ปาฏิหาริย์ทางชีววิทยา - กบไม้
(nps.gov)- กบไม้ใช้ชีวิตผ่านฤดูหนาวอันโหดร้ายในป่าอะแลสกาและแคนาดาตอนเหนือในสภาพที่ ร่างกายกลายเป็นน้ำแข็ง และจะเริ่มเคลื่อนไหวอีกครั้งเมื่อฤดูใบไม้ผลิมาถึง
- ขณะที่กบเขตเหนือชนิดอื่นรักษาอุณหภูมิร่างกายให้อยู่เหนือจุดเยือกแข็งใต้น้ำ กบไม้กลับซ่อนตัวอยู่ใน ชั้นใบไม้ทับถม บนพื้นป่าและเผชิญกับอากาศติดลบโดยตรง
- เมื่อฤดูหนาวเริ่มต้น น้ำแข็งจะก่อตัวรอบอวัยวะภายในและระหว่างผิวหนังกับกล้ามเนื้อ แต่ กลูโคส ปริมาณมหาศาลที่ตับสร้างขึ้นจะป้องกันการแข็งตัวภายในเซลล์และการขาดน้ำ
- ระหว่างการจำศีล การเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อ การเต้นของหัวใจ และการหายใจจะหยุดทั้งหมด และเมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิ ร่างกายจะละลายจากด้านในออกด้านนอก โดยการทำงานจะกลับมาตามลำดับคือหัวใจ สมอง และขา
- ความทนทานต่อน้ำตาลในเลือดสูง ความสามารถในการแช่แข็ง-ละลาย และการฟื้นตัวหลังการหยุดไหลเวียนโลหิต อาจเชื่อมโยงไปสู่งานวิจัยด้าน เบาหวาน การเก็บรักษาอวัยวะปลูกถ่าย และการรักษาภาวะหัวใจวายหรือโรคหลอดเลือดสมอง
กลยุทธ์จำศีลที่ปรับให้เข้ากับฤดูหนาวใกล้อาร์กติก
- ลักษณะที่น่าทึ่งที่สุดของกบไม้ไม่ได้ปรากฏในฤดูร้อนที่มันเปลี่ยนจากลูกอ๊อดเป็นกบ แต่แสดงออกในช่วง การจำศีลฤดูหนาว
- ป่าในอะแลสกาและแคนาดาตอนเหนือมีความผันผวนของอุณหภูมิอย่างสุดขั้ว
- ในฤดูร้อน กลางวันอาจยาวต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง และอุณหภูมิอาจสูงถึงช่วง 90°F
- ในฤดูหนาว อุณหภูมิ -50°F ไม่ใช่เรื่องหายาก
- ที่ Prospect Creek ทางใต้ของ Brooks Range มีการบันทึกอุณหภูมิต่ำสุดของอะแลสกาไว้ที่ -80°F
- กบเป็นสัตว์เลือดเย็น จึงมีอุณหภูมิร่างกายใกล้เคียงกับอากาศรอบตัว
- กบไม้เป็นสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกขนาดเล็กที่ต้องทนผ่านฤดูหนาวยาวนานในเขตกึ่งอาร์กติกเช่นนี้
กบที่เลือกพื้นป่าแทนน้ำ
- กบเขตเหนือส่วนใหญ่จำศีลอยู่ใน น้ำลึก ของบึง ทะเลสาบ และลำธาร
- แม้จะเย็นจัดและแทบไม่เคลื่อนไหว แต่อุณหภูมิร่างกายจะไม่ลดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง
- กบไม้ใช้ฤดูหนาวโดยฝังตัวอยู่ใน ใบไม้ทับถมและฮิวมัส บนพื้นป่า
- ใบไม้ ฮิวมัส และหิมะช่วยเป็นฉนวนได้ระดับหนึ่ง แต่ไม่อาจปกป้องจากอุณหภูมิติดลบได้สมบูรณ์เหมือนการจำศีลใต้น้ำ
- ด้วยกลยุทธ์นี้ กบไม้จึงสามารถมีชีวิตรอดในสภาพ กลายเป็นน้ำแข็ง ตลอดฤดูหนาว
แผ่นดินที่ละลายเร็วมอบโอกาสในการสืบพันธุ์
- หิมะและพื้นดินบนบกละลายและอุ่นขึ้นเร็วกว่าทะเลสาบที่ถูกปกคลุมด้วยน้ำแข็ง ทำให้กบไม้เริ่มกิจกรรมได้เร็วมากในฤดูใบไม้ผลิ
- กบไม้ที่ตื่นก่อนจะสามารถผสมพันธุ์และวางไข่ได้แม้ในบ่อน้ำเล็ก ๆ หรือ แอ่งน้ำจากหิมะละลาย ที่อาจแห้งไปก่อนถึงกลางฤดูร้อน
- กบที่จำศีลใต้น้ำจะเริ่มกิจกรรมช้ากว่า จึงสืบพันธุ์ช้ากว่าด้วย
- กบที่ผสมพันธุ์ช้าจำเป็นต้องมี แหล่งน้ำถาวร ที่ไม่แห้ง
ทำไมน้ำแข็งจึงเป็นอันตรายถึงชีวิตสำหรับสัตว์ทั่วไป
- สัตว์ส่วนใหญ่ต้องหลีกเลี่ยงสภาพที่เนื้อเยื่อแข็งตัวจึงจะอยู่รอดได้
- เมื่อผลึกน้ำแข็งก่อตัวในร่างกาย จะเกิดความเสียหายหลายอย่างตามมา
- ผลึกน้ำแข็งอาจแทง หลอดเลือด ได้
- หากเลือดแข็งตัว อวัยวะจะไม่สามารถรับออกซิเจนและสารอาหาร ทำให้เกิดความเสียหายทางเมแทบอลิซึมอย่างรุนแรง
- น้ำแข็งจะดึงน้ำออกจากเซลล์ ทำให้เกิดการขาดน้ำ รบกวนโครงสร้างภายในเซลล์ และทำลายผนังเซลล์
- ความเสียหายเหล่านี้นำไปสู่ความเสียหายภายในอย่างกว้างขวางและถึงตายได้
ปล่อยให้แข็งนอกเซลล์ แต่ปกป้องภายในเซลล์
- กบไม้สามารถทนสภาพร่างกายแข็งเป็นน้ำแข็งได้ยาวนานถึง 8 เดือน ในแต่ละปี
- เมื่อฤดูหนาวเริ่มต้น น้ำแข็งจะเติมเต็มช่องท้องอย่างรวดเร็วและห่อหุ้มอวัยวะภายใน
- ผลึกน้ำแข็งยังก่อตัวระหว่างผิวหนังกับกล้ามเนื้อ และเลนส์ตาจะแข็งตัวจนดวงตากลายเป็นสีขาว
- ในเวลาเดียวกัน ตับจะสร้าง กลูโคส จำนวนมากและส่งไปยังทุกเซลล์ของร่างกาย
- สารละลายน้ำตาลที่หนืดนี้ช่วยป้องกันไม่ให้เซลล์แข็งตัว
- มันจับกับโมเลกุลน้ำภายในเซลล์เพื่อลดการขาดน้ำ
- ร่างกายของกบไม้อนุญาตให้เกิดน้ำแข็งที่ ภายนอก เซลล์และอวัยวะ แต่ป้องกันการแข็งตัว ภายใน เซลล์ จึงหลีกเลี่ยงความเสียหายร้ายแรงได้
ลำดับที่ร่างกายซึ่งหยุดนิ่งกลับมาตื่นอีกครั้ง
- กบไม้ที่จำศีลไม่มีการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อ ไม่มีการเต้นของหัวใจ และไม่หายใจ
- ตลอดฤดูหนาวมันดูเหมือนก้อนน้ำแข็งแข็งเย็นรูปกบ แต่แท้จริงแล้วยังมีชีวิตอยู่ในภาวะ หยุดนิ่ง
- เมื่อฤดูใบไม้ผลิมาถึง กบไม้จะละลายจากด้านในออกด้านนอก
- ก่อนอื่นหัวใจจะเริ่มเต้น
- จากนั้นสมองจึงเริ่มทำงาน
- สุดท้ายขาจึงเริ่มเคลื่อนไหว
- ยังไม่เป็นที่ทราบว่าหัวใจซึ่งถูกแช่แข็งและไม่ทำงานตลอดฤดูหนาวทางเหนือ กลับมาเต้นได้อีกครั้งด้วยเหตุใด
- เมื่อคลายเยือกแข็งอย่างสมบูรณ์ กบไม้จะเดินผ่านป่าเพื่อมุ่งไปยังบ่อผสมพันธุ์หรือแหล่งน้ำที่เหมาะสม
- ในสภาพที่แทบเป็นอันตรายถึงชีวิตสำหรับสัตว์ชนิดอื่นทั้งหมด กบไม้กลับรอดชีวิตได้โดยไม่เกิดความเสียหาย
ความเป็นไปได้ที่ต่อยอดสู่งานวิจัยทางการแพทย์ของมนุษย์
- กลูโคส ในเลือดของกบไม้เป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยป้องกันความเสียหายของเนื้อเยื่อในอุณหภูมิฤดูหนาวอาร์กติกอันสุดขั้ว
- กลูโคสนี้คือสารชนิดเดียวกับน้ำตาลในเลือดของสัตว์มีกระดูกสันหลังทุกชนิด รวมถึงมนุษย์
- กบไม้ที่จำศีลสามารถทน ระดับน้ำตาลในเลือดสูงกว่าปกติ 100 เท่า ได้
- ผู้ป่วยเบาหวานในมนุษย์อาจเกิดความเสียหายได้แม้ระดับน้ำตาลในเลือดจะสูงกว่าปกติเพียง 2 ถึง 10 เท่า
- หากเข้าใจว่ากบไม้ทนสิ่งนี้ได้อย่างไร ก็อาจช่วยการจัดการภาวะน้ำตาลในเลือดสูงของผู้ป่วยเบาหวานได้
- ความสามารถในการต้านทานการแช่แข็งของกบไม้อาจนำไปใช้ค้นหาวิธีแช่แข็งและละลายอวัยวะมนุษย์สำหรับการปลูกถ่ายโดยไม่ให้เกิดความเสียหาย
- อาจช่วยยืดเวลาที่อนุญาตได้ตั้งแต่การนำอวัยวะออกจากผู้บริจาคจนถึงการปลูกถ่ายให้ผู้รับ
- อาจทำให้สามารถปลูกถ่ายได้มากขึ้น
- หลักการที่ทำให้มันหยุดการไหลเวียนโลหิตแล้วกลับมาเริ่มใหม่ได้อีกหลายเดือนต่อมาโดยไม่เกิดลิ่มเลือดหรือความเสียหายอื่น ก็เป็นหัวข้อวิจัยเช่นกัน
- หากเข้าใจกลไกนี้ อาจมีคุณค่าในการรักษาผู้ที่มีเลือดหยุดไหลชั่วคราวจากภาวะหัวใจวายหรือโรคหลอดเลือดสมอง
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
หนังสือดี ๆ ที่พูดถึงว่าสัตว์ทนฤดูหนาวอันหนาวจัดได้อย่างไรคือ Winter World ของ Bernd Heinrich
Bernd เป็นนักชีววิทยาที่น่าสนใจมาก จึงขุดลึกลงไปในประเด็นต่าง ๆ แม้ตอนอธิบายว่ากระรอกผ่านฤดูหนาวอย่างไร เขาก็เริ่มจากหลักการพื้นฐาน เช่น พื้นที่ผิวของร่างกาย การรักษาอุณหภูมิร่างกาย อุณหภูมิภายนอก -40˚C ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ต่อชั่วโมง และพลังงานของเมล็ดสนหนึ่งเมล็ด แล้วค่อยไล่คำนวณต่อไป
ถึงขั้นเอาเมล็ดสนใส่ปากกระรอกที่ตายแล้วเพื่อวัดว่าใส่ได้มากสุดกี่เมล็ด ได้ค่าเป็น 17 เมล็ด แล้วนำไปคำนวณต่อ จึงค่อนข้างสนุก
กระรอกไม่ได้เก็บอาหารไว้ในปาก แต่เก็บไว้ในที่ซ่อน แล้วตื่นขึ้นมาไปกินที่ที่ซ่อนไว้ จากนั้นก็กลับไปนอนต่อ มันไม่ได้ออกไปข้างนอกที่ -40°C เพื่อเก็บเมล็ดสนใหม่ และในฤดูหนาวก็แทบไม่มีเมล็ดสนเหลืออยู่บนต้นแล้ว
บางทีประเด็นของการคำนวณนั้นอาจเป็นการแสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์แบบนั้นไม่ดี แต่การคำนวณข้างต้นก็ยังไม่ได้รวม ฉนวนจากขนและที่นอน เข้าไปด้วย
ส่วนที่ว่า “ยังไม่มีใครรู้ว่าอะไรทำให้ หัวใจของ wood frog ที่แข็งตัวและอยู่ในสภาพไม่ทำงานตลอดฤดูหนาวทางเหนือ กลับมาเต้นอีกครั้ง” คือสิ่งที่น่าหลงใหลที่สุดในเรื่องนี้
กบแข็งตัวทั้งตัว และเท่าที่เรารู้ ไม่มีทั้งการเต้นของหัวใจหรือการทำงานของสมอง แต่เมื่อมันละลาย อะไรบางอย่างก็เริ่มทำงานอีกครั้ง
ยากจะจินตนาการว่ากลไกนั้นหน้าตาเป็นอย่างไร มันมีพื้นที่เล็ก ๆ ในสมองที่ติดตามว่าเคยถูกแช่แข็งอยู่หรือเปล่า หรือมีสัญญาณเคมีบางอย่างออกมาจากภายในโพรงลำตัวกันแน่
ในมนุษย์และสัตว์จำนวนมาก สิ่งที่ควบคุมการเต้นของหัวใจคือโครงสร้างในหัวใจที่เรียกว่า โหนดไซโนเอเทรียล เซลล์แต่ละเซลล์ในโหนดไซโนเอเทรียลสามารถสร้างสัญญาณไฟฟ้าเป็นจังหวะได้เอง
ใน wood frog เมื่อเซลล์ใดเซลล์หนึ่งเหล่านี้ละลาย มันก็น่าจะเริ่มสร้างพัลส์เป็นจังหวะทันที และเพื่อให้หัวใจเต้นได้ถูกต้อง มันต้องซิงก์กับเซลล์โหนดไซโนเอเทรียลที่เหลือ น่าจะเป็นวิธีที่แต่ละเซลล์ค่อย ๆ ปรับเข้าหาเฟสเฉลี่ยของเซลล์ข้างเคียงในแต่ละรอบจนได้ฉันทามติร่วมกัน
หรืออาจเป็นเพราะความยืดหยุ่นของหัวใจและกล้ามเนื้อ
เว้นแต่ว่าหัวใจของกบจะต้องพึ่งสมองอีกที
บางทีลำดับการละลายอาจเกิดกลับกัน โดยเริ่มจากแขนขาก่อน และหัวใจละลายเป็นส่วนสุดท้ายหลังจากระบบไหลเวียนที่เหลือละลายแล้ว ถ้าเป็นเช่นนั้น การที่หัวใจอยู่ตรงกลางก็น่าจะเป็นข้อได้เปรียบทางชีววิทยา
wood frog มีอายุเพียง 3–5 ปี ดังนั้นน่าจะเจอวงจรแช่แข็ง/ละลายแบบนี้อย่างมากราว 5 ครั้ง สงสัยว่าช่วงชีวิตที่สั้นช่วยให้มันทนต่อ ความเสียหายของเซลล์ ที่สะสมระหว่างวงจรเหล่านี้ได้ในระดับหนึ่งหรือไม่
จำนวนเซลล์ประสาทก็น้อยกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประมาณ 10,000 เท่า
ต่อให้เราสามารถสร้างชีวเคมีแบบนี้ได้จริง สิ่งมีชีวิตชั้นสูงกว่าจะทนวงจรแบบนี้ได้กี่ครั้งกัน? ดูเหมือนสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนจะแลกความสามารถในการฟื้นตัวบางอย่างไป เช่น ความสามารถในการงอกแขนขาใหม่ อนึ่ง สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกก็ขึ้นชื่อว่าเก่งเรื่องการงอกใหม่อยู่แล้ว
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
ตอนนี้เริ่มอยากรู้อะไรต่อมิอะไรเกี่ยวกับ สมอง ของพวกมันขึ้นมาแล้ว สงสัยว่ามันสร้างความทรงจำได้ไหม และความทรงจำนั้นยังคงอยู่หลังวงจรแช่แข็ง/ละลายหรือเปล่า
ตอนที่แข็งอยู่ ในทางปฏิบัติก็เหมือนตาย และเราคงต้องสมมติว่าไม่มีการทำงานของสมอง ถ้าอย่างนั้นตอนละลายก็คือการถูกฟื้นกลับมาเป็นสิ่งมีชีวิต สงสัยว่าสัตว์ชนิดอื่นก็เจอเรื่องแบบนี้ด้วยไหม
สงสัยว่าโครงสร้างที่ถูกแช่แข็งจะ “รอดอยู่” ได้นานแค่ไหน ไม่รู้ว่าการแช่แข็งกบพวกนี้แล้วค่อยละลายออกมาอีกหลายศตวรรษให้หลังจะเป็นความคิดที่ดีไหม เหมือนสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกนักเดินทางข้ามเวลา
ในงานวิจัยใหม่ [2] พวกมันรอดชีวิตได้ 7 เดือน และอัตรารอดชีวิตคือ 100%
ดังนั้นดูเหมือนว่ายังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
ในเชิงวิวัฒนาการ สัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกเรียบง่ายกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอยู่ระดับหนึ่ง ตัวเล็กกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายชนิด และไม่ได้มีอายุยืนยาวนัก ดังนั้นบางส่วนอาจเป็นเพราะมี “สิ่งที่ไม่มี” อยู่เฉย ๆ
เพราะอุณหภูมิต่ำมาก ปัญหา advanced glycation end products ก็คงไม่ใหญ่นัก อีกกลยุทธ์หนึ่งในการรอดจากน้ำแข็งคือ โปรตีนต้านการแข็งตัว ต้นเฟอร์และปลาขั้วโลกหลายชนิดมีโปรตีนแบบนี้: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
ถึงอย่างนั้น ก็ยังไม่รู้ว่าในขั้นตอนละลายน้ำแข็ง ศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ถูกคงไว้หรือสร้างขึ้นใหม่ได้อย่างไร มีแหล่งข้อมูลที่น่าอ้างอิงไหม?
ยังไม่ใช่เรื่องที่พิสูจน์แน่ชัดหรือเข้าใจอย่างเพียงพอ แต่ดูเป็นสาขาวิจัยที่มีแนวโน้มดี
แม้บริเวณเล็กมากรอบช่องไอออนจะยังคงเป็นของเหลวและทำให้ทั้งเซลล์กับความเข้มข้นของไอออนเข้าสู่สมดุลกัน แต่เมื่อของเหลวนอกเซลล์ละลาย ความเข้มข้นเดิมก็น่าจะฟื้นกลับมาเกือบเหมือนเดิม
เต่าน้ำมีกลยุทธ์ brumation อีกแบบหนึ่ง แม้หายใจด้วยอากาศ แต่เพราะอาจติดอยู่ใต้ผืนน้ำแข็งได้หลายเดือน จึงปรับตัวโดยลดเมตาบอลิซึม รับออกซิเจนจากน้ำได้เล็กน้อยผ่านเนื้อเยื่อลำไส้ตรง และใช้กิจกรรมทางเคมีที่เกี่ยวกับกลูโคสและแคลเซียม
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
ที่บ้านมีเต่าตัวหนึ่งที่อยู่ในน้ำอุ่นตลอด แต่เพราะมันมองเห็นท้องฟ้าได้หรือเปล่าไม่รู้ ทุกปีช่วงนี้มันจะตัดสินใจเข้าสู่ brumation เอง แล้วเริ่มงีบอยู่ในที่หลบใต้น้ำครั้งละหลายวันหรือหลายสัปดาห์
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
คำกริยาน่าจะเป็น brumate แต่ดูเหมือนแรงอยากให้สอดคล้องกับ hibernation จะมีมาก และเรื่องแบบนี้เกิดกับคำจำนวนมาก หรืออาจเป็นอิทธิพลจาก rumination ก็ได้?
ไม่ได้ฉลาดนัก แต่ขยันดี
สำหรับคนที่คิดว่าการแช่แข็งอาจเป็นทางเลือกได้ ไม่ใช่แค่ต้องหลีกเลี่ยงผลึกน้ำแข็งเท่านั้น
ภาวะลดอุณหภูมิทางการแพทย์ ในมนุษย์ลดลงแค่ไม่กี่องศาเท่านั้น แต่ข้อจำกัดไม่ได้อยู่ที่เวลาที่อยู่ในสภาพเย็น หากอยู่ที่การฟื้นอุณหภูมิร่างกายปกติเร็วเกินไป
ไมโทคอนเดรียสร้างอนุมูลออกซิเจนที่ว่องไวจำนวนมากในภาวะออกซิเจนต่ำ และถ้าฟื้นออกซิเจนเร็วเกินไป จะเกิดความเสียหายทางเคมีที่เป็นสาเหตุการตายจริง ๆ ดังนั้นจึงต้องค่อย ๆ กลับสู่อุณหภูมิปกติในช่วงเวลาหลายชั่วโมง วงจรเมตาบอลิซึมที่เสียหายจากภาวะเย็นจัดคงไม่ได้มีแค่นี้
บทความนี้ไม่มีรูปกบ รูปกบที่ละลายแล้วและกบที่แข็งเป็นน้ำแข็งดูได้ที่นี่: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
ในวิกิบอกว่านอกจากกลูโคสแล้วยังสร้าง ยูเรีย ด้วย และทั้งสองอย่างทำหน้าที่เป็นสารป้องกันการแข็งตัว
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
จะเรียกสิ่งนี้ว่าการจำศีลก็คงยาก การแข็งตัวทั้งตัวยังมีข้อดีทางอ้อมอื่น ๆ ด้วย เช่น อาจชะลอกิจกรรมหรือฆ่าจุลชีพก่อการติดเชื้อจำนวนมากได้ อาจมี ผลช่วยยืดอายุ อยู่บ้างก็ได้
แทบไม่ต้องมีการปรับตัวทางพฤติกรรมมากนัก พอกบเริ่มหนาวก็ขุดมุดลงไปใต้ใบไม้ แข็งทั้งตัว แล้ว 8 เดือนต่อมาละลายและตื่นขึ้นมาในสภาพหิวโหยและเต็มไปด้วยความอยากผสมพันธุ์ ก็ไม่เลว
สารป้องกันการแข็งตัว ในตัวกบไม่ได้แยกแยะ ดังนั้นแบคทีเรียภายนอกก็น่าจะได้รับการปกป้องพอ ๆ กับเซลล์ของกบ
สำหรับผมคงเป็นผลลัพธ์ที่ค่อนข้างขัดกับสัญชาตญาณ