Πώς οι Hibernators αναζωπυρώνουν τις μεταβολικές τους φωτιές
Για τα μικρά θηλαστικά, ο χειμώνας στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη αποτελεί διπλή απειλή:οι χαμηλές θερμοκρασίες απαιτούν αυξημένο μεταβολισμό για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του σώματος στους 37 C, ενώ η σπάνια διαθεσιμότητα τροφής καθιστά ιδιαίτερα δύσκολη την τροφοδότηση αυτού του αυξημένου μεταβολισμού. Υπάρχουν διαφορετικές στρατηγικές για την ανοχή αυτών των σκληρών συνθηκών, και μία είναι η χειμερία νάρκη. Η χειμερία νάρκη είναι αποτελεσματική σε αυτόν τον ρόλο επειδή το χαρακτηριστικό γνώρισμά της, μια βαθιά κατάθλιψη του μεταβολισμού που ονομάζεται ταραχή, επιτρέπει στον χειμερινό ύπνο να εγκαταλείψει τη θερμοκρασία του σώματός του στους 37 βαθμούς και να επιβιώσει έως και 9 μήνες χωρίς να φάει, στηριζόμενος αντ' αυτού στις υπέροχες αποθήκες λίπους του. Επομένως, η Torpor αντιμετωπίζει και τις δύο χειμερινές απειλές ταυτόχρονα.
Αλλά ένας χειμερινός ύπνος μπορεί να περάσει μόνο τόσο πολύ σε ταραχή προτού χρειαστεί να επαναφέρει ορισμένες λειτουργίες που απομακρύνονται αργά από τα ρυθμιζόμενα επίπεδα. Κατά συνέπεια, όλοι οι μικροί χειμερινοί ύπνοι ξυπνούν από ταραχή κάθε 10 περίπου ημέρες, αυξάνοντας τον μεταβολισμό και τη θερμοκρασία του σώματος στα τυπικά επίπεδα του καλοκαιριού για 12 περίπου ώρες πριν πέσουν ξανά σε ταραχή. Κατά τη διάρκεια αυτών των διέγερσης, ορισμένα είδη που πέφτουν σε χειμερία νάρκη, όπως τα μοσχοκάρυα, τσιμπολογούν φαγητό που είχαν την πρόθεση να κρύψουν στη χειμερία νάρκη τους πριν από τη χειμερία νάρκη. άλλα είδη, όπως ο επίγειος σκίουρος με 13 γραμμές, παραιτούνται από το φαγητό και περνούν την περίοδο διέγερσης στον ύπνο (ο ύπνος και η ταραχή είναι διαφορετικές φυσιολογικές καταστάσεις). Και στις δύο περιπτώσεις, ο χειμερινός ύπνος πρέπει να αυξήσει το μεταβολισμό 400 φορές σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα – το μεταβολικό ισοδύναμο της κίνησης ενός τρένου.
Ενώ τα τρένα χρησιμοποιούν ντίζελ για να τροφοδοτήσουν την κίνησή τους, οι χειμερινοί τουρίστες χρησιμοποιούν λίπη για να τροφοδοτήσουν το μεταβολισμό τους κατά τη διάρκεια της περιόδου χειμερίας νάρκης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα λίπη λειτουργούν ως εξαιρετικά αποδοτικά μόρια αποθήκευσης ενέργειας, συσσωρεύοντας πάνω από διπλάσια ενέργεια σε κάθε κιλό από υδατάνθρακες ή πρωτεΐνες, τους δύο άλλους κύριους τύπους μεταβολικών καυσίμων. Οι χειμερινοί, επομένως, συσσωρεύουν αρκετό λίπος πριν από το χειμώνα για να υποστηρίξουν τον μεταβολισμό τους, τόσο όρπιο όσο και διεγερμένο, καθ' όλη τη διάρκεια της χειμερίας νάρκης. Για τα είδη που δεν αποθηκεύονται σε κρυφή τροφή που παραιτούνται από το φαγητό ολόκληρο τον χειμώνα, αυτό σημαίνει σχεδόν διπλασιασμό του σωματικού βάρους. Όμως, ενώ τα λίπη είναι αποτελεσματικά μόρια αποθήκευσης ενέργειας, καίγονται σχετικά αργά σε σύγκριση με τους υδατάνθρακες και επομένως μπορεί να μην είναι ιδανικά για την τεράστια έκρηξη του μεταβολισμού που απαιτείται κατά την πρώιμη φάση της διέγερσης. Πρόσφατα ερευνήσαμε ακριβώς πώς οι επίγειοι σκίουροι 13 γραμμών σε χειμερία νάρκη τροφοδοτούν αυτήν την κρίσιμη φάση.
Για τη μέτρηση της χρήσης καυσίμου, η ομάδα μας ανέλυσε τα άτομα άνθρακα στο CO2 που εξέπνευσε ο επίγειος σκίουρος. Γενικά, τα άτομα άνθρακα έρχονται σε δύο φυσικές μορφές:C και C. Το 99% των ατόμων άνθρακα είναι C. Ωστόσο, διαφορετικές χημικές ενώσεις συσσωρεύουν άτομα άνθρακα C σε διαφορετικό βαθμό. Τα λίπη, για παράδειγμα, συσσωρεύουν λιγότερο C από ό,τι οι υδατάνθρακες, και επειδή ο άνθρακας σε ένα μεταβολικό καύσιμο καταλήγει τελικά σε CO2 , ένα ζώο που καίει λίπη θα εκπνεύσει CO2 με χαμηλότερο CO2 :CO2 αναλογία από ένα ζώο που καίει υδατάνθρακες. Όταν μετρήσαμε αυτή την αναλογία σε διεγερτικούς σκίουρους, διαπιστώσαμε ότι ήταν σχετικά υψηλή την πρώτη ώρα διέγερσης πριν πέσει σε επίπεδα ενδεικτικά της πλήρους καύσης λίπους. Αυτό επιβεβαίωσε ότι οι σκίουροι συμπλήρωναν τα λίπη τους με ένα μεταβολικό καύσιμο χωρίς λίπος κατά τη διάρκεια της πρώιμης διέγερσης και η προσεκτική ανάλυση των μεταβολικών καυσίμων και προϊόντων στο αίμα σε διαφορετικά σημεία κατά τη διάρκεια της διέγερσης αποκάλυψε ότι αυτό το συμπληρωματικό καύσιμο ήταν πιθανώς υδατάνθρακες.
Καθώς η ομάδα μας μέτρησε τη χρήση καυσίμου, τραβήξαμε επίσης υπέρυθρες εικόνες για να αποκαλύψουμε πώς άλλαξε η θερμοκρασία της επιφάνειας του σώματος του σκίουρου κατά τη διάρκεια της διέγερσης. Αρχικά, η επιφάνεια του σώματος ήταν μια ψυχρή θερμοκρασία 8°C, αντιπροσωπευτική του υψηλού μεταβολικού ρυθμού του σκίουρου. Καθώς ο σκίουρος ξυπνούσε από ταραχή, οι επιφανειακές θερμοκρασίες αυξήθηκαν, αν και με τρόπο προτεραιότητας. Πρώτη που θερμάνθηκε ήταν η περιοχή της ωμοπλάτης όπου ο σκίουρος στεγάζει ένα εξειδικευμένο όργανο που παράγει θερμότητα που ονομάζεται καφέ λιπώδης ιστός. Στη συνέχεια ήταν οι περιοχές του κεφαλιού και του θώρακα, τα σπίτια του πολύ σημαντικού εγκεφάλου και της καρδιάς που συντονίζουν τη μεταβολική δραστηριότητα και αντλούν το νεοθερμασμένο αίμα σε όλο το σώμα κατά τη διέγερση, αντίστοιχα. Τελευταίες που θερμάνθηκαν ήταν οι λιγότερο σημαντικές περιοχές, όπως το άκρο και τα άκρα.
Είναι ενδιαφέρον ότι οι μέγιστοι ρυθμοί θέρμανσης εμφανίστηκαν περίπου 70 λεπτά μετά τη διέγερση, το ίδιο σημείο στο οποίο η αναπνοή του σκίουρου έφτασε στο μέγιστο των 180 αναπνοών ανά λεπτό. Επειδή η πηγή της θερμότητας του σώματος είναι η καύση μεταβολικών καυσίμων και επειδή η αναπνοή παρέχει το οξυγόνο που είναι απαραίτητο για την καύση αυτών των καυσίμων, τα 70 λεπτά αντιπροσώπευαν το σημείο του μέγιστου μεταβολικού ρυθμού, και επομένως, το ρυθμό χρήσης καυσίμου. Οι σκίουροι έκαιγαν αποκλειστικά λίπη σε αυτό το σημείο, αλλά μέχρι τότε, συμπλήρωναν αυτά τα λίπη με υδατάνθρακες. Αυτό υποδηλώνει ότι οι υδατάνθρακες που καίγονται γρήγορα χρησιμοποιήθηκαν για να ανάψουν τις μεταβολικές πυρκαγιές και, όταν αυτές οι πυρκαγιές μαίνονταν, ο σκίουρος πέρασε σε πλήρη καύση λίπους. Με πολλά λίπη προς καύση, αλλά λίγους υδατάνθρακες, αυτή η στρατηγική εξοικονομεί υδατάνθρακες όταν χρειάζονται περισσότερο.
Σε αντίθεση με τους επίγειους σκίουρους 13 γραμμών, οι άνθρωποι δεν έχουν εξελιχθεί για να χρησιμοποιούν το torpor. Ωστόσο, πολλοί τομείς θα ωφεληθούν από την ικανότητά μας να το κάνουμε. Για παράδειγμα, η μείωση του μεταβολικού ρυθμού μετά από ισχαιμικό τραύμα, όπως εγκεφαλικό επεισόδιο ή καρδιακή προσβολή, θα επιβράδυνε τον ρυθμό της βλάβης των ιστών και θα παρείχε στους γιατρούς πολύ περισσότερο χρόνο για τη χορήγηση θεραπείας. Θα μετριάσει επίσης πολυάριθμες προκλήσεις μακράς διάρκειας ανθρώπινων διαστημικών πτήσεων, όπως η συνεχής έκθεση σε ιονίζουσα ακτινοβολία και η περιορισμένη μάζα, όγκος και χωρητικότητα ισχύος του διαστημικού σκάφους. Αυτά τα θεωρητικά πλεονεκτήματα αποτελούν τη βάση των αυξανόμενων προσπαθειών για τη μετάφραση φυσικώς εξελιγμένων μηχανισμών στέρησης σε ζώα που δεν χρησιμοποιούν εκ φύσεως ταραχή, όπως οι άνθρωποι.
Όσο καλύτερα καταλαβαίνουμε τους μηχανισμούς που χρησιμοποιούν τα ζώα όπως ο επίγειος σκίουρος με 13 γραμμές για να προκαλέσουν φυσικά και να αντιστρέψουν τη ταραχή, τόσο πιο γρήγορα μπορούμε να αναπτύξουμε τεχνολογίες για την ασφαλή πρόκληση αυτών των μεταβολικών καταστάσεων στους ανθρώπους. Μπορεί, όπως οι επίγειοι σκίουροι που ξυπνούν από τη φυσική ταραχή, οι άνθρωποι που ξυπνούν από τη «συνθετική ταραχή» θα χρειάζονται υδατάνθρακες για να αναζωπυρώσουν τις δικές τους μεταβολικές πυρκαγιές.
