چرا عضلات حیوانات بی‌تحرک و بدون غذا در خواب زمستانی تحلیل نمی‌رود؟

سنجاب‌های زمینی در پایان تابستان غذای زیادی می‌خورند تا برای خواب زمستانی آماده شوند. آن‌ها باید مقدار زیادی انرژی را به‌صورت چربی ذخیره کنند. این چربی در طول زمستان منبع سوخت اصلی سنجاب‌ها درون لانه‌های خواب زمستانی آن‌ها در زیر زمین خواهد بود.

هنگام خواب زمستانی، سنجاب‌های زمینی وارد حالتی به نام کُندی (torpor) می‌شوند. متابولیسم آن‌ها به حد یک درصد سطح متابولیسم تابستان کاهش پیدا می‌کند و دمای بدن آن‌ها می‌تواند به دمای انجماد نزدیک شود.

حالت کندی میزان انرژی مورد نیاز حیوان برای زنده ماندن تا فصل بهار را به‌شدت کاهش می‌دهد. البته این روزه‌ی طولانی‌مدت جنبه‌ای منفی دارد: پروتئین ورودی جدیدی وجود ندارد. پروتئین برای حفظ بافت‌ها و اعضای بدن حیاتی است و عدم دریافت پروتئین خصوصاً برای عضلات مشکل‌ساز است.

در انسان‌ها، دوره‌های طولانی عدم تحرک مانند استراحت طولانی‌مدت در بستر به تحلیل‌رفتن عضله منجر می‌شود. اما تحلیل عضلانی در حیوانات در خواب زمستانی حداقلی است. در این حیوانات، با‌ وجود ۶ تا ۹ ماه عدم تحرک و عدم مصرف پروتئین، توده‌ی عضلانی و عملکرد آن به‌خوبی حفظ می‌شود. این سازگاری مفید به اطمینان از فصل تولیدمثلی موفق در بهار پیش رو کمک می‌کند.

اما این قابلیت حیوانات زمستان‌خواب از کجا می‌آید؟ برای دهه‌ها، این موضوع برای زیست‌شناسانی که در‌ زمینه‌ی خواب زمستانی مطالعه می‌کنند، معما بوده است. اخیراً پژوهشگران به بررسی نقش میکروب‌های درون روده‌ی این حیوانات در کمک به حفظ عضلات در طول خواب زمستانی پرداختند.

_{سنجاب زمینی پلنگی حتی پس از ۶ ماه خواب زمستانی، حداقل نشانه‌های تحلیل عضله را نشان می‌دهد.}

سیستم بازیافت نیتروژن

پژوهش‌های گذشته نشان داده است سیستم گوارشی حیوان در‌ حال خواب زمستانی از‌ نظر ساختار و عملکرد دچار تغییرات چشمگیری می‌شود. البته، این فقط حیوانات نیستند که تمام زمستان را روزه می‌گیرند، میکروب‌های روده‌ی آن‌ها نیز همین شرایط را دارند.

پژوهشگران مطالعه جدید متوجه شدند که روزه‌داری زمستانی میکروبیوم روده را به میزان قابل‌توجهی تغییر می‌دهد. آن‌ها سپس این سؤال را مطرح کردند که آیا میکروب‌های روده می‌توانند نقش عملکردی در فرایند خواب زمستانی داشته باشند؟ آیا برخی باکتری‌ها به حفظ کارکرد عضله و بافت‌های دیگر زمانی که حیوانات غذا نمی‌خورند، کمک می‌کنند؟

زیست‌شناسان قبلاً ترفند هوشمندانه‌ای را در حیوانات نشخوارکننده‌ای مانند گاو شناسایی کرده بودند که به آن‌ها کمک می‌کند تا در مواقعی که پروتئین رژیم غذایی کم یا نیازهای پروتئینی بالا است (مانند دوران بارداری)، زنده بمانند.

فرایندی به نام «بازیافت نیتروژن اوره» به حیوان اجازه می‌دهد تا نیتروژن (عنصری حیاتی برای ساخت پروتئین) را بازیافت کند که در غیر این صورت به‌ شکل اوره در ادرار دفع می‌شود. به کمک این فرایند، نیتروژن اوره در بدن حفظ می‌شود و برای ساخت اسیدهای آمینه، یعنی واحدهای سازنده‌ی پروتئین‌ها، استفاده می‌شود.

عمل بازیافت نیتروژن اوره به تجزیه شیمیایی مولکول‌های اوره برای آزادسازی نیتروژن آن‌ها بستگی دارد. اما نکته مهم این جا است که تجزیه شیمیایی اوره به «اوره‌آز» نیاز دارد و اوره‌آز آنزیمی است که حیوانات آن را تولید نمی‌کنند. بنابراین، برای مثال، گاو چگونه آن نیتروژن را از اوره می‌گیرد؟

میکروب‌های خاصی که ساکنان عادی روده حیوانات هستند، می‌توانند این کار را انجام دهند. آن‌ها آنزیم اوره‌آز را می‌سازند و از آن برای تجزیه‌ی شیمیایی مولکول‌های اوره استفاده می‌کنند و نیتروژن را آزاد می‌کنند که بخشی از مولکول آمونیاک می‌شود. میکروب‌ها سپس آمونیاک را جذب می‌کنند و از آن برای تولید پروتئین‌های جدید برای خودشان استفاده می‌کنند.

_{مدلی از مولکول اوره، با دو اتم نیتروژن (به رنگ آبی) همرا با یک اتم کربن (خاکستری)، یک اتم اکسیژن (قرمز) و چهار اتم هیدروژن (سفید)}

خصوصیات دستگاه گوارش نشخوارکنندگان به این حیوانات اجازه می‌دهد نیتروژن اوره را بازیافت کنند. اما برای حیوانات دیگر مانند حیواناتی که دارای خواب زمستانی هستند، مشخص نبود که آیا نیتروژن اوره می‌تواند برای کمک به ساخت پروتئین به بدن حیوانات راه پیدا کند. چالشی که دانشمندان با آن مواجه بودند، نشان دادن بازیافت نیتروژن اوره در حیوانات زمستان‌خواب بود.

طرح آزمایشی

پژوهشگران با استفاده از سنجاب زمینی پلنگی آزمایش‌هایی را برای بررسی مراحل کلیدی بازیافت نیتروژن اوره طراحی کردند. آن‌ها ابتدا مولکول‌های اوره را به خون سنجاب‌ها تزریق کردند. در این مولکول‌ها، دو اتم نیتروژن با شکل سنگین‌تری از نیتروژن جایگزین شده بود که به‌طور طبیعی در مقادیر اندکی در بدن وجود دارد.

آن‌ها توانستند اتم‌های نیتروژن سنگین‌تر را همان‌طور که اوره تزریق‌شده از خون به روده می‌رفت، سپس وقتی اوره‌آزِ میکروبی، اوره را به اجزای آن تجزیه می‌کرد و در‌ نهایت آن‌ اتم‌ها را درون متابولیت‌ها و پروتئین‌های بافت سنجاب دنبال کنند. هرجا سطوح بالاتری‌تری از شکل سنگین‌تر نیتروژن دیده می‌شد، پژوهشگران می‌دانستند آن اوره منبع نیتروژن بوده است و بنابراین میکروب‌های روده باید مسئول بازگرداندن نیتروژن اوره به بدن حیوانات باشند.

پژوهشگران برای تأیید این موضوع که میکروب‌ها عمل بازیافت نیتروژن را انجام می‌دادند، سنجاب‌های دارای میکروبیوم طبیعی را با سنجاب‌هایی که فاقد آن بودند، مقایسه کردند. آن‌ها برخی از حیوانات را سه بار در سال تحت رژیم آنتی‌بیوتیک قرار دادند تا میکروب‌های روده آن‌ها را کاهش دهند: تابستان، اوایل زمستان (زمانی که یک ماه در خواب زمستانی بودند) و اواخر زمستان (وقتی چهار ماه در خواب زمستانی بودند).

در سنجاب‌های دارای میکروبیوم طبیعی، شواهدی از بازیافت نیتروژن در هر مرحله از فرایندی که آزمایش شد، مشاهده شد. اما سنجاب‌های فاقد میکروبیوم حداقل بازیافت نیتروژن اوره را نشان دادند. مشاهدات تأیید کرد که این فرایند به توانایی میکروب‌های روده برای تجزیه اوره و آزادسازی نیتروژن آن در روده حیوانات زمستان‌خواب بستگی دارد. بافت عضله و کبد حیوان زمستان‌خواب در اواخر زمستان بیشترین نیتروژن اوره را در خود جای داده و بدان معنا است که برای مدت بیشتری در خواب زمستانی و بدون غذا بوده‌اند.

سنجاب‌های زمینی نیز در این همزیستی شرکت می‌کنند. در جریان خواب زمستانی، سلول‌های روده‌ی آن‌ها تولید پروتئین‌هایی به نام «ناقل اوره» را افزایش می‌دهد. این مولکول‌ها در غشاهای سلولی روده قرار دارند و اوره را از خون به روده، یعنی جایی که میکروب‌های حاوی اوره‌آز وجود دارند، هدایت می‌کند. این همکاری به این معنا است که مقدار کم اوره‌ای که حیوان در طول خواب زمستانی تولید می‌کند، مسیر راحت‌تری برای رفتن به روده دارد.

در‌ نهایت، پژوهشگران متوجه شدند که فقط سنجاب‌ها نیستند که از این فرایند سود می‌برند. میکروب‌ها نیز از نیتروژن اوره برای ساخت پروتئین‌های خود استفاده می‌کردند. این موضوع نشان می‌دهد بازیافت نیتروژن اوره در جریان بی‌غذایی زمستان، واحدهای ساختمانی مولکولی مهم مورد نیاز هر دو طرف را فراهم می‌کند. پژوهشگران نتایج مطالعه‌ی خود را در مجله‌ی ساینس گزارش کردند.

_{همان‌طور که در این ویدئو دیده می‌شود، هر چند هفته، سنجاب‌های در‌ حال خواب زمستانی به‌طور موقت بیدار می‌شوند. آن‌ها چیزی نمی‌خورند یا لانه خود را ترک نمی‌کنند، اما افزایش کوتاه‌مدت دمای بدن آن‌ها به آنزیم اوره آز اجازه می‌دهد تا وظایف خود را انجام دهد.}

آیا این نوع همزیستی می‌تواند به انسان کمک کند؟

این نمونه از همزیستی حیوان در‌ حال خواب زمستانی و میکروب‌ها، کاربردهای بالینی بالقوه‌ای دارد. برای مثال، سوء تغذیه که میلیون‌ها نفر را در سراسر جهان تحت‌تأثیر قرار می‌دهد، موجب کاهش تدریجی توده‌ی عضلانی می‌شود و سلامتی را به خطر می‌اندازد.

کم‌ماهیچگی (سارکوپنیا) یا تحلیل عضله که بخشی طبیعی از پیری است، تحرک را مختل می‌کند و افراد را مستعد آسیب می‌کند. درک دقیق این مسئله که چگونه سیستم بازیافت نیتروژن حیوانی که در خواب زمستانی است، زمانی که خطر از دست رفتن بافت و تحلیل عضله از همه بیشتر است، کارآمدتر است، می‌تواند به درمان‌های جدیدی برای کمک به افرادی منجر شود که در شرایط مشابهی قرار دارند.

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه در پروازهای فضایی انسان است که طی آن خدمه نرخ بالایی از آتروفی عضلانی را تجربه می‌کنند. علت آتروفی عضلانی در فضانوردان این است که ریزگرانش ساخت پروتئین عضله را سرکوب می‌کند. حتی رژیم ورزشی گسترده‌ای که فضانوردان برای جبران آن انجام می‌دهند، کافی نیست. اقدام متقابل مبتنی‌بر میکروبیوم که ساخت پروتئین عضله را تسهیل می‌کند، شبیه فرایندی که در حیوانات در خواب زمستانی می‌بینیم، ممکن است ارزش بررسی داشته باشد.

این کاربردها اگرچه از‌ نظر تئوری امکان‌پذیر هستند، فاصله‌ی زیادی با عملی شدن دارند؛ اما مطالعات دهه‌ی ۱۹۹۰ نشان داده که انسان‌ها می‌توانند به کمک میکروب‌های روده مقادیر کمی از نیتروژن اوره را بازیافت کنند، بنابراین ماشین‌آلات موردنیاز وجود دارد و فقط باید بهینه‌سازی شود.