Einer genetischen Studie zufolge scheinen die inneren Uhren von Grizzlybären auch im Winterschlaf weiter zu ticken. Diese Beständigkeit unterstreicht die wichtige Rolle des zirkadianen Rhythmus im Stoffwechsel vieler Organismen, einschließlich des Menschen.
Die von der Washington State University durchgeführte genetische Studie bestätigte Beobachtungsnachweise, dass die Energieproduktion von Bären immer noch in einem täglichen Rhythmus zunimmt und abnimmt, selbst wenn sie mehrere Monate lang ohne Nahrung schlafen. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass während des Winterschlafs die Amplitude der Energieproduktion abgeschwächt war, was bedeutete, dass die Spanne von Hochs und Tiefs verringert war. Der Höhepunkt trat im Winterschlaf auch später am Tag auf als während der aktiven Jahreszeit, die täglichen Schwankungen waren jedoch immer noch vorhanden.
„Dies unterstreicht die Bedeutung der zirkadianen Rhythmen selbst – dass sie Organismen die Flexibilität geben, auch in einem so extremen Zustand wie einem Winterschlafbären noch zu funktionieren“, sagte Heiko Jansen, Professor an der Abteilung für integrative Physiologie und Neurowissenschaften der WSU und leitender Autor der Studie im Zeitschrift für Vergleichende Physiologie B.
Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass zirkadiane Rhythmen, die 24-Stunden-Physikzyklen, die den meisten lebenden Tieren auf der Erde gemeinsam sind, einen Zusammenhang mit der Stoffwechselgesundheit haben. Beim Menschen wurden größere Störungen dieser Muster, wie sie beispielsweise bei Nachtschichtarbeit auftreten, mit Stoffwechselproblemen wie Gewichtszunahme und einer höheren Prävalenz von Diabetes in Verbindung gebracht.
Grizzlybären halten Winterschlaf im WSU Bear Center. Bildnachweis: Washington State University
In gewisser Weise sind Bären extreme Schichtarbeiter, die im Winterschlaf bis zu sechs Monate Pause machen. Forscher wie Jansens Team versuchen herauszufinden, wie sie sich scheinbar ungesunde Gewohnheiten aneignen, übermäßig an Gewicht zuzunehmen und dann mehrere Monate lang auf Nahrung zu verzichten und sich kaum zu bewegen – und das alles ohne schädliche Auswirkungen wie Knochenmasseverlust oder Krankheiten wie Diabetes.
Im Gegensatz zu überwinternden Nagetieren, die fast im Koma liegen, bewegen sich Bären während dieser Ruhephase gelegentlich. Durch Beobachtungsstudien an Grizzlybären am WSU Bear Center fanden Forscher heraus, dass diese Bewegungen dazu neigen, einem zirkadianen Rhythmus zu folgen, mit mehr Aktivität während des Tages als nachts.
In der aktuellen Studie untersuchten die Forscher, ob dieser zirkadiane Rhythmus auf zellulärer Ebene zum Ausdruck kommt. Sie entnahmen Zellproben von sechs Bären während der aktiven Zeit und im Winterschlaf und kultivierten diese Zellen dann, um eine Reihe genetischer Analysen durchzuführen.
Um den Winterschlaf nachzuahmen, untersuchten die Forscher die Zellen bei der typischen niedrigeren Körpertemperatur der Bären während des Winterschlafs von etwa 34 Grad Celsius (93,2 Grad Fahrenheit) und verglichen diese mit 37 Grad Celsius (98,6 F) während der aktiven Jahreszeit.
Sie fanden heraus, dass Tausende von Genen in Bärenzellen im Winterschlaf rhythmisch exprimiert wurden. Dies führte zu Energierhythmen durch Anstieg und Abfall der Produktion von Adenosintriphosphat oder ATP, der zellulären Energiequelle des Körpers. ATP wurde im Winterschlaf immer noch in einem täglichen Rhythmus produziert, aber die Produktion wies eine abgeschwächte Amplitude sowie niedrigere Spitzen und Täler auf. Der höchste Produktionspunkt verschob sich im Winterschlaf auch zu einem späteren Zeitpunkt am Tag als unter Bedingungen der aktiven Jahreszeit.
Die Aufrechterhaltung eines zirkadianen Rhythmus erfordert selbst etwas Energie. Die Forscher gehen davon aus, dass Bären durch eine Veränderung dieses Rhythmus während des Winterschlafs trotzdem einen gewissen energetischen Nutzen aus dem Tageszyklus ziehen können, ohne dass dies zu großen Kosten führt – was ihnen wahrscheinlich dabei hilft, monatelang ohne Nahrung zu überleben.
„Es ist, als würde man einen Thermostat einstellen. Wenn man etwas Energie sparen möchte, dreht man den Thermostat herunter, und das ist im Wesentlichen das, was die Bären tun“, sagte Jansen. „Sie nutzen die Fähigkeit, den zirkadianen Rhythmus zu unterdrücken, aber sie stoppen nicht den Lauf der Uhr. Es ist eine wirklich neuartige Methode zur Feinabstimmung eines Stoffwechselprozesses und des Energieverbrauchs eines Tieres.“
Zu den Co-Autoren der Studie gehören die Erstautorin Ellery Vincent sowie Blair Perry und Charles Robbins von der WSU und Joanna Kelley von der University of California, Santa Cruz.
Mehr Informationen:
Ellery P. Vincent et al.: Die zirkadiane Gentranskription spielt eine Rolle im Zellstoffwechsel bei Winterschlaf haltenden Braunbären, Ursus arctos, Zeitschrift für Vergleichende Physiologie B (2023). DOI: 10.1007/s00360-023-01513-5