Simtiem dzīvnieku sugu var pārziemot. Metabolisma ātrums viņu organismos ir samazināts desmitkārtīgi. Viņi nevar ēst un grūti elpot. Šis nosacījums joprojām ir viens no lielākajiem zinātniskajiem noslēpumiem. Tā atrisināšana varētu radīt sasniegumus daudzās jomās, sākot no onkoloģijas līdz kosmosa lidojumam. Zinātnieki vēlas likt cilvēkam gulēt ziemas miegā.
“Es gadu strādāju Zviedrijā un gadu nevarēju iemigt goferus,” atzīst Ludmila Kramarova, Krievijas Zinātņu akadēmijas Teorētiskās un eksperimentālās biofizikas institūta vecākā pētniece (Puščino).
Rietumos laboratorijas dzīvnieku tiesības ir detalizētas – Cilvēktiesību deklarācija atpūšas. Bet eksperimentus par ziemas guļas izpēti nevar veikt.
– Jautājums, kāpēc lai viņi gulētu, ja goferu mājā ir silti un barojas no vēdera? Goferi nav stulbi. Šeit, mūsu laboratorijā, viņi ātri aizmigtu ar mani!
Laipnākā Ludmila Ivanovna bargi piesit ar pirkstu pa galdu un stāsta par laboratorijas goferu, kurš dzīvoja pie viņas. "Susja!" viņa sauca no durvīm. "Maksā-maksā!" – atbildēja gofers, kurš parasti nav pieradināts. Šī Sūzija mājās neaizmigja pat reizi trijos gados. Ziemā, kad dzīvoklī kļuva manāmi vēsāks, viņš pakāpās zem radiatora un sasildīja galvu. "Kāpēc?" jautā Ludmila Ivanovna. Varbūt ziemas miega regulējošais centrs ir kaut kur smadzenēs? Zinātnieki vēl nezina. Hibernācijas būtība ir viena no galvenajām mūsdienu bioloģijas intrigām.
Pagaidu nāve
Pateicoties Microsoft, mūsu valoda ir bagātināta ar vēl vienu modes vārdu – hibernācija. Šis ir režīma nosaukums, kurā Windows Vista ieiet datorā, lai samazinātu enerģijas patēriņu. Mašīna it kā izslēgta, bet visi dati tiek saglabāti vienlaikus: nospiedu pogu – un viss nostrādāja tā, it kā nekas nebūtu noticis. Tas pats notiek ar dzīviem organismiem. Tūkstošiem dažādu sugu – no primitīvām baktērijām līdz progresīviem lemūriem – spēj īslaicīgi “nomirt”, ko zinātniski sauc par ziemas guļas miegu jeb hipobiozi.
Klasisks piemērs ir gophers. Ko jūs zināt par goferiem? Normāli tādi grauzēji no vāveru dzimtas. Viņi paši rok savas ūdeles, ēd zāli, vairojas. Kad nāk ziema, gophers nonāk pazemē. Šeit no zinātniskā viedokļa notiek visinteresantākais. Gophera hibernācija var ilgt līdz 8 mēnešiem. Uz virsmas sals dažreiz sasniedz -50, bedre sasalst līdz -5. Tad dzīvnieku ekstremitāšu temperatūra pazeminās līdz -2, bet iekšējo orgānu - līdz -2,9 grādiem. Starp citu, ziemošanas laikā gofers pēc kārtas guļ tikai trīs nedēļas. Tad tas uz dažām stundām iziet no ziemas miega un pēc tam atkal aizmieg. Neiedziļinoties bioķīmiskās detaļās, pieņemsim, ka viņš pamostas urinēt un izstaipīties.
Nosalusi zemes vāvere dzīvo palēninājumā: tās pulss pazeminās no 200-300 līdz 1-4 sitieniem minūtē, epizodiska elpošana - 5-10 elpas, un pēc tam to pilnīga prombūtne stundu. Asins piegāde smadzenēm tiek samazināta par aptuveni 90%. Vienkāršs cilvēks nevar izdzīvot neko tuvu tam. Viņš pat nespēj līdzināties lācim, kuram ziemas guļas laikā temperatūra pazeminās krietni – no 37 līdz 34-31 grādam. Ar šiem trīs līdz pieciem grādiem mums būtu pieticis: organisms vēl vairākas stundas būtu cīnījies par tiesībām uzturēt pulsu, elpošanas ritmu un atjaunot normālu ķermeņa temperatūru, bet, izsīkstot enerģijas resursiem, nāve ir neizbēgama.
matains kartupelis
Vai jūs zināt, kā izskatās gofers, kad tas guļ? jautā Šūnu biofizikas institūta vecākais pētnieks Zarifs Amirkhanovs. “Kā kartupeļi no pagraba. Grūti un auksti. Tikai pūkains.
Pa to laiku sēklis izskatās pēc gofera – jautri grauž sēklas. Nav viegli iedomāties, ka šī jautrā būtne varētu pēkšņi bez iemesla iekrist stuporā un šādi pavadīt lielāko daļu gada un pēc tam atkal bez iemesla “izkrist” no šī stupora.
Viens no hipobiozes noslēpumiem ir tas, ka dzīvnieks ir diezgan spējīgs patstāvīgi regulēt savu stāvokli. Apkārtējās temperatūras maiņa tam nemaz nav nepieciešama – Madagaskaras lemuri krīt ziemas miegā. Reizi gadā viņi atrod iedobi, aizbāž ieeju un septiņus mēnešus iet gulēt, pazeminot ķermeņa temperatūru līdz +10 grādiem. Un uz ielas tajā pašā laikā visi tie paši +30. Dažas zemes vāveres, piemēram, Turkestānas, var arī pārziemot karstumā. Tā nav tik daudz temperatūra apkārt, bet vielmaiņa iekšā: vielmaiņas ātrums samazinās par 60-70%.
"Redziet, tas ir pilnīgi atšķirīgs ķermeņa stāvoklis," saka Zarifs. – Ķermeņa temperatūra pazeminās nevis kā cēlonis, bet gan kā sekas. Tiek aktivizēts cits regulēšanas mehānisms. Desmitiem proteīnu funkcijas mainās, šūnas pārstāj dalīties, kopumā ķermenis tiek pilnībā atjaunots dažu stundu laikā. Un tad tajās pašās stundās tas tiek atjaunots. Nav ārējas ietekmes.
Malka un krāsns
Ziemas miega unikalitāte ir tāda, ka dzīvnieks vispirms var atdzist un pēc tam sasildīties bez ārējas palīdzības. Jautājums ir kā?
"Tas ir ļoti vienkārši," saka Ludmila Kramarova. “Brūnie taukaudi, vai esat dzirdējuši?
Visiem siltasiņu dzīvniekiem, arī cilvēkiem, ir šie noslēpumainie brūnie tauki. Turklāt zīdaiņiem tas ir daudz vairāk nekā pieaugušajiem. Ilgu laiku tā loma organismā kopumā bija neizprotama. Patiesībā ir parastie tauki, kāpēc arī brūnie?
– Tā nu izrādījās, ka brūnie tauki pilda plīts lomu, – skaidro Ludmila, – un baltie tauki ir tikai malka.
Brūnie tauki spēj sasildīt ķermeni no 0 līdz 15 grādiem. Un tad darbā tiek iekļauti citi audumi. Bet tas, ka esam atraduši plīti, nenozīmē, ka esam izdomājuši, kā to panākt.
"Ir jābūt kaut kam, kas ieslēdz šo mehānismu," saka Zarifs. – Mainās visa organisma darbs, kas nozīmē, ka ir noteikts centrs, kas to visu kontrolē un palaiž.
Aristotelis novēlēja mācīties ziemas miegu. Nevar teikt, ka zinātne to ir darījusi kopš 2500 gadiem. Nopietni par šo problēmu sāka domāt tikai pirms 50 gadiem. Galvenais jautājums ir: kas organismā iedarbina hibernācijas mehānismu? Ja mēs to atradīsim, mēs sapratīsim, kā tas darbojas, un, ja mēs sapratīsim, kā tas darbojas, mēs uzzināsim, kā izraisīt ziemas miegu neguļošajiem. Ideālā gadījumā mēs esam ar jums. Tāda ir zinātnes loģika. Tomēr ar hipobiozi normāla loģika nedarbojās.
Viss sākās no gala. 1952. gadā vācu pētnieks Krols publicēja sensacionāla eksperimenta rezultātus. Ievadot kaķu un suņu ķermenī guļošu kāmju, ežu un sikspārņu smadzeņu ekstraktu, viņš neguļošajiem dzīvniekiem izraisīja hipobiozes stāvokli. Kad problēmu sāka risināt rūpīgāk, izrādījās, ka hipobiozes faktors atrodas ne tikai smadzenēs, bet kopumā jebkurā pārziemojoša dzīvnieka orgānā. Žurkas paklausīgi gulēja ziemas miegā, ja tām injicēja asins plazmu, kuņģa ekstraktus un pat tikai guļošu zemes vāveru urīnu. No gofera urīna glāzes arī pērtiķi aizmiguši. Efekts tiek konsekventi reproducēts. Tomēr tas kategoriski atsakās tikt reproducēts visos mēģinājumos izolēt konkrētu vielu: urīns vai asinis izraisa hipobiozi, bet to sastāvdaļas atsevišķi to nedara. Ne grunts vāverēm, ne lemūriem, ne vispār nevienam no ziemas guļas iemītniekiem organismā netika atrasts nekas, kas tos atšķirtu no visiem pārējiem.
Hipobiozes faktora meklēšana notiek jau 50 gadus, bet rezultāts ir gandrīz nulle. Nav atrasti ne gēni, kas ir atbildīgi par ziemas miegu, ne vielas, kas to izraisa. Nav skaidrs, kurš orgāns ir atbildīgs par šo stāvokli. Dažādos eksperimentos “aizdomās turamo” sarakstā tika iekļauti virsnieru dziedzeri un hipofīze, hipotalāms un vairogdziedzeris, taču katru reizi izrādījās, ka tie ir tikai procesa dalībnieki, bet ne tā iniciatori.
"Ir skaidrs, ka ne viss šajā netīrajā frakcijā esošo vielu klāsts ir efektīvs," saka Ludmila Kramarova. — Nu, ja nu vienīgi tāpēc, ka arī mums tādi pārsvarā ir. Ir izpētīti tūkstošiem olbaltumvielu un peptīdu, kas ir atbildīgi par mūsu dzīvību ar zemes vāverēm. Bet neviens no tiem – vismaz tieši – nav saistīts ar ziemas miegu.
Precīzi noskaidrots, ka guļoša gofera organismā mainās tikai vielu koncentrācija, bet vai tur veidojas kas jauns, vēl nav zināms. Jo tālāk zinātnieki virzās uz priekšu, jo vairāk viņi sliecas domāt, ka problēma nav noslēpumainais “miega faktors”.
"Visticamāk, tā ir sarežģīta bioķīmisko notikumu secība," saka Kramarova. – Varbūt iedarbojas kokteilis, tas ir, noteikta skaita vielu maisījums noteiktā koncentrācijā. Varbūt tā ir kaskāde. Tas ir, vairāku vielu konsekventa iedarbība. Turklāt, visticamāk, tie ir sen zināmi proteīni, kas ir ikvienam.
Izrādās, ka hibernācija ir vienādojums ar visiem zināmajiem. Jo vienkāršāk tas ir, jo grūtāk to atrisināt.
Pilnīgs haoss
Ar spēju iemigt ziemas miegā daba sataisīja pilnīgu haosu. Mazuļu barošana ar pienu, olu dēšana, nemainīgas ķermeņa temperatūras uzturēšana – šīs īpašības glīti iekarinātas evolūcijas koka zaros. Un hipobioze var skaidri izpausties vienā sugā un tajā pašā laikā tās tuvākajā radiniekā pilnībā nebūt. Piemēram, murkšķi un zemes vāveres no vāveru dzimtas ūdeļās guļ sešus mēnešus. Un pašas vāveres nedomā aizmigt pat bargākajā ziemā. Bet daži sikspārņi (sikspārņi), kukaiņēdāji (eži), marsupials un primāti (lemuri) nonāk ziemas guļas stāvoklī. Bet viņi pat nav goferu otrie brālēni.
Daži putni, rāpuļi, kukaiņi guļ. Kopumā nav īsti skaidrs, uz kāda pamata daba izvēlējās viņus, nevis citus, kā ziemas guļas. Un vai viņa izvēlējās? Pat tās sugas, kuras vispār nav pazīstamas ar ziemas miegu, noteiktos apstākļos viegli uzmin, kas tas ir. Piemēram, melnastes prēriju suns (grauzēju ģimene) aizmieg laboratorijas apstākļos, ja viņam atņem ūdeni un barību un ievieto tumšā, aukstā telpā.
Šķiet, ka dabas loģika balstās tieši uz to: ja sugai, lai izdzīvotu, ir jāizdzīvo bada sezona, tai ir iespēja ar hipobiozi rezervē.
"Šķiet, ka mums ir darīšana ar senu regulēšanas mehānismu, kas ir raksturīgs jebkurai dzīvai būtnei kopumā," skaļi domā Zarifs. – Un tas mūs noved pie paradoksālas domas: nav dīvaini, ka goferi guļ. Dīvaini ir tas, ka mēs paši neguļam ziemas miegā. Varbūt mēs būtu diezgan spējīgi uz hipobiozi, ja viss evolūcijā attīstītos taisni, tas ir, saskaņā ar principu pievienot jaunas īpašības, saglabājot vecās.
Tomēr, pēc zinātnieku domām, cilvēks attiecībā uz ziemas miegu nav gluži bezcerīgs. Austrāliešu aborigēni, pērļu nirēji, indiešu jogi var samazināt ķermeņa fizioloģiskās funkcijas. Lai šī prasme tiek sasniegta ilgstoši trenējoties, bet tas tiek sasniegts! Līdz šim neviens zinātnieks nav spējis ielikt cilvēku pilnvērtīgā ziemas miegā. Narkoze, letarģisks miegs, koma ir hipobiozei tuvi stāvokļi, taču tiem ir cits pamats, un tie tiek uztverti kā patoloģija.
Ukrainas ārsti drīzumā sāks eksperimentus, lai cilvēku ieviestu ziemas guļas stāvoklī. Viņu izstrādātā metode ir balstīta uz diviem faktoriem: augstu oglekļa dioksīda līmeni gaisā un zemu temperatūru. Varbūt šie eksperimenti neļaus mums pilnībā izprast ziemas guļas būtību, bet vismaz pārvērst hipobiozi par pilnvērtīgu klīnisku procedūru.
Pacients nosūtīts gulēt
Ziemas guļas laikā gofers nebaidās ne tikai no aukstuma, bet arī no galvenajām gofera slimībām: išēmijas, infekcijām un onkoloģiskām slimībām. No mēra nomodā dzīvnieks nomirst dienā, un, ja tas ir inficēts miega stāvoklī, tam ir vienalga. Mediķiem ir milzīgas iespējas. Tāda pati narkoze nav organismam patīkamākais stāvoklis. Kāpēc to neaizstāt ar dabiskāku ziemas miegu?
Iedomājieties situāciju: pacients atrodas uz dzīvības un nāves robežas, pulkstenis skaita. Un bieži vien ar šīm stundām nepietiek, lai veiktu operāciju vai atrastu donoru. Un ziemas miegā gandrīz jebkura slimība attīstās kā palēninājumā, un mēs vairs nerunājam par stundām, bet par dienām vai pat nedēļām. Ja jūs dosiet vaļu savai iztēlei, varat iedomāties, kā bezcerīgi pacienti ir iegrimuši hipobiozes stāvoklī, cerot, ka kādreiz tiks atrasti viņu ārstēšanai nepieciešamie līdzekļi. Ar krionikā nodarbojas firmas dara ko līdzīgu, tikai nosaldē jau mirušu cilvēku, un diezin vai ir reāli atjaunot organismu, kas desmit gadus nogulējis šķidrā slāpeklī.
Hibernācijas mehānisms var palīdzēt izprast dažādas kaites. Piemēram, bulgāru zinātnieks Veselins Denkovs grāmatā “Uz dzīvības robežas” iesaka pievērst uzmanību guļošā lāča bioķīmijai: “Ja zinātniekiem izdodas tīrā veidā iegūt vielu (domājams, ka hormonu), kas nonāk organismā. no lāču hipotalāma, ar kura palīdzību tiek regulēti dzīvības procesi ziemas guļas laikā, tad viņi varēs veiksmīgi ārstēt cilvēkus, kas slimo ar nieru slimībām.
Līdz šim ārsti ir ļoti piesardzīgi pret ideju izmantot hibernāciju. Tomēr ir bīstami tikt galā ar parādību, kas nav pilnībā izprotama.