Hibernacja

W leżącej za kołem podbiegunowym tundrze ciężko szukać drzew czy jakiejkolwiek wysokiej roślinności. Skrajnie krótki okres wegetacyjny i niskie temperatury sprawiają, że olbrzymie połacie terenu pokryte są co najwyżej niewielkimi krzewami, a w zdecydowanej większości jedynie trawami, mchami i porostami. Nic dziwnego, skoro lato jest nie tylko krótkie, ale i chłodne, a zimą temperatura spada nawet do –50°C. W cieplejszych miesiącach wprawnemu obserwatorowi uda się od czasu do czasu dostrzec przemykających pomiędzy skałami i kępami traw właścicieli nakrapianych beżowych futer. To susłogony arktyczne – kuzyni wiewiórek zamieszkujący północne obszary Ameryki Północnej i Rosji. Sympatyczne gryzonie myszkują pośród niskiej roślinności jedynie przez cztery najcieplejsze miesiące. Pozostałą część roku, kiedy temperatury są najniższe, a pożywienie praktycznie niedostępne, spędzają w hibernacji. Spośród wszystkich strategii na przetrwanie zimy ta jest bodaj najbardziej fascynująca. W legowiskach znajdujących się pomiędzy przypominającą beton wieczną zmarzliną a grubą warstwą śniegu temperatura może spadać do –20°C. W tym samym czasie temperatura ciała hibernujących susłogonów obniża się z 37°C do –3°C. Ich krew i inne płyny ustrojowe, pomimo że mają temperaturę niższą niż temperatura zamarzania, pozostają płynne. Fizycy nazywają takie płyny cieczami przechłodzonymi. Dla susłogonów wykorzystanie tego zjawiska jest z jednej strony zbawienne, a z drugiej – nie mniej śmiertelnie niebezpieczne niż życie na arktycznym mrozie. Ich krew może zamienić się w zabójczy lód w mgnieniu oka, wystarczy przypadkowe dotknięcie ich schłodzonego ciała lub defekt molekularnej maszynerii pod skórą. Mimo tego ryzyka każdego roku tysiące susłogonów budzą się do życia, by w ciągu czterech miesięcy przygotować się do kolejnej hibernacji podczas arktycznej zimy.

Hibernatorzy

Żyjące na dalekiej północy susłogony nie są jedynymi zwierzętami, które wykorzystują hibernację do przetrwania ciężkich miesięcy. Pierwszym przykładem takiego zwierzęcia, który przychodzi do głowy zapewne większości czytelników, są niedźwiedzie. W ten sposób spędzają one zimy na półkuli północnej: nie budząc się, nie jedząc ani nie załatwiając. Co więcej, hibernujące niedźwiedzice nawet rodzą młode. W zimowy sen zapadają gryzonie, jeże, niektóre gatunki ptaków, nietoperze czy kolczatki. Hibernuje również wiele gatunków zmiennocieplnych – niektóre płazy, gady, a nawet ryby. Panująca przez lata opinia, że naczelne nie hibernują, została obalona, gdy w dziuplach drzew porastających Madagaskar odkryto hibernujące lemurki z gatunku Cheirogaleus medius. To odkrycie zadało również kłam innemu przeświadczeniu: że hibernacja służy jedynie przetrwaniu srogich zim. Pomimo że termin „hibernacja” wywodzi się od łacińskiego wyrażenia oznaczającego „spędzanie zimy”, to ciężko posądzać lemury o zmaganie się z mrozem, gdy temperatura otoczenia przekracza 30°C.

Skoro hibernacja nie jest jedynie ekskluzywnym sposobem na przetrwanie chłodu, to jaki jest jej cel? Najprościej można by go ująć jako metoda na bardzo efektywne oszczędzanie energii. To strategia przydatna zarówno na dalekiej północy, gdzie w zimie zdobycie pożywienia staje się niemożliwe, ale i w gorącym klimacie, gdy przez część roku jadalne owoce nie są jeszcze dojrzałe i łatwo dostępne. Dodatkowym wytłumaczeniem może być fakt, że szanse na zostanie upolowanym są zdecydowanie mniejsze, gdy jest się nieaktywnym przez sporą część roku.

Sekwencja zmian fizjologicznych zaczyna się na długo przed zapadnięciem w zimowy sen. Do tej pory nie udało się zidentyfikować jednego czynnika hibernacji, w pełni odpowiedzialnego za rozpoczęcie tego procesu. Wiemy jednak, że jest on kontrolowany przez układ hormonalny. Aktywność tarczycy oraz przysadki mózgowej wraz ze zmianami w poziomie insuliny powoli przygotowują zwierzę do długiego odpoczynku. Zwierzęta jedzą wtedy więcej niż zwykle, a ich organizmy przestawiają się na tryb jak najwydajniejszego magazynowania tłuszczu. W odpowiednim czasie układają się w swoim schronieniu i powoli przełączają w stan spoczynku: spada aktywność mózgu, serce bije coraz wolniej, oddechy stają się bardzo rzadkie, a tempo metabolizmu ogranicza się do zaledwie ułamka swojej normalnej wartości. Kiedy zwierzęta osiągną stan letargu, wyłączone zostają nawet przemiany komórkowe.

Jak ochronić ciało

Tak dramatyczne zmiany nie byłyby możliwe bez daleko idących adaptacji. Szczególnie że hibernujące zwierzę po kilku miesiącach musi się obudzić i rozpocząć zwyczajną aktywność, więc tkanki i organy muszą pozostać w pełni sprawne. Zwierzęta wchodzą w ten stan, po prostu zasypiając. Badania aktywności fal mózgowych pokazały, że osiągają one stan letargu poprzez sen z wolnymi falami mózgowymi, co prowadzi również do obniżenia temperatury ciała. Normalnie u zwierząt podczas snu ciepłotę ciała na odpowiednim poziomie utrzymują nawracające fazy REM, kiedy to wraz z szybkimi ruchami gałek ocznych podnosi się również tempo metabolizmu. Hibernujące osobniki zaś po prostu eliminują kompletnie tę fazę ze snu, czyli nic nie podgrzewa ich ciał. Spada u nich amplituda fal mózgowych, by w momencie, gdy temperatura ciała zejdzie poniżej 20°C, zaniknąć zupełnie. Ale nawet w tym pozornym stanie śmierci mózgu jego funkcje nie ustają. Hibernujące zwierzęta od czasu do czasu wykonują powolne ruchy, poprawiają pozycję, a nawet wydają dźwięki. Nie ustają również podstawowe funkcje pnia mózgu i podwzgórza, odpowiedzialne za podtrzymywanie funkcji życiowych, takich jak oddychanie. Niewielka populacja neuronów w mózgu kontroluje upływ czasu i rytmy dobowe.

Zmiany w pracy układu krążeniowo-oddechowego są jednymi z najbardziej dramatycznych i jednocześnie najłatwiejszych do obserwacji w trakcie hibernacji. Częstotliwość uderzeń serca spada wtedy nawet do trzech na minutę. A zmiana jest jeszcze bardziej spektakularna, jeśli weźmie się pod uwagę, że u wielu zwierząt podczas normalnej aktywności serce bije nawet 400 razy na minutę. Spada również tempo oddychania. Hibernujące osobniki wykonują kilka oddechów, po czym nawet przez kilka minut pozostają na bezdechu. Wszystko to prowadzi do spadku ciśnienia krwi i krążenia mózgowego do poziomu, który dla każdego innego zwierzęcia oznaczałby po prostu pewną śmierć.

Zmiany zachodzą także we krwi. Zmniejsza się jej objętość, krzepnięcie zajmuje więcej czasu, a liczba erytrocytów i białych krwinek spada. Szczególne znaczenie ma zmniejszenie liczby białych krwinek, odpowiedzialnych za obronę organizmu przed patogenami. Mogłoby się wydawać, że podczas długotrwałej hibernacji obrona przed patogenami jest szczególnie istotna, ale nic bardziej mylnego. To właśnie brak aktywności zabezpiecza przed atakiem mikroorganizmów, a wysoki poziom leukocytów doprowadziłby do silnej reakcji zapalnej i stanu podobnego do wylewu krwi do mózgu lub poważnych urazów głowy.

Chociaż temperatura ciała takich zwierząt często spada do temperatury otoczenia, to i tak jest ciągle kontrolowana i regulowana. Ich organizmy regularnie włączają się i wyłączają. Niemal 80% energii zmagazynowanej w cieplejszych porach roku zostaje zużyte na regularne budzenie się, ogrzewanie organizmu i ponowne chłodzenie. Powód takiego zaskakującego zachowania do dziś pozostaje zagadką. Część gatunków na czas hibernacji magazynuje zapasy jedzenia, które spożywa w trakcie tych krótkich okresów aktywności, inne – jak nietoperze – wykorzystują je, by zaspokoić pragnienie. Ale są i takie, które wciąż przechodzą cykle hibernacji i aktywności, choć nic wtedy nie spożywają i nadal pozostają w ukryciu. Na początku chwilowego pobudzenia konsumpcja tlenu wzrasta powoli, by po godzinie osiągnąć poziom jak podczas skrajnego wysiłku – wtedy w ciągu niespełna 3 godz. temperatura ciała wzrasta o ponad 20°C. Część gatunków do podniesienia temperatury ciała wykorzystuje dreszcze. Inne generują ciepło w służącej do tego brązowej tkance tłuszczowej. Przyspieszają też inne układy organizmu, serce zaczyna bić szybciej, oddech wraca do normy, po czym po kilku godzinach bądź dniach zwierzę ponownie zapada w stan odrętwienia i hibernacji.

Nawet przy tak niewielkiej aktywności w organizmie wciąż powstają szkodliwe produkty przemiany materii. Spalając zmagazynowane zapasy tłuszczu, komórki produkują mocznik, będący składnikiem moczu. Hibernujące zwierzęta jednak nie załatwiają się, więc z nadmiarem tej substancji muszą poradzić sobie w inny sposób. Niedźwiedzie np. dysponują specjalnym zestawem enzymów przetwarzających mocznik w potrzebne aminokwasy, które są składnikami białek budujących ich ciała.

Te wszystkie dramatyczne zmiany nie pozostają bez wpływu na funkcjonowanie wszystkich komórek organizmu. Obniżenie aktywności metabolicznej do zaledwie kilku procent jej standardowej wartości wymaga daleko idących zmian również od komórek. Muszą one przetrwać nie tylko praktycznie bez tlenu, ale również w bardzo niskich temperaturach. By zabezpieczyć się przed zgubnym wpływem zimna, na czas hibernacji komórki modyfikują swoje błony komórkowe, wbudowując w nie więcej odpornych na zimno lipidów. Komórki muszą również uważać na to, co dzieje się w nich samych. Szczególnie podczas regularnych faz pobudzenia, kiedy w wyniku przyspieszającego w szalonym tempie metabolizmu w ich wnętrzu powstają wolne rodniki. Te cząsteczki mają jeden niesparowany elektron, co sprawia, że wręcz pożądają wejścia w reakcję z dosłownie czymkolwiek. Ale komórki, oczywiście, zabezpieczają się przed tym, magazynując duże ilości przeciwutleniaczy, wyłapujących wolne rodniki, zanim te zdążą narobić poważnych szkód.

Zmienia się również rozmieszczenie komórkowych organelli, a zużywające dużo energii zostają po prostu wyłączone. Zahamowana zostaje także praktycznie cała aktywność związana z transkrypcją genów czy produkcją białek.

Hibernacja w antropocenie

Działania każdego z nas mogą zagrozić hibernującym zwierzętom z najróżniejszych zakątków świata. Niektóre z nich są bezpośrednio zagrożone postępującym ociepleniem klimatu i rozprzestrzeniającymi się w straszliwym tempie obcymi patogenami. Żyjące w wysokich górach gatunki nie wyemigrują ot tak po prostu na inne – chłodniejsze – szerokości geograficzne. Mogą co najwyżej starać się zimować jeszcze wyżej, ale przecież i ta metoda ma swój kres. Łagodniejsze zimy powodują, że dawniej wykorzystywane do hibernacji tereny nie są już odpowiednie, a poza tym mogą się na nich pojawić inne zwierzęta, które wcześniej nie byłyby w stanie tam przetrwać. Stwarza to poważną konkurencję dla hibernujących gatunków, ale i wyższe ryzyko stania się łatwym obiadem dla niespotykanych w danym ekosystemie wcześniej drapieżników.

Nowe i rozprzestrzeniające się dzięki podróżom lotniczym w błyskawicznym tempie patogeny również stanowią dla hibernujących gatunków poważne zagrożenie. Uśpiony układ immunologiczny nie jest w stanie zareagować na nowe zakażenia. A już na pewno nie na takie, które pojawiają się znienacka i przed którymi ewolucja nie zdołała jeszcze stworzyć mechanizmów obronnych. Jednym z najdramatyczniejszych przykładów takiego zagrożenia jest tzw. zespół białego nosa u nietoperzy z Ameryki Północnej. Swoją nazwę zawdzięcza patologicznemu białemu nalotowi, pojawiającemu się na nosach hibernujących zwierząt. Głównym winowajcą jest grzyb Geomyces destructans, który zmienia zachowanie nietoperzy. Naukowcy podejrzewają, że przybył on do amerykańskich jaskiń z Europy, prawdopodobnie na ubraniu miłośnika speleologii. Na naszym kontynencie grzyb występował od wieków i zwierzęta miały czas na wytworzenie przed nim mechanizmów obronnych. Będąc patogenem oportunistycznym, grzyb atakuje tu jedynie słabe i chore zwierzęta. W Ameryce zaś od 2012 r. zabił niemal 10 mln nietoperzy; w niektórych jaskiniach liczebność tych latających ssaków spadła o 90%. Nie ulega wątpliwości, że podobne patogeny w przyszłości mogą zagrozić populacjom innych hibernujących zwierząt.

Hibernacja a ludzie

Któż z nas, czytając „2001: Odyseję kosmiczną” lub oglądając „Obcego”, nie pomyślał, że przetrwanie wieloletniej podróży na odległe rubieże Galaktyki w przeszklonej komorze jest genialnym pomysłem? Niestety, w sferze marzeń pozostają nadal nie tylko podróże poza orbitę naszej planety, ale i hibernacja. Choć część naukowców już pracuje nad hibernacją ludzi, pomocną jednak w sytuacjach wymagających medycznych interwencji.

Jeżeli okazałoby się, że dzielimy szlaki sygnałowe i białka z hibernującymi zwierzętami, to być może, dzięki odpowiednim substancjom, udałoby się je zmienić i tym samym wprowadzić człowieka w stan hibernacji. Lekarze i naukowcy od dawna postulowali, że taka procedura mogłaby pomóc ofiarom wypadków czy wylewów. Medycy mieliby wówczas więcej czasu na przeprowadzenie skomplikowanych operacji bez poważnych konsekwencji dla pacjenta związanych z upływem czasu.

Jak już wiemy, hibernacja to proces angażujący cały organizm. Dokładne poznanie mechanizmów nią zawiadujących nie musi od razu oznaczać zamykania ludzi w komorach rodem z SF. Zastosowanie niektórych procesów może przynieść wiele korzyści w medycynie. Na przykład tych, które podczas hibernacji kontrolują pozyskiwanie energii wyłącznie z tkanki tłuszczowej. Rozpoznanie ich mogłoby pomóc w walce z otyłością. A mechanizmy chroniące kości i mięśnie przed atrofią, czyli zużyciem do produkcji energii i zanikiem, mogłyby pomóc chorym pozostającym w długotrwałej śpiączce bądź paraliżu. Obserwowana podczas hibernacji odporność na niedotlenienie tkanek stanowi punkt wyjścia w terapiach mogących zmniejszyć powikłania po udarze mózgu. Natomiast zrozumienie molekularnych podstaw ochrony mięśnia sercowego podczas hibernacji może podsunąć pomysły na ochronę i leczenie tego organu. Odkrycie dróg, jakimi organizm hibernujących zwierząt chroni organy przed degeneracją podczas długich okresów znikomej aktywności, może mieć kardynalne znaczenie dla transplantologii. Lepsza ochrona i zachowanie funkcji pobranych organów mogłoby doprowadzić do powstania banków narządów, podobnych do banków krwi, a w konsekwencji uratować wielu ludzi.

Wreszcie, mogłoby się spełnić, przynajmniej częściowo, prastare marzenie ludzi o wiecznym życiu. Badania na nicieniach sugerują, że pozostawanie w stanie hibernacji naprawdę przedłuża życie. Ludzi i nicienie dzieli jednak całkiem sporo, dlatego naukowcy obecnie skupiają się raczej na zaspokojeniu swej ciekawości i wykorzystaniu tej wiedzy do zastosowań ratujących, a nie przedłużających życie.

Jakub Zimoch
Uniwersytet w Zurychu

***

Ewolucja hibernacji

Fascynacja hibernacją nie przełożyła się jeszcze na spójną teorię opisującą jej powstanie. Cóż, ciężko oczekiwać, by zostawiła po sobie jakieś skamieniałości. Naukowcom nie pozostaje więc nic innego jak dedukcja Sherlocka Holmesa i techniki molekularne. Hibernują zarówno gatunki ptaków, jak i ssaków, co mogłoby sugerować, że zdolność ta została odziedziczona po gadzich przodkach. Jednak o ile spośród naszych współbraci hibernują gatunki stare ewolucyjnie, bliższe prehistorycznym gadom, o tyle u ptaków zimę w ten sposób spędzają gatunki, które pojawiły się w historii życia na Ziemi zdecydowanie później. Co więcej, stany podobne do letargu i hibernacji udało się zaobserwować u tak prostych organizmów jak wykorzystywany na wszelkie sposoby nicień Caenorhabditis elegans. Wynika z tego, że hibernacja nie jest kompletnie nowym wytworem ewolucji, ale raczej kreatywnym wykorzystaniem już istniejących mechanizmów. W ten sposób zmiana ekspresji starych ewolucyjnie genów i wyregulowanie szlaków sygnałowych doprowadziły do powstania ciekawego sposobu na przetrwanie ciężkich pór roku.