Eine genetische Studie bestätigt, was Beobachtungsstudien seit langem belegen: Die inneren Uhren ticken auch dann weiter, wenn Tiere Winterschlaf halten. Darüber hinaus spiegeln ihre zirkadianen Rhythmen die unseren wider, und diese Bären (Ursusarctoshorribilis) können vier bis sieben Monate lang im Dunkeln überwintern, ohne dass es zu negativen Auswirkungen kommt, außer dass sie bis zu 30 Prozent ihres Körpergewichts verlieren.
Wissenschaftler der Washington State University (WSU) glauben, dass die beeindruckende Physiologie dieser „Extremschichtarbeiter“ Hinweise darauf liefern könnte, wie Menschen besser mit Störungen des zirkadianen Rhythmus umgehen können. Eine Fehlausrichtung des zirkadianen Rhythmus wird mit Herzerkrankungen, Immunschwäche, Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes und Fettleibigkeit, Schlaganfall, Krebs und vorzeitigem Tod in Verbindung gebracht und kommt häufiger bei Schichtarbeitern vor.
Forscher haben herausgefunden, dass die Energieproduktion von Schwarzbären im Winterschlaf von Tag zu Tag schwankt, selbst wenn sie mehrere Monate lang nichts gegessen haben. Während des Winterschlafs werden ihre Energiespitzen unterdrückt, wobei die Höchstwerte später am Tag auftreten, als wenn die Tiere aktiv sind. Sie weisen jedoch immer noch deutlich darauf hin, dass der zirkadiane Rhythmus aufrechterhalten und nicht unterbrochen wird.
„Dies unterstreicht die Bedeutung der zirkadianen Rhythmen selbst – zirkadiane Rhythmen ermöglichen es Organismen, in extremen Zuständen wie im Winterschlaf von Bären flexibel zu funktionieren“, sagte der leitende Autor Heiko Jansen, Professor am Department of Integrative Physiology and Neuroscience der Western Sydney University.
Das Forschungsteam glaubt, dass das Verständnis, wie Schwarzbären massiv an Gewicht zunehmen können, während sie monatelang ohne Nahrungsaufnahme und mit wenig Aktivität auskommen, ohne negative Auswirkungen auf die Gesundheit zu haben, die Tür zu Therapien für Menschen öffnen könnte. Schwarzbären können bis zu 45 Kilogramm an Gewicht verlieren, aber sie verlieren fast keine Muskeln, keinen Knochenabbau und keine Stoffwechselerkrankungen.
In dieser Studie untersuchten die Forscher den Ausdruck von Uhren bei Tieren auf zellulärer Ebene. Die Forscher sammelten Zellproben von sechs Schwarzbären während ihrer aktiven und Winterschlafperioden für die Kultur. Die Forscher verglichen Zellen von Tieren im Winterschlaf, die typischerweise eine niedrigere Körpertemperatur von etwa 34 °C (93,2 °F) haben, mit Zellen von Tieren in der aktiven Phase, die eine Körpertemperatur von etwa 37 °C (98,6 °F) haben.
Ihre Ergebnisse bestätigten die zirkadiane Aktivität, wobei Tausende von Genen rhythmisch in den Zellen überwinternder Tiere exprimiert wurden. Dies deutet darauf hin, dass Adenosintriphosphat (ATP), die Energie der Körperzellen, in einem 24-Stunden-Zyklus produziert wird, wenn auch mit geringeren Spitzen und Tiefpunkten.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Spitzenenergieabgabe auch später als dann, wenn die Tiere aktiv sind, was darauf hindeutet, dass Bären während des Winterschlafs ihren Tagesrhythmus ändern, um die Kosten für die Aufrechterhaltung ihrer „Batterie“ zu senken. Dadurch können sie weiterhin über Monate hinweg ohne Nahrungsaufnahme genug Treibstoff verbrennen, um ihren Körper mit Energie zu versorgen, ohne schädliche Gesundheitsprobleme zu entwickeln.
„Es ist, als würde man einen Thermostat einstellen“, sagte Janssen. „Wenn man etwas Energie sparen will, dreht man den Thermostat herunter, was im Grunde das ist, was die Bären tun.“
Bei der Beobachtung von Tieren im Winterschlaf im Black Bear Centre der Western Sydney University stellten die Forscher außerdem fest, dass die Tiere zu bestimmten Tageszeiten aktiver waren, selbst wenn die Lichtverhältnisse gleich blieben. Diese Aktivitätssteigerungen entsprechen der maximalen ATP-Produktion durch Zellen in Tieren im Winterschlaf.
Er fügte hinzu: „Sie nutzen die Fähigkeit, zirkadiane Rhythmen zu unterdrücken, ohne die Uhr anzuhalten. Dies ist eine völlig neuartige Methode zur Feinabstimmung von Stoffwechselprozessen und Energieverbrauch bei Tieren.“
Die Forscher glauben, dass die Nutzung dieser Fähigkeit den Menschen dabei helfen könnte, einen „biologischen“ Zeitplan zu bewältigen, der es erfordert, nachts zu arbeiten und tagsüber zu schlafen.
Da schätzungsweise 14 % der Arbeitskräfte nachts arbeiten, wächst die Besorgnis über die Schäden, die diese Arbeitszeiten für die menschliche Gesundheit haben, insbesondere im Hinblick auf chronische Krankheiten, Unfälle, schlechte Lebensqualität und Gesundheitskosten.
Wenn Wissenschaftler herausfinden könnten, wie wir unsere eigene innere Uhr intelligenter machen können als die eines durchschnittlichen Bären, wäre das Potenzial zur Beseitigung schädlicher Auswirkungen auf die Gesundheit enorm.
In einer anderen aktuellen, jahrzehntelangen Studie fanden Wissenschaftler heraus, dass Bären im Winterschlaf auch ein einzigartiges gerinnungshemmendes Protein produzieren, um sie vor den Risiken längerer Immobilität zu schützen.
Die Forschung wurde im Journal of Comparative Physiology B veröffentlicht.