Журнал - Проблемы криобиологии 2010 №4

Подождите немного. Документ загружается.

359

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

ляционного замерзания, он может выполнять

функцию "подстраховки", если инокуляционное за-

мерзание в силу каких-либо причин не произошло.

Известно также, что лягушки R. sylvatica ис-

пользуют нуклеирующие бактерии в качестве

симбионтов [16]. К инициации нуклеации оказа-

лись способны 13 штаммов Pseudomonas fluores-

cens, 4 штамма Pseudomonas putida и 2 штамма

Enterobacter agglomerance, выделенных из

кишечника R. sylvatica. Это первое сообщение о

нуклеирующей активности у вида P. putida. При-

мечательно, что судя по температуре нуклеации

и способности вызывать нуклеацию D

O, эти

бактерии обладают нуклеаторами класса А [31].

E. agglomerance и Erwinia herbicola являются

по сути одним и тем же видом. Исторически сло-

жилось так, что если их выделяли из растений,

то использовали название E. herbicola, а, если из

животных, то называли E. agglomerance [3, 4].

Представляет интерес также сообщение о на-

личии достаточно мощных нуклеирующих агентов

не только в плазме крови, но и в некоторых тка-

нях и органах – печени, кожи, скелетных мышцах

и кишечнике как устойчивых к замерзанию, так

и чувствительных к замерзанию лягушек [7].

Природа, структура и биологическое значение

этих агентов пока не изучены.

В начале 90-х годов появилось сообщение о

наличии нуклеирующих агентов, чувствительных

к тепловой обработке, действию HCl и перйодата,

в сыворотке личинок расписной черепахи Chry-

semys picta [29]. Авторы даже предложили счи-

тать наличие специфичных БН в крови одним из

ключевых факторов в эволюции устойчивости к

замерзанию у позвоночных и одним из критериев

устойчивости к замерзанию, но впоследствии эти

данные не подтвердились. В сыворотке 21-го ви-

да других позвоночных, включая устойчивых к

замерзанию коробчатую черепаху Terrapin caro-

lina и подвязочную змею Thammophis sirtalis, ка-

кая-либо нуклеирующая активность не выявлена.

Более того, личинки C. picta, вероятно, выживают

в зимний период благодаря переохлаждению [8].

Парадокс состоит в том, что БН крови лягушек

и черепах активны при температуре, которая на

2–4°С ниже минимальной температуры выжива-

ния животных [7]. Конечно, можно предположить,

что снижение нуклеирующей активности агентов

in vitro может быть обусловлено следующими

причинами: 1) отсутствием кооперативных взаи-

модействий с мембранами эпителиальных клеток

сосудов; 2) избыточным переохлаждением из-за

малого объема образцов; 3) неоптимальными ус-

ловиями хранения образцов крови. Однако эти

предположения не подтверждены. Не исключено,

E. agglomerance and Erwinia herbicola are essen-

tially the same species. For historical reasons if they

were isolated from plants then they were defined as

E. herbicola and if from animals they were called

as E. agglomerance [3, 4].

The report about the presence of rather powerful

nucleating agents not only in blood plasma, but also

in some tissues and organs (liver, skin, skeletal

muscles, intestinal) both tolerant to freezing and

sensitive to freezing frogs is of an interest [7]. The

nature, structure and biological value of these agents

have not been studied yet.

In the early 1990s the report about the presence

of nucleating agents, sensitive to heat treatment,

action of HCl and periodate, in larva serum of the

painted turtle Chrysemys picta [29], appeared. The

authors even suggested considering the presence of

specific INPs in blood as one of key factors in

evolution of tolerance to freezing, but later these data

were not confirmed. In sera of 21 species of other

vertebrates, including tolerant to freezing the box

turtle Terrapin carolina and the ribbon snake

Thammophis sirtalis no nucleating activity was

found. Moreover C. picta larvae probably survive

due to supercooling in winter [8]. Paradox is that

INPs of frog and turtle blood are active under the

temperature, which on 2–4°C below of animal mini-

mal survival temperature [7]. Certainly it may be

suggested that decreasing the nucleating activity of

agents in vitro may be due to the following reasons:

1) the absence of cooperative interactions with mem-

branes of epithelial cells of vessels; 2) extra super-

cooling due to small size of samples 3) non-optimal

conditions of blood sample storage. However these

suppositions were not confirmed. One cannot rule

out that the nucleators of these animals are ‘ran-

dom’ nucleators [19].

Thus, biological nucleation has remained a poorly

studied phenomenon in animals. INPs of animal

origin have obviously common characteristics with

bacterial nucleators. However in contrast to bacterial

nucleators, more detailed studied, animal nucleators

have their peculiarities. The task about their possible

usage in biotechnology also has remained open.

References

Aunaas T. Nucleating agents in the haemolymph of intertidal

invertebrates tolerant to freezing // Cryo-Letters.– 1982.–

Vol. 3, N5.– P. 287.

Aunaas T. Nucleating agents in the haemolymph of an intertidal

mollusc tolerant to freezing // Experientia.– 1982.– Vol. 38,

N12.– P. 1456–1457.

360

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

что нуклеаторы этих животных являются так на-

зываемыми случайными нуклеаторами [19].

Таким образом, биологическая нуклеация у

животных остается малоизученным явлением.

Очевидно, что БН животного происхождения име-

ют общие характеристики с бактериальными ну-

клеаторами. Однако в отличие от бактериальных

нуклеаторов, которые исследованы более деталь-

но, нуклеаторы животных имеют свои особен-

ности. Вопрос об их возможном использовании в

биотехнологии также остается открытым.

Литература

Aunaas T. Nucleating agents in the haemolymph of intertidal

invertebrates tolerant to freezing // Cryo-Letters.– 1982.–

Vol. 3, N5.– P. 287.

Aunaas T. Nucleating agents in the haemolymph of an intertidal

mollusc tolerant to freezing // Experientia.– 1982.– Vol. 38,

N12.– P. 1456–1457.

Beji A., Mergaert J., Gavini F. et al. Subjective synonymy of

Erwinia herbicola, Erwinia milletiae and Enterobacter

agglomerance and redefinition of the taxon by genotypic and

phenotypic data // Int. J. Syst. Bacteriol.– 1988.– Vol. 38,

N1.– P. 77–88.

Brenner D.J., Fanning G.R., Knutson J.K. et al. Attempts to

classify Herbicola group – Enterobacter agglomerance

strains by deoxyribonucleic acid hybridization and phenotypic

tests // Int. J. Syst. Bacteriol.– 1984.– Vol. 34, N1.– P. 45–55.

Chino H. Lipid transport: Biochemistry of hemolymph

lipophorin // In: Comprehensive insect physiology, biochemistry

and pharmacology / Eds. G.A. Kerkut , L.I. Gibert.– Oxford,

New York, Paris: Pergamon Press, 1985.– Vol. 10.– P. 115–

135.

Chino H., Kitazawa K. Diacylglyceride carrying proteins of

hemolymph of locusts and some insects // J. Lipid. Res.–

1981.– Vol. 22, N5.– P. 1041–1052.

Costanzo J.P., Lee R.E.Jr. Mini-review: ice nucleation in

freeze-tolerant vertebrates // Cryo-Letters.– 1996.– Vol. 17,

N3.– P. 111–118.

Costanzo J.P., Litzgus J.D., Iverson J.B. et al. Seasonal

changes in physiology and development of cold hardiness in

the hatchling painted turtle Chrysemys picta // J. Exp. Biol.–

2000.– Vol. 203, N22.– P. 3459–3470.

Duman J.G. Antifreeze and ice nucleator proteins in terrestrial

arthropods // Annu. Rev., Physiol.– 2001.– Vol. 63.– P. 327–

357.

Duman J.G., Morris J. P., Castellino F. J. Purification and

composition of an ice nucleating protein from queens of the

hornet Vespula maculata // J. Comp. Physiol.– 1984.–

Vol. B154, N1.– P. 79–83.

Duman J.G., Patterson J. L. The role of ice-nucleators in the

frost tolerance of overwintering queens of the bald faced

hornet // Comp. Biochem. Physiol.– 1978.– Vol. 59A, N1.–

P. 69–72.

Duman J.G., Wu D.W., Yeung K.L. et al. Hemolymph proteins

involved in the cold tolerance of terrestrial arthropods:

Antifreeze and ice nucleator proteins // In: Water and Life /

Eds. G.N. Somero, C.B. Osmond , C.L. Bolis.– Berlin: Springer

Verlag, 1992.– Р. 282–300.

Beji A., Mergaert J., Gavini F. et al. Subjective synonymy of

Erwinia herbicola, Erwinia milletiae and Enterobacter

agglomerance and redefinition of the taxon by genotypic and

phenotypic data // Int. J. Syst. Bacteriol.– 1988.– Vol. 38,

N1.– P. 77–88.

Brenner D.J., Fanning G.R., Knutson J.K. et al. Attempts to

classify Herbicola group – Enterobacter agglomerance

strains by deoxyribonucleic acid hybridization and phenotypic

tests // Int. J. Syst. Bacteriol.– 1984.– Vol. 34, N1.– P. 45–55.

Chino H. Lipid transport: Biochemistry of hemolymph

lipophorin // In: Comprehensive insect physiology, biochemistry

and pharmacology / Eds. G.A. Kerkut , L.I. Gibert.– Oxford,

New York, Paris: Pergamon Press, 1985.– Vol. 10.– P. 115–

135.

Chino H., Kitazawa K. Diacylglyceride carrying proteins of

hemolymph of locusts and some insects // J. Lipid. Res.–

1981.– Vol. 22, N5.– P. 1041–1052.

Costanzo J.P., Lee R.E.Jr. Mini-review: ice nucleation in

freeze-tolerant vertebrates // Cryo-Letters.– 1996.– Vol. 17,

N3.– P. 111–118.

Costanzo J.P., Litzgus J.D., Iverson J.B. et al. Seasonal

changes in physiology and development of cold hardiness in

the hatchling painted turtle Chrysemys picta // J. Exp. Biol.–

2000.– Vol. 203, N22.– P. 3459–3470.

Duman J.G. Antifreeze and ice nucleator proteins in terrestrial

arthropods // Annu. Rev., Physiol.– 2001.– Vol. 63.– P. 327–

357.

Duman J.G., Morris J. P., Castellino F. J. Purification and

composition of an ice nucleating protein from queens of the

hornet Vespula maculata // J. Comp. Physiol.– 1984.–

Vol. B154, N1.– P. 79–83.

Duman J.G., Patterson J. L. The role of ice-nucleators in the

frost tolerance of overwintering queens of the bald faced

hornet // Comp. Biochem. Physiol.– 1978.– Vol. 59A, N1.–

P. 69–72.

Duman J.G., Wu D.W., Yeung K.L. et al. Hemolymph proteins

involved in the cold tolerance of terrestrial arthropods:

Antifreeze and ice nucleator proteins // In: Water and Life /

Eds. G.N. Somero, C.B. Osmond , C.L. Bolis.– Berlin: Springer

Verlag, 1992.– Р. 282–300.

Gurian-Sherman D., Lindow S.E. Bacterial ice nucleation:

significance and molecular basis // FASEB J.– 1993.– Vol. 7,

N14.– P. 1338–1343.

Hayes D.R., Loomis S.H. Evidence for a proteinaceous ice

nucleator in the haemolymph of the pulmonate gastropod

Melampus bidentatus // Cryo-Letters.– 1985.– Vol. 6, N6.–

P. 418–421.

Kozloff L.M., Turner M.A., Arellano F. et al. Phosphatidylino-

sitol, a phospholipid of ice-nucleating bacteria // J. Bacteriol.–

1991.– Vol. 173, N6.– P. 2053–2060.

Lee M.R., Lee R.E.Jr., Strong-Gunderson J.M. et al. Isolation

of ice-nucleating active bacteria from the freeze-tolerant frog,

Rana sylvatica // Cryobiology.– 1995.– Vol. 32, N4.– P. 358–

365.

Loomis S.H., Zinser M. Isolation and identification of an ice-

nucleating bacterium from the gills of the intertidal bivalve

mollusc Geukensia demissa // J. Exp. Mar. Bio. Ecol.– 2001.–

Vol. 261, N2.– P. 225–235.

Lundheim R. Ice nucleation in the blue mussel (Mytilus edu-

lis) // Marine Biology.– 1997.– Vol. 128, N2.– P. 267–271.

Lundheim R. Physiological and ecological significance of

biological ice nucleators // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.– 2002.–

Vol. 357, N1423.– P. 937–943.

Mackenzie A. P. Non-equilibrium freezing behavior of

aqueous systems // Phil. Trans. R. Soc. London.– 1977.–

Vol. B278, N1085.– P. 167–189.

10.

11.

12.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

361

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

Gurian-Sherman D., Lindow S.E. Bacterial ice nucleation:

significance and molecular basis // FASEB J.– 1993.– Vol. 7,

N14.– P. 1338–1343.

Hayes D.R., Loomis S.H. Evidence for a proteinaceous ice

nucleator in the haemolymph of the pulmonate gastropod

Melampus bidentatus // Cryo-Letters.– 1985.– Vol. 6, N6.–

P. 418–421.

Kozloff L.M., Turner M.A., Arellano F. et al. Phosphatidylino-

sitol, a phospholipid of ice-nucleating bacteria // J. Bacteriol.–

1991.– Vol. 173, N6.– P. 2053–2060.

Lee M.R., Lee R.E.Jr., Strong-Gunderson J.M. et al. Isolation

of ice-nucleating active bacteria from the freeze-tolerant frog,

Rana sylvatica // Cryobiology.– 1995.– Vol. 32, N4.– P. 358–365.

Loomis S.H., Zinser M. Isolation and identification of an ice-

nucleating bacterium from the gills of the intertidal bivalve

mollusc Geukensia demissa // J. Exp. Mar. Bio. Ecol.– 2001.–

Vol. 261, N2.– P. 225–235.

Lundheim R. Ice nucleation in the blue mussel (Mytilus edu-

lis) // Marine Biology.– 1997.– Vol. 128, N2.– P. 267–271.

Lundheim R. Physiological and ecological significance of

biological ice nucleators // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.– 2002.–

Vol. 357, N1423.– P. 937–943.

Mackenzie A. P. Non-equilibrium freezing behavior of

aqueous systems // Phil. Trans. R. Soc. London.– 1977.–

Vol. B278, N1085.– P. 167–189.

Mugnano J.A., Lee R.E., Taylor R.T. Fat body cells and calcium

phosphate spherules induce ice nucleation in the freeze

tolerant larvae of the gall fly Eurosta solidaginis (Diptera,

tephritidae) // J. Exp. Biol.– 1996.– Vol. 199, N2.– P. 465–471.

Neven L.G., Duman J.G., Beals J.M. et al. Overwintering

adaptations of the stang beetle, Ceruchus piceus: removal

of ice nucleators in winter to promote supercooling // J. Comp.

Physiol.– 1986.– Vol. B156, N7.– P. 707–716.

Neven L., Duman J.G., Low M.G. et al. Purification and

characterization of an insect haemolymph lipoprotein ice

nucleator: Evidence for the importance of phosphatidylinositol

and apolipoprotein in the ice nucleator activity // J. Comp.

Physiol.– 1989.– Vol. 159, N1.– P. 71–82.

Pattnaik N.M., Mundall E.C., Trambysti B.G. et al. Isolation

and characterization of a larval lipoprotein from the

hemolymph of Manduca sexta // Comp. Biochem. And

Physiol.– 1979.– Vol. 63B, N5.– P. 469–476.

Shapiro J. P., Law J. H., Well M. A. Lipid transport in insects //

Ann. Rev. Entomol.– 1988.– Vol. 28, N3.– P. 297–318.

Somme L. Mannitol and glycerol in overwintering aphid eggs //

Norwegian Journal of Entomology.– 1969.– Vol. 16, N2.–

P. 107–111.

Somme L., Zachariassen K. E. Adaptation to low temperature

in high altitude insects from Mount Kenya // Ecol. Entomol.–

1981.– Vol. 6, N2.– P. 199–204.

Storey K.B., Baust J.G., Wolanczyk J.P. Biochemical

modification of plasma ice nucleating activity in a freeze-

tolerant frog // Cryobiology.– 1992.– Vol. 29, N3.– P. 374–384.

Storey K.B., McDonald D.G., Duman J.G. et al. Blood che-

mistry and ice nucleating activity in hatchling painted turtles //

Cryo-Letters.– 1991.– Vol. 12, N6.– P. 351–358.

Theede H., Stein U. Further studies on frost protection in

Mytilus edulis from the western Baltic Sea // 21

Meeting of

EMBS. Gdansk, 14–19 September 1986.– Gdansk, 1986.–

P. 173–181.

Turner M.A., Arellano F., Kozloff L.M. Three separate classes

of bacterial ice nucleation structures // J. Bacteriol.– 1990.–

Vol. 172, N5.– P. 2521–2526.

Turner M.A., Arellano F., Kozloff L.M. Components of ice

nucleation structures of bacteria // J. Bacteriol.– 1991.–

Vol. 173, N20.– P. 6515–6527.

Mugnano J.A., Lee R.E., Taylor R.T. Fat body cells and calcium

phosphate spherules induce ice nucleation in the freeze

tolerant larvae of the gall fly Eurosta solidaginis (Diptera,

tephritidae) // J. Exp. Biol.– 1996.– Vol. 199, N2.– P. 465–471.

Neven L.G., Duman J.G., Beals J.M. et al. Overwintering

adaptations of the stang beetle, Ceruchus piceus: removal

of ice nucleators in winter to promote supercooling // J. Comp.

Physiol.– 1986.– Vol. B156, N7.– P. 707–716.

Neven L., Duman J.G., Low M.G. et al. Purification and

characterization of an insect haemolymph lipoprotein ice

nucleator: Evidence for the importance of phosphatidylinositol

and apolipoprotein in the ice nucleator activity // J. Comp.

Physiol.– 1989.– Vol. 159, N1.– P. 71–82.

Pattnaik N.M., Mundall E.C., Trambysti B.G. et al. Isolation

and characterization of a larval lipoprotein from the

hemolymph of Manduca sexta // Comp. Biochem. And

Physiol.– 1979.– Vol. 63B, N5.– P. 469–476.

Shapiro J. P., Law J. H., Well M. A. Lipid transport in insects //

Ann. Rev. Entomol.– 1988.– Vol. 28, N3.– P. 297–318.

Somme L., Zachariassen K. E. Adaptation to low temperature

in high altitude insects from Mount Kenya // Ecol. Entomol.–

1981.– Vol. 6, N2.– P. 199–204.

Somme L., Zachariassen K. E. Adaptation to low temperature

in high altitude insects from Mount Kenya // Ecol. Entomol.–

1981.– Vol. 6, N2.– P. 199–204.

Storey K.B., Baust J.G., Wolanczyk J.P. Biochemical

modification of plasma ice nucleating activity in a freeze-

tolerant frog // Cryobiology.– 1992.– Vol. 29, N3.– P. 374–

384.

Storey K.B., McDonald D.G., Duman J.G. et al. Blood che-

mistry and ice nucleating activity in hatchling painted turtles //

Cryo-Letters.– 1991.– Vol. 12, N6.– P. 351–358.

Theede H., Stein U. Further studies on frost protection in

Mytilus edulis from the western Baltic Sea // 21

Meeting of

EMBS. Gdansk, 14–19 September 1986.– Gdansk, 1986.–

P. 173–181.

Turner M.A., Arellano F., Kozloff L.M. Three separate classes

of bacterial ice nucleation structures // J. Bacteriol.– 1990.–

Vol. 172, N5.– P. 2521–2526.

Turner M.A., Arellano F., Kozloff L.M. Components of ice

nucleation structures of bacteria // J. Bacteriol.– 1991.–

Vol. 173, N20.– P. 6515–6527.

Tursman D., Duman J.G., Knight C.A. Freeze tolerance

adaptations in the centipede, Lithobius forficatus // J. Exp.

Zool.– Vol. 268, N5.– P. 347–353.

Van der Laak S. Physiological adaptations to low temperature

in freezing tolerant Phyllodecta laticollis beetles // Comp.

Biochem. Physiol.– 1982.– Vol. 73A, N6.– P. 613–620.

Warner D. T. Some possible relationships of carbohydrates

and other biological components with the water structure at

37°C // Nature.– 1962.– Vol. 196, N10.– P. 1055–1058.

Westh P., Kristiansen J., Hvidt A. Ice-nucleating activity in

the freeze-tolerant tardigrade Adorybiotus coronifer // Comp.

Biochem. Physiol. Part A.– 1991.– Vol. 99, N3.– P. 401–404.

Wharton D.A., Block W. Differential scanning calorimetry

studies on an Antarctic nematode (Panagrolaimus davidi)

which survives intracellular freezing // Cryobiology.– 1997.–

Vol. 34, N2.– P. 114–121.

Xu Lei, Neven L. G., Duman J. G. Hormonal control of

hemolymph lipoprotein ice nucleators in overwintering freeze-

susceptible larvae of the stag beetle Ceruchus piceus: adipo-

kinetic hormone and juvenile hormone // J. Comp. Physiol.–

1990.– Vol. B160, N1.– P. 51–59.

Yeung K.L., Wolf E.E., Duman J.G. A scanning tunneling

microscopy study of an insect lipoprotein ice nucleator // J.

Vac. Sci. Technol. B.– 1991.– Vol. 9, N2.– P. 1197–1201.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

362

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

Tursman D., Duman J.G., Knight C.A. Freeze tolerance

adaptations in the centipede, Lithobius forficatus // J. Exp.

Zool.– Vol. 268, N5.– P. 347–353.

Van der Laak S. Physiological adaptations to low temperature

in freezing tolerant Phyllodecta laticollis beetles // Comp.

Biochem. Physiol.– 1982.– Vol. 73A, N6.– P. 613–620.

Warner D. T. Some possible relationships of carbohydrates

and other biological components with the water structure at

37°C // Nature.– 1962.– Vol. 196, N10.– P. 1055–1058.

Westh P., Kristiansen J., Hvidt A. Ice-nucleating activity in

the freeze-tolerant tardigrade Adorybiotus coronifer // Comp.

Biochem. Physiol. Part A.– 1991.– Vol. 99, N3.– P. 401–404.

Wharton D.A., Block W. Differential scanning calorimetry

studies on an Antarctic nematode (Panagrolaimus davidi)

which survives intracellular freezing // Cryobiology.– 1997.–

Vol. 34, N2.– P. 114–121.

Xu Lei, Neven L. G., Duman J. G. Hormonal control of

hemolymph lipoprotein ice nucleators in overwintering freeze-

susceptible larvae of the stag beetle Ceruchus piceus: adipo-

kinetic hormone and juvenile hormone // J. Comp. Physiol.–

1990.– Vol. B160, N1.– P. 51–59.

Yeung K.L., Wolf E.E., Duman J.G. A scanning tunneling

microscopy study of an insect lipoprotein ice nucleator // J.

Vac. Sci. Technol. B.– 1991.– Vol. 9, N2.– P. 1197–1201.

Zachariassen K.E. Nucleating agents in cold-hardy insects //

Comp. Biochem. Physiol.– 1982.– Vol. 73A, N5.– P. 557–562.

Zachariassen K. E. Physiology of cold tolerance in insects //

Physiol. Rev.– 1985.– Vol. 65, N4.– P. 799–832.

Zachariassen K. E., Hammel H. T. Nucleating agents in the

haemolymph of insects tolerant to freezing // Nature.– 1976.–

Vol. 262, N21.– P. 285–287.

Zachariassen K.E., Kristiansen E. Ice nucleation and

antinucleation in nature // Cryobiology.– 2000.– Vol. 41, N4.–

P. 257–279.

Поступила 17.08.2010

Рецензент В.В. Рязанцев

Zachariassen K.E. Nucleating agents in cold-hardy insects //

Comp. Biochem. Physiol.– 1982.– Vol. 73A, N5.– P. 557–562.

Zachariassen K. E. Physiology of cold tolerance in insects //

Physiol. Rev.– 1985.– Vol. 65, N4.– P. 799–832.

Zachariassen K. E., Hammel H. T. Nucleating agents in the

haemolymph of insects tolerant to freezing // Nature.– 1976.–

Vol. 262, N21.– P. 285–287.

Zachariassen K.E., Kristiansen E. Ice nucleation and

antinucleation in nature // Cryobiology.– 2000.– Vol. 41, N4.–

P. 257–279.

Accepted in 17.08.2010

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

40.

41.

42.

43.

363

Авторы, которым необходимо направлять корреспонденцию:

ул. Переяславская, 23, г. Харьков, Украина 61015; тел.: (+380

57) 373-30-39, факс: (+380 57) 373-30-84, электронная почта:

* elena.vens@gmail.com,

avshilo@list.ru

To whom correspondence should be addressed: 23,

Pereyaslavskaya str., Kharkov, Ukraine 61015; tel.:+380 57 373

3039, fax: +380 57 373 3084, e-mail: * elena.vens@gmail.com,

avshilo@list.ru

Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine of the Na-

tional Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, Ukraine

Институт проблем криобиологии и криомедицины

НАН Украины, г. Харьков

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

УДК 591.128.4:612.821.7.014.43

Е.А. ВЕНЦКОВСКАЯ*, А.В. ШИЛО

, Г.А. БАБИЙЧУК

Терморегуляция, сон и температурные воздействия

UDC 591.128.4:612.821.7.014.43

O.A. VENTSKOVSKA*, O.V. SHYLO

, G.O. BABIYCHUK

Thermoregulation, Sleep and Temperature Influences

Изменения температуры тела, происходящие в цикле сон-бодрствование, и чувствительность сна к изменениям температуры

окружающей среды, привели к мысли, что процессы регуляции сна и температуры тела находятся в тесной взаимосвязи. В

многочисленных исследованиях было показано, что сон в значительной степени подвержен влиянию температуры окружающей

среды и чувствителен к интенсивности, продолжительности и режиму температурных воздействий. Другим обоснованием

взаимосвязи сна и терморегуляции является тот факт, что гипоталамус, особенно его медиальная преоптическая область,

участвует в регуляции как сна, так и температуры тела.

Ключевые слова: сон, терморегуляция, крыса.

Зміни температури тіла, що відбуваються в циклі сон-неспання, і чутливість сну до змін температури навколишнього

середовища навели на думку про те, що процеси регуляції сну і температури тіла знаходяться в тісному взаємозв'язку. В

численних дослідженнях було показано, що сон в значній мірі реагує на зміну температури навколишнього середовища і

чутливий до інтенсивності, тривалості і режиму температурних впливів. Іншим обґрунтуванням взаємозв'язку сну і

терморегуляції є той факт, що гіпоталамус, особливо його медіальна преоптична зона, бере участь в регуляції як сну, так і

температури тіла.

Ключові слова: сон, терморегуляція, щур.

Changes in body temperature, occurring during sleep-wake cycle and sensitivity of sleep to changes of ambient temperature led to

the idea that there is an interrelation between sleep regulation and thermoregulation. Numerous studies have shown that sleep is largely

influenced by ambient temperature and is sensitive to the intensity, duration and mode of temperature effects. Another reason for the

interrelation between sleep regulation and thermoregulation is the fact that hypothalamus, especially the medial preoptic area is

involved in sleep regulation and regulation of body temperature.

Key words: sleep, thermoregulation, rat.

Терморегуляция

Регуляция температуры тела осуществляется за

счет автономных и поведенческих механизмов,

направленных на поддержание баланса между

теплопродукцией и теплоотдачей.

На сегодняшний день считается, что система

терморегуляции млекопитающих включает 4 основ-

ных компонента: терморецепторы; нервные пути,

проводящие афферентную и эфферентную инфор-

мацию к ЦНС и от нее; систему контроля, находя-

щуюся в ЦНС; термоэффекторную систему.

Терморецепторы представляют собой нейро-

нальные элементы (нервные окончания), реагирую-

щие на повышение или снижение температуры.

Они расположены в различных областях кожи, в

глубине тканей организма, например поблизости от

сосудов (каротидная артерия), в некоторых внут-

ренних органах, скелетных мышцах и ЦНС (сред-

ний мозг, продолговатый мозг, гипоталамус) [23].

По современным представлениям, основными

температурными сенсорами в нервном окончании

являются каналы, принадлежащие к суперсемей-

Thermoregulation

Body temperature regulation is implemented due

to autonomous and behavioral mechanisms for keep-

ing the balance between heat production and heat loss.

Today it is considered that mammalian thermo-

regulation system has 4 main components: thermo-

receptors, nerve pathways conducting afferent and

efferent information to and from CNS; control sys-

tem, in CNS; thermoeffector system.

Thermoreceptors are neuronal elements (nerve

terminals), responding to temperature rising or de-

creasing. They are located in different skin areas,

deep in the organism tissues, for instance, near the

vessels (carotid artery), inside some internal organs,

skeletal muscles and CNS (midbrain, medulla oblon-

gata, hypothalamus) [23]. Recently there have been

obtained the data that the main temperature sensors

in the nerve terminal are channels of superfamily

"transient receptor potential" (TRP) of thermosensi-

tive cation channels [32, 39, 49]. These channels are

activated by definite physiological temperatures and

participate in temperature information transformation

364

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

ству "transient receptor potential" (TRP) термосен-

сивных катионных каналов [32, 39, 49]. Эти каналы

активируются определенными физиологическими

температурами и участвуют в преобразовании

температурной информации в химические и элект-

рические сигналы. При охлаждении механизм пре-

образования в основном, осуществляется при учас-

тии холодо- и ментолактивируемых ионных каналов

(TRPM8). Более сильное охлаждение активирует

другой тип TRP-каналов, названных TRPA1 (анки-

рин-подобные каналы), которые, как полагают,

связаны с холодовой болью [39]. Четыре TRPV-

канала активируются нагреванием (TRPV1-4).

Предполагают, что восприятие температуры, боли

и даже тактильное ощущение могут взаимодейст-

вовать друг с другом [22]. При неизменной темпе-

ратуре внешней среды для каждого типа рецепто-

ров имеется температурный диапазон, при котором

их частота разрядов максимальна.Для холодовых

рецепторов этот диапазон лежит между 25 и 30°С,

а для тепловых – между 40 и 47°С. Парадоксаль-

ный разряд у холодовых рецепторов также обнару-

жен в районе 45°С. При постоянной температуре

как холодовые, так и тепловые рецепторы быстро

адаптируются [23].

Сенсорная информация от терморецепторов пе-

редается через спинальные ганглии и дорсальные

рога спинного мозга в составе спиноталамического

и спиноцервикального трактов к таламусу, а оттуда

проецируется в сенсорную и инсулярную кору.

Наиболее важными областями мозга, задейст-

вованными в регуляции температуры тела, являют-

ся преоптическая область переднего гипоталамуса

и задний гипоталамус. Кроме того, участие в регу-

ляции температуры тела принимают и супрахиаз-

матические ядра гипоталамуса [19]: нейроны их

субпаравентрикулярных зон вовлекаются в органи-

зацию циркадной ритмичности температуры тела,

а нейроны вентральных субпаравентрикулярных

зон – в регуляцию циркадных ритмов сна и бодрст-

вования. Вентральные субпаравентрикулярные зо-

ны супрахиазматических ядер в свою очередь свя-

заны с дорсомедиальными ядрами гипоталамуса,

которое принимает участие в циркадной организа-

ции сна и бодрствования, локомоторной активности,

потребления пищи и продукции кортикостероидов

[43]. Медиальная преоптическая область переднего

гипоталамуса играет важную роль в физиологичес-

ких и поведенческих терморегуляторных ответах

[24, 31]. Теплоотдача и теплопродукция иниции-

руются активностью тепловых температурных

рецепторов передней преоптической области гипо-

таламуса. Однако температурные сигналы от пери-

ферических областей тела, особенно от кожи и тка-

ней, расположенных в глубине тела (спинной мозг и

органы брюшной полости), также влияют на уста-

into chemical and electrical signals. Under cooling the

mechanism of transition is generally realized by in-

volving cold- and menthol activated ion channels

(TRPM8). Stronger cooling activates another type of

TRP channels named TRPA1 (ankyrin-like channels),

which are believed to be associated with cold pain

[39]. Four TRPV channels are activated by heating

(TRPV1–4). It is supposed that sensation of tempera-

ture, pain and even tactual sensation can interact with

each other [22]. If environmental temperature is

constant each type of receptors has an appropriate

temperature range, where their discharge frequency

is maximal. For cold receptors this range is between

25 and 35°C but for heat receptors it is between 40–

47°C. Paradoxical discharge of cold receptors is also

revealed near 45°C. Under the constant temperature

both cold and heat receptors are rapidly adapted [23].

Sensory information from thermoreceptors is

transfered through spinal ganglia and dorsal horns of

spinal cord as a part of spinothalamic and spinocer-

vical tracts to thalamus and from that place it is pro-

jected to sensory and insular cortex.

The most important brain area involved in body

temperature regulation is preoptic area of anterior

and posterior hypothalamus. Moreover suprachias-

matic nuclei of hypothalamus participate in body tem-

perature regulation [19]: neurons of its subparaventri-

cular zones are involved in body temperature circa-

dian rhythmicity organization and ventral subparavent-

ricular zone neurons are involved in circadian rhythms

of sleep and wakefulness regulation. In its turn ven-

tral subparaventricular zones of suprachiasmatic nu-

clei are connected with hypothalamus dorsomedial

nuclei, participating in circadian sleep and wakeful-

ness organization, locomotor activity, food consump-

tion and corticosteroid production [43]. Medial preop-

tic anterior hypothalamus area plays a key role in

physiological and behavior thermoregulatory re-

sponses [24, 31]. Heat loss and heat production are

initiated by heat temperature receptors activity of an-

terior preoptic hypothalamus area. However tem-

perature signals from peripheral body areas especially

from skin and deep body tissues (spinal cord and ab-

dominal cavity organs) also affect the ‘set point’ of

hypothalamic temperature center. The ‘set point’ of

temperature homeostasis rises during decreasing of

skin temperature and decreases during its rising.

Posterior hypothalamus, can be described as sympa-

thetic center, controls skin blood vessel vasoconstric-

tion. Except a subconscious body temperature con-

trol mechanism an organism possesses another con-

trol mechanism even more powerful. This is a beha-

vioral temperature control. When the body tempera-

ture become too high the signals of temperature con-

trol brain centers promote the formation of psycho-

logical overheat feeling. And vice versa when the

365

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

новочную точку ("set point") гипоталамического

температурного центра. Установочная точка тем-

пературного гомеостаза повышается, когда темпе-

ратура кожи падает, и понижается при повышении

ее температуры. Задний гипоталамус, который мо-

жет быть описан как симпатический центр, контро-

лирует вазоконстрикцию кожных кровеносных со-

судов. Кроме подсознательного механизма контро-

ля температуры тела, организм обладает еще

одним контролирующим механизмом, даже более

мощным. Это поведенческий контроль температу-

ры. Когда температура тела становится слишком

высокой, сигналы из мозговых центров контроля за

температурой способствуют формированию психо-

логического ощущения перегревания. И наоборот,

когда организм охлаждается, сигналы с поверхнос-

ти кожи и, вероятно, от рецепторов в глубине тела,

вызывают формирование ощущения холодового

дискомфорта, что вынуждает организм прилагать

усилия для достижения теплового комфорта [24].

Сон: механизмы и функции

Поведение млекопитающих, включая человека,

состоит из двух чередующихся периодов: активнос-

ти и покоя. В первом происходят обучение и реа-

лизация врожденного и приобретенного поведения,

а во втором – восстановление ЦНС и организма в

целом. При этом находясь в покое, организм может

пребывать в одном из трех состояний: спокойного

бодрствования, обычного (медленного или медлен-

новолнового) и парадоксального (быстрого) сна [1,

2, 45]. Большинство высших и низших животных

спят примерно одинаково: принимают сонную позу,

характерную для каждого отдельного вида, их дви-

гательная активность резко снижается, исчезает

реакция на внешние раздражители (хотя сохра-

няется способность к пробуждению в ответ на

внешнюю или внутреннюю стимуляцию). Согласно

современным представлениям, сон определяют как

особое генетически детерминированное состояние

организма теплокровных животных (млекопи-

тающих и птиц), характеризующееся закономерной

последовательной сменой определенных полигра-

фических картин в виде циклов, фаз и стадий [4].

Система регуляции цикла сон-бодрствование весь-

ма сложна, но к настоящему времени изучена

хорошо [27, 42]. Она включает в себя четыре клю-

чевых механизма: бодрствования, медленно-волно-

вого сна (МВС), парадоксального сна (ПС) и внут-

рисуточной ритмики.

Бодрствование. Изучение активности нейро-

нов, вовлеченных в регуляцию цикла сон-бодрство-

вание, показало, что нормальная работа коры го-

ловного мозга, обеспечивающая весь спектр дея-

тельности в бодрствовании, возможна только при

наличии тонических мощных воздействий со сторо-

body cools down the signals from the skin surface

and probably from deep body receptors induce the

formation of cold discomfort feeling, driving organ-

ism to achieve a heat comfort [24].

Sleep: mechanisms and functions

The behavior of mammals, including human, con-

sists of two alternated periods: activity and rest. Dur-

ing the first one the training and realization of innate

and acquired behavior take place, and during the sec-

ond one the restoration of CNS and the organism in

a whole occurs. Being in a rest period an organism

may be in one of three states: quiet wakefulness,

slow-wave sleep and rapid eye movements (REM)

sleep [1, 2, 45]. The most of higher and lower ani-

mals sleep almost in the same way: take a sleep

position typical for each species, motion activity sud-

denly decreases, reaction for exogenous stimuli dis-

appears (although awakening ability in response to

external or internal stimulation preserves). Accord-

ing to the modern conceptions sleep is considered as

specific genetically determined organism state of ho-

moiothermal animals (mammals and birds), that is

characterized by regular sequence of specific polygra-

phic patterns in the form of cycles, phases and stages

[4]. The system of sleep-wake cycle regulation is

rather complicated, but it is well explored today [27,

42]. It includes four key mechanisms: wakefulness,

slow-wave sleep (SWS), REM sleep and circadian

rhythmics.

Wakefulness. Direct investigation of neurons that

are involved in regulation of sleep-wake cycle sho-

wed that normal cortex function providing the whole

activity spectrum during wakefulness, was possible

only in the presence of tonic powerful influences from

specific activating subcortical structures [5]. Because

of these influences the membrane of the most corti-

cal neurons during wakefulness is depolarized and

only in the state of tonic depolarization the neurons

are able to process and respond the signals from other

neurons. One could distinguish about ten of such tonic

depolarization systems or systems of brain activation

(conventionally the wakefulness centers). They are

located at all levels of brain axis: in brain stem reticu-

lar formation, locus coeruleus and dorsal raphe nu-

clei regions, posterior hypothalamus and basal fore-

brain nuclei [27]. Diffusely located neurons in these

regions send their axons to almost all brain regions

except neocortex. System of these neurons support

the brain activity on the level necessary for wake-

fulness by means of ascending activating impulses

(hereat the term ‘ascending reticular activating sys-

tem’). Nor-adrenergic [44], histaminergic [42], mono-

aminergic [41] and cholinergic neurotransmitting brain

systems [27] (Figure) serve as neurochemical basis

of this transmission.

366

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

ны определенных активирующих подкорковых

структур [5]. Благодаря этим воздействиям,

мембрана большинства кортикальных нейронов в

бодрствовании деполяризована, и только в состоя-

нии тонической деполяризации нейроны способны

обрабатывать и отвечать на сигналы, приходящие

к ним от других нервных клеток. Таких систем то-

нической деполяризации, или активации мозга

(условно – центров бодрствования), выделяют око-

ло десяти. Расположены они на всех уровнях

мозговой оси: в ретикулярной формации ствола,

областях голубого пятна и дорзальных ядрах шва,

заднем гипоталамусе и базальных ядрах переднего

мозга [27]. Диффузно расположенные нейроны в

этих областях посылают свои аксоны почти ко всем

областям головного мозга, за исключением неокор-

текса. Система данных нейронов поддерживает

необходимый для бодрствования уровень актив-

ности мозга за счет восходящей активирующей

импульсации (отсюда термин "восходящая активи-

рующая ретикулярная система"). Нейрохимической

основой этой передачи служат норадренергическая

[44], гистаминергическая [42], моноаминергическая

[41] и холинергическая нейротрансмиттерные сис-

темы мозга [27] (рисунок).

Сон. Согласно современным представлениям

сон, его отдельные фазы и стадии наступают в

результате повышенной активности определенных

структур головного мозга. Таким образом, сон

является активным процессом, в организации кото-

рого принимают участие ряд структур мозга, объе-

диняемых в так называемые синхронизирующие

системы, которые в целом образуют сомногенный

механизм мозга.

Медленноволновой сон. С точки зрения теории

пассивного засыпания сон рассматривают как ре-

зультат деафферентации. При перерезке спинного

мозга на границе с продолговатым, т. е. при сохра-

нении связи головного мозга с сенсорными черепно-

мозговыми нервами (препарат encephale isole), в

ЭЭГ преобладает десинхронизированная актив-

ность. При перерезке же на уровне среднего мозга

(препарат cerveau isole) регистрируется ЭЭГ, харак-

терная для естественного сна [27]. Таким образом,

для бодрствования необходим хотя бы минималь-

ный уровень активности коры, поддерживаемый

сенсорными стимулами, а для сна – снижение эф-

фективности сенсорной стимуляции мозга. Однако

в настоящее время сон рассматривают как резуль-

тат активного функционирования синхронизирую-

щих сомногенных структур мозга [18, 27, 42]. К ним

относят ГАМКергические нейроны преоптической

области переднего гипоталамуса, которые участву-

ют в запуске сна и в его процессе подавляют ак-

тивность холинергических и моноаминергических

нейронов [27, 42, 44]. Эти же нейроны принимают

Схема расположения областей мозгаи популяций нейро-

нов, участвующих в регуляции цикла сон-бодрствование:

1 – медиальная преоптическая область гипоталамуса; 1а –

супрахиазматические ядра; 2 – таламус; 3 – гипоталамус;

4 – ствол; 5 – продолговатый мозг; – адрен- или нор-

адренергические; – гистаминергические,



–

гипокретинергические; – серотонинергические ней-

роны.

A schematic drawing showing some key brain regions and

neuronal groups, taking part in sleep-wake cycle regulation:

1 – medial preoptic hypothalamus region; 1a – suprachiasma-

tic nuclei, 2 – thalamus; 3 – hypothalamus; 4 – stem; 5 –

medulla; – adren- or noradrenergic; –histaminergic,



– hypocretinergic; – serotoninergic neurons.

Sleep. According to the modern conceptions,

sleep, its separate phases and stages are initiated in

result of an increased activity of some brain struc-

tures. Thus, sleep is an active process organized by

some brain structures integrated in so-called synchro-

nizing systems, which form a hypnogenic brain me-

chanism.

Slow wave sleep. In terms of a passive falling

asleep theory, sleep is considered as a result of deaf-

ferentation. Dissection of spinal cord in the border

with medulla, i. e. when the connection of brain with

sensory cerebral neurons are preserved (preparation

encephale isole), results in prevailed desynchronized

activity in the EEG. During midbrain transection (pre-

paration cerveau isole) one could record the EEG,

characteristic for natural sleep [27]. Thus, wakeful-

ness needs at least the minimal level of cortex ac-

tivity, which will be supported by sensory stimuli, and

in the case of sleep the decreasing of sensory stimu-

lation effectivity of brain is needed. However, today

sleep is considered as a result of active functioning

of synchronized hypnogenic brain structures [18, 27,

42]. These include GABAergic neurons of anterior

preoptic hypothalamus, which take part in sleep on-

set and supress cholinergic and monoaminergic neu-

rons activity during sleep [27, 42, 44]. The same neu-

rons take active part in control of body thermoregu-

lation [7, 26], that may determine the sleep regula-

tion peculiarities after cold influences. Besides sero-

toninergic raphe nuclei neurons are referred to a con-

siderable role in SWS regulation [41]. Recently the

367

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

активное участие в контроле над терморегуляцией

организма [7, 26], что может обуславливать особен-

ности регуляции сна после холодовых воздействий.

Кроме того, значительную роль в регуляции МВС

отводят серотонинергическим нейронам ядер шва

[41]. В последнее время в коре головного мозга

также стали выделять группы нейронов, ответст-

венных за запуск МВС [21].

Предполагается, что во время МВС на фоне

значительного снижения энергетического метабо-

лизма и температуры тела в большинстве отделов

мозга (особенно коре) [48] и в периферических

органах и тканях [27] протекают восстановитель-

ные процессы.

Парадоксальный сон. Парадоксальный сон,

как и бодрствование, характеризуется высокой

электрической активностью в коре, стволе головно-

го мозга и таламусе [31, 40, 44]. Однако ПС отли-

чается от бодрствования низкой активностью нор-

адренергических, серотонинергических и гистамин-

ергических нейронов [41], которая подавляется

ГАМКергическими нейронами. Для ПС характерны

ингибирование мотонейронов, способствующее раз-

витию мышечной атонии (тонический компонент),

и спайковая активность понто-геникулоокципиталь-

ной области (фазический компонент) на фоне быст-

рых движений глаз [31, 40, 44]. Ряд данных [40] сви-

детельствует о мостовой локализации структур (а

именно вентральной части орального ретикулярного

ядра), ответственных за развитие основных пове-

денческих и ЭЭГ проявлений ПС. В развитии

мышечной атонии принимают участие голубое пят-

но и прилегающая к нему область [25].

Парадоксальный сон характеризуется ослабле-

нием гомеостатической регуляции температуры

тела и различных автономных функций организма

[34–36], что позволило предположить, что во время

этой фазы сна происходят восстановительные про-

цессы в этих сферах контроля функций организма

[25] наряду с восстановлением в локомоторных и

сенсорных системах [36].

Согласно современным данным бодрствование

и МВС относят к одной группе функциональных сос-

тояний, а ПС рассматривают как отдельное функ-

циональное состояние [13]. Это связано с наличием

во время бодрствования и МВС либо же с отсут-

ствием (ухудшением, инактивацией) во время ПС

гомеостатической регуляции ряда физиологических

функций организма [33].

В последние годы огромный интерес исследова-

телей привлекает еще одна система мозга, играю-

щая важнейшую роль в регуляции биоритмов и сос-

тояний сна-бодрствования: это эпифиз (верхний

придаток мозга) и секретируемый им гормон

мелатонин [3]. В настоящее время участие, по

крайней мере косвенное, эпифизарного мелатонина

neuron groups responsible for SWS onset are dis-

tinguished in cortex [21].

It is suggested that during SWS along with con-

siderable energetic metabolism and body temperature

decrease the restorative processes occur in the most

brain regions (especially in cortex) [48] and in pe-

ripheral organs and tissues [27].

REM sleep. REM sleep as well as wakefulness

is characterized by a high electrical activity in cor-

tex, brainstem and thalamus [40, 31, 44]. However,

REM sleep differs from wakefulness with low ac-

tivity of noradrenergic, serotoninergic and histaminer-

gic neurons [41], which is arrested by GABAergic

neurons. REM sleep is characterized by motoneu-

rons’ inhibition contributing in development of mus-

cular atonia (tonic component), spike activity of

ponto-geniculo-occipital region (phasic component)

along with rapid eye movements [31, 40, 44]. Seve-

ral data [40] testify to a pontine localization of struc-

tures (exactly ventral part of oral reticular nucleus)

responsible for basic behavioral and EEG character-

istics of REM sleep. Locus coeruleus and its ad-

joining area take part in muscular atonia development

[25].

REM sleep is characterized by impairment of body

temperature homeostatic regulation and different or-

ganism autonomic functions [34–36], that allowed to

suppose restorative processes during this phase in

these areas of organism functional control [25] along

with restoration in locomotory and sensory systems

[36].

According to recent data the wakefulness and

SWS belong to the same group of functional states,

and REM sleep is considered as a separate functional

state [13]. It is due to presence during wakefulness

and SWS or absence (impairment, inactivation) dur-

ing REM sleep of homeostatic regulation of physio-

logical organism functions [33].

Recent investigations were directed to another

brain system playing the most important role in regu-

lation of circadian rhythms and sleep-wake cycle: it

is epiphysis (pineal gland) and its secreted hormone

melatonin [3]. Nowadays the involving, at least indi-

rect, of pineal gland melatonin in seasonal and diur-

nal rhythmicity is of no doubt.

Comprehensive study of melatonin influence to

mammals' sleep revealed rather controversial results.

It is known that mammals are divided into diurnal,

nocturnal and crepuscular ones depending on char-

acter of their activity. All animals are observed to

have increase of melatonin secretion with pineal gland

in darkness and decrease in light period of day, more-

over melatonin suppresses suprachiasmatic nuclei ac-

tivity. The next question appears: how the substance

secreted in the same time may regulate so different

types of behavior in different animals? At the mo-

368

problems

of cryobiology

Vol. 20, 2010, №4

проблемы

криобиологии

Т. 20, 2010, №4

в сезонной и внутрисуточной ритмике не вызывает

сомнений.

При всестороннем изучении влияния мелатони-

на на сон млекопитающих были получены весьма

противоречивые результаты. Известно, что живот-

ные по характеру своей активности подразделяют-

ся на дневных, ночных и сумеречных. У всех

животных наблюдаются увеличение секреции

мелатонина эпифизом в темное и уменьшение в

светлое время суток, при этом активность супра-

хиазматических ядер подавляется мелатонином.

Возникает вопрос, как может вещество, выделяю-

щееся в одно и то же время, управлять столь

непохожими типами поведения у разных видов

млекопитающих? Пока окончательный ответ на

этот вопрос отсутствует, но очевидно, что мелато-

нин влияет на поведение косвенно, и специфика его

влияния связана с межвидовыми различиями в

распределении областей связывания мелатонина в

головном мозге млекопитающих, а также с различ-

ным распределением подтипов рецепторов мелато-

нина внутри областей связывания [3].

Регуляция сна

В основе регуляции сна лежат гомеостатичес-

кий (определяется длительностью предшествую-

щего бодрствования) и циркадный [18, 19] процес-

сы, которые взаимосвязаны и совместно управ-

ляют циклом сон-бодрствование.

Циркадная регуляция является основой всех

поведенческих, физиологических и молекулярных

ритмов, включая цикл сон-бодрствование с перио-

дом около 24 ч. Наличие циркадной регуляции пока-

зано в опытах при помещении людей в среду, в

которой отсутствуют какие-либо внешние задатчи-

ки времени [19]. При этом ритмичность процессов

сна и бодрствования сохранялась, изменялся

только период ритма. Это указывает, что цикл сон-

бодрствование является эндогенным свободно-

текущим ритмом. При этом ритм сна тесно связан

с ритмом температуры тела: потребность во сне

максимальна, когда она достигает суточного мини-

мума, и понижена, когда температура тела находит-

ся в максимуме.

Гомеостатическая регуляция сна заключается

в зависимости его глубины и длительности от про-

должительности предшествующего бодрствования

[17]. Гомеостатическая регуляция МВС направ-

лена на изменение длительности и интенсивности

сна, последнее находит отражение в медленновол-

новой активности (МВА) на ЭЭГ. Как известно,

МВА постепенно снижается во время МВС и зна-

чительно повышается после периодов депривации

сна. Таким образом, с одной стороны, МВА рас-

сматривают как индикатор потребности во сне, а с

другой – постепенное снижение МВА в течение

ment the ultimate answer for this question is absent

but it is obviously that melatonin influences indirectly

the behavior and specificity of its effect is associ-

ated with interspecific differences in melatonin bind-

ing sites distribution in mammalian brain and also with

different allocation of melatonin receptors subtypes

in binding sites [3].

Regulation of sleep

The bases of sleep regulation are homeostatic

(determined by preceding wakefulness duration) and

circadian [18, 19] processes, which are closely con-

nected and jointly regulate the sleep-wake cycle.

Circadian regulation is the basis of all behavioral,

physiological and molecular rhythms including sleep-

wake cycle with 24 hours duration. Presence of cir-

cadian regulation is showed in the experiments by

placing humans in environment where any ‘zeitge-

bers’ are absent [19]. Meanwhile the rhythmicity of

sleep and wakefulness processes is preserved, only

rhythm period is changed. This shows that sleep-

wake cycle is endogenic free-running rhythm. Fur-

thermore, this rhythm is closely associated with

rhythm of body temperature: need for sleep is maxi-

mal when the temperature reaches daily minimum

and decreased when body temperature has its maxi-

mum.

Homeostatic sleep regulation lies in the fact that

deepness and duration of sleep depend on duration

of preceding wakefulness [17]. SWS homeostatic

regulation is directed on alternation of sleep duration

and intensity, the last one embodies in slow-wave ac-

tivity (SWA) in EEG. It is known that SWA gradu-

ally decreases during SWS and essentially increases

after sleep deprivation. Thus, on the one hand, SWA

is considered as indicator of sleep debt and, on the

other hand, gradual SWA decrease during SWS prob-

ably reflects sleep reparative processes and serves

as their quantitative measure [48].

Homeostatic and circadian sleep regulation are

based on different mechanisms [27], confirmed by

various experiments on sleep deprivation in rats with

damaged suprachiasmatic nuclei, i. e. structures

which are responsible for circadian rhythm [28].

As for REM sleep homeostatic regulation, there

are two points of view. Some investigators [16] sup-

pose that rise of REM sleep pressure occur excep-

tionally during SWS episodes, the others [40, 47] claim

that REM sleep debt is accumulated during the whole

period when animal is out of this state, i. e. during

SWS and wakefulness as well. To solve this task the

experiments on selective sleep deprivation in rats and

humans were performed. It was found that REM

sleep selective deprivation in rats led to an increase

of attempts to enter this state and its further com-

pensatory rise [16]. In this connection the authors sup-