Arktische Eichhörnchen teilen circadiane Geheimnisse (VIDEO)

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Charlie Heck, Multimedia-Nachrichtenredakteur bei der US National Science Foundation, trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Die arktischen Ziesel entwickelte hoch spezialisierte Anpassungen an extreme Umgebungen, einschließlich der zirkadianen Rhythmen ("biologische Uhr"), die während des arktischen Sommers trotz nahe Konstante Tageslicht beibehalten. Die Tiere Körper Uhren entwickelt haben, um gut funktionieren ohne die Hilfe von Tag/Nacht-Zyklus, der auch auf andere Tiere, einschließlich des Menschen wichtig ist. Probleme mit der zirkadianen Rhythmus wurden zu Themen wie Fruchtbarkeit, Übergewicht und Krebs verbunden.

Um die Eichhörnchen einzigartige Anpassung zu studieren, näherte sich ein Team von Forschern der US National Science Foundation(NSF). Mit Unterstützung von der NSF-Direktion für biologische Wissenschaften bereiste physiologischen Ökologe Cory Williams von der University of Alaska Anchorage und ein Team von Forscherkollegen Toolik Field Station in Nordalaska die arktischen Ziesel auf seinem Heimatmarkt zu studieren. Die Feldforschung gehört auch die Wechsel von Licht und Temperatur für die Eichhörnchen, indem Sie ihnen im Wesentlichen ein Fall von Jet Bein um ihre Reaktion zu messen. [Unsere Uhren zurücksetzen: Funktionsweise des Körpers winzigen Zeitnehmer]

Zurück in Anchorage führen ökologische Physiologe und Projekt Loren Buck Werke mit Eichhörnchen in seinem Labor das ganze Jahr über. Buck sagt Körpertaktgeber Störungen mit vielen menschlichen Krankheiten verknüpft sind – saisonal-affektive Störung, Übergewicht, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Alzheimer und sogar Krebs. (Dieser wird in Zusammenarbeit mit einem Team von Wissenschaftlern an der Universität von Alaska in Fairbanks geforscht.)

Unten, Williams beantwortet Fragen über die Forschung.


Charlie Heck: Wie die Eichhörnchen Fähigkeit zur Anpassung an ständig Tageslicht zu Behandlungen für menschliche Schlafstörungen führen kann?

Cory Williams: Wir führen grundlegende Wissenschaftsforschung auf die Fähigkeit der arktischen Erdhörnchen, mitgerissene zirkadianen Rhythmen unter der Mitternachtssonne zu pflegen. Also, ich möchte darauf hinweisen, dass unsere Forschung nicht direkt zu Quellen von Behandlungen für menschliche Schlafstörungen führen wird – aber wir wissen, dass menschliche Schlafstörungen und viele andere Krankheiten, Störungen in der circadianen Uhrfunktion zugeordnet sind. Wir wissen auch, dass Menschen in hohen Breitengraden sind in der Regel anfälliger für Schlafstörungen und ohne ein externer Takt Menschen nicht in der Lage, der Aufrechterhaltung der mitgeführten Tagesrhythmus tagsüber polar (konstante Tageslicht gut oberhalb des Polarkreises) zu sein scheinen.

Und doch, unsere Forschung zeigt, arktischen Erdhörnchen mitgerissene Tagesrhythmus während des arktischen Sommers pflegen können. So ist eine der wichtigsten Fragen für uns sind sie in der Lage, dies zu tun – was sind die Mechanismen beteiligt? Zu diesem Zeitpunkt sind wir nicht einmal sicher, welche ökologischen Cue sie, Schleppmittel sind wenn wir vermuten, dass sie empfindlich auf subtile Unterschiede in der Intensität oder Farbtemperatur des Lichts sind. Grundlagenforschung ist über derartige Mechanismen aufdecken. Wir können nicht sicher sagen, dass dies, keine besonderen Behandlungen für Störungen im Uhrfunktion führt, aber unser Verständnis der circadianen Uhr-Funktion in ein Tier, das nicht von dieser Art von Störungen leidet, ein guter Ort zum starten ist.

C.H.: Wie schwierig arktischen Erdhörnchen zu handhaben sind?

C.W.: Sie sind nicht allzu schlecht zu handhaben. Wir haben maßgeschneiderte Umgang mit Taschen, die wir im Bereich verwenden, die an unsere fallen – wenn wir die Falltür öffnen das Eichhörnchen direkt in die Tasche läuft. Wir können dann wiegen die Eichhörnchen und Ohrmarken durch Mesh-Öffnungen in die Tasche legen. Für einen Teil der Arbeit, die wir tun, wie anbringen Halsbänder mit Radio-Transmitter und leichte Holzfäller, werden wir das Eichhörnchen zu betäuben, denn dies ist weniger stressig für sie – und wir wollen nicht gebissen zu werden. Eichhörnchen im Labor sind in der Regel aggressiver, aber wir können sie schnell und einfach zwischen verschieben Wannen oder Käfige mit dickem Lederhandschuhen oder mit einem Metall oder PVC-Schlauch in verstecken und dann bewegen die ganze Röhre.

C.H.: Würden Sie eher mit den Eichhörnchen im Feld oder im Labor arbeiten?

C.W.: Ich würde viel lieber mit ihnen auf dem Gebiet arbeiten, teils, weil es bedeutet, lerne ich zu erstaunlichen Orten wie Toolik Field Station in Nordalaska gehen. Aber auch, weil ich, dass denke es gibt so viele Fragen in der Ökologie und Physiologie, die man einfach nicht im Labor beantworten. Möchten Sie die ökologische und evolutionäre Bedeutung der physiologischen oder Verhaltensstörungen Merkmale zu verstehen, was Sie interessiert sind, müssen Sie im Feld sein. Und mit Verbesserungen und Miniaturisierung der elektronischen Logger, können wir eine Menge Fragen in freilebenden Tieren, denen wir gerade nicht vor. Zur gleichen Zeit gibt es noch eine Menge Fragen, die wir nicht beantworten können im Feld – besonders dann, wenn wir beginnen, ein Blick auf einige der molekularen und genetischen Mechanismen. Also, ich glaube, Kombination von Feld und Labor Ansätze immer wird der beste Ansatz sein.

C.H.: Warum nicht die Eichhörnchen nur überwintern wie Bären?

C.W.: Arktisches Erdhörnchen halten Winterschlaf, aber ihre Überwinterung Physiologie unterscheidet sich vom großen Winterschläfer wie Schwarzbären oder Braunbären. Dieser Unterschied liegt vor allem an Größe. Brian Barnes von der University of Alaska Fairbanks, der unser Prinzip Mitarbeiter an unserem Projekt arktischen Ziesel, schwarzen Bären Winterschlaf ausgiebig studiert hat und er hat gezeigt, dass Winterschlaf Schwarzbären ihren Stoffwechsel (die Menge der Energie, die sie konsumieren), etwa 25 Prozent der basalen (Ruhezustand) Ebenen zu unterdrücken, während die Körpertemperatur reguliert wird, zwischen 30 ° c und 36 Grad Celsius ("normale" Körpertemperatur ist rund 37, 38).

Obwohl die energetische Einsparungen, die Bären zu erreichen beeindruckend sind, wäre fast genug für eine kleine schweigsam wie ein Grundeichhörnchen, das nicht weil kleine Tiere eine viel höhere metabolische Rate pro Gramm Gewebe haben. Was dies bedeutet ist, dass kleine Winterschläfer konnte nicht einfach genug Fett um ein überwintern der Winterruhe mit nur relativ moderate Rückgang im Stoffwechsel zu speichern. Was stattdessen kleine Säugetiere zu tun ist, geben Sie einen physiologischen Zustand Erstarrung, in denen sie ihren Stoffwechsel in viel stärkerem Maße (so niedrig wie 2 Prozent der basalen Ebenen) zu unterdrücken und regulieren ihre Körpertemperatur bei viel niedrigeren Temperaturen (so niedrig wie - 2,9 C in arktischen Erdhörnchen, die niedrigste Körpertemperatur gemessen in einem Säugetier).

In der Regel Körpertemperatur während der Erstarrung ist in der Nähe von Umgebungstemperatur, aber weil arktischen Erdhörnchen in einer extremen Umgebung leben, werden ihre Hibernacula (der Standort gewählt durch ein Tier für den Winterschlaf) bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. Sie verhindern, dass sich Einfrieren durch Erzeugung von Wärme über ein spezialisiertes Organ, das braune Fettgewebe oder Fledermaus genannt. Kleinsäuger (bei wirklich niedrigen Körpertemperatur) träge bleiben nicht in den Ruhezustand, aber sie werden stattdessen eine Erregung alle zwei bis drei Wochen, in denen kehrt ihre Körpertemperatur auf ein "normales" Niveau für weniger als 24 Stunden, bevor sie wieder zurück in Erstarrung fallen unterziehen. Diese Erstarrung-Erregung-Zyklus setzt sich während ihrem Winterschlaf.

C.H.: Was die nächsten Schritte bei Ihrer Recherche?

C.W.: Unsere circadianen Rhythmen Forschung ist noch nicht abgeschlossen. Eines unserer wichtigsten Ziele ist zu beurteilen, ob die circadiane Hauptuhr, befindet sich im Hypothalamus, weiterhin funktioniert bei tiefen Erstarrung und Inter Kampf Arousals, die während des Winterschlafs auftreten. Unsere Mitarbeiter, Brian Barnes (University of Alaska Fairbanks) und Lily Yan (Michigan State University), arbeiten an diese Frage jetzt. Wir haben auch Experimente im Gange Prüfung ob gefangen Erdhörnchen Schleppmittel ihre zirkadianen Uhren, subtile Veränderungen in der Intensität oder Farbtemperatur des Lichts werden. Gerade jetzt, ich bin mitten in der Planung unserer nächsten Feldsaison — wir haben leichte Holzfäller und Körper-Temperatur-Logger auf Erdhörnchen auf unserer Wiese bereitgestellt und wir werden diesen Logger zurückgewinnen, wenn die Eichhörnchen aus ihrer Hibernacula im Frühjahr entstehen.

Alle Experten stimmen Fragen und Debatten zu folgen – und werden Sie Teil der Diskussion – auf Facebook, Twitter und Google +. Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers. Diese Version des Artikels erschien ursprünglich am Leben Wissenschaft.

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