小型哺乳類にとって、北緯の冬は 2 つの脅威をもたらします。気温が低いため、体温を 37 ℃ に維持するには代謝を高める必要がありますが、食物が不足しているため、代謝の上昇に燃料を供給することが特に困難になります。これらの過酷な条件に耐えるためのさまざまな戦略があり、その 1 つが冬眠です。冬眠は、この役割において効果的です。なぜなら、その顕著な特徴である無気力と呼ばれる代謝の深刻な抑制により、冬眠者は 37 ℃ の体温を放棄し、代わりに膨大な脂肪貯蔵に頼って、摂食せずに最大 9 か月間生き残ることができるからです。したがって、Torpor は両方の冬の脅威に同時に対処します。
しかし、冬眠者は、規制されたレベルからゆっくりとドリフトする特定の機能をリセットする必要がある前に、無気力状態で過ごすことができます.その結果、すべての小さな冬眠者は 10 日ほどごとに休眠状態から目覚め、休眠状態に戻るまでの 12 時間ほどの間、代謝と体温を典型的な夏のレベルまで上昇させます。これらの覚醒の間、シマリスなどのいくつかの冬眠中の種は、冬眠前に冬眠に隠しておくことを予見していた食物をかじります。 13 列のジリスなどの他の種は、食べることを控え、覚醒期間を睡眠に費やします (睡眠と無気力は異なる生理学的状態です)。どちらの場合も、冬眠者は代謝を非常に短い順序で 400 倍に増加させる必要があります。これは、電車を動かすのと同等の代謝です。
列車はディーゼルを使用して移動を促進しますが、冬眠者は脂肪を使用して冬眠シーズン全体の新陳代謝を促進します。これは、脂肪が非常に効率的なエネルギー貯蔵分子として機能し、他の 2 つの主要な代謝燃料タイプである炭水化物またはタンパク質の 2 倍以上のエネルギーを 1 ポンドあたりに詰め込むためです。したがって、冬眠者は、冬眠中の代謝をサポートするために、冬の前に十分な脂肪を詰め込みます.冬全体を食べることを控える非食物貯蔵種にとって、これは体重がほぼ2倍になることを意味します.しかし、脂肪は効果的なエネルギー貯蔵分子ですが、炭水化物と比較して燃焼が比較的遅いため、覚醒の初期段階に必要な代謝の大幅なバーストには理想的ではない可能性があります.私たちは最近、冬眠中の 13 列のジリスがこの重要な段階にどのように燃料を供給しているかを正確に調査しました.
燃料の使用量を測定するために、私たちのチームは CO
私たちのチームは燃料の使用量を測定すると同時に、赤外線画像を撮影して、覚醒の過程でリスの体表温度がどのように変化したかを明らかにしました。当初、体表はリスの低体温の代謝率を表す 8℃ の寒さでした。リスが休眠状態から目覚めると、表面温度が優先的に上昇しました。最初に温まったのは、リスが褐色脂肪組織と呼ばれる特殊な熱産生器官を収容する肩甲骨の領域でした.次は頭部と胸部で、それぞれ代謝活動を調整し、覚醒時に体全体に新しく温められた血液を送り出す非常に重要な脳と心臓の本拠地です。最後に温まったのは、臀部や手足などの重要性の低い領域でした.
興味深いことに、最大の体温上昇率は、リスの呼吸が 1 分間に 180 回の呼吸のピークに達したのと同じ時点で、覚醒の約 70 分後に発生しました。体の熱源は代謝燃料の燃焼であり、呼吸はそれらの燃料を燃焼するのに必要な酸素を供給するため、70 分が最大代謝率のポイント、つまり燃料使用率を表します。この時点で、リスはもっぱら脂肪を燃焼していましたが、それまでは脂肪を炭水化物で補っていました.これは、急速に燃焼する炭水化物が代謝の火を燃やすために使用されたことを示唆しており、これらの火が猛威を振るうと、リスは完全な脂肪燃焼に切り替えました.燃焼する脂肪は多く、炭水化物は少ないため、この戦略では最も必要なときに炭水化物を節約します。
13 列のジリスとは異なり、人間は無気力を使うように進化していません。しかし、多くの分野で、私たちがそうする能力から恩恵を受けるでしょう。たとえば、脳卒中や心臓発作などの虚血性損傷後の代謝率を下げると、組織損傷の速度が遅くなり、医師は治療を行う時間を大幅に増やすことができます.また、電離放射線への継続的な曝露や限られた宇宙船の質量、体積、および電力容量など、長期にわたる有人宇宙飛行の多くの課題を軽減することにもなります。これらの理論上の利点は、自然に進化した休眠メカニズムを人間などの自然に休眠を使用しない動物に翻訳するための急成長中の取り組みの根底にあります。
13 縞模様のジリスのような動物が自然に無気力を誘発し、逆行させるメカニズムを理解すればするほど、人間にこれらの代謝状態を安全に誘発するための技術をより迅速に開発できるようになります。自然の休眠から覚醒するジリスのように、「合成の休眠」から覚醒する人間は、自身の代謝の火を再燃させるために炭水化物を必要とするかもしれません.
