Arktische Eichh├Ârnchen teilen circadiane Geheimnisse (VIDEO)

Charlie Heck, Multimedia-Nachrichtenredakteur bei der US National Science Foundation, hat diesen Artikel zu Live Science beigesteuert Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights.

Das arktische Erdhörnchen hat hochspezialisierte Anpassungen an extreme Umweltbedingungen entwickelt, einschließlich zirkadianer Rhythmen ("biologische Uhren"), die trotz nahezu konstanter Tagesstunden im arktischen Sommer bestehen bleiben. Die Körperuhren der Tiere haben sich ohne die Hilfe des Tag / Nacht-Zyklus gut entwickelt, was auch für andere Tiere, einschließlich Menschen, wichtig ist. Probleme mit dem zirkadianen Rhythmus wurden mit Problemen wie Fruchtbarkeit, Fettleibigkeit und Krebs in Verbindung gebracht.

Um die einzigartige Anpassung der Eichhörnchen zu untersuchen, wandte sich ein Forscherteam an die US National Science Foundation (NSF). Mit Unterstützung der NSF-Direktion für Biowissenschaften reiste der physiologische Ökologe Cory Williams von der Universität von Alaska, Anchorage, und ein Team von Forscherkollegen zur nordkoreanischen Toolik-Feldstation, um das arktische Erdhörnchen auf seinem heimischen Boden zu untersuchen. Ein Teil der Feldforschung besteht darin, Licht und Temperatur für die Eichhörnchen hochzuschalten und ihnen im Wesentlichen einen Jet-Bein zu geben, um ihre Reaktion zu messen. [Zurücksetzen unserer Uhren: Wie die winzigen Zeitmesser des Körpers arbeiten]

Zurück in Anchorage arbeitet der Umweltphysiologe und Projektleiter Loren Buck das ganze Jahr mit Eichhörnchen in seinem Labor. Buck sagt, dass Störungen der Körperuhren mit vielen menschlichen Beschwerden verbunden sind - saisonale affektive Störungen, Fettleibigkeit, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Alzheimer und sogar Krebs. (Diese Forschung wird in Zusammenarbeit mit einem Team von Wissenschaftlern der Universität von Alaska, Fairbanks, durchgeführt.)

Unten beantwortet Williams Fragen zur Forschung.

Charlie Heck: Wie kann die Fähigkeit der Eichhörnchen, sich an konstantes Tageslicht anzupassen, zu Behandlungen für menschliche Schlafstörungen führen?

Cory Williams: Wir führen grundlegende wissenschaftliche Untersuchungen über die Fähigkeit von arktischen Erdhörnchen durch, ihren zirkadianen Rhythmus unter der Mitternachtssonne beizubehalten. Deshalb möchte ich betonen, dass unsere Forschung nicht direkt zu Behandlungsquellen für menschliche Schlafstörungen führen wird - aber wir wissen, dass menschliche Schlafstörungen und viele andere Krankheiten mit Störungen der zirkadianen Uhrfunktion zusammenhängen. Wir wissen auch, dass Menschen, die in hohen Breiten leben, tendenziell anfälliger für Schlafstörungen sind und dass Menschen ohne eine externe Uhr nicht dazu in der Lage sind, während des Polartages eingeschleppte zirkadiane Rhythmen aufrechtzuerhalten (konstantes Tageslicht weit über dem Polarkreis) .

Unsere Untersuchungen zeigen jedoch, dass arktische Erdhörnchen während des arktischen Sommers mit zirkadianen Rhythmen mithalten können. Eine der wichtigsten Fragen für uns ist, wie können sie das - was sind die Mechanismen? In diesem Stadium sind wir noch nicht einmal sicher, mit welchen Umweltzeichen sie sich beschäftigen, obwohl wir vermuten, dass sie empfindlich auf subtile Schwankungen in der Intensität oder Farbtemperatur des Lichts reagieren. In der Grundlagenforschung geht es darum, solche Mechanismen aufzudecken. Wir können nicht sicher sagen, dass dies zu bestimmten Behandlungen für Störungen der Uhrfunktion führen wird, aber ein besseres Verständnis der zirkadianen Uhrfunktion in einem Tier, das nicht unter diesen Arten von Störungen leidet, ist ein guter Anfang.

CH.: Wie schwierig sind die arktischen Eichhörnchen?

C.W .: Sie sind nicht schlecht zu handhaben. Wir haben speziell angefertigte Tragetaschen, die wir auf dem Feld verwenden und an unseren Fallen befestigen - wenn wir die Falltür öffnen, läuft das Eichhörnchen direkt in die Tasche. Wir können dann die Eichhörnchen wiegen und Ohrmarken durch Maschenöffnungen in der Tasche befestigen. Für einige unserer Arbeiten, wie das Anbringen von Halsbändern mit Funksendern und Licht-Loggern, werden wir das Eichhörnchen anästhesieren, weil dies für sie weniger stressig ist - und wir wollen nicht gebissen werden. Eichhörnchen im Labor neigen dazu, aggressiver zu sein, aber wir können sie schnell und einfach zwischen Wannen oder Käfigen bewegen, indem wir dicke Lederhandschuhe tragen oder sie mit einem Metall- oder PVC-Schlauch versehen, um sich darin zu verstecken und dann die ganze Röhre zu bewegen.

CH.: Würdest du lieber mit den Eichhörnchen auf dem Feld oder im Labor arbeiten?

C.W .: Ich würde viel lieber mit ihnen auf dem Feld arbeiten, zum Teil weil ich dadurch zu erstaunlichen Orten wie der Toolik-Feldstation in Nordalaska komme. Aber auch, weil ich denke, dass es so viele Fragen in Ökologie und Physiologie gibt, die man im Labor einfach nicht beantworten kann. Wenn Sie die ökologische und evolutionäre Bedeutung der physiologischen oder Verhaltensmerkmale, an denen Sie interessiert sind, verstehen wollen, müssen Sie im Feld sein. Und mit Verbesserungen und Miniaturisierung von elektronischen Loggern können wir viele Fragen in freilebenden Tieren angehen, die wir vorher nicht konnten. Gleichzeitig gibt es immer noch viele Fragen, die wir auf diesem Gebiet nicht beantworten können - insbesondere wenn wir uns einige der molekularen und genetischen Mechanismen ansehen. Daher denke ich, dass die Kombination von Feld- und Laboransätzen immer der beste Ansatz sein wird.

CH.: Warum überwintern die Eichhörnchen nicht wie Bären?

C.W .: Arktische Erdhörnchen überwintern, aber ihre Winterschlafphysiologie unterscheidet sich von großen Winterschlafern wie Schwarzbären oder Braunbären. Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf die Größe zurückzuführen. Brian Barnes von der Universität von Alaska, Fairbanks, der unser Hauptpartner bei unserem Arktischen Erdhörnchenprojekt ist, hat den Schwarzbärschlaf intensiv studiert und er hat gezeigt, dass Schwarzbären im Winter ihren Stoffwechsel (die Menge an Energie, die sie verbrauchen) auf etwa 25 reduzieren Prozent der basalen (nicht überlebenden) Ebenen, während die Körpertemperatur zwischen 30 Grad Celsius und 36 Grad Celsius geregelt wird ("normale" Körpertemperatur liegt bei 37C bis 38C).

Obwohl die energetischen Sparbären beeindruckend sind, wäre dies für einen kleinen Winterschlafsack wie ein Erdhörnchen nicht annähernd ausreichend, da kleine Tiere eine viel höhere Stoffwechselrate pro Gramm Gewebe haben. Das bedeutet, dass kleine Winterschlafmaschinen einfach nicht genug Fett speichern konnten, um einen Winter des Winterschlafs mit nur einer relativ moderaten Abnahme des Metabolismus zu überleben. Was Kleinsäuger dagegen tun, tritt in einen physiologischen Zustand ein, der Torpor genannt wird, in dem sie ihren Stoffwechsel viel stärker unterdrücken (so niedrig wie 2 Prozent der Basalwerte) und ihre Körpertemperatur bei viel niedrigeren Temperaturen (-2,9 ° C) regulieren bei arktischen Erdhörnchen die niedrigste Körpertemperatur, die bei einem Säugetier gemessen wird).

Typischerweise liegt die Körpertemperatur während der Torpor nahe an der Umgebungstemperatur, aber da arktische Erdhörnchen in einer so extremen Umgebung leben, wird ihr Hibernacula (die Stelle, die ein Tier für den Winterschlaf gewählt hat) bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt liegen. Sie verhindern das Einfrieren, indem sie Wärme mit einem spezialisierten Organ, genannt braunes Fettgewebe oder BAT, erzeugen. Kleine Säugetiere bleiben während des Winterschlafs nicht torpediert (bei wirklich niedriger Körpertemperatur), sondern sie werden alle zwei bis drei Wochen einer Erregung ausgesetzt, während der ihre Körpertemperatur für weniger als 24 Stunden auf "normale" Werte zurückgeht, bevor sie wieder zurückfallen wieder torpor. Dieser Erregungszyklus setzt sich während des gesamten Winterschlafs fort.

CH.: Was sind die nächsten Schritte in Ihrer Forschung?

C.W .: Unsere zirkadiane Rhythmusforschung ist noch nicht abgeschlossen. Eines unserer Hauptziele besteht darin, zu beurteilen, ob die im Hypothalamus gelegene Hauptuhruhr während der tiefen Torpor und der Inter-Erregung, die während des Winterschlafs auftreten, weiter funktioniert. Unsere Mitarbeiter, Brian Barnes (Universität von Alaska Fairbanks) und Lily Yan (Michigan State University), arbeiten gerade an dieser Frage. Wir haben auch Experimente durchgeführt, um zu untersuchen, ob in Gefangenschaft gehaltene Erdhörnchen in der Lage sind, ihre zirkadianen Uhren zu subtilen Änderungen der Intensität oder Farbtemperatur von Licht zu führen. Momentan plane ich gerade unsere nächste Feldsaison - wir haben leichte Holzfäller und Logger für die Körpertemperatur, die auf unseren Feldplätzen auf Erdhörnchen eingesetzt sind, und wir werden diese Holzfäller zurückholen, wenn die Eichhörnchen im Frühjahr aus ihrem Winterschlaf herauskommen.

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