Hibernation

Définition

Une hibernation est une forme de dormance qui correspond à une période de sommeil profond au cours de laquelle un animal subit une série de modifications physiologiques (hypothermie, engourdissement, ralentissement des fonctions essentielles) sous l'action du froid hivernal. L'hibernation est ainsi l'ensemble des modifications que subissent les êtres vivants pendant l'hiver.

Un groupe de marmottes en hibernation :

En tant qu'hibernateurs typiques, les marmottes alpines Marmota marmota abaissent leur température corporelle jusqu'à la température ambiante pendant la majeure partie de l'hiver. Même pendant les interruptions régulières de l'hibernation, leur température corporelle reste inférieure de quelques degrés aux niveaux estivaux habituels. Étonnamment, la quantité d'acides gras polyinsaturés dénommés "n-6" (ceux avec la double liaison finale à la sixième position) dans les membranes s'est avérée augmenter considérablement avant le début de l'hibernation, apparemment pour préparer le corps, et en particulier le coeur, pour fonctionner à très basse température. Conformément à cette idée, la transition vers une teneur plus élevée en acides gras n-6 dans les membranes intervient extrêmement rapidement juste avant que les animaux entrent dans leurs chambres d'hibernation. Les changements sont inversés, à nouveau sur une courte période, autour de la fin de l'hibernation au printemps, lorsque les animaux reviennent à une vie à des températures corporelles élevées. Pendant et immédiatement après l'hibernation, les marmottes sont incapables de manger quoi que ce soit (leur nourriture est sous une épaisse couche de neige) donc les changements ne peuvent pas être liés à des influences diététiques immédiates.

Explications

L'hibernation est une condition biologique dans laquelle les fonctions vitales des animaux sont maintenues à un minimum, le rythme cardiaque et la respiration ralentissent, le métabolisme est réduit et la température du corps est abaissée. Elle peut être comprise comme l'hivernation chez les animaux ou même comme hypothermie préventive en médecine (même si les températures ne sont jamais atteintes à moins de quelques degrés au-dessus de zéro). Elle est souvent utilisée comme une méthode d'animation suspendue (cryopréservation) pour les humains en science-fiction.

Les animaux qui hibernent sont appelés des hibernateurs. L'abri des animaux en hibernation est généralement appelé terrier ou hibernaculum.

Chez les animaux

L'hibernation existe chez différents types d'invertébrés (chez lesquels un état dans lequel les processus métaboliques sont extrêmement lents), mais aussi des amphibiens, des reptiles et des mammifères comme les ours bruns, les blaireaux, les marmottes, surtout en hiver dans les régions froides ou tempérées. L'hibernation diffère de l'hivernation car ce n'est pas vraiment un long sommeil : les animaux en hibernation peuvent réagir aux stimuli, bien que d'une manière torpide.

L'adaptation permet à ces animaux de survivre en état d'hibernation grâce à la forte concentration de substances dans le sang qui empêchent l'eau de geler. Diverses substances, telles que les sels, l'urée, l'acide urique ou autre, les acides gras, empêchent l'eau présente dans le plasma sanguin et dans le cytoplasme de subir une cristallisation et ainsi de détruire les membranes cellulaires.

L'hibernation est un comportement caractéristique de certains mammifères et reptiles qui pendant la saison froide (période vernale) au cours de laquelle ils réduisent leurs fonctions vitales et restent dans un état de quiescence. Pendant cette période, ils se nourrissent de réserves de graisse stockées pendant les mois d'automne. Parmi les animaux en hibernation, nous nous souvenons des ours, des ratons laveurs, des gliridés, des chauves-souris, des tortues terrestres du genre Testudo (comme la belle tortue d'Hermann Testudo hermanni en France) et d'autres reptiles.

Pendant la phase léthargique, la température corporelle de l'animal diminue, légèrement chez certaines espèces (passant de 37 à 31 °C chez les ours) jusqu'à même -2 °C chez les autres espèces. Il faut cependant préciser que les ours ne connaissent pas une vraie léthargie.

Voir aussi estivo-hibernation, estivation, diapause, vernalisation, cryptobiose.

Chez les oiseaux

La vraie hibernation existe seulement chez les mammifères, mais chez certains oiseaux, on connaît les conditions semblables à l'hibernation. Ainsi, les colibris réduisent leur métabolisme en cas de manque de nourriture ou de froid et tombent dans une rigidité.

Sous nos latitudes, pendant les périodes de faim, les jeunes martinets tombent dans une condition de température corporelle légèrement réduite pendant le sommeil. Cependant, de plus longues périodes d'hibernation, comme chez les mammifères, n'existent pas chez les oiseaux, à une exception près : le seul et unique oiseau à pouvoir hiberner est l'engoulevent de Nuttall Phalaenoptilus nuttallii (sur le continent nord-américain).

Durée de l'hibernation

La durée d'hibernation est différente pour les hibernateurs individuels. Avec le hérisson, il est de trois à quatre mois; le loir passe six à sept mois en hibernation. Cependant, on ne devrait pas être sous la fausse notion que l'hibernation est un sommeil de longue durée qui dure plusieurs mois sans interruption.

Au contraire, le sommeil se déroule généralement en sections, avec des phases de repos plus longues alternant avec un métabolisme fortement réduit avec de courtes périodes d'éveil. Trop souvent, cependant, les animaux ne sont pas autorisés à se réveiller pendant l'hiver, car chaque période de récupération provisoire vide les réserves d'énergie, de sorte que les dépôts de graisse sont épuisés trop tôt et ne sont plus disponibles pour le processus de récupération au printemps.

Les scientifiques ont gardé des souris dormantes extra-engraissées en hibernation pendant plus d'un an pour une expérience.

Hibernation sociale

Certains hibernateurs d'hiver comme les marmottes gardent même une hibernation sociale. Dans chaque terrier, jusqu'à 20 parents et jeunes animaux se tiennent près l'un de l'autre, de sorte qu'ils peuvent se réchauffer lorsque la température hivernale chute trop. Cela augmente les chances surtout des jeunes, qui ont moins de réserves d'énergie, de survivre à des hivers encore plus rigoureux.

Déclencheurs de l'hibernation

Traditionnellement, des facteurs externes tels que la baisse des températures extérieures ou le manque de nourriture en automne ont été cités comme le déclencheur d'une longue période d'hibernation. Cependant, selon les experts, outre les longueurs de jour plus courtes en tant que générateur de signaux, notamment la conversion de la balance hormonale, une diminution de l'irradiation de la lumière ultraviolette par le soleil plus faible entraîne une baisse de la production de vitamine D horloge interne, qui est soumise à un rythme saisonnier, responsable de la libération de l'hibernation.

Ainsi, l'horloge interne semble influencer la formation de dépôts graisseux et ceci, à son tour, la disposition à dormir. Même l'effet narcotique d'une concentration plus élevée en dioxyde de carbone dans les cavités du sommeil a été discuté comme un facteur déclenchant de l'hibernation.

Réveil au printemps

La cause du réveil au printemps n'est toujours pas bien connue. L'augmentation des températures ambiantes et l'accumulation de produits finaux métaboliques dans l'organisme pourraient servir de signaux de réveil. Si des signaux de réveil sont présents, les glandes pituitaires libèrent des hormones qui génèrent de la chaleur à travers le tissu adipeux brun. Si la température interne du corps a augmenté à environ 15 °C, des tremblements musculaires supplémentaires peuvent contribuer à une augmentation supplémentaire de la température. La zone de la tête et du tronc avec les organes vitaux est d'abord chauffée, les extrémités suivent en dernier.

Utilisation en médecine

En chirurgie, on parle d'hypothermie préventive pour abaisser artificiellement la température corporelle du patient afin de réduire les processus vitaux lors d'interventions chirurgicales particulières, en l'occurrence chirurgie cardiaque et neurochirurgie et chez certains patients ayant eu une hypoxie cérébrale (par exemple après réanimation cardiopulmonaire). Les températures basses mais supérieures au point de congélation sont utilisées pour stocker temporairement des organes pour la transplantation.

L'hibernation dans l'azote liquide (mieux appelée cryopréservation ou cryoconservation) est utilisée pour la conservation des spermatozoïdes et des embryons humains. En effet, il est impossible pour des raisons techniques liées à la vitesse de congélation et de décongélation de conserver des pièces plus grandes.

Les premières hypothèses sur la possibilité d'utiliser le froid pour conserver le sperme remontent à la fin du 18^ème siècle. Dans la seconde moitié du 19^ème siècle, le physiologiste Paolo Mantegazza pensait à une banque pour garder le sperme des soldats partant à la guerre, se proposant de le faire avec de la neige et de la glace. Les premières expériences de congélation remontent aux premières décennies du 20^ème siècle; Pendant longtemps, l'intérêt est resté surtout concentré sur la conservation du sperme de bovins à des fins zootechniques. Seulement en 1960, l'Américain Jerome Sherman a commencé les premières expériences de congélation dans l'azote liquide.

Cryopréservation

Dans de nombreuses histoires de science-fiction, l'hibernation - considérée comme l'une des méthodes possibles d'animation suspendue - est un expédient narratif important. Aussi dans certains magazines, la possibilité d'hiberner un individu entier avant la mort cérébrale en cas de coma irréversible, ou d'éviter la mort due à une maladie incurable, en attente de futures découvertes scientifiques capables de fournir un traitement efficace, est théorisée ou de vivre une seconde vie, ou comme une méthode de voyage à sens unique dans le temps vers une ère future (hypothétiquement) meilleure. Évidemment, pour un fait éthique et légal, seule la cryoconservation des cadavres est possible, donc en exploitant la période de temps qui passe du blocage du rythme cardiaque à la mort cérébrale, la congélation a lieu dans l'espoir de garder intactes les structures nerveuses.

Selon les partisans de la cryoconservation, il devrait être possible à l'avenir de développer une technologie capable de restaurer complètement les fonctions vitales des corps hibernés. Dans cette hypothèse, au moment de l'éveil, le corps reprendrait le physique qu'il avait avant la conservation; c'est-à-dire que le temps de congélation ne provoquerait pas le vieillissement. Même si des dizaines d'années avaient passé, l'âge biologique du corps resterait le même, ainsi que les années de vie qu'il pourrait encore avoir.

Effets négatifs de l'hibernation sur la mémoire

Des recherches de l'Université de Vienne sur les spermophiles ont montré que l'hibernation qui dure plusieurs mois a des effets négatifs sur la mémoire des loups arctiques Canis lupus arctos. Par rapport aux animaux qui n'ont pas hiberné, après une longue période de sommeil, les spermophiles étaient incapables de résoudre des tâches déjà apprises (par exemple trouver un chemin dans le labyrinthe ou utiliser le levier d'un distributeur d'aliments).

Une explication de ceci pourrait être le bas niveau d'activité neurale pendant les torpeurs. Il a même été montré que les connexions entre les neurones dans le cerveau sont rompues pendant l'hibernation.

Limites de la technologie

Beaucoup comparent la congélation à la vitrification, en cas de gel il y a une limite de 24 heures à la première décongélation et de 1 au nombre d'hibernations, sous peine de putréfaction au moment de la décongélation. Tout cela est dû à l'action de la bactérie qui présente dans les tissus sont renforcés et plus réactifs une fois décongelés. L'hibernation postmortem est basée sur la vitrification, un processus dans lequel il n'y a pas de gel mais une situation est créée dans laquelle les fluides corporels ajoutés aux substances antigel se condensent et vitrifient sans cristalliser et donc sans endommager les parois cellulaires.

Avec les techniques de congélation, les cellules meurent avant la même hibernation. Lorsqu'ils sont vitrifiés, cependant, ils restent en suspension et, une fois décongelés, sont fonctionnels; un foie d'animal hiberné a été transplanté sans effets secondaires. Substantiellement un système ouvert comme le corps humain échange de l'énergie et des âges. L'immerger dans de l'azote liquide, c'est en faire un système isolé mais encore soumis à une augmentation de l'entropie. La congélation sert à minimiser cette augmentation d'entropie. L'hibernation prolonge la vie cellulaire dans le sens où le vieillissement de la cellule qui se manifeste dans 5–10 ans d'hibernation existerait en moins de temps dans la vie à "température ambiante". L'hibernation n'augmente pas la durée de vie résiduelle de la cellule après décongélation.

Le processus de cryoconservation devrait être "sans mémoire", de sorte que la personne, après "décongélation", ne devrait pas vieillir plus vite que les autres. Cette hypothèse n'a clairement jamais pu être vérifiée expérimentalement.

Fondamentalement, la cryoconservation ralentirait le vieillissement, sans l'arrêter, et, après décongélation, elle ne modifierait pas les processus biologiques de l'individu.

Il convient de distinguer les limites théoriques de la technologie de celles des techniques actuelles.

Les vraies limites de la technique sont l'impossibilité de réparer les lésions inévitables qui existent dans un certain nombre de cellules à cause des moindres événements de cristallisation, l'impossibilité de décongeler le corps de manière homogène et soudaine. On pense que les technologies pour remédier à ces problèmes peuvent se développer en quelques décennies, à partir de certaines applications déjà existantes, qui sont trop grossières pour être effectivement appliquées.

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