Hunderte Tierarten können überwintern. Die Stoffwechselrate in ihrem Organismus wird um das Zehnfache reduziert. Sie können nicht essen und kaum atmen. Dieser Zustand ist nach wie vor eines der größten wissenschaftlichen Rätsel. Ihre Lösung könnte zu Durchbrüchen in vielen Bereichen führen, von der Onkologie bis zur Raumfahrt. Wissenschaftler wollen einen Menschen in den Winterschlaf versetzen.
„Ich habe ein Jahr in Schweden gearbeitet und konnte die Gophers ein Jahr lang nicht zum Einschlafen bringen“, gibt Lyudmila Kramarova, leitende Forscherin am Institut für Theoretische und Experimentelle Biophysik der Russischen Akademie der Wissenschaften (Pushchino), zu.
Im Westen werden die Rechte von Versuchstieren konkretisiert – die Menschenrechtserklärung ruht. Experimente zur Untersuchung des Winterschlafs können jedoch nicht durchgeführt werden.
– Die Frage ist, warum sollten sie schlafen, wenn es im Gopherhaus warm ist und aus dem Bauch gefüttert wird? Gophers sind nicht dumm. Hier in unserem Labor würden sie bei mir schnell einschlafen!
Die netteste Ljudmila Iwanowna tippt streng mit dem Finger auf den Tisch und spricht über den Laborgopher, der bei ihr lebte. „Susja!“ rief sie von der Tür. "Bezahlen bezahlen!" – antwortete der Gopher, der im Allgemeinen nicht gezähmt wird. Diese Susya schlief nicht einmal in drei Jahren zu Hause ein. Im Winter, wenn es in der Wohnung merklich kälter wurde, kletterte er unter die Heizung und wärmte sich den Kopf. "Warum?" fragt Ljudmila Iwanowna. Vielleicht liegt das Regulationszentrum des Winterschlafs irgendwo im Gehirn? Wissenschaftler wissen es noch nicht. Die Natur des Winterschlafs ist eine der größten Intrigen in der modernen Biologie.
Vorübergehender Tod
Dank Microsoft wurde unsere Sprache um ein weiteres Schlagwort bereichert – Winterschlaf. Dies ist der Name des Modus, in dem Windows Vista in den Computer eindringt, um den Stromverbrauch zu minimieren. Die Maschine scheint ausgeschaltet zu sein, aber alle Daten werden gleichzeitig gespeichert: Ich drückte auf den Knopf – und alles funktionierte, als wäre nichts gewesen. Dasselbe passiert mit lebenden Organismen. Tausende verschiedener Arten – von primitiven Bakterien bis hin zu fortgeschrittenen Lemuren – können vorübergehend „sterben“, was wissenschaftlich als Winterschlaf oder Hypobiose bezeichnet wird.
Das klassische Beispiel sind Erdhörnchen. Was weißt du über Erdhörnchen? Normal solche Nagetiere aus der Familie der Eichhörnchen. Sie graben ihre eigenen Nerze, fressen Gras, züchten. Wenn der Winter kommt, gehen Erdhörnchen in den Untergrund. Hier passiert aus wissenschaftlicher Sicht das Interessanteste. Gopher-Winterschlaf kann bis zu 8 Monate dauern. An der Oberfläche erreicht der Frost manchmal -50, das Loch friert auf -5 herunter. Dann sinkt die Temperatur der Gliedmaßen der Tiere auf -2 und der inneren Organe auf -2,9 Grad. Übrigens schläft der Gopher während der Überwinterung nur drei Wochen hintereinander. Dann kommt es für ein paar Stunden aus dem Winterschlaf und schläft dann wieder ein. Ohne auf biochemische Details einzugehen, nehmen wir an, er wacht auf, um zu pinkeln und sich zu dehnen.
Ein gefrorenes Erdhörnchen lebt in Zeitlupe: seine Herzfrequenz sinkt von 200-300 auf 1-4 Schläge pro Minute, episodische Atmung – 5-10 Atemzüge und dann ihre völlige Abwesenheit für eine Stunde. Die Blutversorgung des Gehirns wird um etwa 90 % reduziert. Ein gewöhnlicher Mensch kann so etwas nicht überleben. Er kann nicht einmal wie ein Bär werden, dessen Temperatur während des Winterschlafs ziemlich abfällt – von 37 auf 34-31 Grad. Diese drei bis fünf Grad hätten uns gereicht: Der Körper hätte um das Recht gekämpft, die Herzfrequenz, den Atemrhythmus und die Wiederherstellung der normalen Körpertemperatur noch einige Stunden aufrechtzuerhalten, aber wenn die Energiereserven zur Neige gehen, ist der Tod unausweichlich.
haarige Kartoffel
Weißt du, wie ein Gopher aussieht, wenn er schläft? fragt Zarif Amirkhanov, leitender Forscher am Institut für Zellbiophysik. „Wie Kartoffeln aus dem Keller. Hart und kalt. Nur pelzig.
Inzwischen sieht der Gopher aus wie ein Gopher – er nagt munter an Samen. Es ist nicht leicht vorstellbar, dass dieses fröhliche Wesen plötzlich ohne Grund in eine Benommenheit verfallen und den größten Teil des Jahres so verbringen könnte, um dann wieder völlig grundlos aus dieser Benommenheit „herauszufallen“.
Eines der Geheimnisse der Hypobiose ist, dass das Tier durchaus in der Lage ist, seinen Zustand selbst zu regulieren. Eine Veränderung der Umgebungstemperatur ist dafür gar nicht nötig – Lemuren aus Madagaskar fallen in den Winterschlaf. Einmal im Jahr finden sie eine Mulde, verstopfen den Eingang und gehen sieben Monate lang ins Bett, wobei sie ihre Körpertemperatur auf +10 Grad senken. Und auf der Straße dabei immerhin +30. Einige Erdhörnchen, zum Beispiel Turkestanische, können auch in der Hitze überwintern. Es kommt nicht so sehr auf die Temperatur an, sondern auf den Stoffwechsel im Inneren: Die Stoffwechselrate sinkt um 60-70%.
„Sehen Sie, das ist ein ganz anderer Zustand des Körpers“, sagt Zarif. – Die Körpertemperatur sinkt nicht als Ursache, sondern als Folge. Ein weiterer Regulationsmechanismus wird aktiviert. Die Funktionen von Dutzenden von Proteinen ändern sich, Zellen hören auf, sich zu teilen, im Allgemeinen ist der Körper in wenigen Stunden komplett neu aufgebaut. Und dann wird es in den gleichen Stunden wieder aufgebaut. Keine äußeren Einflüsse.
Brennholz und Ofen
Das Einzigartige am Winterschlaf ist, dass das Tier ohne fremde Hilfe erst abkühlen und dann wieder aufwärmen kann. Die Frage ist wie?
„Es ist ganz einfach“, sagt Lyudmila Kramarova. „Braunes Fettgewebe, schon gehört?
Alle warmblütigen Tiere, einschließlich Menschen, haben dieses mysteriöse braune Fett. Darüber hinaus ist es bei Säuglingen viel mehr als bei einem Erwachsenen. Seine Rolle im Körper war lange Zeit allgemein unverständlich. Tatsächlich gibt es gewöhnliches Fett, warum auch braunes?
– Es stellte sich also heraus, dass braunes Fett die Rolle eines Ofens spielt, – erklärt Ljudmila, – und weißes Fett nur Brennholz ist.
Braunes Fett kann den Körper von 0 auf 15 Grad erwärmen. Und dann werden andere Stoffe in die Arbeit einbezogen. Aber nur weil wir einen Ofen gefunden haben, heißt das noch lange nicht, dass wir herausgefunden haben, wie man ihn zum Laufen bringt.
„Es muss etwas geben, das diesen Mechanismus aktiviert“, sagt Zarif. – Die Arbeit des gesamten Organismus verändert sich, was bedeutet, dass es ein bestimmtes Zentrum gibt, das all dies steuert und startet.
Aristoteles vermachte den Winterschlaf zu studieren. Man kann nicht sagen, dass die Wissenschaft genau das seit 2500 Jahren tut. Ernsthaft wurde dieses Problem erst vor 50 Jahren in Betracht gezogen. Die Hauptfrage ist: Was im Körper löst den Winterschlafmechanismus aus? Wenn wir es finden, werden wir verstehen, wie es funktioniert, und wenn wir verstehen, wie es funktioniert, werden wir lernen, wie man bei Nichtschläfern den Winterschlaf einleitet. Im Idealfall sind wir bei Ihnen. Das ist die Logik der Wissenschaft. Bei Hypobiose funktionierte die normale Logik jedoch nicht.
Alles begann mit dem Ende. 1952 veröffentlichte der deutsche Forscher Kroll die Ergebnisse eines aufsehenerregenden Experiments. Indem er einen Extrakt aus dem Gehirn schlafender Hamster, Igel und Fledermäuse in den Körper von Katzen und Hunden einführte, verursachte er bei nicht schlafenden Tieren einen Zustand der Hypobiose. Als man sich näher mit dem Problem befasste, stellte sich heraus, dass der Hypobiosefaktor nicht nur im Gehirn, sondern überhaupt in jedem Organ eines überwinternden Tieres enthalten ist. Ratten hielten gehorsam Winterschlaf, wenn ihnen Blutplasma, Magenextrakte und sogar nur der Urin schlafender Ziesel injiziert wurden. Aus einem Glas Gopher-Urin schliefen auch Affen ein. Der Effekt wird konsequent reproduziert. Es weigert sich jedoch kategorisch, bei allen Versuchen, eine bestimmte Substanz zu isolieren, reproduziert zu werden: Urin oder Blut verursachen Hypobiose, ihre Bestandteile jedoch getrennt nicht. Weder Erdhörnchen, noch Lemuren, noch überhaupt irgendeiner der Überwinterer im Körper wurde etwas gefunden, was sie von allen anderen unterscheiden würde.
Die Suche nach dem Hypobiosefaktor wird seit 50 Jahren fortgesetzt, aber das Ergebnis ist fast Null. Weder die Gene, die für den Winterschlaf verantwortlich sind, noch die Substanzen, die ihn verursachen, wurden gefunden. Es ist nicht klar, welches Organ für diesen Zustand verantwortlich ist. Verschiedene Experimente führten die Nebennieren, die Hypophyse, den Hypothalamus und die Schilddrüse auf die Liste der „Verdächtigen“, aber jedes Mal stellte sich heraus, dass sie nur Teilnehmer des Prozesses waren, aber nicht seine Initiatoren.
„Es ist klar, dass bei weitem nicht die gesamte Palette von Substanzen, die in dieser schmutzigen Fraktion enthalten sind, wirksam ist“, sagt Lyudmila Kramarova. — Nun, schon deshalb, weil wir sie meistens auch haben. Tausende von Proteinen und Peptiden, die für unser Leben mit Erdhörnchen verantwortlich sind, wurden untersucht. Aber keiner von ihnen – zumindest direkt – hat mit dem Winterschlaf zu tun.
Es wurde genau festgestellt, dass sich im Körper eines schlafenden Gophers nur die Konzentration von Substanzen ändert, aber ob dort etwas Neues gebildet wird, ist noch unbekannt. Je weiter Wissenschaftler voranschreiten, desto mehr neigen sie zu der Annahme, dass das Problem nicht der mysteriöse „Schlaffaktor“ ist.
„Höchstwahrscheinlich ist dies eine komplexe Abfolge biochemischer Ereignisse“, sagt Kramarova. – Vielleicht handelt es sich um einen Cocktail, also eine Mischung aus einer bestimmten Anzahl von Stoffen in einer bestimmten Konzentration. Vielleicht ist es eine Kaskade. Das heißt, die konsistente Wirkung einer Reihe von Substanzen. Darüber hinaus handelt es sich höchstwahrscheinlich um seit langem bekannte Proteine, die jeder hat.
Es stellt sich heraus, dass der Winterschlaf eine Gleichung mit allen bekannten ist. Je einfacher es ist, desto schwieriger ist es zu lösen.
Völliges Chaos
Mit der Fähigkeit zum Winterschlaf hat die Natur ein komplettes Chaos angerichtet. Babys mit Milch füttern, Eier legen, eine konstante Körpertemperatur aufrechterhalten – diese Eigenschaften hängen fein säuberlich an den Zweigen des Evolutionsbaums. Und Hypobiose kann sich bei einer Art deutlich manifestieren und gleichzeitig bei ihrem nächsten Verwandten vollständig fehlen. Zum Beispiel schlafen Murmeltiere und Erdhörnchen aus der Familie der Eichhörnchen sechs Monate lang in ihren Nerzen. Und die Eichhörnchen selbst denken nicht daran, auch im strengsten Winter einzuschlafen. Aber einige Fledermäuse (Fledermäuse), Insektenfresser (Igel), Beuteltiere und Primaten (Lemuren) fallen in den Winterschlaf. Aber sie sind nicht einmal Cousins zweiten Grades von Gophers.
Manche Vögel, Reptilien, Insekten schlafen. Im Allgemeinen ist nicht sehr klar, auf welcher Grundlage die Natur sie und nicht andere als Überwinterer ausgewählt hat. Und hat sie sich entschieden? Auch Arten, die mit Winterschlaf überhaupt nicht vertraut sind, erraten unter bestimmten Bedingungen leicht, was es ist. Zum Beispiel schläft der Schwarzschwanz-Präriehund (eine Familie von Nagetieren) in einer Laborumgebung ein, wenn ihm Wasser und Nahrung entzogen und er in einen dunklen, kalten Raum gebracht wird.
Es scheint, dass die Logik der Natur genau darauf basiert: Wenn eine Art die Hungerzeit überleben muss, um zu überleben, hat sie eine Option mit Hypobiose in Reserve.
„Es scheint, als hätten wir es mit einem uralten Regulationsmechanismus zu tun, der jedem Lebewesen im Allgemeinen innewohnt“, denkt Zarif laut. – Und das führt uns zu einem paradoxen Gedanken: Es ist nicht verwunderlich, dass Ziesel schlafen. Das Seltsame ist, dass wir selbst keinen Winterschlaf halten. Vielleicht wären wir der Hypobiose durchaus fähig, wenn sich alles in der Evolution geradlinig entwickeln würde, also nach dem Prinzip, neue Qualitäten hinzuzufügen und alte zu erhalten.
Wissenschaftlern zufolge ist eine Person in Bezug auf den Winterschlaf jedoch nicht völlig hoffnungslos. Aborigine-Australier, Perlentaucher, indische Yogis können die physiologischen Funktionen des Körpers minimieren. Lassen Sie diese Fähigkeit durch langes Training erreichen, aber es wird erreicht! Bisher ist es keinem Wissenschaftler gelungen, einen Menschen in einen vollwertigen Winterschlaf zu versetzen. Narkose, lethargischer Schlaf, Koma sind Zustände, die der Hypobiose nahe kommen, aber sie haben eine andere Grundlage und werden als Pathologie wahrgenommen.
Experimente, um eine Person in den Winterschlaf zu versetzen, werden bald ukrainische Ärzte beginnen. Die von ihnen entwickelte Methode basiert auf zwei Faktoren: einem hohen Kohlendioxidgehalt in der Luft und niedrigen Temperaturen. Vielleicht werden uns diese Experimente nicht erlauben, die Natur des Winterschlafs vollständig zu verstehen, aber zumindest die Hypobiose in ein vollwertiges klinisches Verfahren verwandeln.
Patient in den Schlaf geschickt
Zum Zeitpunkt des Winterschlafs hat der Gopher nicht nur Angst vor der Kälte, sondern auch vor den wichtigsten Gopher-Beschwerden: Ischämie, Infektionen und onkologischen Erkrankungen. An der Pest stirbt ein waches Tier an einem Tag, und wenn es in einem schläfrigen Zustand infiziert wird, ist es ihm egal. Die Chancen für Ärzte sind riesig. Die gleiche Anästhesie ist nicht der angenehmste Zustand für den Körper. Warum nicht durch einen natürlicheren Winterschlaf ersetzen?
Stellen Sie sich die Situation vor: Der Patient steht am Rande von Leben und Tod, die Uhr zählt. Und oft reichen diese Stunden nicht aus, um eine Operation durchzuführen oder einen Spender zu finden. Und im Winterschlaf entwickelt sich fast jede Krankheit wie in Zeitlupe, und wir sprechen nicht mehr von Stunden, sondern von Tagen oder gar Wochen. Wenn Sie Ihrer Fantasie freien Lauf lassen, können Sie sich vorstellen, wie hoffnungslose Patienten in einen Zustand der Hypobiose versinken, in der Hoffnung, dass eines Tages die für ihre Behandlung notwendigen Mittel gefunden werden. Firmen, die Kryonik betreiben, tun etwas Ähnliches, nur frieren sie einen bereits toten Menschen ein, und es ist kaum realistisch, einen Organismus zu restaurieren, der zehn Jahre in flüssigem Stickstoff gelegen hat.
Der Mechanismus des Winterschlafs kann helfen, eine Vielzahl von Beschwerden zu verstehen. Beispielsweise schlägt der bulgarische Wissenschaftler Veselin Denkov in seinem Buch „On the Edge of Life“ vor, auf die Biochemie eines schlafenden Bären zu achten: „Wenn es Wissenschaftlern gelingt, eine Substanz (vermutlich ein Hormon) in ihrer reinen Form zu erhalten, die in den Körper gelangt aus dem Hypothalamus von Bären, mit deren Hilfe Lebensvorgänge während des Winterschlafs reguliert werden, dann können sie nierenkranke Menschen erfolgreich behandeln.
Bisher sind Ärzte sehr vorsichtig mit der Idee, den Winterschlaf zu verwenden. Dennoch ist es gefährlich, sich mit einem Phänomen zu befassen, das nicht vollständig verstanden wird.