K zimnímu spánku se mohou ukládat stovky druhů zvířat. Rychlost metabolismu v jejich organismech je desetkrát snížena. Nemohou jíst a téměř nedýchají. Tento stav je i nadále jednou z největších vědeckých záhad. Jeho vyřešení by mohlo vést k průlomům v mnoha oblastech, od onkologie až po lety do vesmíru. Vědci chtějí člověka přivést k zimnímu spánku.
„Pracovala jsem rok ve Švédsku a rok se mi nedařilo přimět gophery, aby usnuly,“ přiznává Ljudmila Kramarová, vedoucí výzkumná pracovnice Institutu teoretické a experimentální biofyziky Ruské akademie věd (Puščino).
Na Západě jsou práva laboratorních zvířat podrobně popsána – Deklarace lidských práv odpočívá. Experimenty se studiem hibernace však nelze provádět.
– Otázka zní, proč by měli spát, když je v gopher house teplo a krmí se z břicha? Gophers nejsou hloupí. Tady v naší laboratoři by se mnou rychle usnuli!
Nejlaskavější Ljudmila Ivanovna přísně klepe prstem na stůl a vypráví o laboratorním gopherovi, který u ní bydlel. "Susya!" zavolala ode dveří. "Zaplať-zaplať!" – odpověděl gopher, který obecně není ochočený. Tato Susya za tři roky doma ani jednou neusnula. V zimě, když se v bytě citelně ochladilo, vlezl pod radiátor a ohříval si hlavu. "Proč?" ptá se Ludmila Ivanovna. Možná je regulační centrum hibernace někde v mozku? Vědci zatím nevědí. Povaha hibernace je jednou z hlavních intrik moderní biologie.
Dočasná smrt
Náš jazyk se díky Microsoftu obohatil o další buzzword – hibernaci. Toto je název režimu, ve kterém systém Windows Vista vstupuje do počítače, aby se minimalizovala spotřeba energie. Stroj se zdá být vypnutý, ale všechna data jsou zároveň uložena: Stiskl jsem tlačítko – a vše fungovalo, jako by se nic nestalo. Totéž se děje s živými organismy. Tisíce různých druhů – od primitivních bakterií po pokročilé lemury – jsou schopny dočasně „umřít“, což se vědecky nazývá hibernace nebo hypobióza.
Klasickým příkladem jsou gophery. Co víte o gopherech? Normální takoví hlodavci z čeledi veverovitých. Vyhrabávají si vlastní norky, jedí trávu, množí se. Když přijde zima, gophers jdou do podzemí. Zde se z vědeckého hlediska děje to nejzajímavější. Hibernace gopherů může trvat až 8 měsíců. Na povrchu mráz někdy dosahuje -50, otvor zamrzá až -5. Poté teplota končetin zvířat klesne na -2 a vnitřních orgánů na -2,9 stupně. Mimochodem, během zimování spí gopher v řadě pouze tři týdny. Poté se na několik hodin probudí z hibernace a poté znovu usne. Aniž bychom zabíhali do biochemických detailů, řekněme, že se probudí na čůrání a protahování.
Zmrzlá zemní veverka žije zpomaleně: její srdeční frekvence klesá z 200-300 na 1-4 údery za minutu, epizodické dýchání – 5-10 dechů a poté jejich úplná absence na hodinu. Prokrvení mozku je sníženo asi o 90 %. Obyčejný člověk nemůže přežít nic podobného. Nedokáže se ani podobat medvědovi, jehož teplota během zimního spánku o dost klesá – z 37 na 34-31 stupňů. Těchto tři až pět stupňů by nám stačilo: tělo by ještě několik hodin bojovalo o právo na udržení tepové frekvence, dechového rytmu a obnovení normální tělesné teploty, ale když dojdou energetické zdroje, smrt je nevyhnutelná.
chlupatý brambor
Víte, jak vypadá gopher, když spí? ptá se Zarif Amirkhanov, vedoucí výzkumný pracovník Ústavu buněčné biofyziky. „Jako brambory ze sklepa. Tvrdé a studené. Pouze chlupatý.
Mezitím šutr vypadá jako šnek – vesele hlodá semínka. Není snadné si představit, že by toto veselé stvoření mohlo náhle bezdůvodně upadnout do strnulosti a strávit takto většinu roku, a pak z této strnulosti opět bezdůvodně „vypadnout“.
Jednou ze záhad hypobiózy je, že zvíře je docela schopné samo regulovat svůj stav. Změna okolní teploty k tomu není vůbec nutná – lemuři z Madagaskaru upadají do zimního spánku. Jednou za rok najdou prohlubeň, ucpou vchod a jdou spát na sedm měsíců, čímž sníží tělesnou teplotu na +10 stupňů. A na ulici ve stejnou dobu všichni stejně +30. Někteří sysli, například turkestanští, mohou také přezimovat v horku. Nejde ani tak o teplotu kolem, ale o metabolismus uvnitř: rychlost metabolismu klesá o 60–70 %.
"Vidíte, tohle je úplně jiný stav těla," říká Zarif. – Tělesná teplota neklesá jako příčina, ale jako důsledek. Aktivuje se další regulační mechanismus. Mění se funkce desítek bílkovin, buňky se přestávají dělit, celkově je tělo během pár hodin kompletně přestavěno. A pak ve stejných několika hodinách je přestavěn zpět. Žádné vnější vlivy.
Dřevo a kamna
Jedinečnost zimního spánku spočívá v tom, že zvíře se může nejprve ochladit a poté zahřát bez cizí pomoci. Otázkou je jak?
"Je to velmi jednoduché," říká Ludmila Kramarová. „Hnědá tuková tkáň, slyšel jsi?
Všichni teplokrevní živočichové, včetně lidí, mají tento tajemný hnědý tuk. Navíc u kojenců je to mnohem více než u dospělých. Jeho role v těle byla dlouhou dobu obecně nepochopitelná. Ve skutečnosti existuje obyčejný tuk, proč také hnědý?
„Takže se ukázalo, že hnědý tuk hraje roli sporáku,“ vysvětluje Ludmila, – a bílý tuk je jen palivové dříví.
Hnědý tuk je schopen zahřát tělo od 0 do 15 stupňů. A pak jsou do práce zahrnuty další látky. Ale to, že jsme našli kamna, ještě neznamená, že jsme přišli na to, jak to zprovoznit.
"Musí existovat něco, co zapne tento mechanismus," říká Zarif. – Mění se práce celého organismu, to znamená, že existuje určité centrum, které to vše řídí a spouští.
Aristoteles odkázal studovat hibernaci. Nedá se říci, že by to věda dělala už 2500 let. Vážně se o tomto problému začalo uvažovat teprve před 50 lety. Hlavní otázka zní: co v těle spouští mechanismus hibernace? Pokud to najdeme, pochopíme, jak to funguje, a pokud pochopíme, jak to funguje, naučíme se, jak navodit hibernaci u nespících. V ideálním případě jsme s vámi. To je logika vědy. S hypobiózou však normální logika nefungovala.
Všechno to začalo od konce. V roce 1952 zveřejnil německý badatel Kroll výsledky senzačního experimentu. Zavedením extraktu z mozku spících křečků, ježků a netopýrů do těla koček a psů vyvolal u nespících zvířat stav hypobiózy. Když se problémem začalo blíže zabývat, ukázalo se, že faktor hypobiózy je obsažen nejen v mozku, ale obecně v jakémkoli orgánu hibernujícího zvířete. Potkani poslušně hibernovali, pokud jim byla vstříknuta krevní plazma, žaludeční extrakty a dokonce i jen moč spících zemních veverek. Ze sklenice gopher moči usínaly i opice. Účinek se důsledně reprodukuje. Kategoricky však odmítá být reprodukován při všech pokusech o izolaci konkrétní látky: moč nebo krev způsobují hypobiózu, ale jejich složky samostatně nikoli. Ani u syslů, ani u lemurů a obecně u žádného ze zimních spáčů v těle nebylo nalezeno nic, co by je odlišovalo od všech ostatních.
Pátrání po faktoru hypobiózy probíhá již 50 let, ale výsledek je téměř nulový. Nebyly nalezeny ani geny odpovědné za hibernaci, ani látky, které ji způsobují. Není jasné, který orgán je za tento stav zodpovědný. Různé experimenty zahrnovaly nadledvinky, hypofýzu, hypotalamus a štítnou žlázu na seznam „podezřelých“, ale pokaždé se ukázalo, že byli jen účastníky procesu, ale ne jeho iniciátory.
"Je jasné, že zdaleka ne celá škála látek, které jsou v této špinavé frakci, je účinná," říká Ljudmila Kramarová. — No, už jen proto, že je většinou také máme. Byly studovány tisíce proteinů a peptidů odpovědných za náš život se syslemi. Ale žádný z nich – alespoň přímo – není spojen s hibernací.
Bylo přesně zjištěno, že v těle spícího gophera se mění pouze koncentrace látek, ale zda se tam tvoří něco nového, se stále neví. Čím dále vědci postupují, tím více se přiklánějí k názoru, že problémem není záhadný „faktor spánku“.
"S největší pravděpodobností se jedná o komplexní sled biochemických událostí," říká Kramářová. – Možná působí koktejl, tedy směs určitého počtu látek v určité koncentraci. Možná je to kaskáda. Tedy konzistentní účinek řady látek. Navíc s největší pravděpodobností jde o dlouho známé proteiny, které má každý.
Ukazuje se, že hibernace je rovnice se všemi známými. Čím je to jednodušší, tím je to obtížnější vyřešit.
Naprostý chaos
Se schopností hibernace udělala příroda úplný nepořádek. Krmení dětí mlékem, kladení vajíček, udržování stálé tělesné teploty – tyto vlastnosti jsou úhledně zavěšeny na větvích evolučního stromu. A hypobióza se může jasně projevit u jednoho druhu a zároveň zcela chybět u jeho nejbližšího příbuzného. Například svišti a sysli z čeledi veverovitých spí ve svých norcích šest měsíců. A samotné veverky nenapadne usnout ani v nejkrutější zimě. Ale někteří netopýři (netopýři), hmyzožravci (ježci), vačnatci a primáti (lemuři) upadají do zimního spánku. Ale nejsou ani bratranci z druhého kolena gopherů.
Někteří ptáci, plazi, hmyz spí. Obecně není příliš jasné, na základě čeho si je příroda vybrala, a ne jiné, za zimní spánek. A vybrala si? I ty druhy, které hibernaci vůbec neznají, za určitých podmínek snadno uhodnou, co to je. Například prérijní pes černoocasý (rodina hlodavců) usne v laboratorním prostředí, pokud mu chybí voda a jídlo a je umístěn v tmavé chladné místnosti.
Zdá se, že logika přírody je založena právě na tom: pokud nějaký druh potřebuje přežít období hladovění, aby přežil, má v záloze možnost hypobiózy.
"Zdá se, že máme co do činění s prastarým regulačním mechanismem, který je vlastní každému živému tvorovi obecně," přemýšlí nahlas Zarif. – A to nás vede k paradoxní myšlence: není divné, že gophers spí. Zvláštní je, že my sami nezimujeme. Možná bychom byli docela schopni hypobiózy, kdyby se vše v evoluci vyvíjelo přímočaře, tedy podle principu přidávání nových kvalit při zachování těch starých.
Podle vědců však člověk ve vztahu k zimnímu spánku není úplně beznadějný. Domorodí Australané, potápěči perel, indičtí jogíni mohou minimalizovat fyziologické funkce těla. Nechte této dovednosti dosáhnout dlouhým tréninkem, ale je dosaženo! Dosud se žádnému vědci nepodařilo uvést člověka do plnohodnotného zimního spánku. Narkóza, letargický spánek, kóma jsou stavy blízké hypobióze, ale mají jiný základ a jsou vnímány jako patologie.
Experimenty na uvedení člověka do zimního spánku brzy začnou ukrajinští lékaři. Metoda, kterou vyvinuli, je založena na dvou faktorech: vysoké hladiny oxidu uhličitého ve vzduchu a nízké teploty. Možná nám tyto experimenty neumožní plně pochopit podstatu hibernace, ale alespoň proměnit hypobiózu v plnohodnotný klinický postup.
Pacient poslán spát
V době hibernace se gopher nebojí nejen chladu, ale ani hlavních onemocnění gopher: ischemie, infekcí a onkologických onemocnění. Na mor za den zemře bdělé zvíře, a pokud je nakaženo v ospalém stavu, je mu to jedno. Pro lékaře jsou obrovské možnosti. Stejná anestezie není pro tělo nejpříjemnější stav. Proč jej nenahradit přirozenějším hibernací?
Představte si situaci: pacient je na pokraji života a smrti, hodiny počítají. A často tyto hodiny nestačí na provedení operace nebo nalezení dárce. A v hibernaci se jako ve zpomaleném záběru rozvine téměř jakákoli nemoc, a to už nemluvíme o hodinách, ale o dnech, nebo dokonce týdnech. Pokud dáte volný průchod své fantazii, dokážete si představit, jak beznadějní pacienti jsou ponořeni do stavu hypobiózy v naději, že jednoho dne budou nalezeny prostředky nezbytné pro jejich léčbu. Firmy zabývající se kryonikou dělají něco podobného, jen zmrazí již mrtvého člověka a obnovit organismus, který ležel deset let v tekutém dusíku, je jen stěží reálné.
Mechanismus hibernace může pomoci pochopit různé neduhy. Například bulharský vědec Veselin Denkov ve své knize „Na hraně života“ navrhuje věnovat pozornost biochemii spícího medvěda: „Pokud se vědcům podaří získat v čisté formě látku (pravděpodobně hormon), která vstoupí do těla z hypotalamu medvědů, s jejichž pomocí se regulují životní procesy během zimního spánku, pak budou moci úspěšně léčit lidi trpící onemocněním ledvin.
Dosud jsou lékaři velmi opatrní s myšlenkou použití hibernace. Přesto je nebezpečné zabývat se fenoménem, který není zcela pochopen.