为什麽冬眠是科学家最想了解的现象

冬眠中的睡鼠
冬眠中的睡鼠
一、冬眠

冬眠可能是目前生物学中最令人着迷不解的现象,每当大地即将进入萧条的冬季时,动物会开始不停的进食,将能量以脂肪的方式储存,棕熊甚至会吃到两倍的体重以应付长时段的饥饿。

冬眠其实不完全如你所想像中的一样,不会一直睡一直睡直到春天到来。眠有两种形式,一种确实会一直睡,另一种却是周期性的醒来,因此两种动物的储存能量的行为会有所不同;前者确实需要储存大量的脂肪在睡觉时燃烧,像是棕熊、北极地松鼠,后者则会将食物收集在洞穴中,醒来的时候吃点东西,再继续睡觉,大部分的鼠类诸如:睡鼠、刺猬都是如此。

二、蛰伏

把冬眠说是睡觉其实不太精确,真正的用语应该是蛰伏(torpor),是一种改变生理机制达到降低体温及减少代谢的状态。

蛰伏的时间可长可短,有些动物像是鸟类、蝙蝠就会每天固定一段时间进入蛰伏的状态,以减少耗能并适应夜晚的温度。

人类即使每天睡觉,但并不是在睡觉期间就进入蛰伏状态,人类的体温还是会维持在35度左右,并维持一定程度的代谢机能,因为人类的器官并没有办法承受长期的低温及缺氧。

长期的蛰伏就是冬眠的状态,体温、心跳、血流、代谢的降低幅度非常剧烈,土拨鼠在冬眠时体温会从40度降到5度左右,心跳从每分钟100下降到2、3下,这种状态会造成血流非常的慢,器官也几乎进入停止运转的状态,但却不会因此损伤。

这种低血流却不损伤的情况,不管是生物学家或是医学家都非常好奇,如果能够了解其中的机制是什么,也许就能够研究出相对应的药物,让人类的器官在中风、心脏病、或是大出血时能因此不受损害,大大改变医疗的能力极限及延长人类的寿命

冬眠已被证实能够延长哺乳动物的寿命;许多星际电影中常见的场景就是一群人睡在一个箱子中,度过漫长的星际航行的岁月,透过冬眠,人类的寿命甚至可以达到200年,虽然其中的130年可能是在蛰伏的状态。

到目前为止,这种想象都还没有实现,因为人类其实是不能承受蛰伏的生物,但是连太空总署NASA也宣布要研究冬眠的现象,就知道冬眠的潜力有多大。

冬眠的黑熊
三、冬眠的生物原理

以前,科学家认为冬眠是由一个特殊的因子启动,时间一到,就会开始产生这个特殊的分子,但是,近年来的研究表明并不是这么一回事,并没有一个由未知基因制造的特别因子会启动整个冬眠的过程;实际上,冬眠是经由调控很多不同的蛋白的表现量来决定的

即使是相同的基因,也能表现出不同的表征。DNA要产生作用会先转录成mRNA,再转译成蛋白质,最后透过一系列的修饰变成身体内有作用的产物,那修饰有哪些方法呢?mRNA的剪接、蛋白质的转译后不同的修饰,都能够改变产物的表现及表现量,从而改变生物的生理现象。

首先,脑部会产生出大量的adenosine,通常是用来当作生物能量货币ATP、AMP等等,但在特殊的器官,会有其特殊的功能,脑中的adenosine会使动物昏昏欲睡,也可以使心脏慢下来,这个分子已经被开发成治疗心律不整的药物,在临床上使用。

其次,动物必须从利用醣类作为能量的状态转为使用脂肪,因此,将醣类转换成ATP的酵素,增加代谢脂肪的能力,提高像是丙酮酸脱氢酶激酶(PDK4)、胰三酸甘油酶(PTL)都能有效将脂肪转为ATP

而且脂肪代谢的产物━━脂肪酸,在血中能够?;は赴?,在动物缺血时减少坏死的风险,这种机制若能研究的更透澈,也许能?;ぶ蟹绲牟∪嗽诘毕旅庥谙赴劳?,而增迈后续生活的品质。

动物能够在每年控制体脂的储存或是代谢是很奇妙的一件事,多少人每天节食、运动、健身就为了减少体脂率,展现美妙的身材,但是对动物来说,消耗脂肪似乎是可以调控的,如果能彻底了解,也许就能用来治疗肥胖症,让大家想吃多少吃多少,想燃烧多少脂肪就烧多少。

巨石强森

再说,动物一动也不动那么长的时间,肌肉却不会萎缩,多么令人羡慕啊,如果能利用这件事,健身就不必天天做,也能维持漂亮的身材;在医学上,长期卧床的病人也可以避免肌肉的流失,而越休息就越起不来的状况。

另外,因为心搏速急剧下降,血流的速度也因此变得很,这在一般的情况下会造成血液容易凝结;这也是加压止血的道理之一,透过压迫减少血流及流速能促进血液凝结进而止血。

但是,生物体内不能发生这种情况,否则会再也醒不过来,因此,增加肝脏制造抗凝血的因子是必需的,而这些抗凝血因子可以应用到临床上,可以用为治疗因血栓导致的心肌梗塞、机舱症候群等等。

如果能减少血流同时不伤害身体,受益最大的也许是外科医生,以后再也不必担心手术时大出血造成病人死亡,也能有更多的时间可以抢救重大创伤的病人。

为什么说人类正常来说不能够进入蛰伏状态呢?因为当人类的细胞在低心流的情况下,会大量产生活性氧化物ROS,也就是一般抗氧化的保健食品所对抗的分子,这种分子会破坏细胞内的结构,让细胞坏掉或突变,而动物在对抗ROS时,会提高抗氧化物诸如:GSH、维生素C(ascorbate)的表现,而长时的空腹会让抗氧化的因子的表现增加,避免细胞受到损害。(也许这也是轻断时的好处之一呢!)

四、结语

透过从各式各样的生物上学习,激发出不一样的点子,不一样的发现,这就是科普文章的美妙之处?。?/p>

萌萌哒北极熊
五、参考资料
  1. Mammalian Hibernation: Cellular and Molecular Responses to Depressed Metabolism and Low Temperature
    2.Hibernating bears teach scientists tricks for human hibernation
  2. Biochemical mechanisms of hibernation and stunning in the human heart.
  3. Investigation of mechanisms of mammalian hibernation and its possible application in medical treatment
  4. The role and regulation of adenosine in the central nervous system
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