Ich wybudzenie może przynieść rozwiązanie wielu problemów zdrowotnych. Ale hibernacja ma również ciemne strony.
Zazdrość. Właśnie to uczucie najczęściej przebija z naukowych opracowań o hibernacji ssaków, zwanej do niedawna snem zimowym. Zoolodzy obecnie starają się jednak unikać tego terminu, gdyż według najnowszych badań słowo „sen” niezbyt pasuje do opisu jednego z najbardziej osobliwych stanów fizjologicznych w świecie zwierząt. Normalny śpiący mózg przechodzi bowiem naprzemiennie dwie fazy: wolnofalową i paradoksalną. Podczas pierwszej nasz organ naczelny głęboko wypoczywa, w drugiej – aktywuje się i tworzy marzenia senne. Żadnego z tych stanów nie ma w mózgu hibernującym. Jego fale układają się wówczas w zupełnie inny wzór – powolny, spokojny, ograniczony.
Czy żaba zamarza?
Również metabolizm zwierzęcia śpiącego i hibernującego dzieli przepaść. Podczas snu temperatura ciała spada najwyżej o pół stopnia. Tymczasem w trakcie hibernacji nawet największe zwierzęta, jak niedźwiedź, obniżają ciepłotę organizmu przynajmniej o kilka stopni. Mniejsze zaś prześcigają wszelkie rekordy. – Temperatura ich ciała ściśle zależy od otoczenia i zwykle jest nieznacznie wyższa niż w zimowej kryjówce – mówi prof. Jan Taylor z Uniwersytetu w Białymstoku, który prowadzi badania nad hibernacją orzesznic. To niewielkie nadrzewne gryzonie, które żyją w Polsce, ale są mało znane ze względu na skryty nocny tryb życia. Latem szparko przemykają wśród gałęzi, balansując długim ogonem, w poszukiwaniu orzechów, żołędzi czy jagód. Zimę spędzają podobnie jak borsuki, nietoperze czy jeże.
W miarę ochładzania się pogody temperatura ich ciała spada. Potrafi dotrzeć niemal do zera. Ale w tym momencie obniżanie się ciepłoty nagle się zatrzymuje. – Przy minus 1 st. C u orzesznicy włącza się dodatkowa produkcja ciepła, która nie pozwala jej ciału obniżyć temperatury poniżej punktu zamarzania – opowiada prof. Taylor. Są jednak ssaki, które nie przejmują się tą granicą. To susły arktyczne (Spermophilus parryii), które podczas hibernacji obniżają ciepłotę do blisko 3 st. poniżej zera! – Przy takiej temperaturze teoretycznie powinny zamarznąć. A tak się nie dzieje – dziwi się białostocki naukowiec. – Jedyne sensowne wyjaśnienie mówi, że ich płyny biologiczne przechodzą w stan przechłodzony.
Ciecz przechłodzona – według chemicznych definicji – to taka, która nie zamienia się w ciało stałe, choć osiągnęła temperaturę poniżej punktu zamarzania. Dzieje się tak wówczas, gdy brakuje w niej jąder krystalizacji, wokół których może zacząć się proces tworzenia lodu. Wystarczy jednak wrzucić kilka kamyków czy kryształków, by natychmiast cała ciecz przeszła w stan stały. Susły arktyczne znajdują się więc w sytuacji dużego zagrożenia – niewiele trzeba, by w jednej chwili zmieniły się w lodowe rzeźby.
Ale – jeśli wypuścić się poza gromadę ssaków – można znaleźć zwierzęta, które nawet taki stan traktują jako normę. Choćby niektóre żaby. Ich ciało naprawdę zamarza. Wydaje się to zabójcze, gdyż lód ma większą objętość niż woda, więc podczas tworzenia się rozrywa błony komórkowe i niszczy tkanki ciała. Żaby są na to przygotowane. Przed zimą gromadzą w komórkach niezwykle wysokie stężenie glukozy. Dzięki temu punkt zamarzania ich cytoplazmy schodzi znacznie poniżej zera. Gdy więc krew żaby zamienia się w lód, wewnątrz komórek nadal gości przyjazna wobec życia ciecz. Dzięki temu mogą przetrwać do wiosny.
Wróćmy jednak do ssaków – to od nich przecież mamy pobierać lekcje. W trakcie hibernacji zużycie tlenu u susłów spada do 2–3 proc. poziomu właściwego stanowi aktywności. Niektóre nietoperze biorą najwyżej jeden oddech na godzinę! Tempo bicia serca potrafi obniżyć się z 200–300 do ledwie 3–10 uderzeń na minutę. Komórki w mózgu kurczą się i zmniejszają liczbę połączeń nawet o 60 proc. Niektóre gatunki podczas wielu miesięcy hibernacji nie wydalają moczu ani kału. A wszystkie te przemiany nie szkodzą w żaden sposób zwierzęciu. Dlaczego? Naukowcy liczą, że gdy to zrozumieją, odkryją sposoby na wiele dolegliwości trapiących dziś ludzkość. Choćby otyłość, która u ludzi skutkuje miażdżycą, chorobami serca i cukrzycą.
Tymczasem zwierzętom hibernującym nic ona nie szkodzi. Jesienią potrafią przecież zwiększyć masę ciała nawet dwukrotnie, odkładając zapasy w postaci tkanki tłuszczowej. I mimo to nie rozwija się u nich żadna z chorób cywilizacyjnych. Ba, chudną potem, nie uprawiając żadnych ćwiczeń. Gdyby udało się to wykorzystać u ludzi, skończyłyby się problemy z nadwagą. Olivia Judson na łamach „Natural History” już zaproponowała hasło reklamowe dla nowych sposobów na odchudzanie: „Zrzuć kilogramy, nie robiąc nic”.
Tylko że leżenie tyle miesięcy u ludzi prowadzi do zaniku mięśni i odwapnienia kości. I tu znów na pomoc przychodzą hibernujące zwierzęta. Po 110 dniach spędzonych bez jedzenia w gawrze niedźwiedź traci 29 proc. siły swych mięśni. Tymczasem człowiek na zrównoważonej diecie po 90 dniach w łóżku słabnie aż o 54 proc. „Po 110 dniach głodu i ograniczonych ruchów niedźwiedzie wciąż były podobne do zdrowych, aktywnych i dobrze odżywionych ludzi” – twierdzili w 2007 r. autorzy odkrycia ogłoszonego w „Physiology and Biochemical Zoology”.
Dlaczego mózg nie umiera?
Inne badanie wykazało, że, owszem, niedźwiedzie w czasie hibernacji zmniejszają masę kości, ale jednocześnie cały czas tworzą ją od nowa. A ponieważ te procesy się równoważą, w sumie zwierzę po kilku miesiącach bezruchu nadal ma mocne i duże kości. To przeciwnie niż u ludzi prowadzących siedzący tryb życia. Gdy się nie ruszamy, kości się zmniejszają i zanika proces ich tworzenia. Gdybyśmy nauczyli się naśladować niedźwiedzie, skończyłyby się problemy osób obłożnie chorych. – Mechanizm odbudowy kości u niedźwiedzi może nawet pozwoli zrozumieć inne, bardziej powszechne choroby układu kostnego, takie jak związana z wiekiem osteoporoza – mówi Seth Donahue, inżynier biomedyczny z Michigan Technological University. – Dzięki temu można będzie rozwinąć nowe terapie farmakologiczne.
Matthew Andrews z University of Minnesota zwraca uwagę na zdumiewające własności serca zwierząt hibernujących. „Przy temperaturach ciała spadających poniżej 20 st. C zdecydowana większość ssaków doświadcza zatrzymania akcji serca – pisze w czasopiśmie „Bioessays”. – Jednakże ssaki hibernujące pozostają w sinusoidalnym rytmie przy temperaturach ciała zbliżających się do 0 st. C”. I konkluduje: „Zrozumienie, jak pracuje serce w ekstremalnych warunkach fizjologicznych podczas hibernacji, może doprowadzić do zapobiegania i leczenia chorób układu krwionośnego, które są dziś główną przyczyną śmierci u ludzi”.
Równie wielkie nadzieje budzą badania mózgu. W czasie hibernacji dociera przecież do niego naprawdę minimalna ilość tlenu. A nie skutkuje to żadną martwicą, udarem czy innymi schorzeniami. Prawdopodobnie ważną rolę odgrywa białko, które odkryto u hibernujących susłów. Gdy podawano ten związek aktywnym zwierzętom, wkrótce wpadały w stan hibernacji, a w ich mózgach spadało zapotrzebowanie na tlen. Dr Cesario Borlongan z Medical College of Georgia twierdzi, że można to wykorzystać w leczeniu osób z udarem oraz chorobą Parkinsona. U zwierząt, którym po udarze podano to białko, zniszczenia w niektórych rejonach mózgu zmniejszały się o 75 proc.! Wstępnie sprawdzano jego działanie na zwierzętach z parkinsonizmem. Dzięki tej substancji miały większą ilość dopaminy – której brak jest główną przyczyną rozwoju owej choroby – niż zwierzęta kontrolne.
Najbardziej śmiali z naukowców nie poprzestają na wykorzystywaniu cząstkowych właściwości hibernujących zwierząt. Marzy im się, by człowiek całkowicie poszedł w ślady swych kuzynów. W hibernację wprowadzano by choćby tych, którzy cierpią na nieuleczalne choroby. W nowym stanie doczekaliby opracowania skutecznej terapii. Wreszcie hibernację planuje się wykorzystywać podczas podróży kosmicznych. Międzygwiezdni wędrowcy mogliby lecieć długie lata bez zniszczeń w kościach, mięśniach czy mózgu. I nie jest to całkowita fantazja. Wprowadzenie ludzi w hibernację może nie być aż tak trudne, jak to się na pozór wydaje.
– W wielu odmiennych grupach ssaków są gatunki, które potrafią hibernować. Umiejętność ta jest prawdopodobnie cechą ewolucyjnie pierwotną w tej grupie zwierząt. Geny konieczne do hibernacji przypuszczalnie są u wszystkich gatunków ssaków, tyle że nie zawsze w ten sposób się ujawniają. Zdolność do hibernacji polega raczej na odmiennej regulacji istniejących genów niż na powstaniu licznych nowych genów – twierdzi prof. Jan Taylor. – Kusząca jest więc spekulacja, że u każdego przedstawiciela tej grupy można by wywołać hibernację.
Pierwsze próby już się udały. Prowadzono je na myszach, które zwykle zimę spędzają aktywnie. W stan przypominający hibernację wprowadzano je nietypowo, bo poprzez umieszczenie w powietrzu z dodatkiem siarkowodoru. Myszy, które zespół Marka Rotha z Fred Hutchinson Cancer Research Center zmuszał do wdychania tego gazu, w ciągu kilku minut przestawały się ruszać. Częstotliwość ich oddechu spadała ze 120 do 10 na minutę. Temperatura ciała obniżała się z 37 do 15 st. C. Po sześciu godzinach myszy przywrócono do normalnego stanu.
Na ludziach takich eksperymentów, oczywiście, nie prowadzono. Znane są jednak przypadki, gdy człowiek, zupełnie niechcący, sam się wprowadził w stan podobny do hibernacji. W maju 1999 r. z lodowatej wody wyłowiono norweską narciarkę. Spędziła tam ponad godzinę, nie oddychała, a temperatura jej ciała obniżyła się do 14 st. C. Po akcji ratunkowej kobieta wróciła do normalnego stanu fizycznego i psychicznego. W lutym 2001 r. podobna historia przydarzyła się dziewczynce z Kanady. Wyszła z domu nocą i zgubiła się. Gdy ją odnaleziono, jej serce nie biło od dwóch godzin, a temperatura ciała spadła do 16 st. C. Ją również przywrócono do aktywnego życia.
Entuzjazm, jaki budzą te doniesienia, studzi prof. Taylor: – Często patrzymy na zyski z hibernacji, a zapominamy o jej kosztach. A te są duże. Gryzonie pręgowce amerykańskie, którym na zimę eksperymentalnie uzupełniano zapasy pokarmu, hibernowały krócej. To oznacza, że jeśli zwierzę ma wybór, woli pozostać aktywne. A nawet jeśli wpada w hibernację, to regularnie się z niej wybudza. Orzesznice robią tak co dwa tygodnie. Nie wychodzą wówczas ze schronienia, są nieaktywne, ale ich temperatura ciała podnosi się, a aktywność metaboliczna wzrasta. Zapis fal mózgowych wskazuje, że w tym czasie zwierzęta najzwyczajniej w świecie… śpią. Tym razem normalnym, zdrowym snem. Zwykle trwa to kilka godzin, a potem zwierzę znów wraca do poprzedniego stanu.
Czemu suseł się budzi?
– Regularne wybudzenia są największym kosztem hibernacji. W ich trakcie zwierzę zużywa do 80 proc. całej wydatkowanej zimą energii! – opowiada prof. Taylor. Skoro orzesznice, chomiki czy susły decydują się na coś tak rozrzutnego, to znaczy, że wybudzenia są niezbędne do przetrwania, najprawdopodobniej do usunięcia niekorzystnych zmian spowodowanych głęboką hibernacją. Ale jakich? Tego naukowcy nie wiedzą. Co nie znaczy, że nie mają paru hipotez na podorędziu. Brian Prendergast z Ohio State University uważa, że chodzi o obronę przed infekcjami. Jego zdaniem, w trakcie hibernacji wyłącza się układ immunologiczny zwierząt. Budzą się więc co jakiś czas, aktywują komórki odpornościowe i wysyłają je na sprawdzenie, czy nie zaatakował ich wirus lub bakteria.
Ale ta hipoteza nie przekonała wszystkich badaczy. Niektórzy sądzą, że wybudzenia służą walce z nadmiarem wolnych rodników tlenowych. Inni wskazują na konieczność uzupełniania wody w organizmie. Jeszcze niedawno uważano, że wybudzenia ratują zwierzę przed konsekwencjami… niedoboru snu. – Moim zdaniem, najlepiej udokumentowana hipoteza upatruje w wybudzeniach konieczność naprawy niekorzystnych zmian w mózgu – mówi prof. Taylor. Komórki mózgowe, kurczące się ostro w trakcie hibernacji, odbudowują się całkowicie w ciągu 2–3 godz. zwykłego snu. Błyskawicznie odnawiają się też połączenia między nimi. – W ten sposób organizm regeneruje pamięć – dodaje naukowiec.
Stąd zaś wniosek, że ciągła niekontrolowana hibernacja może doprowadzić co najmniej do amnezji. Czy to jednak zniechęci badaczy do szukania możliwości zastosowania jej u człowieka? Raczej trudno w to uwierzyć.