Setki gatunków zwierząt mogą hibernować. Tempo metabolizmu w ich organizmach zmniejsza się dziesięciokrotnie. Nie mogą jeść i prawie nie oddychają. Ten stan jest nadal jedną z największych zagadek naukowych. Rozwiązanie go może doprowadzić do przełomów w wielu dziedzinach, od onkologii po loty kosmiczne. Naukowcy chcą wprowadzić osobę w stan hibernacji.
„Pracowałam w Szwecji przez rok i przez rok nie mogłam uśpić świstaków” – przyznaje Ludmiła Kramarowa, starszy pracownik naukowy w Instytucie Biofizyki Teoretycznej i Doświadczalnej Rosyjskiej Akademii Nauk (Pushchino).
Na Zachodzie prawa zwierząt laboratoryjnych są uszczegółowione – Deklaracja Praw Człowieka spoczywa. Nie można jednak przeprowadzić eksperymentów dotyczących badania hibernacji.
– Pytanie brzmi, po co mają spać, skoro w susłach jest ciepło i karmione z brzucha? Swistaki nie są głupie. Tu, w naszym laboratorium, szybko zasnęliby ze mną!
Najmilsza Ludmiła Iwanowna surowo stuka palcem w stół i opowiada o susłach laboratoryjnych, którzy mieszkali u niej. „Susia!” zawołała od drzwi. „Płać, płać!” – odpowiedział suseł, który na ogół nie jest oswojony. Ta Susia nie zasnęła ani razu na trzy lata w domu. Zimą, gdy w mieszkaniu zrobiło się zauważalnie chłodniej, wszedł pod kaloryfer i grzał sobie głowę. "Czemu?" pyta Ludmiła Iwanowna. Może centrum regulacyjne hibernacji znajduje się gdzieś w mózgu? Naukowcy jeszcze nie wiedzą. Natura hibernacji jest jedną z głównych intryg współczesnej biologii.
Tymczasowa śmierć
Dzięki Microsoft nasz język został wzbogacony o kolejne modne hasło – hibernację. Jest to nazwa trybu, w którym system Windows Vista wchodzi do komputera w celu zminimalizowania zużycia energii. Maszyna wydaje się wyłączona, ale wszystkie dane są zapisywane w tym samym czasie: nacisnąłem przycisk – i wszystko działało, jakby nic się nie stało. To samo dzieje się z żywymi organizmami. Tysiące różnych gatunków – od prymitywnych bakterii po zaawansowane lemury – są w stanie tymczasowo „umrzeć”, co naukowo nazywa się hibernacją lub hipobiozą.
Klasycznym przykładem są susły. Co wiesz o susłach? Normalne takie gryzonie z rodziny wiewiórek. Kopią własne norki, jedzą trawę, rozmnażają się. Kiedy nadchodzi zima, susły schodzą pod ziemię. To tutaj, z naukowego punktu widzenia, dzieje się najbardziej interesująca rzecz. Hibernacja susła może trwać do 8 miesięcy. Na powierzchni mróz czasami sięga -50, dziura zamarza do -5. Wtedy temperatura kończyn zwierząt spada do -2, a organów wewnętrznych do -2,9 stopnia. Nawiasem mówiąc, podczas zimowania suseł śpi z rzędu tylko przez trzy tygodnie. Następnie wychodzi z hibernacji na kilka godzin, po czym ponownie zasypia. Nie wchodząc w szczegóły biochemiczne, załóżmy, że budzi się, by wysikać się i przeciągnąć.
Zamarznięta wiewiórka wiewiórka żyje w zwolnionym tempie: tętno spada z 200-300 do 1-4 uderzeń na minutę, oddechy epizodyczne – 5-10 oddechów, a potem ich całkowity brak przez godzinę. Dopływ krwi do mózgu zmniejsza się o około 90%. Zwykły człowiek nie może przeżyć niczego bliskiego temu. Nie jest nawet w stanie upodobnić się do niedźwiedzia, którego temperatura podczas hibernacji dość mocno spada – z 37 na 34-31 stopni. Te trzy do pięciu stopni by nam wystarczyły: organizm walczyłby o prawo do utrzymania tętna, rytmu oddychania i przywrócenia normalnej temperatury ciała jeszcze przez kilka godzin, ale gdy wyczerpią się zasoby energii, śmierć jest nieunikniona.
włochaty ziemniak
Czy wiesz, jak wygląda susły, kiedy śpi? pyta Zarif Amirkhanov, starszy pracownik naukowy w Instytucie Biofizyki Komórki. „Jak ziemniaki z piwnicy. Twardy i zimny. Tylko futrzany.
Tymczasem susły wygląda jak susły – radośnie obgryza nasiona. Niełatwo sobie wyobrazić, że ta wesoła istota mogła nagle wpaść w osłupienie bez powodu i spędzić tak większość roku, a potem znowu bez powodu „wypaść” z tego otępienia.
Jedną z tajemnic hipobiozy jest to, że zwierzę jest w stanie samodzielnie regulować swój stan. Zmiana temperatury otoczenia wcale do tego nie jest konieczna – lemury z Madagaskaru zapadają w stan hibernacji. Raz w roku znajdują wgłębienie, zatykają wejście i kładą się spać na siedem miesięcy, obniżając temperaturę ciała do +10 stopni. A na ulicy w tym samym czasie to samo +30. Niektóre wiewiórki ziemne, na przykład turkiestan, mogą również hibernować w upale. Nie chodzi tu o temperaturę wokół, ale o metabolizm wewnątrz: tempo przemiany materii spada o 60-70%.
„Widzisz, to zupełnie inny stan ciała” – mówi Zarif. – Temperatura ciała spada nie jako przyczyna, ale jako konsekwencja. Uruchomiony zostaje kolejny mechanizm regulacyjny. Zmieniają się funkcje dziesiątek białek, komórki przestają się dzielić, na ogół organizm jest całkowicie odbudowany w ciągu kilku godzin. A potem w ciągu tych samych kilku godzin jest odbudowywany. Brak wpływów zewnętrznych.
Drewno opałowe i piec
Wyjątkowość hibernacji polega na tym, że zwierzę może najpierw ochłodzić się, a następnie rozgrzać bez pomocy z zewnątrz. Pytanie brzmi jak?
„To bardzo proste”, mówi Ludmiła Kramarowa. „Brązowa tkanka tłuszczowa, słyszałeś?
Wszystkie zwierzęta stałocieplne, w tym ludzie, mają ten tajemniczy brązowy tłuszcz. Co więcej, u niemowląt jest to znacznie więcej niż u osoby dorosłej. Przez długi czas jego rola w organizmie była na ogół niezrozumiała. Właściwie jest zwykły tłuszcz, dlaczego też brązowy?
– Tak więc okazało się, że brązowy tłuszcz pełni rolę pieca – wyjaśnia Ludmiła – a biały to tylko drewno opałowe.
Tłuszcz brunatny jest w stanie rozgrzać ciało od 0 do 15 stopni. A potem do pracy włączane są inne tkaniny. Ale to, że znaleźliśmy piec, nie oznacza, że wymyśliliśmy, jak sprawić, by działał.
„Musi być coś, co uruchamia ten mechanizm”, mówi Zarif. – Zmienia się praca całego organizmu, co oznacza, że istnieje pewien ośrodek, który to wszystko kontroluje i uruchamia.
Arystoteles zapisał się na studia hibernacji. Nie można powiedzieć, że nauka robi to właśnie od 2500 lat. Poważnie ten problem zaczął być rozpatrywany dopiero 50 lat temu. Główne pytanie brzmi: co w organizmie uruchamia mechanizm hibernacji? Jeśli ją znajdziemy, zrozumiemy, jak to działa, a jeśli zrozumiemy, jak działa, nauczymy się wywoływać hibernację u osób nieśpiących. Idealnie jesteśmy z Tobą. Taka jest logika nauki. Jednak przy hipobiozie normalna logika nie działała.
Wszystko zaczęło się od końca. W 1952 roku niemiecki badacz Kroll opublikował wyniki sensacyjnego eksperymentu. Wprowadzając do organizmu kotów i psów wyciąg z mózgu śpiących chomików, jeży i nietoperzy spowodował stan hipobiozy u zwierząt nie śpiących. Kiedy zaczęto bliżej zajmować się problemem, okazało się, że czynnik hipobiozy znajduje się nie tylko w mózgu, ale ogólnie w każdym narządzie hibernującego zwierzęcia. Szczury posłusznie zapadały w stan hibernacji, jeśli wstrzyknięto im osocze krwi, ekstrakty żołądkowe, a nawet mocz śpiących wiewiórek. Ze szklanki moczu susła zasypiały też małpy. Efekt jest konsekwentnie odtwarzany. Jednak kategorycznie odmawia reprodukcji we wszystkich próbach wyizolowania określonej substancji: mocz lub krew powodują hipobiozę, ale ich składniki osobno nie. Ani wiewiórki ziemne, ani lemury, ani ogólnie żaden z hibernatorów w ciele nie znaleziono niczego, co odróżniałoby je od wszystkich innych.
Poszukiwania czynnika hipobiozy trwają od 50 lat, ale wynik jest prawie zerowy. Nie znaleziono ani genów odpowiedzialnych za hibernację, ani substancji, które ją wywołują. Nie jest jasne, który narząd jest odpowiedzialny za ten stan. W różnych eksperymentach na liście „podejrzanych” znalazły się nadnercza i przysadka mózgowa, podwzgórze i tarczyca, ale za każdym razem okazywało się, że są oni tylko uczestnikami procesu, a nie jego inicjatorami.
„Oczywiste jest, że daleko od całej gamy substancji znajdujących się w tej brudnej frakcji jest skuteczny”, mówi Ludmiła Kramarowa. — No, choćby dlatego, że w większości też je mamy. Zbadano tysiące białek i peptydów odpowiedzialnych za nasze życie u wiewiórek ziemskich. Ale żaden z nich – przynajmniej bezpośrednio – nie jest związany z hibernacją.
Dokładnie ustalono, że w ciele śpiącego susła zmienia się tylko koncentracja substancji, ale czy powstaje tam coś nowego, nadal nie wiadomo. Im dalej naukowcy posuwają się naprzód, tym bardziej są skłonni sądzić, że problemem nie jest tajemniczy „czynnik snu”.
„Najprawdopodobniej jest to złożona sekwencja wydarzeń biochemicznych” – mówi Kramarova. – Być może działa koktajl, czyli mieszanina pewnej ilości substancji w określonym stężeniu. Może to kaskada. To znaczy spójny efekt wielu substancji. Co więcej, najprawdopodobniej są to od dawna znane białka, które każdy ma.
Okazuje się, że hibernacja to równanie ze wszystkimi znanymi. Im prostsze, tym trudniejsze do rozwiązania.
Kompletny chaos
Dzięki zdolności hibernacji natura narobiła bałaganu. Karmienie niemowląt mlekiem, składanie jaj, utrzymywanie stałej temperatury ciała – te cechy są zgrabnie zawieszone na gałęziach ewolucyjnego drzewa. A hipobioza może wyraźnie przejawiać się u jednego gatunku, a jednocześnie być całkowicie nieobecna u najbliższego krewnego. Na przykład świstaki i wiewiórki ziemne z rodziny wiewiórek śpią w norkach przez sześć miesięcy. A same wiewiórki nie myślą o zasypianiu nawet w najostrzejszą zimę. Ale niektóre nietoperze (nietoperze), owadożerne (jeże), torbacze i naczelne (lemury) zapadają w stan hibernacji. Ale nie są nawet drugimi kuzynami susłów.
Niektóre ptaki, gady, owady śpią. Na ogół nie jest jasne, na jakiej podstawie natura wybrała je, a nie inne, na hibernatory. I czy wybrała? Nawet te gatunki, które w ogóle nie są zaznajomione z hibernacją, pod pewnymi warunkami łatwo odgadną, co to jest. Na przykład czarnoogoniasty piesek preriowy (rodzina gryzoni) zasypia w warunkach laboratoryjnych, jeśli zostanie pozbawiony wody i jedzenia i umieszczony w ciemnym, zimnym pomieszczeniu.
Wydaje się, że logika natury opiera się właśnie na tym: jeśli gatunek musi przeżyć okres głodu, aby przeżyć, ma opcję z hipobiozą w rezerwie.
„Wydaje się, że mamy do czynienia ze starożytnym mechanizmem regulacyjnym, który jest nieodłącznym elementem każdej żywej istoty” – myśli głośno Zarif. – I to prowadzi nas do paradoksalnej myśli: nic dziwnego, że susły śpią. Dziwne jest to, że my sami nie hibernujemy. Być może bylibyśmy zdolni do hipobiozy, gdyby wszystko w ewolucji rozwijało się w linii prostej, to znaczy zgodnie z zasadą dodawania nowych jakości przy zachowaniu starych.
Jednak według naukowców osoba w stosunku do hibernacji nie jest całkowicie beznadziejna. Aborygeni Australijczycy, poławiacze pereł, indyjscy jogini potrafią zminimalizować fizjologiczne funkcje organizmu. Niech ta umiejętność zostanie osiągnięta przez długie treningi, ale jest to osiągnięte! Jak dotąd żaden naukowiec nie był w stanie wprowadzić człowieka w stan pełnej hibernacji. Narkoza, senny sen, śpiączka to stany bliskie hipobiozie, ale mają inną podstawę i są postrzegane jako patologia.
Eksperymenty mające na celu wprowadzenie osoby w stan hibernacji wkrótce rozpoczną ukraińscy lekarze. Opracowana przez nich metoda opiera się na dwóch czynnikach: wysokim poziomie dwutlenku węgla w powietrzu i niskich temperaturach. Być może te eksperymenty nie pozwolą nam w pełni zrozumieć natury hibernacji, ale przynajmniej zamienią hipobiozę w pełnoprawną procedurę kliniczną.
Pacjent wysłany do snu
W czasie hibernacji susła nie boi się nie tylko zimna, ale także głównych dolegliwości susła: niedokrwienia, infekcji i chorób onkologicznych. Od zarazy obudzone zwierzę umiera w ciągu jednego dnia, a jeśli jest zakażone w stanie sennym, nie obchodzi go to. Przed lekarzami stoją ogromne możliwości. Samo znieczulenie nie jest najprzyjemniejszym stanem dla organizmu. Dlaczego nie zastąpić go bardziej naturalną hibernacją?
Wyobraź sobie sytuację: pacjent jest na granicy życia i śmierci, liczy się zegar. A często te godziny nie wystarczą na wykonanie operacji lub znalezienie dawcy. A w stanie hibernacji prawie każda choroba rozwija się jak w zwolnionym tempie i nie mówimy już o godzinach, ale o dniach, a nawet tygodniach. Jeśli puścić wodze fantazji, można sobie wyobrazić, jak beznadziejni pacjenci pogrążeni są w stanie hipobiozy w nadziei, że kiedyś zostaną znalezione środki niezbędne do ich leczenia. Firmy zajmujące się krioniką robią coś podobnego, tylko zamrażają już martwą osobę, a przywrócenie organizmu, który leżał przez dziesięć lat w ciekłym azocie, jest mało realistyczne.
Mechanizm hibernacji może pomóc w zrozumieniu różnych dolegliwości. Na przykład bułgarski naukowiec Veselin Denkov w swojej książce „Na krawędzi życia” sugeruje zwrócenie uwagi na biochemię śpiącego niedźwiedzia: „Jeśli naukowcom uda się uzyskać w czystej postaci substancję (przypuszczalnie hormon), która dostanie się do organizmu z podwzgórza niedźwiedzi, za pomocą którego podczas hibernacji regulowane są procesy życiowe, będą mogły z powodzeniem leczyć osoby cierpiące na choroby nerek.
Do tej pory lekarze bardzo nieufnie podchodzą do idei hibernacji. Mimo to niebezpieczne jest zajmowanie się zjawiskiem, które nie jest w pełni zrozumiałe.