Igel, Fledermäuse, Braunbären und andere Tiere reduzieren während des Winters ihre Köpertemperatur, ihren Herzschlag, ihre Atmung und ihren Stoffwechsel mehr oder weniger drastisch. Durch diesen Winterschlaf können sie kalte und karge Zeiten auch ohne Nahrung überstehen. Sogar manche Primaten wie der Fettschwanzmaki auf Madagaskar (!) fallen in Winterschlaf. Diese Funktion des tierischen Organismus wird auch Hibernation oder Torpor genannt; die abgeschwächte Form heißt Winterruhe; bei Amphibien und Reptilien kann man die Winterstarre beobachten.
Während seines Winterschlafs atmet der Igel beospielsweise statt 50 Mal pro Minute nur noch 1 oder 2 Mal, sein Herz schlägt statt 200 Mal pro Minute nur noch 5 Mal und seine Körpertemperatur sinkt von 36 °C auf 1 bis 8 °C. Bären schlafen dagegen im Winter bei fast normaler Körpertemperatur von 31 bis 35 °C, ihre Herzfrequenz sinkt von 40 auf 10 Schläge pro Minute und ihr Stoffwechsel wird auf 50 bis 60 % gesenkt. Ob das Winterschlaf oder Winterruhe ist, darüber sind sich die Experten nicht einig. Im Allgemeinen werden längere Ruhephasen durch kurze Wachphasen unterbrochen, in denen zum Beispiel der Schlafplatz gewechselt wird.
Was hat das alles mit Raumfahrt zu tun?
Missionen zu den Planeten unseres Sonnensystems dauern Monate oder Jahre, Reisen zu anderen Planetensystemen würden aus heutiger Sicht mindestens Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Diese Zeiträume können Astronauten belasten durch eintöniges Leben auf engem Raum. Zudem benötigen die Lebenserhaltungssysteme Energie, und die Astronauten verbrauchen je nach den Möglichkeiten der Wiederaufbereitung mehr oder weniger Sauerstoff, Wasser und Nahrung. Diese Ressourcen könnten durch Hibernation der Astronauten eingespart werden.
Mehrere Raumfahrtorganisationen forschen daher auch in dieser Richtung. Zum Beispiel wurde für das Advanced Concepts Team der Europäischen Raumfahrtagentur ESA eine Studie zur Hibernation erarbeitet: "Mammalian Hibernation Mechanisms: Relevance to a Possible Human Hypometabolic Induced State" (Hibernationsmechanismen der Säugetieren: Bedeutung für einen möglichen beim Menschen ausgelösten Zustand mit herabgesetztem Stoffwechsel). Darin wird ein Überblick über die Mechanismen des tierischen Winterschlafs gegeben. Die Studie zeigt außerdem denkbare Möglichkeiten auf, diese Mechanismen auf den Menschen zu übertragen. Sie zeigt außerdem, wie Hibernation in der Raumfahrt aussehen könnte.
Mechanismen der Hibernation
Körpertemperatur: Allgemein wird angenommen, dass der Sollwert der Körpertemperatur regulierbar ist, wie zum Beispiel das Fieber zeigt. Wodurch die Solltemperatur festgelegt wird, ist unbekannt. Als mögliche Regulatoren werden wärmeempfindliche Nervenzellen im Hypothalamus angesehen. Der Hypothalamus ist ein Bereich des Zwischenhirns mit wichtigen Regulationszentren. Die Aktivität der Nervenzellen könnte durch mehrere chemische Sybstanzen beeinflusst werden (wärmeregulierende Neurotransmitter). Diese Neurotransmitter wirken sich allerdings auch auf andere Körpersysteme aus.
Unterkühlung des Menschen: Die normale Kerntemperatur des menschlichen Körpers schwankt etwas um 37 °C. In kalter Umgebung kann die Temperatur sinken (Hypothermie). Der Körper arbeitet dagegen an, indem er durch Muskelzittern Wärme erzeugt. Das Herz beginnt bei etwa 28 °C Körpertemperatur zu flimmern, und die Atmung stoppt bei etwa 23 °C. Starke Unterkühlung wird bei manchen schweren chirurgischen Eingriffen angewendet, wobei eine externe Herz-Lungen-Maschine den Blutkreislauf aufrechterhält. Gesunden Astronauten sollte man dieses Verfahren verständlicherseise nicht zumuten. Durch medikamentöses Unterdrücken des Muskelzitterns könnte die Hypothermie und vermutlich auch die Hibernation des Menschen unterstützt werden. Mit dem Medikament Meperidine wurden menschliche Körpertemperaturen von 35 °C für einige Minuten erreicht. Tiefere Temperaturen wurden aus ethischen Gründen nicht angesteuert.
Die verringerte Körpertemperatur begleitet die Hibernation. Denn eine niedrige Körpertemperatur hält den Stoffwechsel auf niedrigem Aktivitätsniveau. Die Verringerung der Körpertemperatur allein leitet die Hibernation nicht ein, sie unterstützt diesen Vorgang höchstens. Denn winterschlafende Tiere reduzieren ihren Stoffwechsel bereits rapide, bevor die Körpertemperatur wesentlich gesunken ist.
Stoffwechsel: Winterschlafende Tiere können ihre Zellkernaktivitäten verändern und dadurch ihren Zellstoffwechsel drastisch reduzieren. Im Wesentlichen bauen sie auf niedrigem Niveau ein neues Gleichgewicht zwischen Energiebedarf und Energieversorgung auf, und die Energieversorgung wird von Kohlenhydraten auf Fettsäuren umgestellt. Als ein weiterer möglicher Schlüssel zur Einleitung der Hibernation beim Menschen wird daher die entsprechende Umstellung der Energieversorgung durch Hormone wie Leptin angesehen.
Genexpression: Menschen sind keine Winterschläfer, trotzdem enthält das menschliche Erbmaterial einige Gene, die auch im Erbmaterial winterschlafender Tiere enthalten sind. Bei diesen Tieren werden die Informationen, die diese Gene repräsentieren in Körpereigenschaften umgesetzt (die Gene werden sozusagen eingeschaltet). Das wird Genexpression genannt. Beim Menschen findet die Expression dieser Gene höchstens im Fötus oder Neugeborenen statt.
Die Hibernation des Menschen ließe sich möglicherweise einleiten, wenn die genetische Expression eines bestimmten Proteins, des Hibernation Inducting Trigger (HIT), gelänge. HIT leitet die Hibernation verschiedener Tiere ein und wurde im Blut von Eichhörnchen, Murmeltieren, Fledermäusen und Schwarzbären gefunden. Für die Expression von Genen sind ansatzweise Methoden bekannt. Allerdings spielen bei der Hibernation viele Gene eine Rolle, deren Wirkungen sich gegenseitig beeinflussen; und die regulatorischen Mechanismen der Erbanlagen und des Stoffwechseln sind äußerst komplex.
Ein Lösungsansatz
Der Schlüssel zur Hibernation des Menschen könnten HIT-ähnliche Substanzen wie DADLE (D-Ala2-D-Leu5 Enkephalin) sein. Das ist ein synthetisches Produkt aus Aminosäuren und die veränderte Form des natürlich vorkommenden Opiats Enkephalin, das im Gehirn von Säugetieren vorkommt. DADLE allein wird beim Menschen voraussichtlich keine stabile Hibernation hervorrufen. Dazu werden begleitende Maßnahmen nötig sein.
Wie könnte Hibernation in der Raumfahrt aussehen?
Bis eine Methodik entwickelt sein wird, die zuverlässig in der Raumfahrt angewendet werden kann, muss noch sehr viel geforscht werden. Die Hibernation umfasst grundsätzlich ihre Einleitung, Aufrechterhaltung, Kontrolle und Beendigung. Dabei müssen die Körperfunktionen und -daten ständig überwacht werden, möglichst ohne schwerwiegende körperliche Eingriffe. Zu kontrollieren sind Körpertemperatur, Elektrokardiogramm (Herzschrift), Elektroenzephalogramm (Gehirnschrift), Pulsfrequenz, Blutdruck, Blutzuckerwerte, Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt des Zellgewebes, Atemfrequenz und so weiter. Dem Körper müssen die medizinisch gerade notwendigen Substanzen automatisch zugeführt werden. Die medizinischen Regelungssysteme sollten durch Expertensysteme überwacht werden. Es muss außerdem sichergestellt sein, dass Hibernation bei den Astronauten nicht zu wesentlichem Muskelschwund führt. (Bei winterschlafenden Tieren wird kein deutlicher Muskelschwund beobachtet.) Technisch umfasst die Hibernation dann folgende Punkte.
Herabsetzung der Körpersolltemperatur, also der Temperatur, die der Körper als Standard auffasst: Ihre klinischen Konsequenzen können noch nicht abgeschätzt werden. Vermutlich wird dies auf pharmazeutischem Weg möglich sein. Medizinisch bekannt ist das Gegenteil: künstlich hervorgerufenes Fieber.
Verringerung der Körpertemperatur auf wenige Grad über 0 °C: kann durch flüssigkeitsgekühlte Wäsche oder Kühlung der Umgebung erreicht werden. Die niedrige Temperatur zusammen mit niedriger Herzfrequenz kann die Bildung von Blutgerinseln fördern. Daher müssen nach Bedarf Gerinnungshemmende Medikamente zugeführt werden.
Verringerung der Sauerstoffzufuhr: lässt sich mit der Atemluft einfach regeln. Falls nötig, müsste der Blutfluss zu wichtigen Organen herabgesetzt werden.
Gefrierschutz: kann durch entsprechende Substanzen per Infusion gewährleistet werden. Klinisch wird bereits Glycerol im Rahmen verschiedener Therapien verwendet. Es beeinflusst allerdings den Austausch flüssiger Stoffe durch die Zellwände (Osmose).
Beeinflussung des Stoffwechsels: Dazu müssen regulatorische Enzyme biochemisch verändert werden (Phosphorylierung), da dies offenbar bei winterschlafenden Tieren eine wichtige Bedingung der Hibernation ist. Der Vorgang muss umkehrbar sein, um die Hibernation zu beenden. Dies erfordert entsprechende Medikamente oder Gentherapien. Dieser Bereich des Stoffwechsels wird intensiv erforscht, da Störungen der normalen Phosphorylierung die Ursache oder auch Folge vieler Krankheiten sind. Gentherapien lieferten bisher einige Erfolge und wesentlich mehr Misserfolge.
Beeinflussung der Zellkernaktivität: Durch Opiate wie HIT und DADLE in winziger Konzentration kann die Zellaktivität herunter- und wieder heraufgeregelt werden. Diese Substanzen könnten dem Körper durch kleine Pumpen zugeführt werden. Nebeneffekte im Bereich des Zentralnervensystems müssen vermieden oder behandelt werden.
Weitere Anwendungen der Hibernation
- Die Lebensdauer von Spenderorganen bis zur Transplantation könnte verlängert werden.
- Schwerverletzte auf der Erde oder im Weltraum könnten längere Zeit bis zur ärztlichen Versorgung überstehen.
- HIT, DADLE oder ähnlichen Substanzen werden voraussichtlich eine wichtige Rolle in der Transplantationsmedizin spielen. Mit ihnen lassen sich die Überlebenszeiten von Spenderorganen außerhalb des Körpers deutlich verlängern.
Links
ESA: Travelling to Mars and hibernating like a brown bear
http://www.esa.int/export/esaCP/SEMQBM0A90E_Expanding_0.html
ESA: Advanced Concepts Team
http://www.esa.int/gsp/ACT/index.html
Wikipedia - Die freie Enzyklopädie: Winterschlaf
http://de.wikipedia.org/wiki/Winterschlaf
Pressemitteilung der Philipps-Universität Marburg
Entdeckt: Winterschlaf auch bei Primaten
http://www.uni-marburg.de/zv/news/presse/2004-06-24.html
http://www.innovations-report.de/html/berichte/ biowissenschaften_chemie/bericht-30593.html
Nova online: Secrets of Hibernation
http://www.pbs.org/wgbh/nova/satoyama/hibernation.html
National Institute on Drug Abuse, USA:
Hibernation-Triggering Opioid Extends Life of Organs for Transplantation
http://www.nida.nih.gov/NIDA_Notes/NNVol11N1/HIbernation.html
Letzte Aktualisierung ( Sunday, 13. July 2008 )
