taux métabolique, les animaux ectothermes (y compris les poissons, les reptiles et les amphibiens) ne peuvent pas hiberner. Ils peuvent connaître une diminution des taux métaboliques associés à des environnements plus froids ou une faible disponibilité en oxygène ( hypoxie ) et présenter une dormance (appelée brumation). On pensait autrefois que les requins pèlerins s'installaient au fond de la mer du Nord et devenaient dormants, mais les recherches de David Sims en 2003 ont dissipé cette hypothèse, montrant que les requins parcouraient de longues distances tout au long des saisons, traquant les zones avec la plus grande quantité de plancton. . Il a été prouvé que les requins-épaulettes pouvaient survivre pendant trois heures sans oxygène et à des températures allant jusqu'à 26 °C (79 °F) comme moyen de survivre dans leur habitat côtier, où les niveaux d'eau et d'oxygène varient avec la marée. D'autres animaux capables de survivre de longues périodes avec très peu ou pas d'oxygène comprennent les poissons rouges , les curseurs à oreilles rouges , les grenouilles des bois et les oies à tête barrée . La capacité de survivre à des conditions hypoxiques ou anoxiques n'est pas étroitement liée à l'hibernation endothermique.

Certains animaux peuvent littéralement survivre à l'hiver en gelant. Par exemple, certains poissons , amphibiens et reptiles peuvent geler naturellement puis se « réveiller » au printemps. Ces espèces ont développé un mécanisme de tolérance au gel tel que les protéines antigel .

Déclencheur d'induction d'hibernation

Le déclencheur d'induction d'hibernation (HIT) est quelque peu impropre. Bien que des recherches dans les années 1990 aient fait allusion à la capacité d'induire la torpeur chez les animaux par injection de sang prélevé sur un animal en hibernation, d'autres recherches ont été incapables de reproduire ce phénomène. Malgré l'incapacité d'induire la torpeur, il existe des substances dans le sang des hibernants qui peuvent protéger les organes en vue d'une éventuelle transplantation. Les chercheurs ont pu prolonger la vie d'un cœur de porc isolé avec un HIT. Cela peut avoir des implications potentiellement importantes pour la transplantation d'organes , car cela pourrait permettre aux organes de survivre jusqu'à 18 heures en dehors du corps humain. Ce serait une grande amélioration par rapport aux 6 heures actuelles.

Le HIT supposé est un mélange dérivé du sérum sanguin, comprenant au moins une substance de type opioïde . DADLE est un opioïde qui, dans certaines expériences, a montré des propriétés fonctionnelles similaires.

Chez l'homme

Les chercheurs ont étudié comment induire l'hibernation chez l'homme. La capacité d'hiberner serait utile pour un certain nombre de raisons, telles que sauver la vie de personnes gravement malades ou blessées en les mettant temporairement en état d'hibernation jusqu'à ce qu'un traitement puisse être administré. Pour les voyages spatiaux, l'hibernation humaine est également à l'étude, comme pour les missions vers Mars .

Les archéologues étudient également si l'hibernation était possible chez les premières espèces d' hominidés .

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Carey, HV ; Andrews, MT ; Martin, SL (2003). « Hibernation des mammifères : réponses cellulaires et moléculaires au métabolisme déprimé et à basse température ». Examens physiologiques . 83 (4) : 1153-1181. doi : 10.1152/physrev.00008.2003 . PMID  14506303 .
  • "Hibernation". Encyclopédie McGraw-Hill de la science et de la technologie . 1-20 (11e éd.). McGraw-Hill. 2012.

Liens externes