文/方陵生

熊，以及其他一些冬眠動(dòng)物，每年冬天都要度過一段漫長的冬眠期。對動(dòng)物冬眠的研究也許可以告訴我們很多關(guān)于哺乳動(dòng)物的生物學(xué)信息，包括我們?nèi)祟愖约骸?/p>

每年春天的北方地區(qū)，隨著白晝延長，融雪緩緩注入溪流，從灰熊到地松鼠等動(dòng)物開始從冬眠中蘇醒過來。說它們“醒來”并不十分確切，實(shí)際上冬眠機(jī)制比簡單的長時(shí)間睡眠更復(fù)雜，也更神秘。想象一下，任何一種可以不吃不喝地在地下或洞穴中度過數(shù)月時(shí)間，仍然可以隨時(shí)醒來面對外面世界的動(dòng)物，顯然已經(jīng)掌握了一種驚人的生物學(xué)上的秘訣。

冬眠動(dòng)物包括各種嚙齒類動(dòng)物、某些兩棲類動(dòng)物，甚至還有少數(shù)靈長類動(dòng)物（幾種侏儒狐猴）。其中熊是體形最大的冬眠動(dòng)物，成年灰熊和黑熊的體重可達(dá)到美國橄欖球運(yùn)動(dòng)員的體重，甚至有過之而無不及。熊有著像人類學(xué)齡前兒童那樣的充沛活力和濃濃的好奇心，但在冬眠期間，它們可以一直蜷縮昏睡幾個(gè)月也不會(huì)有什么問題。美國康涅狄格州紐黑文耶魯大學(xué)的神經(jīng)生理學(xué)專家埃琳娜·格拉切娃認(rèn)為，體形如此龐大的動(dòng)物在如此長的時(shí)間內(nèi)一直不活動(dòng)，而對健康卻沒有任何負(fù)面影響，這確實(shí)是一種很難解釋的現(xiàn)象。

熊的冬眠現(xiàn)象，為理解大型哺乳動(dòng)物，尤其是人類自身的身體運(yùn)行機(jī)制提供了重要的線索。格拉切娃指出，更好地理解熊的冬眠過程，有可能改變對各種人類疾病的處理方式，包括中風(fēng)、骨質(zhì)疏松癥、帕金森病和阿爾茨海默病。

如今，隨著全球氣候變暖、冬季變短，熊的冬眠習(xí)慣的變化，將在很大程度上反映動(dòng)物冬眠與氣候變化、動(dòng)物行為之間的深層次聯(lián)系。

探索熊冬眠不影響健康的奧秘

熊冬眠的方式與其他一些冬眠動(dòng)物有很大的不同。北極地松鼠可以將體溫暫時(shí)降至-3℃，卻不用擔(dān)心會(huì)將身體凍僵。而熊在巢穴里冬眠時(shí)幾乎不會(huì)損失任何身體熱量，但它們?nèi)匀挥匈Y格成為冬眠動(dòng)物，因?yàn)樗鼈兊男玛惔x降到了極其緩慢的狀態(tài)。

10 年前，阿拉斯加費(fèi)爾貝克斯大學(xué)的動(dòng)物學(xué)家布萊恩·巴恩斯和他的同事，對人工巢穴中進(jìn)入冬眠的黑熊進(jìn)行了仔細(xì)的觀察研究。他們?yōu)楹谛馨才诺亩境惭?，?shí)際上是一個(gè)可以測量新陳代謝的重要指標(biāo)——氧氣攝入和二氧化碳生成的房間。當(dāng)然，還有一些傳感器用來追蹤黑熊的體溫變化。這是首次對黑熊在體溫不降低情況下進(jìn)入冬眠的研究。

研究發(fā)現(xiàn)，熊不只是在冬天睡個(gè)長覺而已，進(jìn)入冬眠狀態(tài)的熊幾乎停止了所有的生命活動(dòng)，一些代表日常生命體征的參數(shù)完全重置了。研究人員觀察到，它們進(jìn)入“巢穴”后，會(huì)在房間里先轉(zhuǎn)上兩三圈，然后躺下，一直保持睡眠狀態(tài)長達(dá)6 個(gè)月，其間每隔幾天站起來換另一側(cè)重新躺下。母熊在不吃不喝的冬眠期間，還要以自己體內(nèi)的脂肪和水分儲(chǔ)備給雙胞胎或三胞胎幼崽哺乳。

一只正在冬眠的熊

熊的巢穴口，一只被注射了鎮(zhèn)靜劑的母熊和它的幼崽。科學(xué)家們正在研究觀察，隨著氣候變暖，熊的冬眠習(xí)慣會(huì)發(fā)生哪些變化

這種現(xiàn)象對于人類來說是無法想象的。如果人類長時(shí)間處于這種昏睡狀態(tài)，那么肯定會(huì)付出一定的健康代價(jià)。例如，無論是躺在醫(yī)院病床上慢慢康復(fù)的患者，還是乘坐飛船在太空中長途旅行去往其他星球的宇航員，經(jīng)過長達(dá)數(shù)月的臥床或靜止?fàn)顟B(tài)之后，肌肉會(huì)萎縮，骨密度也會(huì)隨之降低，但黑熊顯然沒有這些問題。熊長時(shí)間冬眠不影響骨骼健康的秘密，不久前被研究人員部分揭示了。2021年，巴恩斯和他的同事發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，熊在冬眠期間會(huì)關(guān)閉與骨骼分解有關(guān)的基因。

研究人員因此認(rèn)為，人類有朝一日有可能通過基因技術(shù)，在人體內(nèi)對同樣的過程進(jìn)行操控以預(yù)防骨質(zhì)疏松。巴恩斯補(bǔ)充道：“這種方法對需要長期臥床休息的人可能特別有用，他們是目前最接近于冬眠狀態(tài)的人群?！?/p>

進(jìn)入冬眠狀態(tài)的熊，體內(nèi)新陳代謝極其緩慢，這本身就是一個(gè)驚人的奇跡。熊可以在保持相對較高體溫的同時(shí)，在長達(dá)幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，將呼吸和心率減緩約75%。雖然沒有人確切知道它們控制體內(nèi)新陳代謝的機(jī)制，但這種策略顯然很成功。對此，研究人員猜測，冬眠的熊不像冬眠的地松鼠那樣將體溫降到極低，可能是因?yàn)榇禾煨褋頃r(shí)，要讓它們龐大的身體恢復(fù)到正常體溫需要太多的能量。取而代之的策略是，冬眠期間，它們將身體蜷縮起來，讓脂肪和皮毛保持溫暖，偶爾打幾個(gè)寒戰(zhàn)，以幫助血液流動(dòng)。

冬天到來時(shí)，一些種類的哺乳動(dòng)物在夜間或整個(gè)冬季的時(shí)間里，身體的新陳代謝活動(dòng)會(huì)大大降低。熊的體形比其他動(dòng)物大得多，是最為引人矚目的冬眠動(dòng)物

類似于人類體形，或者更大體形的動(dòng)物，在冬眠中操控生命體征近乎暫停的現(xiàn)象，引起了科幻小說家和其他人的高度關(guān)注。人們夢想有一天，能夠讓宇航員在遨游太陽系時(shí)，依靠有限的氧氣和食物，以及極少量的運(yùn)動(dòng)在太空中度過數(shù)月或數(shù)年。更有可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是利用動(dòng)物的冬眠機(jī)制來保護(hù)重癥監(jiān)護(hù)室的患者，避免長期臥床導(dǎo)致的身體機(jī)能受損。

心臟病發(fā)作患者和中風(fēng)患者，由于大腦氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)大大減少，而導(dǎo)致身體機(jī)能受損。如果醫(yī)生能讓患者處于類似動(dòng)物冬眠的狀態(tài)，迅速減少患者自身對氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的需求，那么這種供應(yīng)短缺對身體的危害就會(huì)小得多。中風(fēng)患者最有可能在中風(fēng)后一小時(shí)內(nèi)的治療中獲益，醫(yī)生將這一時(shí)段稱為“黃金時(shí)段”。巴恩斯指出，如果醫(yī)生能將動(dòng)物的冬眠機(jī)制復(fù)制到患者身上，讓大腦對氧氣和血液的需求不超過所能提供的程度，那么，“黃金時(shí)段”將有可能延長至一周甚至三周時(shí)間。

也許要不了多久，幻想就可成為現(xiàn)實(shí)。如今，美國和我國的研究人員受動(dòng)物冬眠機(jī)制的啟發(fā)，正在研究使用某些藥物讓中風(fēng)患者暫時(shí)進(jìn)入“類冬眠狀態(tài)”，讓因疾病導(dǎo)致缺氧缺血的患者可在最大限度上保護(hù)大腦功能。

冬眠信號和蘇醒信號

熊的冬眠機(jī)制很有些特立獨(dú)行。讓一些嚙齒類動(dòng)物和其他動(dòng)物開始冬眠的信號是白晝漸短。但熊與其他動(dòng)物不同，何時(shí)進(jìn)入冬眠、何時(shí)從冬眠狀態(tài)中醒來，是由它們自己決定和掌控的，這個(gè)時(shí)機(jī)是由包括食物短缺在內(nèi)的許多因素驅(qū)動(dòng)的。但阿拉斯加安克雷奇美國地質(zhì)調(diào)查局的野生動(dòng)物生物學(xué)家希瑟·約翰遜指出，最重要的一個(gè)決定因素是溫度。

約翰遜及其同事對美國科羅拉多州杜蘭戈附近的51只雌性黑熊的冬眠情況進(jìn)行了3 年的追蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黑熊的冬眠時(shí)間差異很大，從不足4 個(gè)月到超過7 個(gè)月不等。年長的黑熊和帶有幼崽的母熊通常比年輕單身熊的冬眠時(shí)間更長，但所有的熊都有一個(gè)共同點(diǎn)：準(zhǔn)備從冬眠中蘇醒恢復(fù)活躍的日?；顒?dòng)時(shí)，都會(huì)關(guān)注氣候和溫度的變化。

據(jù)他們的觀察，春季平均最低氣溫每上升1℃，熊就會(huì)提前3.5 天離開巢穴，達(dá)到一定溫度就是熊將從冬眠中蘇醒的時(shí)機(jī)。

挪威應(yīng)用科學(xué)大學(xué)野生動(dòng)物獸醫(yī)師艾麗娜·埃文斯及其同事給14 只棕熊安裝了衛(wèi)星定位追蹤項(xiàng)圈和心率體溫跟蹤監(jiān)視器，對熊的冬眠機(jī)制進(jìn)行跟蹤調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，斯堪的納維亞半島上的棕熊通常等待溫度達(dá)到臨界值后蘇醒，然后從冬眠的巢穴中走出來。

樹根、天然的洞穴和挖好的蟻丘，都是棕熊用來冬眠的好地方。當(dāng)白天平均溫度接近5℃時(shí)，棕熊就準(zhǔn)備結(jié)束冬眠離開巢穴。溫度是它們從冬眠中醒來的誘因和動(dòng)因，但還有其他可能的因素，例如，它們也可能會(huì)注意到積雪融化時(shí)令人不快的潮濕感覺。

如今隨著氣候變暖，冬季變得比往常溫暖，熊將會(huì)提前結(jié)束冬眠，從巢穴中走出來。這樣的轉(zhuǎn)變是否已經(jīng)發(fā)生，還很難確定，但已有很多暖冬期間熊在城鎮(zhèn)或居民住宅的門廊上出現(xiàn)的新聞在流傳著。為此，約翰遜十分擔(dān)心：“冬眠時(shí)間縮短會(huì)讓熊在更長的時(shí)間段內(nèi)陷入更多的麻煩，例如被汽車撞到或被獵人所傷等意外。熊在冬眠階段的存活率幾乎是100%，而對于在冬眠期提前外出的熊來說，外面的世界是一個(gè)危險(xiǎn)的世界。”

埃文斯認(rèn)為，熊通常在冬季食物短缺時(shí)進(jìn)入冬眠狀態(tài)，開春食物充足時(shí)醒來四處活動(dòng)，這個(gè)時(shí)間是相對固定的，但溫度變化可能會(huì)打亂它們原有的生活習(xí)性。如在某些情況下，氣候的突然變化會(huì)讓熊暫時(shí)性地暴食。通常，熊在冬眠期間會(huì)損失30%到40%的體重，其中大部分是脂肪。但如果一頭熊連續(xù)幾年提早結(jié)束冬眠，春天提早出窩的加餐會(huì)增加多余的體重， 熊可能會(huì)變得肥胖，甚至有可能會(huì)像人類一樣容易患上糖尿病。

研究人員對14只自由放養(yǎng)的棕熊進(jìn)行了平均3年的體溫、心率和活動(dòng)率測量。冬眠期間，棕熊的活動(dòng)減少，心率顯著降低，但體溫僅略有下降（圖中垂直綠色條柱代表棕熊進(jìn)入或離開巢穴的時(shí)間）

雖然從長遠(yuǎn)來看，熊最終會(huì)逐漸調(diào)整它們的進(jìn)食和冬眠時(shí)間表，以適應(yīng)一個(gè)日益變暖的世界。但氣候變化目前已對熊的冬眠機(jī)制產(chǎn)生了影響。如在黑熊繁衍生息的美國佛羅里達(dá)州的沼澤地和墨西哥的林地，以及棕熊曾經(jīng)棲息的歐洲南部的一些國家里，冰川積雪開始融化，嚴(yán)冬隨之消失，一些地區(qū)的熊甚至整個(gè)冬季都不再冬眠了。希臘和克羅地亞的熊除非懷孕生崽，冬天也都不再窩在巢穴內(nèi)了。

在全球氣候變暖的情況下，對于熊來說，冬眠可能不再那么重要了，但科學(xué)家們卻比以往任何時(shí)候都更渴望了解熊的冬眠機(jī)制。

一只北極地松鼠在它的洞穴中冬眠

研究動(dòng)物冬眠造福人類

研究發(fā)現(xiàn)，冬眠的熊、地松鼠和其他動(dòng)物的大腦與患有阿爾茨海默病或帕金森病患者的大腦，在某些方面有著驚人的相似之處。這類人類疾病的特點(diǎn)之一，是tau 蛋白在大腦中形成纏結(jié)。冬眠的熊和地松鼠的大腦也會(huì)經(jīng)歷類似的變化，可能是因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)在長時(shí)間的休眠期可起到保護(hù)神經(jīng)元的作用。研究發(fā)現(xiàn)，處于冬眠期的熊的大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中也有大量的tau 蛋白積累。

神經(jīng)細(xì)胞體內(nèi)的tau 蛋白線狀纏結(jié)

但tau 蛋白積累導(dǎo)致的后果，對冬眠動(dòng)物與人類卻大為不同。其最大的區(qū)別在于：對人類來說，隨著阿爾茨海默病和帕金森病不可避免的惡化，tau 蛋白在患者體內(nèi)會(huì)持續(xù)積累；而熊在春季到來從冬眠狀態(tài)中蘇醒過來后，卻能夠迅速清除大腦中的tau 蛋白纏結(jié)，大腦不會(huì)遺留下任何受損跡象，記憶和運(yùn)動(dòng)技能也完全不受影響。破解冬眠動(dòng)物解決tau 蛋白纏結(jié)的奧秘，將為治愈阿爾茨海默病和帕金森病患者帶來極大的希望。

那么，患者能否像動(dòng)物從冬眠中蘇醒后那樣，消除大腦中積累的tau 蛋白纏結(jié)呢？這項(xiàng)科學(xué)研究尚處于早期階段，但研究人員在進(jìn)展性大腦疾病的研究方面，已經(jīng)獲得了一些新的見解。2021 年動(dòng)物研究科學(xué)報(bào)告稱，誘導(dǎo)冬眠和蘇醒過程可增強(qiáng)大腦各區(qū)域間的聯(lián)系，改善罹患阿爾茨海默病的小鼠的記憶力。隨著這項(xiàng)研究的進(jìn)展，醫(yī)學(xué)工作者未來有可能開發(fā)出模擬動(dòng)物冬眠機(jī)制的藥物療法，無須進(jìn)入冬眠狀態(tài)，就可以給患者提供類似的認(rèn)知刺激。

目前，格拉切娃的大部分時(shí)間都在研究冬眠的地松鼠，現(xiàn)在她是帕金森病患者大腦變化導(dǎo)致認(rèn)知障礙研究團(tuán)隊(duì)的成員之一，其具體研究課題是基因測序，通過基因技術(shù)更好地理解易患帕金森病的腦細(xì)胞和未受影響腦細(xì)胞之間的基因差異。在使用冬眠動(dòng)物研究中的一些方法后她發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物從冬眠中醒來重新恢復(fù)活動(dòng)階段，與患者在疾病恢復(fù)階段是一個(gè)有著驚人相似性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。研究熊和地松鼠的冬眠機(jī)制，可以告訴我們一些關(guān)于人類神經(jīng)系統(tǒng)如何運(yùn)作的非?；镜臋C(jī)制。