[ 返回 EurekAlert! 中文 ] 公开发布日期: 2011年02月18日
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美国科学促进会

新的研究显示,熊冬眠时的体温和代谢变化脱节

在熊醒来后其显著下降了的代谢活性会持续数个星期

阿拉斯加基奈半岛的美洲黑熊。

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有数头美国黑熊因为其游走的区域离人类居住的社区过近而被阿拉斯加渔猎部门捕获,这给了研究人员从未有过的机会来研究这些大型哺乳动物。令人意外的是,新的发现显示,尽管黑熊在冬眠的时候其体温只是略微下降,它们的代谢活性却有了急剧的下降,减缓至它们在正常活动时代谢率的约25%。

这一发现是意外的,因为,一般来说,某种生物的体温每下降10摄氏度,其化学和生物学反应已知会减缓50%。 这些阿拉斯加黑熊的躯干体温只下降了5或6度,但其代谢率却减缓至比研究人员所想象的程度要低得多。

此外,这些黑熊的代谢率在它们从睡眠中醒来之后的几个星期中仍然受到了显著的抑制。

Øivind Tøien 和一个来自阿拉斯加大学费尔班克斯分校的北极生物研究所的小组以及来自斯坦福大学的同事将在2月17日在华盛顿市召开的2011年AAAS(美国科学促进会)年会上报告他们的发现。 他们的研究还将发表于2月18日刊的《科学》杂志上,该杂志是由非赢利的科学协会AAAS出版的。

他们的研究是人们第一次对黑熊(Ursus americanus)在自然情况下休眠过冬时对其代谢率及体温进行持续性的测量。 这些熊在从它们的巢穴中出来之前度过了5到7个月的不吃、不喝、不大小便的日子,而他们在结束冬眠而出巢的时候,它们的生理状态与它们进入冬眠时近乎相同。 这一本领使得研究人员相信,将来,从这一研究中所收集到的数据也许可应用于范围非常广泛的各种尝试之中 —— 从改善医疗护理到拓展外太空旅行。

这些黑色、毛茸茸的研究参与者被阿拉斯加渔猎部门看作是一种惹麻烦的熊;它们被转移到北极生物研究所,并被安置在那里的设计成与熊的巢穴类似的结构之中。 这些巢穴位于森林之中并远离人类的打扰,那里配备有红外摄像机、活动探测器以及其它的遥感装置。 Tøien及其同事还将无线电发射器植入到每只熊的体内以纪录它们的体温、心率和肌肉活动。

通过对这些黑熊进行5个月冬眠时间的日夜监控,研究人员观察到,这些熊的体温是以缓慢的2-7天的周期在30摄氏度至36摄氏度之间波动。 这些大幅度的多天的躯干体温的波动与从前在任何其它冬眠动物中所观察到的情况都不同。

一只雌性的在冬眠时怀孕的黑熊在其冬眠的时间中一直维持着其在正常清醒状态下的体温,这一细节意味着波动性的体温周期可能对胚胎发育不利。 在它生下幼崽之后(该幼兽不幸因先天性膈疝而死亡),该雌性黑熊的体温开始下降,并最终进入到其它冬眠黑熊所经历的可变体温周期之中。

Tøien说:“了解黑熊的代谢发生了什么状况的一个非常重要的线索是它们的体温。我们知道,熊在冬眠的时候体温会下降几度,但我们在阿拉斯加发现,这些黑熊会在一个许多天的时段中以不同的周期调节它们的躯干体温。这种现象是在较小的冬眠动物中所没有看见的,而且以前我们也根本不知道在哺乳动物中有这种情况。” ”

研究人员观察到,当这些熊的躯干体温下降至大约摄氏30度时,它们会颤抖,直到它们的体温达到约36摄氏度,但这常常需要几天的时间。 接着,这些熊的颤抖会减少,直到它们的体温再次下降至约30摄氏度,这时该周期会再次开始。

通过测量这些黑熊在这些模拟的巢穴中冬眠时消耗了多少氧气,研究人员发现,这些黑熊可将其代谢率比它们在夏天时的代谢水平减少75%。 这些动物的心率也会从每分钟55跳减缓至每分钟约14跳。

Tøien说:“窦性心律不齐是与呼吸有关的心跳频率的变化,而黑熊表现出了这种变化的一种极端的形式。当它们呼吸的时候,它们有着一种几近正常的心跳。但在它们的呼吸之间,这些黑熊的心跳非常缓慢。有时,在两次心跳之间的时间可长达20秒。在黑熊每次吸气的时候,其心跳会短时间加快至与夏天时一个静息状态的黑熊几乎一样的心率。当黑熊呼气的时候,其心跳会再次减缓...”

在春天时,当黑熊醒来并从其巢穴中出来时,研究人员曾预计发现它们的代谢会立刻回复到正常的水平。 但研究人员又一次意外地发现,这些黑熊的代谢率仍然只有它们在夏季正常水平时的一半。 Tøien及其研究团队在黑熊冬眠之后继续对这些黑熊的代谢又监控了一个月。他们确认,黑熊的代谢需要整整2至3周的时间才能回复到它们在活动时的代谢状态。

综合来看,这些发现描绘了一个与人大小相仿的哺乳动物的一张独特的冬眠画面,研究人员希望将其应用于范围广泛的学科之中。由于人们在9个不同目的哺乳动物中都观察到了某种形式的冬眠(体温和代谢会降低),因此这一冬眠能力的遗传学基础可能是古老且广泛存在的,它也许可以用于不同的用途。 Tøien说:“如果我们的研究可帮助显示如何降低人体组织的代谢率和对氧气的需求,那么它可能可以挽救人命。我们所需要懂得的只是如何能将诱导可利用不同冬眠水平状态的机制打开或关闭就可以了。”

本研究的资深作者Brian Barnes继续说:“当黑熊在春天从冬眠中醒来时,人们已经发现,它们的肌肉和骨质以及功能都没有丧失,而在如此长时间的不活动和功用停止之后,这些情况预计都会发生在人体之中。如果我们能够发现这一保护的遗传学和分子学基础以及降低代谢需要的基础机制,那么,我们有可能获得新的治疗方法和药物,这些疗法和药物可用来预防骨质疏松、肌肉废用性萎缩,或者甚至可将受伤的人置放到某种活动力暂停或降低的状态,直到他们能够接受先进的医疗护理,即把治疗的黄金小时延长为黄金日或黄金周。”

研究人员说,冬眠也可能对外太空旅行有作用。 如果人类真能够作为一个物种离开地球的话,那么也许有必要在人体中诱导一种类似熊的冬眠来完成可能的进入外太空的旅行。

当然,这种可能性还需要做非常多的研究才能实现。

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Tøien等人的报告是由美国陆军医学研究和物资指挥部基金、国立卫生院的一项基金以及斯坦福大学的捐赠资金、美国心脏病协会的#0020626Z及Fulbright Program资助的。

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