Honderden diersoorten kunnen overwinteren. De stofwisseling in hun organismen wordt vertienvoudigd. Ze kunnen niet eten en nauwelijks ademen. Deze aandoening blijft een van de grootste wetenschappelijke mysteries. Het oplossen ervan kan leiden tot doorbraken op veel gebieden, van oncologie tot ruimtevluchten. Wetenschappers willen een mens laten overwinteren.
"Ik heb een jaar in Zweden gewerkt en kreeg de gophers een jaar lang niet in slaap", geeft Lyudmila Kramarova toe, senior onderzoeker aan het Instituut voor Theoretische en Experimentele Biofysica van de Russische Academie van Wetenschappen (Pushchino).
In het Westen zijn de rechten van proefdieren gedetailleerd - de Verklaring van de Rechten van de Mens rust. Maar experimenten met de studie van winterslaap kunnen niet worden uitgevoerd.
– De vraag is, waarom zouden ze slapen als het warm is in het gopherhuis en gevoed wordt vanuit de buik? Gophers zijn niet dom. Hier in ons laboratorium zouden ze snel bij mij in slaap vallen!
De vriendelijkste Lyudmila Ivanovna tikt streng met haar vinger op de tafel en vertelt over de laboratoriumgopher die bij haar thuis woonde. “Susja!” riep ze vanuit de deuropening. “Betalen!” – antwoordde de gopher, die over het algemeen niet getemd is. Deze Susya viel thuis niet eens in de drie jaar in slaap. In de winter, toen het merkbaar kouder werd in het appartement, klom hij onder de radiator en warmde zijn hoofd op. "Waarom?" vraagt Lyudmila Ivanovna. Misschien is het regelgevende centrum van de winterslaap ergens in de hersenen? Wetenschappers weten het nog niet. De aard van de winterslaap is een van de belangrijkste intriges in de moderne biologie.
Tijdelijke dood
Dankzij Microsoft is onze taal verrijkt met een ander modewoord: winterslaap. Dit is de naam van de modus waarin Windows Vista de computer binnenkomt om het stroomverbruik te minimaliseren. De machine lijkt uit te staan, maar alle gegevens worden tegelijkertijd opgeslagen: ik drukte op de knop - en alles werkte alsof er niets was gebeurd. Hetzelfde gebeurt met levende organismen. Duizenden verschillende soorten - van primitieve bacteriën tot geavanceerde lemuren - kunnen tijdelijk "sterven", wat wetenschappelijk winterslaap of hypobiose wordt genoemd.
Het klassieke voorbeeld zijn gophers. Wat weet jij over gophers? Normaal zulke knaagdieren uit de eekhoornfamilie. Ze graven hun eigen nertsen, eten gras, fokken. Als de winter komt, gaan gophers ondergronds. Dit is waar, vanuit wetenschappelijk oogpunt, het meest interessante gebeurt. De winterslaap van Gopher kan tot 8 maanden duren. Aan het oppervlak bereikt de vorst soms -50, het gat bevriest tot -5. Dan daalt de temperatuur van de ledematen van de dieren tot -2 en de inwendige organen tot -2,9 graden. Trouwens, tijdens de overwintering slaapt de gopher slechts drie weken achter elkaar. Dan komt hij een paar uur uit zijn winterslaap en valt dan weer in slaap. Zonder in te gaan op biochemische details, laten we zeggen dat hij wakker wordt om te plassen en uit te rekken.
Een bevroren grondeekhoorn leeft in slow motion: zijn hartslag daalt van 200-300 naar 1-4 slagen per minuut, episodische ademhaling - 5-10 ademhalingen, en dan zijn volledige afwezigheid gedurende een uur. De bloedtoevoer naar de hersenen wordt met ongeveer 90% verminderd. Een gewoon mens kan zoiets niet overleven. Hij is niet eens in staat om als een beer te worden, wiens temperatuur tijdens de winterslaap behoorlijk daalt - van 37 naar 34-31 graden. Deze drie tot vijf graden zouden genoeg zijn geweest voor ons: het lichaam zou hebben gevochten voor het recht om de hartslag, het ademhalingsritme en het herstellen van de normale lichaamstemperatuur nog enkele uren te behouden, maar wanneer de energiebronnen opraken, is de dood onvermijdelijk.
harige aardappel
Weet je hoe een gopher eruitziet als hij slaapt? vraagt Zarif Amirkhanov, senior onderzoeker aan het Institute of Cell Biophysics. “Als aardappelen uit de kelder. Hard en koud. Alleen harig.
Ondertussen ziet de gopher eruit als een gopher - hij knaagt vrolijk aan zaden. Het is niet gemakkelijk voor te stellen dat dit vrolijke schepsel plotseling zonder reden in een verdoving zou kunnen vallen en het grootste deel van het jaar zo zou kunnen doorbrengen, en dan, opnieuw, zonder enige reden, uit deze verdoving zou kunnen vallen.
Een van de mysteries van hypobiose is dat het dier heel goed in staat is om zijn toestand zelf te reguleren. Een verandering van de omgevingstemperatuur is daarvoor helemaal niet nodig – lemuren uit Madagaskar vallen in winterslaap. Een keer per jaar vinden ze een holte, sluiten de ingang af en gaan zeven maanden naar bed, waarbij hun lichaamstemperatuur wordt verlaagd tot +10 graden. En tegelijkertijd op straat allemaal hetzelfde +30. Sommige grondeekhoorns, bijvoorbeeld Turkestan, kunnen ook in de hitte overwinteren. Het is niet zozeer de temperatuur eromheen, maar de stofwisseling binnenin: de stofwisseling daalt met 60-70%.
"Zie je, dit is een heel andere staat van het lichaam", zegt Zarif. – De lichaamstemperatuur daalt niet als oorzaak, maar als gevolg. Een ander regulerend mechanisme wordt geactiveerd. De functies van tientallen eiwitten veranderen, cellen stoppen met delen, over het algemeen wordt het lichaam in een paar uur volledig opnieuw opgebouwd. En dan in dezelfde paar uur wordt het weer herbouwd. Geen invloeden van buitenaf.
Brandhout en kachel
Het unieke van winterslaap is dat het dier eerst kan afkoelen en daarna kan opwarmen zonder hulp van buitenaf. De vraag is hoe?
"Het is heel eenvoudig", zegt Lyudmila Kramarova. “Bruin vetweefsel, heb je het gehoord?
Alle warmbloedige dieren, inclusief mensen, hebben dit mysterieuze bruine vet. Bovendien is het bij zuigelingen veel meer dan bij een volwassene. Lange tijd was zijn rol in het lichaam over het algemeen onbegrijpelijk. In feite is er gewoon vet, waarom ook bruin?
– Dus het bleek dat bruin vet de rol van een kachel speelt, – legt Lyudmila uit, – en wit vet is gewoon brandhout.
Bruin vet kan het lichaam opwarmen van 0 tot 15 graden. En dan komen er nog andere stoffen bij het werk. Maar alleen omdat we een kachel hebben gevonden, wil nog niet zeggen dat we hebben ontdekt hoe we het kunnen laten werken.
"Er moet iets zijn dat dit mechanisme activeert", zegt Zarif. – Het werk van het hele organisme is aan het veranderen, wat betekent dat er een bepaald centrum is dat dit alles controleert en lanceert.
Aristoteles heeft nagelaten om de winterslaap te bestuderen. Het kan niet gezegd worden dat de wetenschap dat al 2500 jaar doet. Serieus dit probleem begon pas 50 jaar geleden te worden overwogen. De belangrijkste vraag is: wat in het lichaam activeert het winterslaapmechanisme? Als we het vinden, zullen we begrijpen hoe het werkt, en als we begrijpen hoe het werkt, zullen we leren hoe we een winterslaap kunnen induceren bij niet-slapers. In het ideale geval zijn we bij u. Dit is de logica van de wetenschap. Bij hypobiose werkte de normale logica echter niet.
Het begon allemaal vanaf het einde. In 1952 publiceerde de Duitse onderzoeker Kroll de resultaten van een sensationeel experiment. Door een extract van de hersenen van slapende hamsters, egels en vleermuizen in het lichaam van katten en honden te introduceren, veroorzaakte hij een staat van hypobiose bij niet-slapende dieren. Toen het probleem nader werd aangepakt, bleek dat de hypobiose-factor niet alleen in de hersenen aanwezig is, maar in het algemeen in elk orgaan van een overwinterend dier. Ratten hielden gehoorzaam een winterslaap als ze werden geïnjecteerd met bloedplasma, maagextracten en zelfs alleen de urine van slapende grondeekhoorns. Uit een glas gopherurine vielen ook apen in slaap. Het effect wordt consequent gereproduceerd. Het weigert echter categorisch te worden gereproduceerd bij alle pogingen om een bepaalde stof te isoleren: urine of bloed veroorzaken hypobiose, maar hun componenten afzonderlijk niet. Noch grondeekhoorns, noch lemuren, noch, in het algemeen, een van de overwinteraars in het lichaam werd iets gevonden dat hen zou onderscheiden van alle anderen.
De zoektocht naar de hypobiosefactor is al 50 jaar aan de gang, maar het resultaat is bijna nul. Noch de genen die verantwoordelijk zijn voor de winterslaap, noch de stoffen die deze veroorzaken zijn gevonden. Het is niet duidelijk welk orgaan verantwoordelijk is voor deze aandoening. Verschillende experimenten omvatten de bijnieren, en de hypofyse, en de hypothalamus, en de schildklier in de lijst met "verdachten", maar telkens bleek dat ze slechts deelnemers aan het proces waren, maar niet de initiatiefnemers.
"Het is duidelijk dat verre van het hele scala aan stoffen die in deze vuile fractie zitten effectief is", zegt Lyudmila Kramarova. — Nou ja, al was het maar omdat we ze meestal ook hebben. Duizenden eiwitten en peptiden die verantwoordelijk zijn voor ons leven met grondeekhoorns zijn bestudeerd. Maar geen van hen - in ieder geval direct - heeft te maken met winterslaap.
Het is precies vastgesteld dat alleen de concentratie van stoffen verandert in het lichaam van een slapende gopher, maar of daar iets nieuws wordt gevormd, is nog onbekend. Hoe verder wetenschappers komen, hoe meer ze geneigd zijn te denken dat het probleem niet de mysterieuze "slaapfactor" is.
"Hoogstwaarschijnlijk is dit een complexe opeenvolging van biochemische gebeurtenissen", zegt Kramarova. – Misschien werkt een cocktail, dat wil zeggen een mengsel van een bepaald aantal stoffen in een bepaalde concentratie. Misschien is het een cascade. Dat wil zeggen, de consistente werking van een aantal stoffen. Bovendien zijn dit hoogstwaarschijnlijk al lang bekende eiwitten die iedereen heeft.
Het blijkt dat winterslaap een vergelijking is met alle bekende. Hoe eenvoudiger het is, hoe moeilijker het is om het op te lossen.
complete chaos
Met de mogelijkheid om te overwinteren, maakte de natuur er een complete puinhoop van. Baby's met melk voeden, eieren leggen, een constante lichaamstemperatuur houden - deze eigenschappen zijn netjes opgehangen aan de takken van de evolutionaire boom. En hypobiose kan zich duidelijk manifesteren in één soort en tegelijkertijd volledig afwezig zijn in zijn naaste verwant. Zo slapen marmotten en grondeekhoorns uit de eekhoornfamilie zes maanden in hun nerts. En de eekhoorns zelf denken er niet aan om in slaap te vallen, zelfs niet in de strengste winter. Maar sommige vleermuizen (vleermuizen), insecteneters (egels), buideldieren en primaten (lemuren) vallen in winterslaap. Maar ze zijn niet eens achterneven van gophers.
Sommige vogels, reptielen, insecten slapen. Over het algemeen is het niet erg duidelijk op welke basis de natuur hen, en niet anderen, als overwinteraars heeft gekozen. En heeft ze gekozen? Zelfs die soorten die helemaal niet bekend zijn met winterslaap, raden onder bepaalde omstandigheden gemakkelijk wat het is. De prairiehond met zwarte staart (een familie van knaagdieren) valt bijvoorbeeld in slaap in een laboratoriumomgeving als hij geen water en voedsel krijgt en in een donkere, koude kamer wordt geplaatst.
Het lijkt erop dat de logica van de natuur juist hierop is gebaseerd: als een soort het seizoen van hongersnood moet overleven om te overleven, heeft hij een optie met hypobiose in reserve.
"Het lijkt erop dat we te maken hebben met een oud regelmechanisme, dat inherent is aan elk levend wezen in het algemeen", denkt Zarif hardop. – En dit brengt ons bij een paradoxale gedachte: het is niet vreemd dat gophers slapen. Het vreemde is dat we zelf niet overwinteren. Misschien zouden we heel goed in staat zijn tot hypobiose als alles in de evolutie zich in een rechte lijn zou ontwikkelen, dat wil zeggen volgens het principe van het toevoegen van nieuwe eigenschappen met behoud van de oude.
Volgens wetenschappers is een persoon met betrekking tot winterslaap echter niet helemaal hopeloos. Aboriginals, parelduikers, Indiase yogi's kunnen de fysiologische functies van het lichaam minimaliseren. Laat deze vaardigheid worden bereikt door lange training, maar het wordt bereikt! Tot nu toe is geen enkele wetenschapper in staat geweest om een persoon in een volwaardige winterslaap te brengen. Narcose, lethargische slaap, coma zijn toestanden die dicht bij hypobiose liggen, maar ze hebben een andere basis en worden gezien als een pathologie.
Experimenten om een persoon in winterslaap te brengen, zullen binnenkort Oekraïense artsen beginnen. De methode die ze ontwikkelden is gebaseerd op twee factoren: een hoog koolstofdioxidegehalte in de lucht en lage temperaturen. Misschien zullen deze experimenten ons niet in staat stellen om de aard van de winterslaap volledig te begrijpen, maar hypobiose in ieder geval om te zetten in een volwaardige klinische procedure.
Patiënt in slaap gebracht
Op het moment van de winterslaap is de gopher niet alleen bang voor de kou, maar ook voor de belangrijkste gopher-aandoeningen: ischemie, infecties en oncologische ziekten. Aan de pest sterft een wakker dier binnen een dag, en als het in een slaperige toestand is geïnfecteerd, maakt het niet uit. Er zijn enorme kansen voor artsen. Dezelfde verdoving is niet de meest aangename toestand voor het lichaam. Waarom niet vervangen door een meer natuurlijke winterslaap?
Stel je de situatie voor: de patiënt staat op het punt van leven en dood, de klok telt. En vaak zijn deze uren niet genoeg om een operatie uit te voeren of een donor te vinden. En in winterslaap ontwikkelt bijna elke ziekte zich zoals in slow motion, en we hebben het niet langer over uren, maar over dagen, of zelfs weken. Als je je fantasie de vrije loop laat, kun je je voorstellen hoe hopeloze patiënten worden ondergedompeld in een staat van hypobiose in de hoop dat op een dag de middelen zullen worden gevonden die nodig zijn voor hun behandeling. Bedrijven die zich bezighouden met cryonics doen iets soortgelijks, alleen bevriezen ze een reeds dood persoon, en het is nauwelijks realistisch om een organisme te herstellen dat tien jaar in vloeibare stikstof heeft gelegen.
Het mechanisme van de winterslaap kan helpen om verschillende aandoeningen te begrijpen. Zo suggereert de Bulgaarse wetenschapper Veselin Denkov in zijn boek "On the Edge of Life" aandacht te besteden aan de biochemie van een slapende beer: "Als wetenschappers erin slagen om in zijn pure vorm een stof (vermoedelijk een hormoon) te verkrijgen die het lichaam binnenkomt van de hypothalamus van beren, met behulp waarvan levensprocessen worden gereguleerd tijdens de winterslaap, dan zullen ze in staat zijn om mensen met een nierziekte met succes te behandelen.
Tot nu toe zijn artsen erg op hun hoede voor het idee om winterslaap te gebruiken. Toch is het gevaarlijk om te gaan met een fenomeen dat niet volledig wordt begrepen.