これらの動物は冬眠中に喉の渇きを感じないのはなぜでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 蘇成宇

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

北アメリカの草原では、13 匹の縞模様のジリスが地下で眠っています。

眠っている十三縞ジリス

(画像提供: Gracheva 研究室提供)

冬眠は彼らにとって珍しいことではないが、研究者を魅了する謎がある。このジリスは冬に水を一切飲まずに巣穴の中で丸まっていても、奇跡的に生き延びることができるのだ。このパズルは、イェール大学の 2 人の研究者、エレナ・グラチェバ氏とスヴィアトスラフ・バグリアンツェフ氏の興味をそそりました。

科学者たちは、これらの小さな地上リスは本当に水を必要としないのだろうかと疑問に思いました。それとも、彼らの体は「渇きと戦う」何らかの方法を見つけたのでしょうか?研究結果は最終的に『サイエンス』誌に掲載されました。

冬眠中のジリスは水を必要とする

その答えを見つけるために、グラチェバ氏と彼女のチームは体液の変化から始めることにした。彼らはまず、ジリスの冬眠の2つの状態、すなわち低温冬眠と断続的な覚醒に注目した。低温で冬眠するとき、リスの体は「スタンバイ」マシンのようになり、体温は氷点近くまで下がり、代謝はほぼ停止します。断続的に目を覚ますと、リスの体温は37℃に戻り、心拍や呼吸などのバイタルサインも「活動モード」に戻ったが、餌を探したり水を飲んだりすることはなかった。

インターバウト覚醒（IBA）は、冬眠中の動物が長い冬眠中に一時的に目覚める特殊な状態です。この状態は、ジリス、ハリネズミ、コウモリなど、冬眠するすべての動物によく見られます。動物たちはほとんどの時間を代謝の低い「クライオトーム」状態で過ごしますが、数週間ごとに短時間の覚醒を経験するのです。

左側は活動状態で水を飲んでいるリスを示しており、右側は断続的に目覚めているリスを示しています。

断続的に興奮状態にあるリスは、水を直接飲むことにあまり乗り気ではないようでした。

（画像出典：参考1）

科学者たちは、喉の渇きの手がかりを探すために、まずリスの血液を検査した。研究者たちは、低温冬眠と断続的な覚醒状態から「目覚めた」リスの血液サンプルを分析し、興味深い変化を発見した。断続的な覚醒中、リスの血液中のアンジオテンシンII（強い喉の渇きを感じさせるホルモン）のレベルは通常の2倍、アルドステロン（体内のナトリウムと水分の保持を促進するホルモン）のレベルは通常の3倍だったのだ！

A: 間欠覚醒状態（IBA）では、血清アンジオテンシンII濃度は活動状態（Active）よりも有意に高くなります。

B: 間欠的覚醒状態 (IBA) における血清アルドステロン値は、活動状態における値よりも有意に高かった。 （画像出典：文書1）

論理的に考えると、これらのホルモンレベルの上昇によりリスは喉が渇くはずだが、奇妙なことに、リスは水を飲みたいという欲求を示さなかった。

科学者たちはまた、活発なリスに通常の飲料水と濃縮塩水のどちらかを選ばせる比較実験も行った。

その結果、活動的なリスはほとんど塩水を飲まなかったが、断続的に目覚めているリスは塩水を一気に飲み、塩水の需要が高かったことが明らかになった。これは、冬眠中のリスの体は確かに脱水状態にあるが、水分に対する欲求を抑え、代わりに体液バランスの維持に不可欠な要素である塩分を優先していることを示唆している。

活動的なリスは、0.5 M NaCl 溶液 (ピンクの曲線) よりも水 (青い曲線) を飲むのに有意に多くの時間を費やしました。

（画像出典：文書1）

砂漠のラクダのように、リスの体には「主要な電解質と二次電解質を区別」し、脱水状態のときに単に水分を補給するのではなく、電解質のバランスに注意を払う特別な知恵があるようです。

しかし彼らは渇きと戦う方法を見つけた

次に、科学者たちはジリスの脳、特に体液の調節を担う2つの領域、脳弓下器官（SFO）と血管終板器官（OVLT）​​に注目した。これらの領域は「渇き警報」のような働きをし、血液の塩分濃度が高まりすぎたり、水分が過剰になったりすると、喉が渇いていることを脳に知らせます。

ジリスの脳における SFO と OVLT の位置

（写真提供：frontiersin）

これらの領域が「警報をオフにした」かどうかを確認するために、研究チームは非常に巧妙な実験を実施しました。研究者らは、冬眠中のリスの脳内でこのホルモンが依然として正常に「発光」するかどうかを調べるために、蛍光標識したアンジオテンシン II をリスに注射した。

十三縞ジリス

(画像出典: thescientist)

しかし、科学者が電気生理学的技術を使用してこれらのニューロンをさらにテストしたところ、大きな手がかりが見つかりました。冬眠中のニューロンは信号を受信することはできるものの、その活動は「ミュートボタン」が押されたかのように大幅に減少しているのです。さらに興味深いのは、これらのニューロンはGABAと呼ばれる抑制化学物質に非常に敏感で、耳栓のような働きをして、喉の渇きの信号をニューロンが「聞こえない」状態にしてしまうことです。

簡単に言えば、十三縞ジリスは水が不足すると、脳内の渇きを感知するニューロンの活動を抑制し、より重要な生理的欲求にエネルギーを集中させることができるのです。このメカニズムは、喉の渇きが完全に抑えられるのではなく、むしろ冬眠に適した状態に「調整」されることを示唆している。

十三縞ジリス

（画像出典：リスゲイザー）

飢餓への対処に関しては、科学者たちはダウリアンジリス（Citellus dauricus）の中にいくつかの答えを見つけました。 2009年、科学者たちは、この種類のリスは冬眠中に、スタンバイ状態のコンピュータのように代謝率を最低レベルまで下げ、最も基本的な「バックグラウンド操作」のみを維持することを発見しました。

ダウリアンジリス

(画像出典: gbif)

科学者らが彼らの体内の代謝酵素と褐色脂肪組織（BAT）の活動を検査したところ、安静時の代謝率は夏のわずか10％にまで低下し、摂取した脂肪のほぼすべてが慎重に蓄えられ、利用されていることがわかった。褐色脂肪細胞（BAT）の酵素活性は必要に応じて急速に増加し、電源を入れたばかりのヒーターのように、時折起こる「短時間の覚醒」の間に褐色脂肪細胞を素早く温めるのに役立ちます。

褐色脂肪は特殊なタイプの脂肪組織です。私たちがよく知っている「普通の脂肪」である白色脂肪（WAT）とは異なり、その主な機能はエネルギーを蓄えることではなく、体温を維持するために熱を生成することです。これは体の「生物学的ラジエーター」と考えることができ、寒い環境では特に重要です。

このエネルギー管理能力のおかげで、ダウリアンジリスは5か月の冬眠期間中、食べ物なしでも平穏に生き延びることができます。

冬眠中は排尿の必要がないのでしょうか？

喉の渇きは解消されましたが、尿はどうでしょうか?おしっこをしないと体内に毒素が溜まってしまうのではないですか？しかし、ホッキョクジリス（Spermophilus parryii）にとって、これはリサイクル可能な「資源」です。

冬眠中のホッキョクジリス

（画像出典：ガーディアン）

2014年、アラスカ大学のブライアン・バーンズ教授は、これらのリスは冬眠中にほとんど排尿しないが、毒素が蓄積して体が中毒になることはないということを発見した。その理由は、腸内微生物が尿素をアミノ酸に分解して再利用できる「化学工場」のようなものだからです。このメカニズムは、代謝老廃物の蓄積を減らすだけでなく、リスが冬眠中に必要なタンパク質合成を維持することも可能にします。

極端な冬眠戦略といえば、北米アメリカアカガエル（Rana sylvatica）を挙げなければなりません。これらのカエルは冬には文字通り「氷の塊」のように凍りつき、心臓は止まり、血液は凍りますが、春になると奇跡的に復活します。これはどうやって行うのですか?

北アメリカのアメリカアカガエル

(画像出典: EarthlyMission)

科学者たちは、これらのカエルが凍る前に血液中に大量のブドウ糖を放出することを発見した。これらの糖は不凍液のような働きをし、細胞が氷の結晶によって破壊されるのを防ぎます。適切に保存されたアイスクリームと同様に、凍らせて解凍しても水たまりにはなりません。

結論

めったに喉が渇かないジリスであれ、エネルギーを節約するダウリアンジリスであれ、凍えるほど寒い場所でも耐えるアメリカアカガエルであれ、それぞれの生物が独自の方法で驚くべき生存術を披露しています。そして私たちは、未来への答えを見つけるために、これらの動物たちの知恵の上に立っているのかもしれません。

参考文献:

1.Junkins MS、Feng NY、Merriman DK、他。脳室周囲器官のニューロンを抑制すると、十三線模様のジリスは水なしで数か月間生存できる。サイエンス、2024、386（6725）：1048-1055。

2. 陽明、興信、関守軍、他。冬眠中のダウリアンジリスの体温と冬眠パターンの変化。中国臨床医学雑誌、2011年、31(4):387。

3. Salmen T、Lozada AF、Anichtchik OV、他。ジリスの冬眠周期における海馬ヒスタミン受容体の変化J.海馬、2003、13(6):745-754。

4.Oelkrug R、Goetze N、Meyer CW、他。 UCP1 の抗酸化特性は哺乳類において進化的に保存されており、ミトコンドリアの活性酸素種を緩衝します。フリーラジカル生物学と医学、2014年、77：210-216。

5.クーパーEL、ライトRK、クレンパウAE、他。冬眠はカエルの免疫システムを変化させます。低温生物学、1992、29(5):616-631。