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熊冬眠的启示

2023-02-15方陵生

科学24小时 2023年1期
关键词:棕熊巢穴松鼠

文/方陵生

熊,以及其他一些冬眠动物,每年冬天都要度过一段漫长的冬眠期。对动物冬眠的研究也许可以告诉我们很多关于哺乳动物的生物学信息,包括我们人类自己。

每年春天的北方地区,随着白昼延长,融雪缓缓注入溪流,从灰熊到地松鼠等动物开始从冬眠中苏醒过来。说它们“醒来”并不十分确切,实际上冬眠机制比简单的长时间睡眠更复杂,也更神秘。想象一下,任何一种可以不吃不喝地在地下或洞穴中度过数月时间,仍然可以随时醒来面对外面世界的动物,显然已经掌握了一种惊人的生物学上的秘诀。

冬眠动物包括各种啮齿类动物、某些两栖类动物,甚至还有少数灵长类动物(几种侏儒狐猴)。其中熊是体形最大的冬眠动物,成年灰熊和黑熊的体重可达到美国橄榄球运动员的体重,甚至有过之而无不及。熊有着像人类学龄前儿童那样的充沛活力和浓浓的好奇心,但在冬眠期间,它们可以一直蜷缩昏睡几个月也不会有什么问题。美国康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的神经生理学专家埃琳娜·格拉切娃认为,体形如此庞大的动物在如此长的时间内一直不活动,而对健康却没有任何负面影响,这确实是一种很难解释的现象。

熊的冬眠现象,为理解大型哺乳动物,尤其是人类自身的身体运行机制提供了重要的线索。格拉切娃指出,更好地理解熊的冬眠过程,有可能改变对各种人类疾病的处理方式,包括中风、骨质疏松症、帕金森病和阿尔茨海默病。

如今,随着全球气候变暖、冬季变短,熊的冬眠习惯的变化,将在很大程度上反映动物冬眠与气候变化、动物行为之间的深层次联系。

探索熊冬眠不影响健康的奥秘

熊冬眠的方式与其他一些冬眠动物有很大的不同。北极地松鼠可以将体温暂时降至-3℃,却不用担心会将身体冻僵。而熊在巢穴里冬眠时几乎不会损失任何身体热量,但它们仍然有资格成为冬眠动物,因为它们的新陈代谢降到了极其缓慢的状态。

10 年前,阿拉斯加费尔贝克斯大学的动物学家布莱恩·巴恩斯和他的同事,对人工巢穴中进入冬眠的黑熊进行了仔细的观察研究。他们为黑熊安排的冬季巢穴,实际上是一个可以测量新陈代谢的重要指标——氧气摄入和二氧化碳生成的房间。当然,还有一些传感器用来追踪黑熊的体温变化。这是首次对黑熊在体温不降低情况下进入冬眠的研究。

研究发现,熊不只是在冬天睡个长觉而已,进入冬眠状态的熊几乎停止了所有的生命活动,一些代表日常生命体征的参数完全重置了。研究人员观察到,它们进入“巢穴”后,会在房间里先转上两三圈,然后躺下,一直保持睡眠状态长达6 个月,其间每隔几天站起来换另一侧重新躺下。母熊在不吃不喝的冬眠期间,还要以自己体内的脂肪和水分储备给双胞胎或三胞胎幼崽哺乳。

一只正在冬眠的熊

熊的巢穴口,一只被注射了镇静剂的母熊和它的幼崽。科学家们正在研究观察,随着气候变暖,熊的冬眠习惯会发生哪些变化

这种现象对于人类来说是无法想象的。如果人类长时间处于这种昏睡状态,那么肯定会付出一定的健康代价。例如,无论是躺在医院病床上慢慢康复的患者,还是乘坐飞船在太空中长途旅行去往其他星球的宇航员,经过长达数月的卧床或静止状态之后,肌肉会萎缩,骨密度也会随之降低,但黑熊显然没有这些问题。熊长时间冬眠不影响骨骼健康的秘密,不久前被研究人员部分揭示了。2021年,巴恩斯和他的同事发表的一项研究表明,熊在冬眠期间会关闭与骨骼分解有关的基因。

研究人员因此认为,人类有朝一日有可能通过基因技术,在人体内对同样的过程进行操控以预防骨质疏松。巴恩斯补充道:“这种方法对需要长期卧床休息的人可能特别有用,他们是目前最接近于冬眠状态的人群。”

进入冬眠状态的熊,体内新陈代谢极其缓慢,这本身就是一个惊人的奇迹。熊可以在保持相对较高体温的同时,在长达几个月的时间内,将呼吸和心率减缓约75%。虽然没有人确切知道它们控制体内新陈代谢的机制,但这种策略显然很成功。对此,研究人员猜测,冬眠的熊不像冬眠的地松鼠那样将体温降到极低,可能是因为春天醒来时,要让它们庞大的身体恢复到正常体温需要太多的能量。取而代之的策略是,冬眠期间,它们将身体蜷缩起来,让脂肪和皮毛保持温暖,偶尔打几个寒战,以帮助血液流动。

冬天到来时,一些种类的哺乳动物在夜间或整个冬季的时间里,身体的新陈代谢活动会大大降低。熊的体形比其他动物大得多,是最为引人瞩目的冬眠动物

类似于人类体形,或者更大体形的动物,在冬眠中操控生命体征近乎暂停的现象,引起了科幻小说家和其他人的高度关注。人们梦想有一天,能够让宇航员在遨游太阳系时,依靠有限的氧气和食物,以及极少量的运动在太空中度过数月或数年。更有可能实现的目标是利用动物的冬眠机制来保护重症监护室的患者,避免长期卧床导致的身体机能受损。

心脏病发作患者和中风患者,由于大脑氧气和营养物质供应大大减少,而导致身体机能受损。如果医生能让患者处于类似动物冬眠的状态,迅速减少患者自身对氧气和营养物质的需求,那么这种供应短缺对身体的危害就会小得多。中风患者最有可能在中风后一小时内的治疗中获益,医生将这一时段称为“黄金时段”。巴恩斯指出,如果医生能将动物的冬眠机制复制到患者身上,让大脑对氧气和血液的需求不超过所能提供的程度,那么,“黄金时段”将有可能延长至一周甚至三周时间。

也许要不了多久,幻想就可成为现实。如今,美国和我国的研究人员受动物冬眠机制的启发,正在研究使用某些药物让中风患者暂时进入“类冬眠状态”,让因疾病导致缺氧缺血的患者可在最大限度上保护大脑功能。

冬眠信号和苏醒信号

熊的冬眠机制很有些特立独行。让一些啮齿类动物和其他动物开始冬眠的信号是白昼渐短。但熊与其他动物不同,何时进入冬眠、何时从冬眠状态中醒来,是由它们自己决定和掌控的,这个时机是由包括食物短缺在内的许多因素驱动的。但阿拉斯加安克雷奇美国地质调查局的野生动物生物学家希瑟·约翰逊指出,最重要的一个决定因素是温度。

约翰逊及其同事对美国科罗拉多州杜兰戈附近的51只雌性黑熊的冬眠情况进行了3 年的追踪调查,发现黑熊的冬眠时间差异很大,从不足4 个月到超过7 个月不等。年长的黑熊和带有幼崽的母熊通常比年轻单身熊的冬眠时间更长,但所有的熊都有一个共同点:准备从冬眠中苏醒恢复活跃的日常活动时,都会关注气候和温度的变化。

据他们的观察,春季平均最低气温每上升1℃,熊就会提前3.5 天离开巢穴,达到一定温度就是熊将从冬眠中苏醒的时机。

挪威应用科学大学野生动物兽医师艾丽娜·埃文斯及其同事给14 只棕熊安装了卫星定位追踪项圈和心率体温跟踪监视器,对熊的冬眠机制进行跟踪调查后发现,斯堪的纳维亚半岛上的棕熊通常等待温度达到临界值后苏醒,然后从冬眠的巢穴中走出来。

树根、天然的洞穴和挖好的蚁丘,都是棕熊用来冬眠的好地方。当白天平均温度接近5℃时,棕熊就准备结束冬眠离开巢穴。温度是它们从冬眠中醒来的诱因和动因,但还有其他可能的因素,例如,它们也可能会注意到积雪融化时令人不快的潮湿感觉。

如今随着气候变暖,冬季变得比往常温暖,熊将会提前结束冬眠,从巢穴中走出来。这样的转变是否已经发生,还很难确定,但已有很多暖冬期间熊在城镇或居民住宅的门廊上出现的新闻在流传着。为此,约翰逊十分担心:“冬眠时间缩短会让熊在更长的时间段内陷入更多的麻烦,例如被汽车撞到或被猎人所伤等意外。熊在冬眠阶段的存活率几乎是100%,而对于在冬眠期提前外出的熊来说,外面的世界是一个危险的世界。”

埃文斯认为,熊通常在冬季食物短缺时进入冬眠状态,开春食物充足时醒来四处活动,这个时间是相对固定的,但温度变化可能会打乱它们原有的生活习性。如在某些情况下,气候的突然变化会让熊暂时性地暴食。通常,熊在冬眠期间会损失30%到40%的体重,其中大部分是脂肪。但如果一头熊连续几年提早结束冬眠,春天提早出窝的加餐会增加多余的体重, 熊可能会变得肥胖,甚至有可能会像人类一样容易患上糖尿病。

研究人员对14只自由放养的棕熊进行了平均3年的体温、心率和活动率测量。冬眠期间,棕熊的活动减少,心率显著降低,但体温仅略有下降(图中垂直绿色条柱代表棕熊进入或离开巢穴的时间)

虽然从长远来看,熊最终会逐渐调整它们的进食和冬眠时间表,以适应一个日益变暖的世界。但气候变化目前已对熊的冬眠机制产生了影响。如在黑熊繁衍生息的美国佛罗里达州的沼泽地和墨西哥的林地,以及棕熊曾经栖息的欧洲南部的一些国家里,冰川积雪开始融化,严冬随之消失,一些地区的熊甚至整个冬季都不再冬眠了。希腊和克罗地亚的熊除非怀孕生崽,冬天也都不再窝在巢穴内了。

在全球气候变暖的情况下,对于熊来说,冬眠可能不再那么重要了,但科学家们却比以往任何时候都更渴望了解熊的冬眠机制。

一只北极地松鼠在它的洞穴中冬眠

研究动物冬眠造福人类

研究发现,冬眠的熊、地松鼠和其他动物的大脑与患有阿尔茨海默病或帕金森病患者的大脑,在某些方面有着惊人的相似之处。这类人类疾病的特点之一,是tau 蛋白在大脑中形成缠结。冬眠的熊和地松鼠的大脑也会经历类似的变化,可能是因为这些蛋白质在长时间的休眠期可起到保护神经元的作用。研究发现,处于冬眠期的熊的大脑和中枢神经系统中也有大量的tau 蛋白积累。

神经细胞体内的tau 蛋白线状缠结

但tau 蛋白积累导致的后果,对冬眠动物与人类却大为不同。其最大的区别在于:对人类来说,随着阿尔茨海默病和帕金森病不可避免的恶化,tau 蛋白在患者体内会持续积累;而熊在春季到来从冬眠状态中苏醒过来后,却能够迅速清除大脑中的tau 蛋白缠结,大脑不会遗留下任何受损迹象,记忆和运动技能也完全不受影响。破解冬眠动物解决tau 蛋白缠结的奥秘,将为治愈阿尔茨海默病和帕金森病患者带来极大的希望。

那么,患者能否像动物从冬眠中苏醒后那样,消除大脑中积累的tau 蛋白缠结呢?这项科学研究尚处于早期阶段,但研究人员在进展性大脑疾病的研究方面,已经获得了一些新的见解。2021 年动物研究科学报告称,诱导冬眠和苏醒过程可增强大脑各区域间的联系,改善罹患阿尔茨海默病的小鼠的记忆力。随着这项研究的进展,医学工作者未来有可能开发出模拟动物冬眠机制的药物疗法,无须进入冬眠状态,就可以给患者提供类似的认知刺激。

目前,格拉切娃的大部分时间都在研究冬眠的地松鼠,现在她是帕金森病患者大脑变化导致认知障碍研究团队的成员之一,其具体研究课题是基因测序,通过基因技术更好地理解易患帕金森病的脑细胞和未受影响脑细胞之间的基因差异。在使用冬眠动物研究中的一些方法后她发现,动物从冬眠中醒来重新恢复活动阶段,与患者在疾病恢复阶段是一个有着惊人相似性的时间节点。研究熊和地松鼠的冬眠机制,可以告诉我们一些关于人类神经系统如何运作的非常基本的机制。

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