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冬眠的松鼠如何在六個多月沒有水的情況下不渴

松鼠


冬眠的松鼠如何在六個多月沒有水的情況下不渴


密歇根州利拉諾州立公園草地上的13條紋地松鼠 。圖片來源：Jim McKinley ， 蓋蒂圖片社
據《大眾科學》（勞倫·勒弗）：每年有六到八個月，13條紋地松鼠不會離開它們的小地下巢穴 。在北美的草原下，它們在沒有任何食物或水源的情況下冬眠，等待寒冷季節的結束 。他們在整個過程中都不吃也不喝 。慢慢地，科學家們正在揭開如何以及為什么的謎團 。
11月28日發表在《科學》雜志上的一項研究表明 ， 冬眠的地松鼠體內與引發口渴有關的特定大腦區域受到強烈抑制 ， 即使在嚙齒動物表現活躍的過渡期也是如此 。結合同一實驗室小組的先前發現，這項新研究闡明了哺乳動物在地下停留如此之久的極端策略 。

冬眠的松鼠如何在六個多月沒有水的情況下不渴


13條紋地松鼠 。感謝Gracheva實驗室 。
在大多數情況下，我們認為口渴是生存的關鍵適應 。我們（和所有哺乳動物）需要水來維持循環、細胞功能、清除廢物、調節體溫等等 。當血液中的離子濃度達到臨界點時，當你的血容量過低時，或者當你的腎臟開始受到壓力時，激素和其他信號會觸發你的大腦感到口渴 。你喝水，平衡就恢復了 。
但對于一只試圖在白色冬季仙境中生活的棕色毛皮松鼠來說，離開巢穴尋找水源的沖動很容易被判死刑 。耶魯大學細胞和分子生理學及神經科學教授、高級研究作者Elena Gracheva說：“這將增加捕食的風險 ?！?。當然，寒冷本身就是一種威脅 。然而，在地表世界游蕩的饑餓捕食者可能會帶來最大的風險，一定要把任何在貧瘠的冬季離開巢穴的地松鼠都抓起來 ， 因為那時獵物稀少，無處可藏 ?！拔覀儾淮_定 ， ”Gracheva指出，“但這是我們得出的一個合乎邏輯的解釋 ?！?br>因此，消除口渴成為一種違反直覺的生存方式，即使松鼠拼命喝水 。
Gracheva及其同事之前的研究發現，冬眠的松鼠通過認真保存水分和在身體其他部位隔離離子，將血液中鹽等離子濃度保持在一致的水平，大約與活躍的松鼠相當 。催產素和加壓素等激素能夠儲存水分，并起到抗利尿作用，抑制排尿 。盡管松鼠的體溫很低，但負責產生這些激素的大腦區域在冬眠期間仍然非?；钴S 。
然而，這種生理機制不足以完全解釋口渴的缺乏 。其他引發口渴的信號，如與腎臟壓力和低血容量相關的激素，仍然在哺乳動物的全身循環，按照所有標準衡量，哺乳動物應該迫切需要液體 。然而，根據新的研究，即使在冬眠期間活動并提供水，松鼠也會避開它 。
首先，一些解釋：冬眠不是睡眠——它完全是另一回事 。冬眠的地松鼠一次會持續數周，顯著降低新陳代謝率，幾乎凍僵 。他們的體溫驟降至2至4攝氏度（35.6至39.2華氏度） ， 他們處于一種稱為麻木的生理狀態 。在冬眠的幾個月里，這2-3周的麻木期穿插著一兩天的覺醒 。突然，松鼠顯得很活躍，體溫回升到正常水平 。但它們仍然不離開洞穴，也不吃不喝 。Gracheva說，這些活躍期被認為很重要，部分原因是冬眠的松鼠實際上可以睡覺、清除廢物并維持心血管系統的氧合 。
為了確定為什么松鼠在這些覺醒發作期間不會感到口渴或尋找水，Gracheva和她的同事進行了一系列行為和分子實驗 。首先，他們在冬眠中期喚醒期間為冬眠的松鼠提供水或生理鹽水 。他們發現松鼠對濃鹽溶液感興趣，但對水不感興趣 。這表明動物正在經歷一些被剝奪狀態的內部信號，并可能渴望鹽作為一種在不稀釋離子水平的情況下增加血容量的方法 。耶魯大學神經生物學研究員、主要研究作者Madeleine Junkins說：“這與佳得樂的原理相同 ?！?。如果你嚴重脫水，你不想喝白開水 ， 因為這可能會將你體內的關鍵離子稀釋到安全水平以下 。

冬眠的松鼠如何在六個多月沒有水的情況下不渴


13條紋地松鼠 。感謝Gracheva實驗室 。
然而，與人類運動員不同，冬眠的哺乳動物喝下松鼠“佳得樂”似乎也不渴望水 。Junkins解釋說：“我們知道鈉的食欲和口渴發生在大腦的不同部位，因此我們預測，這種對口渴的抑制可能與（某些）大腦區域神經元活動的減少有關 。” 。
為了進一步探索這一想法，她和她的同事們更仔細地檢查了松鼠的大腦 ， 在多次測試中觀察了少數松鼠的蛋白質表達、神經元活動以及孤立神經元對某些口渴觸發激素的反應 。他們發現 ， 在培養皿中，來自大腦口渴誘導部分的神經元仍然會對相關激素做出反應（盡管不是其他一些信號） 。神經元的電特性存在差異，但對口渴激素的反應沒有差異 。從整個大腦的角度來看 ， 神經元的活動受到抑制 。這表明神經元本身在冬眠期間仍然能夠對口渴信號做出反應，但大腦中不斷發生一些事情來抑制它們的反應 。Junkins認為，抑制性信號可能起作用 。為了進一步探索這一想法，她和她的同事們更仔細地檢查了松鼠的大腦 ， 在多次測試中觀察了少數松鼠的蛋白質表達、神經元活動以及孤立神經元對某些口渴觸發激素的反應 。他們發現，在培養皿中 ， 來自大腦口渴誘導部分的神經元仍然會對相關激素做出反應（盡管不是其他一些信號） 。但從整個大腦的角度來看，神經元的活動受到了抑制 。這表明，在冬眠期間 ， 口渴神經元本身相對沒有變化，大腦中不斷發生一些事情來抑制它們對口渴誘導化合物和線索的反應 。Junkins認為，抑制性信號可能起作用 。
盡管如此，仍存在許多問題 。地松鼠并不是研究得很好的模式生物 。因此，它們的基因組和神經元沒有很好地繪制出來 。Gracheva指出 ， 研究人員無法進行激活或抑制單個神經元等測試，以了解這可能會如何改變行為 ， 而這在小鼠或大鼠等測試對象中是可能的 ?！拔覀冋谂?，我認為在兩三年內 ， 我們將能夠使用類似的工具 ， ”她說，但就目前而言，他們仍然對他們所關注的大腦區域的具體細節一無所知 。
此外，冬眠在分子和細胞水平上知之甚少 。已經進行了大量的行為研究，但很少有工作研究冬眠哺乳動物的詳細內部功能，尤其是水管理 。Gracheva說：“我認為我們是第一個從生理角度真正研究冬眠期間口渴的人 。” 。她和她的同事們也在研究饑餓提示和地松鼠極端冬季生存策略的其他方面——比如告訴，這些動物如何知道在沒有光線和溫度的情況下什么時候該冬眠 。
通過這樣做，她想象這項研究可能有一天會帶來一系列有益的發現 。
“我們是一個基于好奇心的實驗室，”Gracheva說 。他們沒有直接從事任何臨床應用，理解動物生物學的樂趣本身就是足夠的動力 。容金斯說：“我非常激動地感覺到，每種動物都很神奇，都有一些東西可以教給我們 。世界上有很多不同的生存方式，也有很多令人著迷的不同策略 ?！?。
然而，如果我們能找出如何將松鼠的經驗教訓應用于我們自己，研究冬眠確實具有廣泛的潛在應用 。Gracheva指出，這可以改善移植或心臟直視手術，這些手術依賴于患者暫時的誘導低溫 。一般來說，這樣的程序是時間和可能性有限的，因為人們只能在短時間內安全地保持低溫狀態 。她解釋說：“如果我們能將這個窗口從兩個小時擴大到五個小時，它可以幫助拯救很多生命 。” 。“在醫學院，我從真正的醫生那里聽到了對我們研究的興趣 ?！?br>Gracheva建議 ， 這也可能揭示治療厭食癥藥物的細胞或分子靶點，因為它們確定了抑制和激活饑餓和口渴的特定途徑 。它甚至可能有助于推動我們進入深空 。
人類需要消耗多少才能生存，這使得前往火星及其他地方的長途太空旅行變得復雜 。如果我們能更好地控制自己的新陳代謝，并了解在部分冬眠狀態下消除不舒服沖動的秘密 ， 太空飛行可以讓我們走得更遠 ?！斑@對美國國家航空航天局來說是一個非常熱門的話題 ， ”她說 。從小松鼠的洞穴到廣闊的宇宙 ， 科學正在建造意想不到的橋梁 。