Hibernacja, hipotermia, krionika

Pojęcie hibernacja, pochodzące od łacińskiego słowa hibernare – „zimować”, oznacza stan uśpienia organizmu stałocieplnego, charakteryzujący się obniżeniem temperatury ciała i spowolnieniem procesów życiowych. Termin ten został po raz pierwszy zastosowany w 1905 roku przy opisie doświadczenia nad małpami, które narkotyzowano i następnie oziębiano, uzyskując w ten sposób fizjologiczne zmiany przypominające stan snu zimowego gryzoni i nietoperzy, obecnie zwanego także hibernacją naturalną.

Tajemnice przyrody

Hibernacja naturalna wymuszana jest niekorzystnymi warunkami środowiskowymi – spadkiem temperatury otoczenia i brakiem dostępnego pokarmu. Poprzez zahamowanie procesów życiowych umożliwia niektórym zwierzętom – różnym gatunkom ssaków i jednemu gatunkowi ptaków kozodojów – przetrwanie niedogodności życiowych zimy.

W potocznym znaczeniu określenie sen zimowy obejmuje dwa zjawiska biologiczne:
• właściwą hibernację, czyli śpiączkę zimową, w jaką zapadają m.in. chomiki, jeże, nietoperze, susły i świstaki (ogółem kilkanaście gatunków ssaków w Polsce),
• tzw. spoczynek zimowy, w jaki zapadają borsuki, niedźwiedzie, wiewiórki (polegający na kilkustopniowym obniżeniu temperatury ciała i znacznym osłabieniu czynności życiowych).
Snem zimowym nazywa się też niekiedy stan odrętwienia, w jaki zapadają w zimie zwierzęta zmiennocieplne – gady, płazy i ryby.

Pogrążanie się w stan hibernacji ssaków to proces długotrwały, odbywający się etapami. Zapadnięcie w śpiączkę poprzedzają stopniowe zmiany w czynnościach gruczołów dokrewnych i gromadzenie zapasu tzw. tkanki tłuszczowej brunatnej, zwanej gruczołami snu zimowego. Ten rodzaj tkanki zawiera więcej niż zwykle węglowodanów i tłuszczów złożonych. Podczas snu stanowi ona jedyne źródło energii, niezbędnej do utrzymania procesów metabolicznych w organizmie.

W stanie hibernacji temperatura ciała zwierzęcia znacznie spada, bardzo maleje szybkość bicia serca i częstość oddychania. Następuje niezwykle duże zmniejszenie tempa przemiany materii, np. u świstaka produkcja ciepła obniża się z 1500 kcal do 21 kcal na dobę. Najistotniejszą cechą śpiączki zimowej jest wyłączenie ośrodka termoregulacji organizmu w mózgu, co powoduje, że ciepłota ciała utrzymuje się zaledwie od 1 do 4°C powyżej temperatury otoczenia. Kiedy ta ostatnia spada poniżej temperatury krzepnięcia wody, czyli 0°C, następuje z reguły obudzenie zwierzęcia, które rozpoczyna poszukiwanie bardziej dogodnego miejsca snu zimowego. Niektóre z nich mogą jednak przez krótki czas znieść większe przechłodzenie ciała, np. młode nietoperze nawet do minus 8°C.

Niebezpieczeństwa hipotermii

Hibernacja jest skrajną odmianą hipotermii, niebezpiecznego stanu obniżenia temperatury organizmu stałocieplnego o ponad 2°C poniżej normy zdrowia. Następuje wówczas znaczna przewaga oddawania ciepła nad jego wytwarzaniem. Przyczyną tego zjawiska może być długotrwałe oddziaływanie niskiej temperatury otoczenia lub zahamowanie procesów przemiany materii (występujące np. w skrajnym wyniszczeniu ustroju i niedoczynności gruczołu tarczowego). Hipotermia utrzymująca się przez więcej niż parę godzin grozi śmiercią.
Wśród ludzi najbardziej zagrożone hipotermią są osoby powyżej 75 roku życia. Organizmy ich mają mniejsze zdolności do podtrzymywania stałej ciepłoty ciała w niskiej temperaturze otoczenia. Mniejsza jest też wrażliwość mechanizmu ustrojowego wykrywającego schłodzenie poniżej normalnych 36,6°C. Dlatego też wiele starszych osób nie odczuwa nadchodzącego niebezpieczeństwa.

Do najwcześniejszych symptomów hipotermii należy splątanie myśli, bladość i senność. Konsekwencją utrzymywania się tego stanu jest utrata przytomności. Niezależnie od wieku wyczuwa się znaczne ochłodzenie dłoni i stóp, a najbardziej charakterystyczny objaw tego zaburzenia to zimny brzuch.

Podstawą leczenia hipotermii jest powolne i delikatne rozgrzewanie przemarzniętego ciała. Proces ten musi przebiegać stopniowo, ponieważ zbyt gorliwe ogrzewanie może być przyczyną gwałtownego napływu krwi do powierzchniowych naczyń krwionośnych. Zaś wtedy uległoby niedokrwieniu wiele narządów wewnętrznych, spełniających funkcje ważne dla życia.
W pewnych, specyficznych okolicznościach hipotermia może być jednak zbawienna. Zmniejsza ona tempo procesów biochemicznych w organizmie i przez to znacznie odsuwa w czasie następstwa niedotlenienia mózgu. Istnieją doniesienia o przeżyciu tonących nawet po 45 minutach przebywania w zimnej wodzie. Szczególnie dzieci wykazują w takich przypadkach większą niż dorośli zdolność do życia. U osób z obniżoną ciepłotą ciała próby reanimacji trzeba prowadzić dłużej niż normalnie, w miarę możliwości łącznie z czynnym rozgrzewaniem.

Osiągnięcia medycyny

Sztuczne spowalnianie procesów życiowych organizmu, wywołane środkami farmakologicznymi i obniżeniem temperatury ciała, jest obecnie coraz częściej spotykaną praktyką w medycynie. Pacjentów wprowadza się w stan hipotermii w czasie zabiegów kardiochirurgicznych i neurochirurgicznych. Powoduje to zwolnienie metabolizmu ustrojowego i zmniejszenie niebezpieczeństwa wynikającego z niedoboru tlenu w tkankach, niedoboru spowodowanego przerwaniem krążenia krwi w mózgu, sercu i innych organach wewnętrznych.

Pierwszą operację na chorym wprowadzonym w stan hipotermii przeprowadzono w 1951 roku. Technika dokonywania takich zabiegów była ciągle udoskonalana. Obecnie chłodzenie pacjenta wykonuje się w znieczuleniu ogólnym, metodą powierzchniową z zastosowaniem lodu, lodowatej wody lub materaców chłodzących albo przez oziębianie krwi. Równoległe zastosowanie sztucznego płuco-serca pozwala obniżyć temperaturę organizmu człowieka nawet do 15°C. Nie jest to jeszcze granica ostateczna. Znane jest doświadczenie z psami, które bez szkody dla zdrowia oziębiono do temperatury bliskiej 0°C. Powolne tempo schładzania, wymiana płynów ustrojowych, zastosowanie substancji ochronnych – wszystko to umożliwia bezpieczne przywrócenie czynności życiowych.

Sztuczna hipotermia, zwana też hibernoterapią, stosowana jest również poza chirurgią, np. w leczeniu choroby wieńcowej. Wielu pacjentów po zawale cierpi z powodu komplikacji, wywołanych niedotlenieniem mózgu podczas zatrzymania akcji serca. Obniżenie temperatury ciała, najlepiej w czasie 120 minut, pozwala na znaczne zmniejszenie uszkodzeń układu nerwowego. Przede wszystkim zaś właśnie dzięki ochładzaniu udaje się przedłużyć życie pobranych do przeszczepów organów ciała, co umożliwia ich przewożenie na duże odległości.

Nadzieje hibernacji

Nieznana jest jeszcze bezpieczna metoda hibernacji poniżej temperatury 0°C. Niestety, po przekroczeniu punktu zamarzania wody w komórkach ciała powstają kryształki lodu. Kryształki te stopniowo rosną, aż w końcu rozrywają komórkę. Tylko w jednym przypadku przyroda potrafiła rozwiązać ten problem. Niektóre gatunki żab zamarzają z nadejściem zimy, uwięzione w bryłach lodu, aby z nastaniem wiosny powrócić do normalnego życia. Badania wykazały, że płazy te mają w komórkach niewiarygodnie wysoki poziom glukozy, co nie pozwala na krzepnięcie wody.
Tym razem naśladownictwo przyrody okazało się niemożliwe. Próbowano natomiast zamrażać organizmy żywe bardzo szybko i bardzo mocno, tak by w komórkach nie powstawały groźne kryształki lodu. Taki proces nazywany jest witryfikacją. Wówczas pojawiły się inne kłopoty. Ciekłe lipidy w ścianie komórkowej zaczęły żelować, ściana stawała się nieszczelna, a komórka szybko umierała. Sukcesy odniesiono tylko w przypadku nasienia i zarodków zwierząt, a także ludzi oraz bardzo prymitywnych organizmów, np. robaków z typu obleńców. Należące do nich nicienie Caenorhabditis elegans zamrożono do minus 80°C w specjalnym roztworze ochronnym i z powodzeniem przywrócono do życia.

Amerykanie, mimo nierozwiązanych w tej dziedzinie problemów, opracowali technikę zamrażania ciała ludzkiego do temperatury ciekłego azotu (minus 196°C). Nazwano ją krioniką. Najbardziej znany Cryonics Institute w stanie Michigan przechowuje ciała pacjentów w wieku od 25 do 100 lat. Zwolennicy krioniki uważają, że w temperaturze, w której ustają wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w organizmie, uda się bezpiecznie przechować ciało starego i chorego człowieka do czasów, kiedy w przyszłości medycyna rozwinie się tak dalece, że będzie można przywrócić mu życie, młodość i zdrowie. Niejeden Amerykanin daje się zamrozić po śmierci klinicznej w nadziei, że będzie kontynuował swą egzystencję w przyszłości. Jednak obecny stan wiedzy czyni tę nadzieję płonną.

Aleksander Baliński

Na świecie powszechnie stosowana jest praktyka zamrażania i przechowywania nasienia i zarodków zwierząt i ludzi w temperaturze ciekłego azotu (minus 196°C). Dotychczas skutecznie zamrożono nasienie ponad 50 gatunków zwierząt wykorzystywanych w hodowli. Natomiast zamrażanie zarodków umożliwia stworzenie rezerw genetycznych, niezbędnych dla zachowania wymierających ras, np. polskiego czerwonego bydła.
Zamrażanie nasienia męskiego pozwala na posiadanie potomstwa mężczyznom tracącym płodność z powodu choroby czy wieku. Coraz częstsze są przypadki żon, które dzięki temu rodzą dzieci swoich mężów nawet po kilku latach wdowieństwa. Wszystko wskazuje na to, że powiodło się również zamrażanie ludzkiego zarodka. Przyszło na świat dziecko, którego embrion pozostawał przez dwa miesiące w stanie hibernacji.