Honderde dierspesies kan hiberneer. Die metaboliese tempo in hul organismes word tienvoudig verminder. Hulle kan nie eet nie en skaars asemhaal. Hierdie toestand is steeds een van die grootste wetenskaplike raaisels. Die oplossing daarvan kan lei tot deurbrake op baie gebiede, van onkologie tot ruimtevlug. Wetenskaplikes wil 'n mens laat hiberneer.
"Ek het vir 'n jaar in Swede gewerk en kon die gophers vir 'n jaar nie aan die slaap kry nie," erken Lyudmila Kramarova, senior navorser by die Instituut vir Teoretiese en Eksperimentele Biofisika van die Russiese Akademie van Wetenskappe (Pushchino).
In die Weste is die regte van proefdiere gedetailleerd – die Verklaring van Menseregte rus. Maar eksperimente oor die studie van winterslaap kan nie uitgevoer word nie.
– Die vraag is, hoekom moet hulle slaap as dit warm is in die gopherhuis en uit die maag gevoed is? Gophers is nie dom nie. Hier in ons laboratorium sou hulle vinnig saam met my aan die slaap raak!
Die vriendelikste Lyudmila Ivanovna tik streng met haar vinger op die tafel en praat oor die laboratorium-gopher wat by haar gewoon het. “Susia!” roep sy uit die deur. “Betaal-betaal!” – antwoord die gopher, wat oor die algemeen nie getem word nie. Hierdie Susya het nie eers een keer in drie jaar by die huis aan die slaap geraak nie. In die winter, wanneer dit merkbaar kouer in die woonstel geword het, het hy onder die verkoeler ingeklim en sy kop warm gemaak. "Hoekom?" vra Lyudmila Ivanovna. Miskien is die regulatoriese sentrum van winterslaap iewers in die brein? Wetenskaplikes weet nog nie. Die aard van winterslaap is een van die belangrikste intriges in moderne biologie.
Tydelike dood
Danksy Microsoft is ons taal verryk met nog 'n gonswoord – hibernasie. Dit is die naam van die modus waarin Windows Vista die rekenaar binnegaan om kragverbruik te verminder. Dit lyk of die masjien afgeskakel is, maar al die data word terselfdertyd gestoor: Ek het die knoppie gedruk – en alles het gewerk asof niks gebeur het nie. Dieselfde ding gebeur met lewende organismes. Duisende verskillende spesies – van primitiewe bakterieë tot gevorderde lemurs – is in staat om tydelik te “sterf”, wat wetenskaplik hibernasie of hipobiose genoem word.
Die klassieke voorbeeld is gophers. Wat weet jy van gophers? Normaal sulke knaagdiere uit die eekhoringfamilie. Hulle grawe hul eie minks, eet gras, broei. Wanneer die winter kom, gaan gophers ondergronds. Dit is hier waar, vanuit 'n wetenskaplike oogpunt, die interessantste ding gebeur. Gopher hibernasie kan tot 8 maande duur. Op die oppervlak bereik ryp soms -50, die gat vries tot -5. Dan daal die temperatuur van die ledemate van die diere tot -2, en die interne organe tot -2,9 grade. Terloops, tydens die oorwintering slaap die gopher net drie weke in 'n ry. Dan kom dit vir 'n paar uur uit hibernasie, en raak dan weer aan die slaap. Sonder om in biochemiese besonderhede in te gaan, kom ons sê dat hy wakker word om te piepie en te strek.
’n Bevrore grond-eekhoring leef in stadige beweging: sy hartklop daal van 200-300 tot 1-4 slae per minuut, episodiese asemhaling – 5-10 asemhalings, en dan hul volledige afwesigheid vir 'n uur. Die bloedtoevoer na die brein word met ongeveer 90% verminder. ’n Gewone mens kan niks naby hieraan oorleef nie. Hy is nie eens in staat om soos 'n beer te word nie, wie se temperatuur tydens winterslaap nogal daal - van 37 tot 34-31 grade. Hierdie drie tot vyf grade sou vir ons genoeg gewees het: die liggaam sou geveg het vir die reg om die hartklop, asemhalingsritme te handhaaf en normale liggaamstemperatuur vir nog etlike ure te herstel, maar wanneer die energiebronne opraak, is die dood onvermydelik.
harige aartappel
Weet jy hoe 'n gopher lyk as hy slaap? vra Zarif Amirkhanov, senior navorser by die Instituut vir Selbiofisika. “Soos aartappels uit die kelder. Hard en koud. Net bont.
Intussen lyk die gopher soos 'n gopher - hy knaag vrolik sade. Dit is nie maklik om jou voor te stel dat hierdie vrolike wese skielik sonder rede in 'n bedwelming kan verval en die grootste deel van die jaar so kan deurbring, en dan weer, sonder enige rede, uit hierdie stupor kan "uitval".
Een van die raaisels van hipobiose is dat die dier heeltemal in staat is om sy toestand op sy eie te reguleer. ’n Verandering in omgewingstemperatuur is glad nie hiervoor nodig nie – lemurs van Madagaskar verval in winterslaap. Een keer per jaar vind hulle 'n holte, prop die ingang toe en gaan slaap vir sewe maande, wat hul liggaamstemperatuur tot +10 grade verlaag. En op die straat op dieselfde tyd almal dieselfde +30. Sommige grondeekhorings, byvoorbeeld Turkestan-eekhorings, kan ook in die hitte hiberneer. Dit is nie soseer die temperatuur rondom nie, maar die metabolisme binne: die metaboliese tempo daal met 60-70%.
"Jy sien, dit is 'n heeltemal ander toestand van die liggaam," sê Zarif. - Liggaamstemperatuur daal nie as 'n oorsaak nie, maar as 'n gevolg. Nog 'n reguleringsmeganisme word geaktiveer. Die funksies van dosyne proteïene verander, selle hou op om te verdeel, oor die algemeen word die liggaam binne 'n paar uur heeltemal herbou. En dan in dieselfde paar ure word dit teruggebou. Geen invloede van buite nie.
Vuurmaakhout en stoof
Die uniekheid van hibernasie is dat die dier eers sonder hulp van buite kan afkoel en dan opwarm. Die vraag is hoe?
"Dit is baie eenvoudig," sê Lyudmila Kramarova. “Bruin vetweefsel, het jy gehoor?
Alle warmbloedige diere, insluitend mense, het hierdie geheimsinnige bruin vet. Boonop is dit by babas baie meer as by 'n volwassene. Vir 'n lang tyd was die rol daarvan in die liggaam oor die algemeen onbegryplik. Eintlik is daar gewone vet, hoekom ook bruin?
– So, dit het geblyk dat bruin vet die rol van ’n stoof speel, – verduidelik Lyudmila, – en wit vet is net vuurmaakhout.
Bruin vet is in staat om die liggaam van 0 tot 15 grade op te warm. En dan word ander stowwe by die werk ingesluit. Maar net omdat ons 'n stoof gekry het, beteken dit nie dat ons uitgevind het hoe om dit te laat werk nie.
"Daar moet iets wees wat hierdie meganisme aanskakel," sê Zarif. – Die werk van die hele organisme is besig om te verander, wat beteken dat daar 'n sekere sentrum is wat dit alles beheer en van stapel stuur.
Aristoteles het bemaak om hibernasie te bestudeer. Daar kan nie gesê word dat die wetenskap dit al sedert 2500 jaar doen nie. Ernstig het hierdie probleem eers 50 jaar gelede begin oorweeg word. Die hoofvraag is: wat in die liggaam veroorsaak die hibernasiemeganisme? As ons dit vind, sal ons verstaan hoe dit werk, en as ons verstaan hoe dit werk, sal ons leer hoe om hibernasie te veroorsaak by nie-slapers. Ideaal gesproke is ons by jou. Dit is die logika van die wetenskap. Met hipobiose het normale logika egter nie gewerk nie.
Dit het alles van die einde af begin. In 1952 het die Duitse navorser Kroll die resultate van 'n opspraakwekkende eksperiment gepubliseer. Deur 'n uittreksel van die brein van slapende hamsters, krimpvarkies en vlermuise in die liggaam van katte en honde in te bring, het hy 'n toestand van hipobiose in nie-slaap diere veroorsaak. Toe die probleem nader aangespreek word, het dit geblyk dat die hipobiosefaktor nie net in die brein voorkom nie, maar in die algemeen in enige orgaan van 'n hibernerende dier. Rotte het gehoorsaam hiberneer as hulle met bloedplasma, maagekstrakte en selfs net die urine van slapende grond-eekhorings ingespuit is. Uit 'n glas gopher urine het ape ook aan die slaap geraak. Die effek word konsekwent weergegee. Dit weier egter kategories om gereproduseer te word in alle pogings om 'n bepaalde stof te isoleer: urine of bloed veroorsaak hipobiose, maar hul komponente afsonderlik nie. Nóg grond-eekhorings, nóg lemurs, nóg, in die algemeen, enige van die hiberneerders in die liggaam is iets gevind wat hulle van al die ander sou onderskei.
Die soektog na die hipobiose-faktor duur al 50 jaar, maar die resultaat is amper nul. Nóg die gene wat vir winterslaap verantwoordelik is, nóg die stowwe wat dit veroorsaak, is gevind. Dit is nie duidelik watter orgaan vir hierdie toestand verantwoordelik is nie. Verskeie eksperimente het die byniere, en die pituïtêre klier, en die hipotalamus en die tiroïedklier in die lys van "verdagtes" ingesluit, maar elke keer het dit geblyk dat hulle net deelnemers aan die proses was, maar nie die inisieerders daarvan nie.
"Dit is duidelik dat ver van die hele reeks stowwe wat in hierdie vuil fraksie is doeltreffend is," sê Lyudmila Kramarova. — Wel, al is dit net omdat ons hulle ook meestal het. Duisende proteïene en peptiede wat verantwoordelik is vir ons lewe met grond eekhorings is bestudeer. Maar nie een van hulle – ten minste direk – is met hibernasie verbind nie.
Dit is presies vasgestel dat slegs die konsentrasie van stowwe in die liggaam van 'n slapende gopher verander, maar of iets nuuts daar gevorm word, is nog onbekend. Hoe verder wetenskaplikes vorder, hoe meer is hulle geneig om te dink dat die probleem nie die geheimsinnige "slaapfaktor" is nie.
"Dit is heel waarskynlik 'n komplekse reeks biochemiese gebeure," sê Kramarova. – Miskien is 'n skemerkelkie optree, dit wil sê 'n mengsel van 'n sekere aantal stowwe in 'n sekere konsentrasie. Miskien is dit 'n waterval. Dit wil sê die konsekwente effek van 'n aantal stowwe. Boonop is dit heel waarskynlik bekende proteïene wat almal het.
Dit blyk dat hibernasie 'n vergelyking is met alle bekendes. Hoe eenvoudiger dit is, hoe moeiliker is dit om op te los.
Volledige chaos
Met die vermoë om te hiberneer, het die natuur 'n totale gemors gemaak. Om babas met melk te voed, eiers te lê, 'n konstante liggaamstemperatuur te handhaaf - hierdie eienskappe word netjies aan die takke van die evolusionêre boom gehang. En hipobiose kan duidelik in een spesie gemanifesteer word en terselfdertyd heeltemal afwesig wees in sy naaste familielid. Marmotte en grondeekhorings van die eekhoringfamilie slaap byvoorbeeld vir ses maande in hul minks. En die eekhorings self dink nie aan die slaap raak nie, selfs in die ergste winter. Maar sommige vlermuise (vlermuise), insekvreters (egels), buideldiere en primate (lemurs) val in winterslaap. Maar hulle is nie eens tweede neefs vir gophers nie.
Sommige voëls, reptiele, insekte slaap. Oor die algemeen is dit nie baie duidelik op grond waarvan die natuur hulle, en nie ander nie, as hiberneerders gekies het. En het sy gekies? Selfs daardie spesies wat glad nie met winterslaap vertroud is nie, raai onder sekere omstandighede maklik wat dit is. Byvoorbeeld, die swartstert prairiehond ('n familie van knaagdiere) raak in 'n laboratorium-omgewing aan die slaap as dit van water en kos ontneem word en in 'n donker, koue kamer geplaas word.
Dit blyk dat die logika van die natuur juis hierop gebaseer is: as 'n spesie die seisoen van hongersnood moet oorleef om te oorleef, het dit 'n opsie met hipobiose in reserwe.
"Dit blyk dat ons te doen het met 'n ou reguleringsmeganisme, wat inherent is aan enige lewende wese in die algemeen," dink Zarif hardop. – En dit lei ons by ’n paradoksale gedagte: dit is nie vreemd dat gofers slaap nie. Die vreemde ding is dat ons self nie hiberneer nie. Miskien sou ons heel in staat wees tot hipobiose as alles in evolusie in 'n reguit lyn ontwikkel, dit wil sê volgens die beginsel om nuwe eienskappe by te voeg terwyl die oues gehandhaaf word.
Volgens wetenskaplikes is 'n persoon met betrekking tot winterslaap egter nie heeltemal hopeloos nie. Inheemse Australiërs, pêrelduikers, Indiese jogi's kan die fisiologiese funksies van die liggaam tot die minimum beperk. Laat hierdie vaardigheid bereik word deur lang opleiding, maar dit word bereik! Tot dusver kon geen wetenskaplike 'n persoon in 'n volwaardige winterslaap plaas nie. Narkose, lustelose slaap, koma is toestande naby aan hipobiose, maar hulle het 'n ander basis, en hulle word as 'n patologie beskou.
Eksperimente om 'n persoon in te voer in winterslaap sal binnekort begin Oekraïens dokters. Die metode wat hulle ontwikkel het, is op twee faktore gebaseer: hoë vlakke van koolstofdioksied in die lug en lae temperature. Miskien sal hierdie eksperimente ons nie toelaat om die aard van winterslaap ten volle te verstaan nie, maar ten minste hipobiose in 'n volwaardige kliniese prosedure te verander.
Pasiënt gestuur om te slaap
Ten tyde van winterslaap is die gopher nie bang nie net vir die koue nie, maar ook vir die belangrikste gopher-kwale: iskemie, infeksies en onkologiese siektes. Aan die plaag vrek 'n wakker dier in 'n dag, en as dit in 'n slaperige toestand besmet is, gee dit nie om nie. Daar is groot geleenthede vir dokters. Dieselfde narkose is nie die aangenaamste toestand vir die liggaam nie. Hoekom vervang dit nie met 'n meer natuurlike hibernasie nie?
Stel jou die situasie voor: die pasiënt staan op die randjie van lewe en dood, die horlosie tel. En dikwels is hierdie ure nie genoeg om 'n operasie uit te voer of 'n skenker te vind nie. En in winterslaap ontwikkel byna enige siekte soos in stadige aksie, en ons praat nie meer van ure nie, maar van dae, of selfs weke. As jy jou verbeelding vrye teuels gee, kan jy jou voorstel hoe hopelose pasiënte in 'n toestand van hipobiose gedompel word in die hoop dat eendag die middele wat nodig is vir hul behandeling gevind sal word. Maatskappye wat betrokke is by cryonics doen iets soortgelyks, net hulle vries 'n reeds dooie persoon, en dit is skaars realisties om 'n organisme wat tien jaar lank in vloeibare stikstof gelê het, te herstel.
Die meganisme van winterslaap kan help om 'n verskeidenheid van kwale te verstaan. Byvoorbeeld, die Bulgaarse wetenskaplike Veselin Denkov stel in sy boek "On the Edge of Life" voor om aandag te skenk aan die biochemie van 'n slapende beer: "As wetenskaplikes daarin slaag om in sy suiwer vorm 'n stof (vermoedelik 'n hormoon) te verkry wat die liggaam binnedring. vanaf die hipotalamus van bere, met behulp waarvan lewensprosesse tydens winterslaap gereguleer word, sal hulle mense wat aan niersiekte ly, suksesvol kan behandel.
Tot dusver is dokters baie versigtig vir die idee om hibernasie te gebruik. Tog is dit gevaarlik om 'n verskynsel te hanteer wat nie ten volle verstaan word nie.