Több száz állatfaj tud hibernálni. Szervezeteikben az anyagcsere sebessége tízszeresére csökken. Nem tudnak enni és alig vesznek levegőt. Ez az állapot továbbra is az egyik legnagyobb tudományos rejtély. Megoldása számos területen áttörést hozhat az onkológiától az űrrepülésig. A tudósok hibernáltatni akarják az embert.
„Egy évig Svédországban dolgoztam, és egy évig nem tudtam elaludni a gophereket” – vallja be Ljudmila Kramarova, az Orosz Tudományos Akadémia (Puscsino) Elméleti és Kísérleti Biofizikai Intézetének vezető kutatója.
Nyugaton részletezik a laboratóriumi állatok jogait – pihen az Emberi Jogok Nyilatkozata. De a hibernáció tanulmányozására vonatkozó kísérleteket nem lehet elvégezni.
– A kérdés az, hogy miért aludjanak, ha meleg van a gopher-házban, és hasról táplálják? A gopherek nem hülyék. Itt a laboratóriumunkban gyorsan elaludnának velem!
A legkedvesebb Ljudmila Ivanovna szigorúan az asztalra ütögeti az ujját, és a nála lakott laboratóriumi gopherről beszél. – Susya! – kiáltotta az ajtóból. „Fizet-fizet!” – válaszolta az általában nem szelídített gopher. Ez a Susya három év alatt egyszer sem aludt el otthon. Télen, amikor érezhetően hidegebb lett a lakásban, bemászott a radiátor alá és megmelegítette a fejét. "Miért?" – kérdezi Ljudmila Ivanovna. Lehet, hogy a hibernálás szabályozó központja valahol az agyban van? A tudósok még nem tudják. A hibernáció természete a modern biológia egyik fő intrikája.
Ideiglenes halál
A Microsoftnak köszönhetően nyelvünk egy újabb divatszóval – a hibernálással – gazdagodott. Ez annak az üzemmódnak a neve, amelyben a Windows Vista belép a számítógépbe az energiafogyasztás minimalizálása érdekében. Kikapcsoltnak tűnik a gép, de egyszerre ment minden adat: megnyomtam a gombot – és minden úgy működött, mintha mi sem történt volna. Ugyanez történik az élő szervezetekkel. Különböző fajok ezrei – a primitív baktériumoktól a fejlett makikig – képesek átmenetileg „meghalni”, amit tudományosan hibernációnak vagy hipobiózisnak neveznek.
A klasszikus példa a gopherek. Mit tudsz a gopherekről? Normális ilyen rágcsálók a mókusok családjából. Saját nerceket ásnak, füvet esznek, szaporodnak. Amikor jön a tél, a gopherek a föld alá mennek. Itt történik tudományos szempontból a legérdekesebb dolog. A Gopher hibernálása akár 8 hónapig is eltarthat. A felszínen a fagy néha eléri a -50-et, a lyuk -5-ig fagy le. Ezután az állatok végtagjainak hőmérséklete -2, a belső szerveké pedig -2,9 fokra csökken. Mellesleg, a telelés során a gopher csak három hétig alszik egymás után. Aztán néhány órára kijön a hibernált állapotból, majd újra elalszik. Anélkül, hogy belemennénk a biokémiai részletekbe, tegyük fel, hogy pisilésre és nyújtózkodásra ébred.
A fagyott ürge lassított mozgásban él: pulzusa 200-300-ról percenként 1-4 ütésre csökken, epizodikus légzés – 5-10 lélegzet, majd egy óra teljes hiánya. Az agy vérellátása körülbelül 90%-kal csökken. Egy hétköznapi ember ehhez hasonlót nem tud túlélni. Nem is tud olyanná válni, mint egy medve, akinek hibernálás közben a hőmérséklete igencsak leesik – 37-ről 34-31 fokra. Nekünk ez a három-öt fok is elég lett volna: a szervezet kiharcolta volna a jogot, hogy fenntartsa a pulzusszámot, a légzési ritmust és helyreállítsa a normális testhőmérsékletet még több órán keresztül, de az energiaforrások kimerülése esetén a halál elkerülhetetlen.
szőrös burgonya
Tudod, hogy néz ki egy gopher, amikor alszik? – teszi fel a kérdést Zarif Amirkhanov, a Sejtbiofizikai Intézet tudományos főmunkatársa. „Mint a krumpli a pincéből. Kemény és hideg. Csak szőrös.
Közben a gopher úgy néz ki, mint egy gopher – vidáman rágja a magokat. Nem könnyű elképzelni, hogy ez a jókedvű lény hirtelen ok nélkül kábulatba eshet, és az év nagy részét így tölti, majd ismét minden ok nélkül „kiesik” ebből a kábulatból.
A hipobiózis egyik rejtélye, hogy az állat képes önállóan szabályozni állapotát. Ehhez egyáltalán nincs szükség a környezeti hőmérséklet megváltoztatására – a madagaszkári makik hibernált állapotba kerülnek. Évente egyszer találnak egy mélyedést, bedugják a bejáratot, és hét hónapig lefekszenek, testhőmérsékletüket +10 fokra csökkentve. És az utcán egyszerre mindegy +30. Egyes ürge, például a turkesztáni mókusok is áttelhetnek a hőségben. Nem annyira a hőmérséklet körülötte, hanem a benti anyagcsere: 60-70%-kal csökken az anyagcsere.
„Látod, ez a test teljesen más állapota” – mondja Zarif. – A testhőmérséklet nem okként, hanem következményeként csökken. Egy másik szabályozó mechanizmus aktiválódik. Több tucat fehérje funkciója megváltozik, a sejtek leállítják az osztódást, általában néhány óra alatt teljesen újjáépül a szervezet. Aztán ugyanezen néhány óra alatt visszaépítik. Nincs külső hatás.
Tűzifa és kályha
A hibernálás különlegessége, hogy az állat először lehűl, majd külső segítség nélkül felmelegszik. A kérdés az, hogyan?
„Nagyon egyszerű” – mondja Ljudmila Kramarova. „Barna zsírszövet, hallottad?
Minden melegvérű állatban, beleértve az embert is, van ez a titokzatos barna zsír. Sőt, csecsemőknél sokkal több, mint egy felnőttnél. A szervezetben betöltött szerepe hosszú ideig általában érthetetlen volt. Valójában van közönséges zsír, miért is barna?
– Szóval kiderült, hogy a barna zsír a tűzhely szerepét tölti be – magyarázza Ljudmila –, a fehér zsír pedig csak tűzifa.
A barna zsír képes felmelegíteni a testet 0 és 15 fok között. És akkor más szövetek is szerepelnek a munkában. De csak azért, mert találtunk egy tűzhelyet, még nem jelenti azt, hogy kitaláltuk, hogyan hozzuk működésbe.
„Bizonyára van valami, ami bekapcsolja ezt a mechanizmust” – mondja Zarif. – Az egész szervezet munkája változik, ami azt jelenti, hogy van egy bizonyos központ, amely mindezt irányítja és elindítja.
Arisztotelész örökségül hagyta, hogy tanulmányozza a hibernációt. Nem mondható el, hogy a tudomány 2500 éve csinálja ezt. Ezt a problémát csak 50 évvel ezelőtt kezdték komolyan venni. A fő kérdés: mi váltja ki a testben a hibernálási mechanizmust? Ha megtaláljuk, megértjük a működését, és ha megértjük a működését, megtanuljuk, hogyan lehet hibernálást előidézni nem alvókban. Ideális esetben veled vagyunk. Ez a tudomány logikája. Hipobiózis esetén azonban a normál logika nem működött.
Minden a végéről kezdődött. 1952-ben Kroll német kutató egy szenzációs kísérlet eredményeit tette közzé. Azzal, hogy alvó hörcsögök, sünök és denevérek agyának kivonatát juttatta a macskák és kutyák testébe, hipobiózist idézett elő nem alvó állatokban. Amikor a problémával alaposabban foglalkozni kezdtek, kiderült, hogy a hipobiózis faktor nemcsak az agyban található meg, hanem általában a hibernált állat bármely szervében. A patkányok engedelmesen hibernáltak, ha vérplazmát, gyomorkivonatot és még csak az alvó földi mókusok vizeletét is befecskendezték. Egy pohár gopher vizelettől a majmok is elaludtak. A hatás következetesen reprodukálódik. Azonban kategorikusan megtagadja a reprodukálást egy adott anyag izolálására irányuló minden kísérlet során: a vizelet vagy a vér hipobiózist okoz, de összetevőik külön-külön nem. Sem az ürge, sem a makik, sem általában a testben lévő hibernálók közül nem találtak semmit, ami megkülönböztetné őket a többitől.
A hipobiózis faktor keresése 50 éve folyik, de az eredmény majdnem nulla. Sem a hibernációért felelős géneket, sem az azt okozó anyagokat nem találták meg. Nem világos, hogy melyik szerv felelős ezért az állapotért. Különféle kísérletek során a mellékvesék, az agyalapi mirigy, a hipotalamusz és a pajzsmirigy szerepelt a „gyanúsítottak” listáján, de minden alkalommal kiderült, hogy csak résztvevői a folyamatnak, de nem kezdeményezői.
„Nyilvánvaló, hogy az ebben a piszkos frakcióban található anyagok teljes skálája nem hatékony” – mondja Ljudmila Kramarova. — Hát már csak azért is, mert nálunk is többnyire ilyenek vannak. Az ürgékkel való életünkért felelős fehérjék és peptidek ezreit tanulmányozták. De egyikük sem kapcsolódik – legalábbis közvetlenül – a hibernációhoz.
Pontosan megállapították, hogy az alvó gopher testében csak az anyagok koncentrációja változik meg, de még mindig nem tudni, hogy keletkezik-e valami új. Minél tovább haladnak a tudósok, annál inkább azt gondolják, hogy a probléma nem a titokzatos „alvási faktor”.
„Valószínűleg ez a biokémiai események összetett sorozata” – mondja Kramarova. – Talán egy koktél hat, vagyis bizonyos számú anyag meghatározott koncentrációjú keveréke. Lehet, hogy ez egy kaszkád. Vagyis számos anyag következetes hatása. Sőt, valószínűleg ezek régóta ismert fehérjék, amelyekkel mindenki rendelkezik.
Kiderült, hogy a hibernáció az összes ismert egyenlet. Minél egyszerűbb, annál nehezebb megoldani.
Teljes káosz
A hibernált képességgel a természet teljes rendetlenséget csinált. A csecsemők tejjel etetése, tojásrakás, állandó testhőmérséklet fenntartása – ezeket a tulajdonságokat szépen felakasztják az evolúciós fa ágaira. És a hipobiózis egyértelműen megnyilvánulhat egy fajban, ugyanakkor a legközelebbi rokonban teljesen hiányzik. Például a mókuscsaládból származó mormoták és ürgék hat hónapig a nyércükben alszanak. És maguk a mókusok sem gondolnak elaludni még a legsúlyosabb télen sem. De néhány denevér (denevér), rovarevő (sün), erszényes állat és főemlős (maki) hibernált állapotba esik. De még csak nem is másodunokatestvérei a gophereknek.
Egyes madarak, hüllők, rovarok alszanak. Általában nem nagyon világos, hogy a természet milyen alapon választotta őket hibernálónak, és nem másokat. És ő választott? Még azok a fajok is, amelyek egyáltalán nem ismerik a hibernációt, bizonyos körülmények között könnyen kitalálják, mi az. Például a feketefarkú prérikutya (a rágcsálók családja) elalszik laboratóriumi körülmények között, ha megvonják tőle a vizet és az élelmet, és sötét, hideg helyiségbe helyezik.
Úgy tűnik, hogy a természet logikája éppen ezen alapul: ha egy fajnak túl kell élnie az éhezési időszakot ahhoz, hogy túlélje, akkor van egy lehetősége a hipobiózissal.
„Úgy tűnik, egy ősi szabályozó mechanizmussal van dolgunk, amely általában minden élőlényben rejlik” – gondolja Zarif hangosan. – És ez egy paradox gondolathoz vezet: nem furcsa, hogy a gopherek alszanak. Az a furcsa, hogy mi magunk nem hibernálunk. Talán eléggé képesek lennénk a hipobiózisra, ha az evolúcióban minden egyenes vonalban fejlődne, vagyis a régiek megőrzése mellett új minőségeket adunk hozzá.
A tudósok szerint azonban egy személy a hibernálással kapcsolatban nem teljesen reménytelen. A bennszülött ausztrálok, gyöngybúvárok, indiai jógik minimalizálhatják a szervezet élettani funkcióit. Ezt a képességet hosszú edzéssel érjük el, de elérjük! Eddig egyetlen tudós sem tudott teljes értékű hibernált állapotba hozni egy embert. A narkózis, a letargikus alvás, a kóma olyan állapotok, amelyek közel állnak a hipobiózishoz, de ezeknek más alapjaik vannak, és patológiának tekintik őket.
Az ukrán orvosok hamarosan megkezdik a hibernált állapotba való bejuttatásra irányuló kísérleteket. Az általuk kidolgozott módszer két tényezőn alapul: a levegő magas szén-dioxid-tartalmán és alacsony hőmérsékleten. Talán ezek a kísérletek nem teszik lehetővé számunkra, hogy teljesen megértsük a hibernáció természetét, de legalább a hipobiózist teljes értékű klinikai eljárássá alakítsák.
A beteget aludni küldték
A hibernáció idején a gopher nem csak a hidegtől, hanem a fő gopher-betegségektől sem fél: ischaemia, fertőzések és onkológiai betegségek. A pestisben az ébren lévő állat egy nap alatt elpusztul, és ha álmos állapotban fertőződik meg, nem érdekli. Hatalmas lehetőségek rejlenek az orvosok számára. Ugyanaz az érzéstelenítés nem a legkellemesebb állapot a szervezet számára. Miért nem cseréli le egy természetesebb hibernálásra?
Képzeld el a helyzetet: a beteg élet-halál küszöbén áll, az óra számít. És gyakran ezek az órák nem elegendőek a műtét elvégzéséhez vagy a donor megtalálásához. Hibernációban pedig szinte minden betegség úgy alakul ki, mint a lassított felvételnél, és már nem órákról beszélünk, hanem napokról, sőt hetekről. Ha szabad utat enged a fantáziájának, elképzelheti, hogy a reménytelen betegek milyen hipobiózisba merülnek abban a reményben, hogy egyszer megtalálják a kezelésükhöz szükséges eszközöket. Hasonlót csinálnak a krionikával foglalkozó cégek is, csak ők lefagyasztanak egy már halott embert, és aligha reális egy tíz éve folyékony nitrogénben heverő szervezetet helyreállítani.
A hibernáció mechanizmusa sokféle betegség megértésében segíthet. Például Veselin Denkov bolgár tudós „Az élet határán” című könyvében azt javasolja, hogy fordítsanak figyelmet az alvó medve biokémiájára: „Ha a tudósoknak sikerül tiszta formában megszerezniük egy anyagot (feltehetően egy hormont), amely bejut a szervezetbe. a medvék hipotalamuszából, amelyek segítségével a hibernáció során az életfolyamatokat szabályozzák, akkor sikeresen tudják majd kezelni a vesebetegségben szenvedőket.
Eddig az orvosok nagyon óvatosak a hibernáció használatának gondolatával. Ennek ellenére veszélyes olyan jelenséggel foglalkozni, amelyet nem teljesen értünk.