Stotine životinjskih vrsta mogu spavati zimski san. Stopa metabolizma u njihovim organizmima smanjena je deset puta. Ne mogu jesti i teško dišu. Ovo stanje i dalje je jedna od najvećih znanstvenih misterija. Njegovo rješavanje moglo bi dovesti do otkrića u mnogim područjima, od onkologije do letova u svemir. Znanstvenici žele natjerati osobu na zimski san.
"Radila sam u Švedskoj godinu dana i godinu dana nisam mogla natjerati gofove da zaspu", priznaje Ljudmila Kramarova, viša istraživačica na Institutu za teorijsku i eksperimentalnu biofiziku Ruske akademije znanosti (Puščino).
Na Zapadu su prava laboratorijskih životinja detaljno razrađena – Deklaracija o ljudskim pravima je u odmaranju. Ali eksperimenti o proučavanju hibernacije ne mogu se provesti.
– Pitanje je zašto bi spavali ako je u kućici gofa toplo i hranjeni su iz trbuha? Goperi nisu glupi. Ovdje u našem laboratoriju brzo bi zaspali sa mnom!
Najljubaznija Ljudmila Ivanovna strogo lupka prstom po stolu i priča o laboratorijskom gofu koji je živio kod nje. "Susya!" pozvala je s praga. “Plati-plati!” – odgovorio je gopar koji se uglavnom ne da pripitomiti. Ova Susya nije zaspala ni jednom u tri godine kod kuće. Zimi, kad je u stanu osjetno zahladilo, penjao se pod radijator i grijao glavu. "Zašto?" - pita Ljudmila Ivanovna. Možda je regulatorni centar hibernacije negdje u mozgu? Znanstvenici još ne znaju. Priroda hibernacije jedna je od glavnih intriga u modernoj biologiji.
Privremena smrt
Zahvaljujući Microsoftu, naš je jezik obogaćen još jednom popularnom riječi – hibernacija. Ovo je naziv načina rada u kojem Windows Vista ulazi u računalo kako bi se smanjila potrošnja energije. Čini se da je stroj isključen, ali svi su podaci istovremeno spremljeni: pritisnuo sam gumb – i sve je radilo kao da se ništa nije dogodilo. Ista stvar se događa sa živim organizmima. Tisuće različitih vrsta – od primitivnih bakterija do naprednih lemura – u stanju su privremeno “umrijeti”, što se znanstveno naziva hibernacija ili hipobioza.
Klasičan primjer su gofovi. Što znaš o gofovima? Normalni takvi glodavci iz obitelji vjeverica. Sami kopaju kune, jedu travu, razmnožavaju se. Kad dođe zima, gofovi odlaze pod zemlju. Tu se, sa znanstvenog gledišta, događa ono najzanimljivije. Hibernacija gophera može trajati i do 8 mjeseci. Na površini mraz ponekad doseže -50, rupa se smrzava do -5. Tada temperatura udova životinja pada na -2, a unutarnjih organa na -2,9 stupnjeva. Usput, tijekom zimovanja, gopher spava u nizu samo tri tjedna. Zatim izlazi iz hibernacije na nekoliko sati, a zatim ponovno zaspi. Ne ulazeći u biokemijske detalje, recimo da se budi kako bi piškio i rastezao se.
Smrznuta zemljana vjeverica živi usporeno: broj otkucaja srca pada s 200-300 na 1-4 otkucaja u minuti, epizodno disanje - 5-10 udisaja, a zatim ih potpuno izostane sat vremena. Dotok krvi u mozak smanjen je za oko 90%. Običan čovjek ne može preživjeti ništa slično ovome. Nije u stanju ni postati poput medvjeda, čija temperatura tijekom hibernacije prilično padne - s 37 na 34-31 stupanj. Tih tri do pet stupnjeva bilo bi nam dovoljno: tijelo bi se izborilo za pravo da održi otkucaje srca, ritam disanja i uspostavi normalnu tjelesnu temperaturu još nekoliko sati, ali kad ponestane energetskih resursa, smrt je neizbježna.
dlakavi krumpir
Znate li kako gopher izgleda kad spava? pita Zarif Amirkhanov, viši istraživač na Institutu za biofiziku stanice. “Kao krumpir iz podruma. Tvrdo i hladno. Samo krzneni.
U međuvremenu, gopher izgleda kao gopher - veselo gricka sjemenke. Nije lako zamisliti da bi ovo veselo stvorenje odjednom bez razloga moglo pasti u stupor i tako provesti veći dio godine, a onda opet bez ikakvog razloga “ispasti” iz tog stupora.
Jedna od misterija hipobioze je da je životinja prilično sposobna sama regulirati svoje stanje. Za to uopće nije potrebna promjena temperature okoline - lemuri s Madagaskara padaju u zimski san. Jednom godišnje pronađu šupljinu, začepe ulaz i idu u krevet na sedam mjeseci, spuštajući tjelesnu temperaturu na +10 stupnjeva. A na ulici u isto vrijeme sve iste +30. Neke prizemne vjeverice, na primjer turkestanske, također mogu hibernirati na vrućini. Nije toliko važna temperatura okolo, koliko unutarnji metabolizam: brzina metabolizma pada za 60-70%.
“Vidite, ovo je potpuno drugačije stanje tijela”, kaže Zarif. – Padovi tjelesne temperature nisu uzrok, već posljedica. Aktivira se još jedan regulatorni mehanizam. Funkcije desetaka proteina se mijenjaju, stanice se prestaju dijeliti, općenito, tijelo se potpuno obnovi za nekoliko sati. A onda se u istih nekoliko sati ponovo izgradi. Nema vanjskih utjecaja.
Drva i peć
Jedinstvenost hibernacije je da se životinja može prvo ohladiti, a zatim zagrijati bez vanjske pomoći. Pitanje je kako?
"Vrlo je jednostavno", kaže Lyudmila Kramarova. “Smeđe masno tkivo, jeste li čuli?
Sve toplokrvne životinje, uključujući i ljude, imaju ovo tajanstveno smeđe salo. Štoviše, kod dojenčadi je mnogo više nego kod odrasle osobe. Dugo je vremena njegova uloga u tijelu bila općenito neshvatljiva. Zapravo, postoji obična mast, zašto također smeđa?
– Dakle, pokazalo se da smeđa mast igra ulogu peći, – objašnjava Lyudmila, – a bijela mast je samo drvo za ogrjev.
Smeđa mast može zagrijati tijelo od 0 do 15 stupnjeva. A onda se u rad uključuju i druge tkanine. Ali samo zato što smo pronašli štednjak ne znači da smo smislili kako da radi.
"Mora postojati nešto što uključuje ovaj mehanizam", kaže Zarif. – Mijenja se rad cijelog organizma, što znači da postoji određeni centar koji sve to kontrolira i pokreće.
Aristotel je ostavio proučavanje hibernacije. Ne može se reći da znanost radi samo to već 2500 godina. Ozbiljno se ovaj problem počeo razmatrati tek prije 50 godina. Glavno pitanje je: što u tijelu pokreće mehanizam hibernacije? Ako ga pronađemo, shvatit ćemo kako radi, a ako shvatimo kako radi, naučit ćemo kako kod nespavača izazvati zimski san. Idealno, uz vas smo. To je logika znanosti. Međutim, s hipobiozom normalna logika nije funkcionirala.
Sve je počelo od kraja. Godine 1952. njemački istraživač Kroll objavio je rezultate senzacionalnog eksperimenta. Unošenjem ekstrakta mozga uspavanih hrčaka, ježeva i šišmiša u tijelo mačaka i pasa izazvao je stanje hipobioze kod neuspavanih životinja. Kada se problem počeo pobliže baviti, pokazalo se da faktor hipobioze nije sadržan samo u mozgu, već općenito u bilo kojem organu životinje koja hibernira. Štakori su poslušno hibernirali ako su im ubrizgali krvnu plazmu, želučane ekstrakte, pa čak i samo urin usnulih vjeverica. Od čaše urina gofa zaspali su i majmuni. Učinak se dosljedno reproducira. Međutim, kategorički se odbija reproducirati u svim pokušajima izolacije određene tvari: urin ili krv uzrokuju hipobiozu, ali njihove komponente zasebno ne. Niti tetuljama, niti lemurima, niti općenito bilo kojem od hibernatora u tijelu nije pronađeno ništa po čemu bi se razlikovali od svih ostalih.
Potraga za faktorom hipobioze traje već 50 godina, ali rezultat je gotovo nula. Nisu pronađeni geni odgovorni za zimski san niti tvari koje ga uzrokuju. Nije jasno koji je organ odgovoran za ovo stanje. U raznim su eksperimentima na popisu “osumnjičenih” bile i nadbubrežne žlijezde, i hipofiza, i hipotalamus, i štitnjača, ali se svaki put pokazalo da su oni samo sudionici procesa, ali ne i njegovi inicijatori.
"Jasno je da daleko od cijelog niza tvari koje se nalaze u ovoj prljavoj frakciji nije učinkovit", kaže Lyudmila Kramarova. — Pa makar samo zato što ih i mi uglavnom imamo. Proučavane su tisuće proteina i peptida koji su odgovorni za naš život s vjevericama. Ali nijedan od njih – barem izravno – nije povezan sa hibernacijom.
Točno je utvrđeno da se u tijelu uspavanog gofa mijenja samo koncentracija tvari, ali da li se tu stvara nešto novo, još uvijek nije poznato. Što znanstvenici napreduju, to su skloniji misliti da problem nije tajanstveni “faktor spavanja”.
"Najvjerojatnije je riječ o složenom slijedu biokemijskih događaja", kaže Kramarova. – Možda djeluje koktel, odnosno mješavina određenog broja tvari u određenoj koncentraciji. Možda je kaskada. To jest, dosljedan učinak niza tvari. Štoviše, najvjerojatnije su to odavno poznati proteini koje svi imaju.
Ispostavilo se da je hibernacija jednadžba sa svim poznatim. Što je jednostavnije, to ga je teže riješiti.
Potpuni kaos
Sa sposobnošću hibernacije priroda je napravila potpunu zbrku. Hranjenje beba mlijekom, polaganje jaja, održavanje konstantne tjelesne temperature – te su kvalitete uredno obješene na granama evolucijskog stabla. A hipobioza se može jasno očitovati u jednoj vrsti i istovremeno biti potpuno odsutna u najbližem srodniku. Na primjer, svisci i vjeverice iz obitelji vjeverica spavaju u svojim kunama šest mjeseci. A same vjeverice ne misle zaspati ni u najtežoj zimi. Ali neki šišmiši (šišmiši), kukcojedi (ježevi), tobolčari i primati (lemuri) padaju u zimski san. Ali oni čak nisu ni drugi rođaci gofovima.
Neke ptice, gmazovi, insekti spavaju. Općenito, nije baš jasno na temelju čega je priroda izabrala njih, a ne druge, za hibernatore. I je li izabrala? Čak i one vrste koje uopće nisu upoznate sa hibernacijom, pod određenim uvjetima lako pogode o čemu se radi. Na primjer, crnorepi prerijski pas (obitelj glodavaca) zaspi u laboratorijskom okruženju ako mu se uskrati voda i hrana i stavi u tamnu, hladnu prostoriju.
Čini se da se logika prirode temelji upravo na ovome: ako vrsta mora preživjeti sezonu gladovanja da bi preživjela, u rezervi ima opciju s hipobiozom.
“Čini se da imamo posla s drevnim mehanizmom regulacije, koji je svojstven svakom živom biću općenito”, razmišlja Zarif naglas. – I to nas navodi na paradoksalnu misao: nije čudno da gofovi spavaju. Čudno je to što mi sami ne spavamo zimski san. Možda bismo bili sasvim sposobni za hipobiozu da se sve u evoluciji razvijalo pravocrtno, odnosno po principu dodavanja novih kvaliteta uz zadržavanje starih.
Međutim, prema znanstvenicima, osoba u odnosu na hibernaciju nije sasvim beznadna. Australski Aboridžini, ronioci bisera, indijski jogiji mogu minimizirati fiziološke funkcije tijela. Neka se ova vještina postigne dugim treningom, ali se postiže! Do sada nijedan znanstvenik nije uspio staviti osobu u potpunu hibernaciju. Narkoza, letargični san, koma su stanja bliska hipobiozi, ali imaju drugačiju osnovu, te se percipiraju kao patologija.
Eksperimenti za uvođenje osobe u zimski san uskoro će početi ukrajinski liječnici. Metoda koju su razvili temelji se na dva faktora: visokim razinama ugljičnog dioksida u zraku i niskim temperaturama. Možda nam ovi eksperimenti neće omogućiti da u potpunosti razumijemo prirodu hibernacije, ali barem pretvoriti hipobiozu u punopravni klinički postupak.
Pacijent poslan na spavanje
U vrijeme hibernacije, gopher se ne boji ne samo hladnoće, već i glavnih bolesti gophera: ishemije, infekcija i onkoloških bolesti. Od kuge budna životinja ugine za jedan dan, a ako je zaražena u pospanom stanju, nije joj svejedno. Postoje ogromne mogućnosti za liječnike. Ista anestezija nije najugodnije stanje za tijelo. Zašto ga ne zamijeniti prirodnijim hibernacijom?
Zamislite situaciju: pacijent je na rubu života i smrti, sat broji. I često ti sati nisu dovoljni za operaciju ili pronalazak donora. A u hibernaciji se gotovo svaka bolest razvija kao u usporenom snimku, a ne govorimo više o satima, već o danima, pa čak i tjednima. Ako date mašti na volju, možete zamisliti kako su beznadni pacijenti uronjeni u stanje hipobioze u nadi da će se jednog dana naći sredstva potrebna za njihovo liječenje. Firme koje se bave krionikom rade nešto slično, samo što smrzavaju već mrtvu osobu, a organizam koji je deset godina ležao u tekućem dušiku teško je realno obnoviti.
Mehanizam hibernacije može pomoći u razumijevanju raznih bolesti. Na primjer, bugarski znanstvenik Veselin Denkov u svojoj knjizi “Na rubu života” predlaže da se obrati pozornost na biokemiju uspavanog medvjeda: “Ako znanstvenici uspiju dobiti u čistom obliku tvar (vjerojatno hormon) koja ulazi u tijelo, iz hipotalamusa medvjeda, uz pomoć kojeg se tijekom zimskog sna reguliraju životni procesi, tada će moći uspješno liječiti oboljele od bubrežnih bolesti.
Do sada su liječnici vrlo oprezni prema ideji korištenja hibernacije. Ipak, opasno je baviti se fenomenom koji nije u potpunosti shvaćen.