Warum verspüren diese Tiere im Winterschlaf keinen Durst?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Su Chengyu

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

In den Graslandschaften Nordamerikas schlafen Dreizehnstreifen-Ziesel unter der Erde.

Schlafendes Dreizehnstreifen-Ziesel

(Bildquelle: Mit freundlicher Genehmigung des Gracheva-Labors)

Winterschlaf ist für sie keine Seltenheit, doch ein Rätsel fasziniert die Forscher: Dieses Erdhörnchen kann sich im Winter in seinem Bau zusammenrollen, ohne Wasser aufzunehmen, und trotzdem wie durch ein Wunder überleben. Dieses Rätsel faszinierte zwei Forscher der Yale University, Elena Gracheva und Sviatoslav Bagriantsev.

Wissenschaftler fragten sich, ob diese kleinen Erdhörnchen wirklich kein Wasser brauchen. Oder hat ihr Körper einen Weg gefunden, den Durst zu bekämpfen? Die Forschungsergebnisse wurden schließlich in Science veröffentlicht.

Winterschlafende Erdhörnchen brauchen Wasser

Um die Antwort zu finden, beschlossen Gracheva und ihr Team, mit Veränderungen der Körperflüssigkeiten zu beginnen. Sie konzentrierten sich zunächst auf zwei Zustände des Winterschlafs bei Erdhörnchen: Kältestarre und zeitweises Aufwachen. Während des Winterschlafs bei niedrigen Temperaturen verhält sich der Körper des Eichhörnchens wie eine „Standby“-Maschine: Seine Körpertemperatur sinkt bis nahe an den Gefrierpunkt und sein Stoffwechsel kommt fast zum Stillstand. Während der zeitweiligen Aufwachphasen stieg die Körpertemperatur der Eichhörnchen wieder auf 37 °C und ihre Vitalfunktionen wie Herzschlag und Atmung kehrten in den „aktiven Modus“ zurück, sie gingen jedoch nicht hinaus, um Nahrung zu suchen oder Wasser zu trinken.

Interbout Arousal (IBA) ist ein besonderer Zustand, in dem Winterschlaf haltende Tiere während ihres langen Winterschlafs kurz aufwachen. Dieser Zustand ist bei allen Winterschlaf haltenden Tieren, wie zum Beispiel Erdhörnchen, Igeln und Fledermäusen, sehr verbreitet. Obwohl die Tiere die meiste Zeit in einem „Kryotom“-Zustand mit niedrigem Stoffwechsel verbringen, kommt es alle paar Wochen zu kurzen Aufwachphasen.

Die linke Seite zeigt ein Eichhörnchen, das in einem aktiven Zustand Wasser trinkt, und die rechte Seite zeigt ein Eichhörnchen in einem zeitweise wachen Zustand.

Eichhörnchen in einem Zustand intermittierender Erregung schienen nicht scharf darauf zu sein, direkt aus dem Wasser zu trinken.

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Wissenschaftler begannen damit, das Blut der Eichhörnchen zu untersuchen und nach Hinweisen auf Durst zu suchen. Sie analysierten Blutproben von Eichhörnchen, die aus dem Winterschlaf bei niedrigen Temperaturen und aus intermittierenden Wachzuständen „geweckt“ wurden, und stellten einige interessante Veränderungen fest: Während des intermittierenden Aufwachens war der Angiotensin-II-Spiegel (ein Hormon, das starken Durst auslösen kann) im Blut der Eichhörnchen doppelt so hoch wie gewöhnlich, und der Aldosteronspiegel (ein Hormon, das die Natrium- und Wassereinlagerung im Körper fördert) war dreimal höher als gewöhnlich!

A: Im intermittierenden Erregungszustand (IBA) ist die Serum-Angiotensin-II-Konzentration signifikant höher als im aktiven Zustand (Aktiv).

B: Die Serum-Aldosteronwerte im intermittierenden Erregungszustand (IBA) waren signifikant höher als im aktiven Zustand. (Bildquelle: Dokument 1)

Logischerweise sollte dieser erhöhte Hormonspiegel sie durstig machen, aber seltsamerweise zeigten die Eichhörnchen kein Verlangen zu trinken.

Die Wissenschaftler führten außerdem ein Vergleichsexperiment durch, bei dem sie aktive Eichhörnchen baten, zwischen normalem Trinkwasser und konzentriertem Salzwasser zu wählen.

Dies hatte zur Folge, dass aktive Eichhörnchen das Salzwasser kaum tranken, während Eichhörnchen im zeitweise wachen Zustand das Salzwasser in großen Schlucken tranken und offenbar einen höheren Salzwasserbedarf hatten. Dies deutet darauf hin, dass der Körper der Eichhörnchen während des Winterschlafs tatsächlich dehydriert ist, sie jedoch ihren Wasserbedarf unterdrücken und stattdessen Salz bevorzugen, ein Element, das für die Aufrechterhaltung des Flüssigkeitshaushalts unerlässlich ist.

Aktive Eichhörnchen verbrachten deutlich mehr Zeit mit dem Trinken von Wasser (blaue Kurve) als mit einer 0,5 M NaCl-Lösung (rosa Kurve).

(Bildquelle: Dokument 1)

Wie Kamele in der Wüste scheinen die Körper von Eichhörnchen über eine besondere Weisheit zu verfügen, die es ihnen ermöglicht, „das Primäre vom Sekundären zu unterscheiden“ und mehr auf den Elektrolythaushalt zu achten, als einfach nur Wasser nachzufüllen, wenn sie dehydriert sind.

Aber sie haben einen Weg gefunden, den Durst zu bekämpfen

Als nächstes richteten die Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf das Gehirn des Erdhörnchens, insbesondere auf zwei Regionen, die für die Regulierung der Körperflüssigkeiten verantwortlich sind: das Organ subfornicale (SFO) und das Organ der vaskulären Lamina terminalis (OVLT). Diese Bereiche fungieren als „Durstmelder“ und signalisieren dem Gehirn, dass wir Durst haben, wenn das Blut zu salzig oder zu hydratisiert wird.

Lage von SFO und OVLT im Gehirn von Erdhörnchen

(Bildnachweis: frontiersin)

Um herauszufinden, ob in diesen Bereichen der Alarm ausgeschaltet war, führte das Forschungsteam ein sehr raffiniertes Experiment durch. Sie injizierten den Eichhörnchen eine fluoreszenzmarkierte Version von Angiotensin II, um zu sehen, ob das Hormon im Gehirn der Winterschlaf haltenden Eichhörnchen immer noch normal „aufleuchten“ konnte.

Dreizehnstreifen-Ziesel

(Bildquelle: thescientist)

Doch als Wissenschaftler diese Neuronen mithilfe elektrophysiologischer Technologie weiter testeten, stießen sie auf einen wichtigen Hinweis: Obwohl Neuronen im Ruhezustand Signale empfangen können, ist ihre Aktivität stark reduziert, als ob die „Stummschalttaste“ gedrückt worden wäre. Noch interessanter ist, dass diese Neuronen extrem empfindlich auf eine hemmende Chemikalie namens GABA reagieren, die wie ein Paar Ohrstöpsel wirkt und die Neuronen für Durstsignale „taub“ macht.

Einfach ausgedrückt: Wenn das Dreizehnstreifen-Ziesel nicht genug Wasser hat, kann es die Aktivität der Durstneuronen im Gehirn unterdrücken und seine Energie auf wichtigere physiologische Bedürfnisse konzentrieren. Dieser Mechanismus lässt darauf schließen, dass der Durst nicht völlig unterdrückt wird, sondern eher auf einen Zustand „angepasst“ wird, der besser für den Winterschlaf geeignet ist.

Dreizehnstreifen-Ziesel

(Bildquelle: Squirrel Gazer)

Wenn es um den Umgang mit Hunger geht, haben Wissenschaftler beim Daurischen Ziesel (Citellus dauricus) einige Antworten gefunden. Im Jahr 2009 entdeckten Wissenschaftler, dass diese Eichhörnchenart im Winterschlaf ihren Stoffwechsel auf das niedrigste Niveau herunterfährt, ähnlich wie ein Computer im Standby-Modus, und nur die grundlegendsten „Hintergrundoperationen“ aufrechterhält.

Daurisches Erdhörnchen

(Bildquelle: gbif)

Wissenschaftler testeten die Stoffwechselenzyme und die Aktivität des braunen Fettgewebes (BAT) in ihrem Körper und stellten fest, dass ihre Stoffwechselrate im Ruhezustand auf nur 10 % der im Sommer erreichten Rate sank und fast jeder Bissen Fett sorgfältig gespeichert und verwendet wurde. Die Enzymaktivität im braunen Fettgewebe (BAT) steigt bei Bedarf rasch an und hilft ihnen, sich bei gelegentlichen „kurzen Aufwachphasen“ schnell aufzuwärmen, genau wie bei einer Heizung, die gerade eingesteckt wurde.

Braunes Fett ist eine besondere Art von Fettgewebe. Anders als das uns bekannte „normale Fett“, das weiße Fett (WAT), besteht seine Hauptfunktion nicht in der Speicherung von Energie, sondern in der Erzeugung von Wärme zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur. Man kann es als den „biologischen Heizkörper“ des Körpers betrachten und es ist besonders in kalten Umgebungen wichtig.

Diese Fähigkeit zum Energiemanagement ermöglicht es dem Daurischen Ziesel, die Tage ohne Nahrung während des fünfmonatigen Winterschlafs ruhig zu überstehen.

Müssen Sie während des Winterschlafs nicht urinieren?

Das Durstproblem ist gelöst, aber was ist mit dem Urin? Wenn ich nicht pinkle, sammeln sich dann nicht Giftstoffe in meinem Körper an? Für das Arktische Ziesel (Spermophilus parryii) handelt es sich jedoch um eine „Ressource“, die recycelt werden kann.

Arktisches Ziesel im Winterschlaf

(Bildquelle: Guardian)

Im Jahr 2014 entdeckte Professor Brian Barnes von der University of Alaska, dass diese Eichhörnchen während des Winterschlafs kaum urinieren, ihr Körper jedoch nicht durch die Ansammlung von Giftstoffen vergiftet wird. Der Grund dafür ist, dass ihre Darmmikroorganismen wie eine „Chemiefabrik“ funktionieren, die Harnstoff zur Wiederverwendung in Aminosäuren zerlegen kann. Dieser Mechanismus verringert nicht nur die Ansammlung von Stoffwechselabfällen, sondern ermöglicht den Eichhörnchen auch, während des Winterschlafs die notwendige Proteinsynthese aufrechtzuerhalten.

Wenn es um extreme Überwinterungsstrategien geht, müssen wir den nordamerikanischen Waldfrosch (Rana sylvatica) erwähnen. Diese Frösche gefrieren im Winter buchstäblich zu „Eiswürfeln“, ihr Herz hört auf zu schlagen und ihr Blut gefriert, aber im Frühling erwachen sie auf wundersame Weise wieder zum Leben. Wie wird das gemacht?

Waldfrösche Nordamerikas

(Bildquelle: EarthlyMission)

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass diese Frösche große Mengen Glukose in ihr Blut abgeben, bevor sie einfrieren. Diese Zucker wirken wie ein Frostschutzmittel und schützen die Zellen vor dem Durchstechen durch Eiskristalle. Genau wie bei einem gut gelagerten Eis wird es auch nach dem Einfrieren und Auftauen nicht zu einer Wasserpfütze.

Abschluss

Ob es sich um das selten durstige Erdhörnchen, das energiesparende Daurische Erdhörnchen oder den frierenden Waldfrosch handelt, jede Lebensart beweist auf ihre Weise die erstaunliche Kunst des Überlebens. Und vielleicht können wir auf der Weisheit dieser Tiere aufbauen, um Antworten für die Zukunft zu finden.

Quellen:

1. Junkins MS, Feng NY, Merriman DK, et al. Die Unterdrückung von Neuronen in den zirkumventrikulären Organen ermöglicht dem Dreizehnstreifen-Ziesel ein monatelanges Überleben ohne WasserJ. Science, 2024, 386(6725): 1048-1055.

2. Yang Ming, Xing Xin, Guan Shujun et al. Veränderungen der Körpertemperatur und des Winterschlafmusters von Daurischen Erdhörnchen während des Winterschlafs. J. Theriologica Sinica, 2011, 31(4): 387.

3.Sallmen T, Lozada AF, Anichtchik OV, et al. Veränderungen der hippocampalen Histaminrezeptoren während des Winterschlafzyklus bei ErdhörnchenJ. Hippocampus, 2003, 13(6): 745-754.

4.Oelkrug R, Goetze N, Meyer CW, et al. Die antioxidativen Eigenschaften von UCP1 sind bei Säugetieren evolutionär konserviert und puffern mitochondriale reaktive SauerstoffspeziesJ. Freie Radikale: Biologie und Medizin, 2014, 77: 210-216.

5.Cooper EL, Wright RK, Klempau AE, et al. Der Winterschlaf verändert das Immunsystem des FroschesJ. Kryobiologie, 1992, 29(5): 616-631.