Selama enam hingga lapan bulan setiap tahun, tiga belas tupai tanah bergaris tidak meninggalkan sarang bawah tanah mereka yang kecil. Di bawah padang rumput Amerika Utara, mereka menunggu musim sejuk dalam hibernasi, tanpa sebarang bekalan makanan atau sumber air. Selama ini mereka tidak makan dan minum. Sedikit demi sedikit, saintis merungkai misteri bagaimana dan mengapa.
Menurut kajian yang diterbitkan pada 28 November dalam jurnal, kawasan tertentu otak yang terlibat dalam kehausan sangat ditindas dalam hibernasi tupai tanah, walaupun semasa tempoh selang ketika tikus aktif. Sains. Digabungkan dengan keputusan sebelumnya dari kumpulan makmal yang sama, kajian baharu itu menjelaskan strategi melampau mamalia untuk kekal di bawah tanah untuk sekian lama.
Dalam kebanyakan kes, kita menganggap dahaga sebagai penyesuaian utama untuk terus hidup. Kita (dan semua mamalia) memerlukan air untuk peredaran, fungsi selular, penyingkiran bahan buangan, pengawalan suhu badan dan banyak lagi. Apabila kepekatan ion dalam darah anda mencapai titik kritikal, apabila jumlah darah anda menjadi terlalu rendah, atau apabila buah pinggang anda mula bekerja terlalu banyak, hormon dan isyarat lain menyebabkan Brian anda berasa dahaga. Anda minum air dan keseimbangan dipulihkan.
Tetapi bagi seekor tupai berbulu coklat yang cuba bertahan di kawasan ajaib musim sejuk putih, dorongan untuk meninggalkan sarangnya dan mencari air dengan mudah boleh menjadi hukuman mati. “Ini akan meningkatkan risiko pemangsa, ” kata Elena Gracheva, pengarang kanan kajian dan profesor fisiologi selular dan molekul dan neurobiologi di Universiti Yale. Sudah tentu, terdapat sejuk, yang dengan sendirinya menimbulkan ancaman. Walau bagaimanapun, pemangsa lapar yang berkeliaran di permukaan dunia berkemungkinan besar akan menimbulkan risiko yang paling besar, dan pastikan anda menembak mana-mana gophers yang membuat kesilapan dengan meninggalkan sarang semasa musim sejuk yang kurus apabila mangsa hampir terhad dan tiada tempat untuk bersembunyi. “Kami tidak tahu pasti,” kata Gracheva, “tetapi kami telah sampai kepada penjelasan logik ini.”
Oleh itu, menghilangkan dahaga menjadi cara yang berlawanan dengan intuitif untuk terus hidup, walaupun tupai sangat menyukai minuman.
Penyelidikan sebelum ini oleh Gracheva dan rakan-rakannya telah menunjukkan bahawa tupai berhibernasi mengekalkan kepekatan ion seperti garam dalam darah pada paras yang tetap, hampir sama dengan tupai aktif, dengan memulihara air dan mengasingkan ion di bahagian lain badan. . Hormon seperti oxytocin dan vasopressin menggalakkan pengumpulan cecair dan bertindak sebagai antidiuretik untuk menyekat kencing. Kawasan otak yang bertanggungjawab untuk menghasilkan hormon ini kekal sangat aktif semasa hibernasi, walaupun suhu badan tupai rendah.
Walau bagaimanapun, mekanisme fisiologi ini tidak mencukupi untuk menjelaskan sepenuhnya kekurangan dahaga. Isyarat lain yang menyebabkan dahaga, seperti hormon yang dikaitkan dengan tekanan buah pinggang dan jumlah darah yang rendah, masih beredar dalam badan mamalia, yang mengikut semua langkah standard memerlukan cecair. Walau bagaimanapun, walaupun tupai aktif semasa hibernasi dan ditawarkan air, mereka mengelakkannya, menurut satu kajian baru.
Pertama, beberapa penjelasan: hibernasi bukanlah tidur, ia adalah sesuatu yang sama sekali berbeza. Dalam beberapa minggu, gopher yang berhibernasi mengurangkan kadar metabolisme mereka dengan ketara dan hampir mati beku. Suhu badan mereka turun kepada 2–4 darjah Celsius (35.6–39.2 Fahrenheit) dan mereka berada dalam sejenis keadaan fisiologi yang dipanggil mati rasa. Semasa bulan hibernasi, tempoh 2-3 minggu kelesuan ini silih berganti dengan satu atau dua hari keterujaan. Tiba-tiba tupai menjadi aktif dan suhu badannya kembali normal. Tetapi bagaimanapun, mereka tidak meninggalkan lubang, tidak makan atau minum. Tempoh aktif ini dianggap penting sebahagiannya kerana protein hibernasi sebenarnya Mungkin tidur, membuang toksin dan mengekalkan pengoksigenan sistem kardiovaskular,” kata Gracheva.
[ Related: Are any animals truly ‘immortal’? These creatures defy biological time. ]
Untuk menentukan sebab tupai tidak berasa dahaga atau mencari air semasa pergolakan, Gracheva dan rakan-rakannya menjalankan beberapa siri eksperimen tingkah laku dan molekul. Mereka mula-mula menawarkan air tupai tidur atau larutan garam semasa tempoh terjaga pada pertengahan hibernasi. Mereka mendapati bahawa protein berminat dalam larutan garam pekat, bukan air. Ini menunjukkan bahawa haiwan itu mengalami beberapa isyarat dalaman tentang keadaan kekurangan mereka dan berpotensi mengidam garam sebagai cara untuk meningkatkan jumlah darah mereka tanpa mengurangkan tahap ion. “Ia adalah prinsip yang sama seperti Gatorade, ” kata Madeleine Junkins, pengarang utama kajian dan penyelidik neurosains di Universiti Yale. Jika anda mengalami dehidrasi teruk, anda tidak boleh minum air kosong kerana ini boleh mencairkan ion kritikal dalam badan anda di bawah paras selamat.
Walau bagaimanapun, tidak seperti atlet manusia, mamalia hibernasi yang meminum Gatorade kepada tupai nampaknya tidak mengidam air juga. “Kami tahu bahawa selera makan dan dahaga natrium berlaku di bahagian otak yang berlainan, jadi kami meramalkan bahawa mungkin penindasan dahaga ini akan dikaitkan dengan penurunan aktiviti neuron di otak.” [certain] kawasan otak, “jelas Junkins.
Untuk meneroka idea ini dengan lebih lanjut, dia dan rakan sekerjanya melihat dengan lebih dekat otak tupai, mengkaji ekspresi protein, aktiviti neuron, dan tindak balas neuron terpencil terhadap hormon penggerak dahaga tertentu dalam beberapa tupai merentasi beberapa ujian. Mereka mendapati bahawa dalam hidangan petri, neuron di bahagian otak yang menyebabkan kehausan masih menyala sebagai tindak balas kepada hormon yang sesuai (tetapi tidak kepada sebarang isyarat lain). Terdapat perbezaan dalam sifat elektrik neuron, tetapi tidak dalam tindak balasnya terhadap hormon dahaga. Apabila menilai seluruh otak, aktiviti neuron ditindas. Ini menunjukkan bahawa neuron itu sendiri mengekalkan keupayaan untuk bertindak balas terhadap isyarat dahaga semasa hibernasi, tetapi sesuatu sentiasa berlaku di otak yang menyekat tindak balas mereka. Kemungkinan, Junkins mencadangkan, isyarat perencatan memainkan peranan. Untuk meneroka idea ini dengan lebih lanjut, dia dan rakan sekerjanya melihat dengan lebih dekat otak tupai, mengkaji ekspresi protein, aktiviti neuron, dan tindak balas neuron terpencil terhadap hormon penggerak dahaga tertentu dalam beberapa tupai merentasi beberapa ujian. Mereka mendapati bahawa walaupun dalam hidangan petri, neuron dari bahagian otak yang menyebabkan dahaga masih dipecat sebagai tindak balas kepada hormon yang sesuai (tetapi tidak kepada sebarang isyarat lain). Tetapi apabila seluruh otak dinilai, aktiviti neuron ditindas. Ini menunjukkan bahawa neuron kehausan itu sendiri secara relatifnya tidak berubah semasa hibernasi, dan sesuatu sentiasa berlaku di dalam otak yang menyekat tindak balas mereka terhadap sebatian dan isyarat yang menyebabkan dahaga. Kemungkinan, Junkins mencadangkan, bahawa isyarat perencatan memainkan peranan.
Namun, masih banyak persoalan. Gophers ialah organisma model yang kurang dikaji. Oleh itu, genom dan neuron mereka kurang dipetakan. Para penyelidik tidak dapat melakukan ujian seperti mengaktifkan atau menghalang neuron individu untuk melihat bagaimana ia mungkin mengubah tingkah laku, yang mungkin berlaku dalam subjek seperti tikus atau tikus, nota Gracheva. “Kami sedang mengusahakannya, dan saya fikir dalam dua atau tiga tahun kami akan dapat menggunakan alat yang serupa,” katanya, “tetapi pada masa ini mereka masih dalam kegelapan tentang spesifik kawasan otak yang mereka gunakan. saya berhenti.
Selain itu, hibernasi kurang difahami pada peringkat molekul dan selular. Terdapat banyak kajian tingkah laku, tetapi sedikit kerja yang mengkaji fungsi dalaman terperinci mamalia hibernasi, terutamanya pengurusan air. “Saya rasa kita orang pertama yang benar-benar melihat [thirst during hibernation] dari sudut pandangan fisiologi, “kata Gracheva. Dia dan rakan sekerjanya juga sedang mengkaji isyarat kelaparan dan aspek lain strategi kelangsungan hidup tupai tanah dalam keadaan musim sejuk yang melampau—contohnya, bagaimana haiwan itu mengetahui masa untuk berhibernasi tanpa cahaya atau suhu.
[ Related: Why do birds migrate? Scientists have a few major theories. ]
Bagaimanapun, dia percaya bahawa satu hari penyelidikan itu boleh membawa kepada beberapa penemuan berguna.
“Kami adalah makmal berdasarkan rasa ingin tahu,” kata Gracheva. Mereka tidak bekerja secara langsung pada mana-mana aplikasi klinikal, dan kegembiraan memahami biologi haiwan adalah motivasi yang cukup dengan sendirinya. “Saya berasa sangat bersemangat bahawa setiap haiwan adalah menakjubkan dan mempunyai sesuatu untuk diajar kepada kami. Terdapat begitu banyak cara yang berbeza untuk terus hidup dan begitu banyak strategi yang berbeza di dunia sehingga ia sangat menarik,” kata Junkins.
Walau bagaimanapun, kajian tentang hibernasi mempunyai potensi aplikasi yang luas jika kita dapat memikirkan cara menerapkan pengajaran tupai kepada diri kita sendiri. Ini boleh meningkatkan pemindahan atau pembedahan jantung terbuka, yang bergantung pada hipotermia buatan sementara untuk pesakit, nota Gracheva. Lazimnya, prosedur sedemikian terhad dalam masa dan kapasiti, kerana orang hanya boleh kekal dalam keadaan hipotermia dengan selamat untuk jangka masa yang singkat. “Jika kita boleh mengembangkan tetingkap itu daripada dua hingga lima jam, ia boleh membantu menyelamatkan banyak nyawa,” jelasnya. “Berada di sekolah perubatan, saya mendengar begitu banyak minat dalam penyelidikan kami daripada doktor sebenar.”
Gracheva mencadangkan bahawa ini juga mungkin mendedahkan sasaran selular atau molekul untuk ubat untuk merawat anoreksia, kerana mereka mengenal pasti laluan khusus yang menyekat dan mengaktifkan rasa lapar dan dahaga. Dan ia juga boleh membantu kita pergi ke angkasa lepas.
Perjalanan angkasa lepas jarak jauh, ke Marikh dan seterusnya, adalah rumit oleh berapa banyak yang perlu digunakan oleh manusia untuk terus hidup. Jika kita boleh mengawal metabolisme kita dengan lebih baik dan mempelajari rahsia menghapuskan desakan yang tidak menyenangkan dalam keadaan hibernasi separa, penerbangan angkasa lepas boleh membawa kita lebih jauh. “Ini adalah topik yang sangat hangat untuk NASA, ” katanya. Dari lubang tupai kecil hingga ke Alam Semesta yang luas, sains sedang membina jambatan yang tidak dijangka.
LIHAT GARIS PANDUAN HADIAH TERKINI
