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科普文章:低体温和肥胖的天然生物医学模型: 达乌尔黄鼠 精选

已有 8943 次阅读 2015-12-6 16:24 |个人分类:科普随笔|系统分类:科普集锦| 科普, 大自然, 黄鼠, 冬眠动物, 低温医学

低体温和肥胖的天然生物医学模型: 达乌尔黄鼠

邢昕王德华

(中国科学院动物研究所)

 

                 (《大自然》文章截图)

   

在我国北方如东北、内蒙、河北、山西等地区的草原和农田中常可以见到一种啮齿动物,它们身体棕黄、眼大而圆,经常偷食庄稼,被老乡们唤作“大眼贼”。“大眼贼”的学名叫达乌尔黄鼠(Spermophilus dauricus),它在分类学上隶属于啮齿目、松鼠科、黄鼠属,是地栖的鼠种。达乌尔黄鼠主要在白天活动,晚上在洞中休息。在入冬前,黄鼠们要忙着到处找食物,把自己养得胖胖的。到了冬季,我们就难见它们的身影了,因为它们都在一米多深的地下洞穴里面冬眠呢。达乌尔黄鼠在冬眠前和冬眠后会发生非常显著的生理学变化以适应严寒和资源缺乏的冬季。理解冬眠黄鼠的一些生理学变化特征和调控机理,会对于人类的生物医学有很多有益的启发。

冬眠期的低体温和低代谢

与其他冬眠动物一样,达乌尔黄鼠在冬眠时主要通过降低体温和降低代谢的方式减少能量支出。然而,动物在冬眠期间并不是一直维持低体温和低代谢的状态。每隔几天或十几天,动物会自发地从深冬眠状态觉醒,在短时间内迅速将生理功能恢复到常温状态。此外,当环境温度低于适合冬眠的最低温度或者在冬眠期间被人为干扰后,黄鼠也会警觉性地从深冬眠状态中觉醒。冬眠的黄鼠将身体蜷缩成球形以最大限度地减少散热,并在长达数天的深冬眠周期里维持这个球形姿势,几乎不活动。对我们人类来说,如卧床的病人,如果长时间卧床会使肌肉产生严重的萎缩。但达乌尔黄鼠在冬眠过程中,后肢比目鱼肌的重量则变化很小。科学家在非冬眠季节,使用尾部悬吊方法模拟后腿肌废用对达乌尔黄鼠肌肉造成的影响,结果发现远远小于相同条件下大鼠的变化。了解黄鼠冬眠期间在长时间不运动的条件下如何维持肌肉功能,将对那些长期躺在病榻上的病人有所帮助。

冬眠期间,黄鼠的体温可以降到与环境温度接近。实验室中记录到的最低体温可达-2.4,在此期间其代谢率也降到极低的水平,以减少能量支出。随着体温和代谢率的降低,动物的呼吸速率、心率等生理机能也都下降到极低的水平。在人类医学中,一些对氧气需求量较大的重要器官如心、肺、脑、肝脏等,长时间的低氧状态将对这些器官造成不可逆的损伤,甚至坏死。这也是在器官移植中面临的亟待解决的重要问题。动物在一个冬眠阵结束后,会在2-3个小时的时间内快速将体温升高到37左右,呼吸速率、心率等生理功能也会恢复到非冬眠时的状态。因此,在冬眠的觉醒过程中,许多器官需要经历缺血后的再灌注。对于人类来说,这往往会使得器官因为突然增加的氧自由基而受到不同程度的损伤,而黄鼠在冬眠期间经历多次冬眠-觉醒的循环,身体器官则完好无损,功能正常。黄鼠在冬眠期间,哪些机理保证了身体内那些重要器官能耐受反复的低氧和缺血再灌注,至今尚不清楚,研究这些问题无疑将会为人类造福。

除了临床应用以外,人类的冬眠对航天的发展也将起到重要作用。去年热映的《星际穿越》带领我们体验了人类对太空旅行的极限挑战。电影中,那些宇航员在漫漫星际旅途中可以用冷冻休眠节约生命消耗,并自行设定唤醒时间,这让宇航员们有限的生命时间得到最大的利用,而不会虚耗在途中。神奇的是,在长达几年的休眠后,宇航员的生理机能和记忆力、学习能力居然没有丝毫的损伤。这很惊奇吗,其实现实世界中是可以达到的。现今对冬眠动物大量的研究结果表明,冬眠后动物的记忆力、学习能力完好无损,各项生理机能也会在醒眠后很快得到恢复。到目前为止,这些都是人类难以期盼的超能力。相信随着冬眠研究的不断发展和深入,人类也会获得这样的能力。

冬眠前的“肥胖”

一些研究表明,冬眠动物需要通过间歇性地觉醒来使得机体的各项生理功能得到短暂地恢复,以维持机体的正常生理功能。动物在冬眠期间的觉醒是一个非常耗能的过程。因此,为了成功越冬存活,达乌尔黄鼠需要在冬眠前将越冬所需的能源物质以脂肪的形式贮存在体内。在整个冬眠季节,黄鼠几乎不取食,只依赖冬眠前贮存在体内的大量脂肪而存活越冬。达乌尔黄鼠身体脂肪含量会在冬眠前短短两个多月内增加13倍,体重翻一翻。体重和体脂的这种剧烈变化要求动物的能量调节具有很强的生理可塑性。

当今社会,人们的生活水平日益提高,生活压力却越来越大,运动量也越来越少,这些都是导致肥胖的重要原因。人类的肥胖是一种代谢性疾病,可以进一步诱发Ⅱ型糖尿病、非酒精类脂肪肝、高血糖、高血脂甚至心脏病等其他重大疾病。胰岛素是体内调节糖代谢的重要激素。肥胖会导致机体对胰岛素调节不敏感,进而诱发高血糖、Ⅱ型糖尿病等病症。达乌尔黄鼠在快速增肥的过程中,血糖和血脂的增加幅度却比较小,肝脏中也没有明显的脂质积累。科学家对多纹黄鼠(Ictidomys tridecemlineatus)的研究发现,在脂肪积累的过程中,动物通过建立胰岛素抵抗的机制来贮存脂肪,完成脂肪积累的动物会自发进入冬眠。动物为贮存脂肪而建立胰岛素抵抗的机制在黄鼠中是一个可逆的过程。黄鼠体重的这种循环波动可为我们研究肥胖以及肥胖的控制和相关治疗提供了天然的动物模型。

达乌尔黄鼠在冬眠前后经历的这些生理变化确实十分神奇,很多机理还需要进一步深入的研究。尽管相关研究结果离人类的应用还十分遥远,但我们相信,随着科学家们对动物冬眠机制研究的不断深入,冬眠动物的研究成果一定会为低温医学、肥胖医学、肌肉功能康复、心血管疾病治疗等做出贡献。

(说明:本文为《大自然》杂志野生动物模型专栏约稿。文章发表在《大自然》2015年第6期。作者邢昕博士现为北京大学生命科学学院博士后)

 




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