Miesiącami nie ruszają się, nie jedzą, nie wydalają, czasem nawet zamarzają, a mimo to wiosną budzą się w dobrym stanie. Jak zwierzętom udaje się przetrwać hibernację? Niektórzy twierdzą, że i w nas drzemie ta niezwykła umiejętność.
„Wielkie Spanie rozpoczęło się gdzieś z początkiem piętnastego stulecia” – napisało w 2015 r. „Nature”, jedno z dwóch najważniejszych czasopism naukowych świata. W owym stuleciu temperatury na północnej półkuli spadły. Zaczął się okres mroźnych zim i chłodnych miesięcy letnich zwany małą epoką lodową. Jednocześnie gwałtownie ubywało rycerzy. Smoki straciły pożywienie i ciepło. I dlatego, jak pisał zespół naukowców kierowany przez dra Andrew Hamiltona z University of Melbourne w Australii, zapadły w głęboki sen i zniknęły z pola widzenia ludzi. Teraz jednak, gdy temperatury na Ziemi szybko rosną, a zarazem wraca moda na rycerskie rekonstrukcje, smoki mogą się wybudzić i zaatakować ludzi – ostrzegają autorzy artykułu. „Zalecane są dalsze badania nad ognioodpornym ubraniem ochronnym” – dodają na koniec. I choć pod tekstem jest umieszczona notatka, że artykuł ukazał się 1 kwietnia, więc „część jego treści może zasługiwać na pewien stopień sceptycyzmu”, to jednak dobrze wprowadza on w zagadkę hibernacji.
Obudzić się, by się wyspać
Autorzy to mimo wszystko naukowcy. Dobrze więc wiedzą, że rzeczywiście w wielu rejonach świata regularnie przychodzi czas, gdy zimno i brak pożywienia utrudniają zwierzętom życie. W Polsce okres ten zaczyna się w listopadzie i trwa mniej więcej do marca. Te zwierzęta, które potrafią, odlatują wówczas ku cieplejszym i bardziej zasobnym w pokarm terenom. Niektóre, np. dziki, wilki czy jelenie, próbują przetrwać mimo głodu i chłodu. Pozostałe – takie jak smoki albo prawdziwe już niedźwiedzie, jeże, susły lub nietoperze – zapadają w sen zimowy. A ściślej mówiąc: w hibernację. Im bowiem lepiej poznaje się ten stan, tym wyraźniej widać, jak różny on jest od snu.
Wystarczy podłączyć urządzenie, które mierzy czynność bioelektryczną mózgu, czyli EEG. U śpiącego człowieka czy zwierzęcia widać wówczas w zapisie dwa naprzemienne rodzaje aktywności. W jednym, zwanym snem paradoksalnym albo REM, gałki oczne szybko ruszają się pod zamkniętymi powiekami, w mózgu powstają liczne marzenia senne i generalnie łatwiej się obudzić. W drugiej fazie, zwanej snem wolnofalowym lub nREM, oczy się uspokajają, snów powstaje znacznie mniej, a organizm bardziej wypoczywa. Żadnego z tych stanów nie rejestruje się w mózgu hibernującym. Fale mózgowe układają się w zupełnie inny wzór: jednostajny, spokojny, powolny.
Do czasu jednak. Dr Brian Barnes z University of Alaska w Fairbanks w USA odkrył, że u badanych przez niego susłów arktycznych ten wzór zmienia się raz na tydzień do trzech tygodni. Mózg zwiększa nagle swoją aktywność, a po kilku godzinach ponownie zapada w typową hibernację. Naukowiec uważa, że susły w tym czasie ucinają sobie krótką drzemkę. To dlatego, że hibernując, odczuwają brak faz snu – zarówno REM, jak i nREM. Po dłuższym czasie stają się więc senne. Budzą się z hibernacji, by się wyspać.
Badania dra Barnesa na susłach arktycznych pozwoliły odkryć kolejną osobliwość hibernacji, tym razem dotyczącą temperatury ciała. U organizmów stałocieplnych podczas zwykłego snu temperatura spada nie więcej niż o pół stopnia. Gdy te same zwierzęta zapadają w hibernację, już przestają się tak ograniczać. Duże, takie jak niedźwiedzie, obniżają temperaturę o kilka stopni. Mniejsze idą na całość. Tak np. orzesznice – niewielkie nadrzewne gryzonie, spotykane również w Polsce – mają podczas hibernacji temperaturę ciała niewiele wyższą niż ich zimowa kryjówka. Do chwili, gdy zbliży się ona do zera. Wtedy włącza się ogrzewanie, które zapobiega zamarznięciu orzesznicy.
Tą magiczną granicą nie przejmują się jednak susły dra Barnesa. Podczas hibernacji temperatura ich ciała spada do –3°. To oznacza, że woda w ciele susłów przechodzi w stan przechłodzenia. Nie zamienia się w ciało stałe tylko dlatego, że brakuje jąder krystalizacji, wokół których mógłby zacząć tworzyć się lód. Wystarczyłoby jednak kilka takich okruszków, by cała woda w susłach zamarzła. A ponieważ lód ma większą objętość, rozsadzałby komórki, niszczył tkanki oraz narządy. Tak się jednak, na szczęście dla susłów, nie dzieje.
Brzuch zamarza, mózg się kurczy
W tej konkurencji jeszcze lepiej od susłów radzą sobie zwierzęta zmiennocieplne. Wśród nich prym wiedzie pospolita w Ameryce Północnej żaba leśna. Tuż przed zimą zakopuje się ona na kilka centymetrów pod liśćmi i gałęziami. Gdy nadchodzi mróz – zamarza. „Gdybyś podczas zimowego spaceru przypadkowo odkopał taką żabkę, z pewnością uznałbyś, że jest martwa – pisał dr Sharon Moalem w książce Survival of the Sickest. – Kiedy jest całkowicie zamarznięta, może mieć zatrzymane procesy życiowe; żadnego bicia serca, oddychania i żadnej mierzalnej aktywności mózgu. Jej oczy są otwarte, sztywne i denerwująco białe”.
Lód w jej ciele, przeciwnie niż u susłów, rzeczywiście powstaje. Żaba musi jakoś bronić się przed zniszczeniem swoich komórek i narządów. Prof. Ken Storey, biochemik z kanadyjskiego Carleton University w Ottawie, odkrył, że już kilka minut po tym, gdy skóra żaby wyczuje temperaturę poniżej zera, woda w jej ciele zaczyna szybko wyciekać z komórek narządów oraz z krwi. Zwierzę nie pozbywa się jej jednak, lecz gromadzi ją w brzuchu. W tym samym czasie wątroba pompuje ogromne ilości glukozy do krwi. W efekcie poziom cukru rośnie stukrotnie. Dzięki tak dużej gęstości temperatura zamarzania krwi jest zdecydowanie niższa od zera. Nawet gdy w końcu lód się tam tworzy, to przybiera mniejsze, łagodniejsze postacie, które nie niszczą komórek. Prof. Storey znalazł jego cienkie tafle między skórą a mięśniami nóg, gdzie nie uszkadza organów. Spora bryłka lodu w brzuchu otacza zaś odwodnione narządy, które tkwią w niej jak miękkie rodzynki w czerstwym cieście. A gdyby i to jeszcze nie wystarczyło, hibernująca żaba produkuje duże ilości białka fibrynogenu, które odpowiada za krzepliwość krwi i pomaga w naprawie uszkodzeń powstałych w wyniku zamarznięcia.
Zwierzęta stałocieplne nie stosują tak zaawansowanych technik. Ale również ich ciało dramatycznie zmienia się na okres hibernacji. Przed zimą odkładają w swoim ciele tak dużo tkanki tłuszczowej, że ich masa może zwiększyć się dwukrotnie – co i tak ledwo wystarcza na kilka miesięcy niejedzenia. Hibernujące zwierzęta starają się bardzo oszczędnie korzystać z tych zapasów. Właśnie dlatego obniżają temperaturę ciała. Wtedy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze, a spalanie tłuszczu zachodzi dużo wolniej. Tym samym spada też zapotrzebowanie na tlen. W trakcie hibernacji susły wykorzystują zaledwie 2–3% ilości życiodajnego gazu, jakiej potrzebują podczas normalnej aktywności. Podobnie jest u innych zwierząt. Bywa, że liczba częstotliwości oddechów u nietoperzy spada do jednego na godzinę, a tempo bicia serca – z 200–300 do 3–10 uderzeń na minutę. Jednocześnie komórki w ich mózgach kurczą się i zmniejszają liczbę połączeń o 60%. Zwierzęta często nie wydalają moczu ani kału. Prawie się nie ruszają – w tej samej pozycji spędzają długie tygodnie, wręcz miesiące. Gdyby człowiek leżał tyle czasu, skończyłby poważnie wyniszczony: mięśnie by zanikły, kości odwapniły się, a nerki, serce i mózg doznały nieodwracalnych uszkodzeń. Nie mówiąc o tym, że duże otłuszczenie, stanowiące wstęp do hibernacji, już wcześniej doprowadziłoby do wzrostu ryzyka chorób serca, nowotworów i cukrzycy typu 2.
Hibernacja na zawały, cukrzycę i alzheimera
Rozwiązanie zagadki, jak hibernującym zwierzętom udaje się uniknąć tych wszystkich chorób i biologicznego wyniszczenia, to cel wielu badań nad hibernacją. Właściwie dziedzina ta już stoi okrakiem między zoologią a medycyną. Lekarze przecież stosują obniżanie temperatury ciała chorych o kilka stopni po zatrzymaniu akcji serca lub w trakcie operacji na otwartym sercu. Problemem jest pojawiające się w takiej sytuacji drżenie mięśni. „Lekarze stosują wówczas leki narkotyczne i paraliżujące, ale susły ujawniają ścieżki w mózgu, których wykorzystanie mogłoby prowadzić do łagodniejszej i bezpieczniejszej hipotermii u ludzi” – mówiła prof. Kelly Drew z University of Alaska w Fairbanks dla magazynu „Wired”. Badaczka ta odkryła cząsteczkę aktywującą hibernację u tych gryzoni. Gdy podawała ją szczurom, które naturalnie nie zapadają w sen zimowy, ich stan zmieniał się w podobny do hibernacji – pod warunkiem że przebywały w chłodnym otoczeniu. Jeśli zastosować ją u ludzi, można by wprowadzać ich w stan uśpienia i spowolnienia reakcji. To nie tylko ułatwiłoby operacje, ale być może umożliwiło też długotrwałe podróże kosmiczne. Zahibernowani mogliby polecieć poza nasz Układ Słoneczny, choć nie da się wykluczyć, że co 2–3 tygodnie musieliby się budzić, aby się wyspać.
Nieco bliższe wydaje się wykorzystanie badań nad hibernacją do leczenia cukrzycy typu 2. W tej chorobie pacjenci produkują hormon insulinę odpowiedzialny za obniżanie poziomu cukru, ale ich komórki są na nią mało wrażliwe i nie reagują tak jak u zdrowych ludzi. Naukowcy z University of Tennessee odkryli podobne zjawisko u hibernujących niedźwiedzi czarnych, czyli baribali. Gdy tylko zapadną w sen zimowy, ich komórki stają się odporne na insulinę i nie absorbują cukru z krwi. Kiedy jednak nadchodzi wiosna i niedźwiedzie wracają do normalnego życia, odzyskują utraconą wcześniej wrażliwość na hormon. Gdyby udało się poznać ten mechanizm, może stałby się on podstawą długo oczekiwanego leku na cukrzycę typu 2.
Podobne nadzieje wiąże się z badaniami mózgów hibernujących zwierząt. Zmniejszona liczba połączeń odtwarza się u nich zaraz po wybudzeniu. Mechanizm, który przywraca utracone powiązania między neuronami, mógłby przydać się w leczeniu choroby Alzheimera.
Zainteresowanie naukowców budzą też zmiany w sercu czy w kościach hibernujących zwierząt. Sukces tych badań pozwoliłby opracować terapie zawałów serca czy osteoporozy albo zwiększyć tolerancję na przeszczepy.
Ludzie też chcą spać
Nasz gatunek nie dość, że sam nie zapada w sen zimowy, to jeszcze należy do rzędu ssaków naczelnych, gdzie takie zjawisko nie występuje – tak się przynajmniej do niedawna wydawało. Potem odkryto, że na Madagaskarze żyje lemurek średni, który zapada w estywację – czyli coś na kształt hibernacji, tyle że nie zimą, ale latem. W ten sposób chroni się przed brakiem wody w czasie pory suchej. Nie jest on wyjątkiem. W estywację wpadają także dwa inne gatunki madagaskarskich lemurków.
W 2015 r. odkryto, że również niewielka małpiatka z Wietnamu, kukang mały, zwany też lori, posiadła umiejętność jeszcze bardziej zbliżoną do typowej hibernacji. Lori obniżają temperaturę ciała i spowalniają przemianę materii między grudniem a lutym. W dżungli, którą zamieszkują, nie ma co prawda typowej zimy, ale powietrze ochładza się o około 5°C i zmniejsza się dostępność pokarmu. „Nasze odkrycie rzuca nowe światło na ewolucję hibernacji – mówił w 2015 r. kierownik zespołu badawczego, dr Thomas Ruf z Veterinärmedizinische Universität w Wiedniu. – Niewykluczone, że hibernacja jako strategia przetrwania zimy została utracona u innych naczelnych z Afryki, Azji i Ameryk. Może jest jednak stosowana przez gatunki, które dotychczas nie zostały zbadane”.
Pojawiają się wręcz spekulacje, że geny umożliwiające hibernację istnieją u większości ssaków, tyle że się nie ujawniają. Nie da się wykluczyć, że i w nas drzemie ta umiejętność. W końcu odnotowano kilka przypadków ludzi, którzy przetrwali długi czas w skrajnym wychłodzeniu. W maju 1999 r. z lodowatej wody wyłowiono w Norwegii narciarkę. Spędziła tam ponad godzinę, nie oddychała, a temperatura jej ciała spadła do 14°C. Akcja ratunkowa przywróciła ją do zdrowia. Stan, przez który przeszła kobieta, można nazwać rodzajem krótkotrwałej hibernacji. Czyżby więc ludzie potrafili sami z siebie zapadać w sen zimowy? Gdyby to była prawda, wywołałaby chyba większą sensację niż wybudzenie się smoków z Wielkiego Spania.
Czytaj również:
