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。
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。
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慢,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>
五、参考资料
- Mammalian Hibernation: Cellular and Molecular Responses to Depressed Metabolism and Low Temperature
2.Hibernating bears teach scientists tricks for human hibernation - Biochemical mechanisms of hibernation and stunning in the human heart.
- Investigation of mechanisms of mammalian hibernation and its possible application in medical treatment
- The role and regulation of adenosine in the central nervous system