Sådan sætter dyrene kroppen på pause for at overleve

Når der ikke er mad, og verden er kold og streng, sover pindsvinet og bjørnen vintersøvn. Når den tropiske vinter bliver for mager, sover lemurerne på Madagaskar i en varm dvale, som faktisk har mange ligheder med bjørnens vintersøvn.

Når levevilkårene er strenge, strækker de seje dyr deres reserver tyndt ud og går i dvale med et minimum af energiforbrug. Alle dyre-rækker har indtil flere repræsentanter, som vi ved, kender deres pauseknap.

Vi kender den bare ikke selv. Mennesker kan ikke gå i dvale eller vintersøvn, selvom vi ville have god brug af evnen til behandling af patienter efter akutte blodpropper i hjerte eller hjerne.

Så vi håber at lære af dyrenes pauseknap. Før vi kan det, må vi dog først forstå den.

Min indgang til dyr i vintersøvn

Under min ph.d. har jeg fordybet mig i et udvalg af pattedyr, som kan sove vintersøvn. Jeg har været med til at indfange og studere blodet i amerikanske jordegern og i skandinaviske brune bjørne.

Og jeg har fået en sund respekt for dvale-dyrene. For ikke at tale om en stor fascination, for de kan virkelig noget.

I denne artikel vil jeg fortælle om vintersøvn og kort om andre forskellige typer af dvale. Jeg begrænser mig i første omgang til os med ryghvirvler, altså hvirveldyrene, og har især fokus på pattedyr, som jeg har fordybet mig i under min egen forskning.

I min næste artikel vil jeg komme mere ind på en række lovende studier udført af kolleger ved University of Fairbanks Alaska. Deres studier er forskning i vintersøvn, som er kommet et solidt skridt tættere på at kunne bruge dyrenes pauseknap i mennesker.

Dvale sparer på reserverne

Når et dyr går i dvale, involver det langt mere end en almindelig lur, som sparer lidt på kræfterne. I dvale kommer stofskiftet meget længere ned end under hvile, og kropstemperaturen følger (som oftest) med.

Blot fire procent af det normale hvilestofskifte – det er gennemsnittet for 30 mindre pattedyr i vintersøvn. Altså sparer dyrene afsindigt meget energi.

Til sammenligning har et studie publiceret i 2009 målt det laveste stofskifte under vores søvn til 65 procent af stofskiftet i hvile – unægtelig en god del mere end dyrenes fire.

Der er meget energi at spare, når vi som varmblodede dyr hele tiden skal forsvare en konstant kropstemperatur. Vi pattedyr er, sammen med fuglene, såkaldt endoterme dyr. Altså dyr, som regulerer kropsvarmen indefra.

Varmblodede dyr er slaver af et højt energiforbrug

Vi varmblodede dyr bruger store mængder af energi på at holde kroppen varm, så alle vores biokemiske funktioner går så hurtigt som muligt.

Modsat findes de koldblodede eller ektoterme hvirveldyr – de fleste fisk, padder og krybdyr. De har mere frie tøjler rent energibehovsmæssigt, men også betydeligt mindre selvbestemmelse i, hvilke omgivelser de kan trives i.

Dvale er den eneste måde at spare på energien for et varmblodet dyr. Ved en lavere temperatur går de biokemiske processer i kroppen langsommere og forbruger derfor mindre energi.

Ud over for at gemme sig for farer, er det derfor, padder og krybdyr søger mod kølige hulninger. Men pattedyr kan ikke bare som en anden skrubtudse søge til et køligt sted og lade temperaturen klare det meste gennem ren kemi. Det vil ikke være nok.

Gennem aktiv nedregulering af stofskiftet får også de varmblodede dyr kropstemperaturen lavere ned. Og stofskiftet kommer længere ned, end nogen sænkning af kropstemperaturen alene kan forårsage.

Formålet er at strække madpakken, imens dyret afventer, at verden igen er værd at bruge energi på.

​Bjørne, pindsvin og kolibrier: Dyrene snorker på stribe

'Bjørnen sover, bjørnen sover i sin lune hule'.

Vi har alle i børnesangen hørt om de brune eller sorte bjørne, som snorker vintermånederne væk. Grævlingen gør det samme, og din haves kvasbunke har nok i foråret sagt farvel til et pindsvin eller to, som er stået op til fornyet sneglegnaskning.

Indenfor på børneværelset kan familiens kæle-hamster såmænd også blive helt kold og reaktionsløs, når det tages op. Fra en biolog-kollega ved jeg, at rettesnoren 'det skal lugte, før det skal begraves', ikke er en helt dårlig idé.

Udenfor igen går også flagermus i dvale, når det er koldt, og der er få insekter at fange. De små mus og andre gnavere, som ikke har fundet sig et lunt og madfyldt sommerhus for vinteren, går også i vintersøvn, når maden bliver svær at finde, og temperaturen bliver kold.

Hos fuglene holder kolibrier pokalen for det absolut højeste energiforbrug hos noget hvirveldyr. Deres små vinger skal svirre hurtigt nok til at holde dem helt stille udfor de nektarfyldte blomster, og imens de gør det, slår deres hjerte hele 1.200 slag i minuttet, mod de sædvanlige 500 styk per minut i hvile.

De sparer på energien ved at gå i en dvaletilstand på op til 10 timer, særligt under den kølige nat. Her sænkes hjerteraten til kun 40-50 slag i minuttet, som det er målt i nogle af USA’s største kolibrier. En enkelt natteravn i det sydvestlige USA sover som den eneste fugl faktisk en slags vintersøvn, gemt mellem klippestykker.

Mellem alle dyrene, der benytter sig af en form for dvale, ser de ud til at have hver deres tilgang til den.

Nogle skruer kun ned nogle timer, som vi ser det hos kolibrier. Kropstemperaturen og stofskiftet kommer så typisk heller ikke så langt ned som i egentlig vintersøvn, men stadig rigeligt til at spare i budgettet.

Andre sover vintersøvn i samlet op mod seks til syv måneder som bjørne og små gnavere.

Fælles er dog, at dyret sænker sit stofskifte først, og kropstemperaturen følger så passivt med ned. Under dvalen hjælper den lave kropstemperatur rent biokemisk med at holde stofskiftet lavt.

Vintersøvnssoverne – de små og kolde går næsten i stå

Den gængse vintersøvnssover er en lille til mellemstor gnaver. Det kan være et jordegern fra USA – altså ophavet til Disneys Chip og Chap.

Det lille kræ sover en dyb, sammenkrøllet vintersøvn med nedregulering af alle kropsfunktioner i op mod 20 dage ad gangen.

Man kan stort set jonglere med den lille spirrevip, imens den sover, for den er langt væk. Med en kropstemperatur på cirka fire grader og et stofskifte på tilsvarende fire procent af det normale.

På lavt blus trækker den måske kun vejret hvert 20. minut, og hjertet pumper tilsvarende næsten kun under vejrtrækning eller helt ned til tre slag i minuttet, som i murmeldyrets dybeste vintersøvn. Til sammenligning er kvinders hjerterate under søvn cirka 65 slag i minuttet.

Men så tager den en kort opvågning til helt normalt vågent stofskifte og kropstemperatur, spiser måske lidt og bevæger sig en dags tid. Og skruer så helt ned igen på lavforbrug.

Vintersøvn med opvågninger er hundedyrt

I murmeldyr, den større ende af gnaverfamilen, har forskere estimeret omkostningerne ved de korte opvågninger til at udgøre over 70 procent af de samlede energimæssige omkostninger for vintersøvnen.

Det kan virke underligt, at de så alligevel gør det. Og vi ved faktisk ikke rigtig, hvorfor det er nødvendigt.

Måske er der behov for produktion af nye proteiner, hvilket står mestendels stille under den dybe søvn. Måske er det hjernen, som sætter grænsen – den har faktisk behov for normal søvn efter vintersøvn, tro det eller ej.

Samlet set – og på trods af dyre opvågninger i budgettet – er energiforbruget for en vintersøvnssover med opvågninger stadig under en femtedel af normal hvile.

De store og varme skal man ikke træde over tæerne

Anderledes ser det ud for bjørnene. Indtil 2011 troede man faktisk ikke, at bjørne var 'ægte' dybe vintersøvnssovere, for de vågner, hvis mennesker kommer til at forstyrre dem. Og de sænker kun kropstemperaturen en smule i modsætning til de kolde, små gnavere.

Men et grundigt studie fra Alaska viste, at sorte bjørne per gram kropsvægt nedregulerer deres stofskifte i samme grad, som de små dyr gør.

Bjørnene blev holdt i helt tætte huler udstyret med infrarødt videokamera, hvorfra luftprøver blev udtaget for at give et mål for stofskiftet af bjørnen (i boksen om hvilestofskifte kan du læse mere om, hvordan luftprøver giver et billede på stofskiftet).

På en af optagelserne fra University of Fairbanks i Alaska kan man følge bjørnens betydeligt langsommere vejrtrækning under vintersøvnen, plus lidt 'let' snorken.

Bjørnen sover på en fjerdedel blus

Bjørnen sænker sit stofskifte til en fjerdedel af det normale. Kropstemperaturen falder også – men sammenlignet med et jordegern på cirka fire grader 'kun' til et minimum på cirka 30 grader. Hjerteraten falder fra 55 til et minimum på 9 slag i minuttet.

Bjørnen har ikke de samme bratte opvågninger fra vintersøvnen, som de små gnavere har. I stedet svinger kropstemperaturen og metabolismen i nogle bestemte mønstre, som varer flere dage.

Bjørnens dvale er altså varmere. Meget varmere end de små gnaveres og faktisk varmere end noget andet dyr i vintersøvn. Eller: Det troede man, indtil man faldt over lemurerne på Madagaskar (dem vender vi tilbage til om lidt).

Men alligevel når bjørnen det omtrent samme lave stofskifte per gram kropsvægt, som de små dyr gør. Og det er fascinerende.

Troperne rummer også dyr i dvale

Endnu mere fascinerende var det, da en tysk gruppe fandt flere arter af lemurer på Madagascar, som i et tropisk miljø sover vintersøvn. Altså selvom omgivelserne overstiger den fineste danske sommer i temperatur.

Men der er ikke meget mad at finde, og så kan selv en tropisk primat skrue ned.

Lemurene sørger – ligesom bjørnene – for at ramme cirka 30 grader i kropstemperatur. Kun hvis deres hule træstamme ikke bliver opvarmet af solen, til de når en kropstemperatur over 30 grader, vågner de periodisk, som vi kender det i små gnavere, og bevæger sig rundt.

Som den tyske gruppe konkluderede i Nature, er lave kropstemperaturer ikke nødvendigvis en del af vintersøvn. Dvale handler om et midlertidigt lavt stofskifte. Og så ser det ud til, at 30 grader er en temperatur, som samtlige pattedyr, små som store, i dvale gerne vil over. I hvert fald noget af tiden.

Dyb vintersøvn bruger kun lidt ilt

De såkaldt dybe vintersøvnssovere er dem, hvor stofskiftet kommer solidt ned. Det laveste stofskifte ligger på et fælles lavt interval fra omtrent 0,06 til 0,02 milliliter ilt per gram kropsvægt per time. Fra bjørn til mus.

Til sammenligning bruger vi selv i hvile cirka 0,21 milliliter ilt per gram per time, altså 3-10 gange mere. Forskellen mellem dyret i dyb vintersøvn og vores hvileforbrug af ilt lyder måske ikke af så vældig meget.

Men oveni forskellen skal vi lige tage højde for, at små dyr i udgangspunktet bruger langt mere ilt end os.

En lille kropsstørrelse bestemmer, at de har et meget højt stofskifte per gram kropsvægt, som forklaret i sidehistorien om stofskifte til kropsstørrelse-skaleringen nedenfor artiklen.

Grundreglement i vintersøvn

Dyrene i vintersøvn ser ud til alle at være enige om nogle fællesnævnere trods forskellighederne:

På trods af forskellene i udgangspunktet, når dyrene alligevel i dvalen frem til det omtrent samme interval for stofskifte per gram kropsvægt. Altså er der uanset komplet forskellige størrelser og hvilestofskifter bred enighed blandt dvale-dyr.

Som var det om den varme grød cirkler både lemurer og bjørne omkring den samme minimums-kropstemperatur på cirka 30 grader.

Det passer også fint overens med de periodiske opvågninger i de mindre gnavere, som bringer kropstemperaturen midlertidigt på de normale cirka 37 grader – altså vel over et formodet minimum på 30 grader.

Samlet tyder det på fælles grundregler i reguleringen af dvale.

Vi kan lære af vintersøvnens fællesnævnere

Dvale er både mange ting og har stærke fællestræk. Vi forsker i, hvordan dyrene gør det, som for os selv er umuligt. Og vi kommer tættere på at finde nogle af de særlige nøgler, som låser op for den dybe søvn.

Ved University of Fairbanks i Alaska har de nu fundet en af nøglerne – en såkaldt adenosin-receptor i hjernen, som ved aktivering starter vintersøvnen i jordegern. Og som, når den bliver hæmmet, stopper den igen.

I et nyligt publiceret studie med rotter kan aktivering af adenosin-receptoren sænke kropstemperaturen til et stabilt niveau på 32-34 grader.

Temperaturen kommer ned uden de kulderystelser, som normalt er et problem, når vi af medicinske årsager gerne vil køle mennesker ned.

Vi er kommet tættere på en medicinsk anvendelse af i hvert fald dele af dyrenes pauseknap i mennesker.

I en kommende artikel går jeg i dybden med den nyeste, lovende forskning på adenosin-receptorer i hjernen, og hvad vi mere specifikt håber at få ud af vintersøvnens pauseknap – til brug i mennesker.

Den kan du læse her 'Vintersøvnens startknap kan måske snart nedkøle mennesker'.

Jeg har hyperlinket til en del videnskabelige artikler i artiklen her, men særligt oversigtsartiklen, som lister et stort antal hvirveldyr efter vintersøvn eller daglig dvale, er interessant: 'Hibernation versus Daily Torpor in Mammals and Birds: Physiological Variables and Classification of Torpor Patterns'.

Hvis flere af forskellene mellem de større og de mindre dyr, der sover vintersøvn, har interesse, har jeg været med til at skrive en oversigtsartikel om forskellene i deres blods ilttransport. Dyr i vintersøvn har nemlig en ekstra god evne til at binde ilt i blodet, men gør tilsyneladende også det på lidt forskellig vis: 'Regulation of blood oxygen transport in hibernating mammals'.