Za hranicí spánku (2) – Čím se měří hloubka vypnutí

Minule jsme nakreslili osu od bdělosti ke smrti. Bez měřítek by zbytek seriálu sklouzl ke sbírce příběhů, ve které medvěd a sysel leží ve stejné přihrádce. Tady jsou veličiny, podle kterých se hloubka vypnutí pozná. V dalších dílech se k nim budeme vracet.

Metabolický výkon

Základní otázka zní, kolik energie tělo za daný čas spálí. Sleduje se spotřeba kyslíku, produkce tepla a obrat energie v buňkách. Bazální metabolizmus (BMR) je klidová spotřeba teplokrevného živočicha, který netráví potravu, nepracuje a drží stálou teplotu. Útlum se proto často udává jako podíl téhle klidové hodnoty.

U malých živočichů, kteří si teplotu nenechávají pořád stejnou, spadne denní torpor řádově na desítky procent bazálního metabolizmu. Pravá hibernace u typického malého hibernátora kolem 30 gramů se v přehledu Rufa a Geisera z roku 2015 drží kolem 6 % bazálu. Černý medvěd v doupěti podle Tøiena a kolegů (2011) stlačí metabolizmus asi na 25 % bazálu. Medvěd je proti syslovi méně vypnutý. Ze zásob mu přesto zmizí většina.

Pokles spotřeby nemusí být jen důsledek chladu. U medvěda většina brzdy drží i při poměrně vysoké tělesné teplotě. Organizmus umí metabolizmus škrtit sám. Vychladnout a zpomalit na to nestačí.

Tělesná teplota

Tělesná teplota, v článcích často značená Tb, je viditelná nálepka hloubky. Sama o sobě hloubku neurčí. U člověka ve spánku klesne typicky o zlomek stupně až zhruba o 1 stupeň Celsia. Denní torpor jde o řád níž, často někam mezi 10 a 20 stupňů podle druhu. U pravé hibernace syslů a netopýrů bývá teplota jádra blízko teploty nory, často jen jednotky stupňů nad nulou.

Arktický sysel (Urocitellus parryii) zajde dál. Barnes v roce 1989 v časopise Science naměřil jádro až kolem -2,9 stupně Celsia, aniž by mu zmrzla krev.

Medvěd při 30 až 36 stupních už šetří obrovsky. Sysel při teplotě kolem -2 stupňů šetří jinak. Když oba stavy nazvete zimním spánkem a teplotu vynecháte, srovnání se rozpadne.

Q10 a fyzika chladu

Chemické reakce s teplotou obvykle mění tempo. Koeficient Q10 udává, kolikrát se rychlost změní při posunu o 10 stupňů Celsia. U biologických procesů bývá řádově 2 až 3. Část útlumu tedy hibernátor získá z chladu samotného. Zbytek musí řídit, protože jinak by při nízké teplotě selhalo srdce a buněčné membrány. U každého stavu se proto ptáme, kolik útlumu je pasivní důsledek Q10 a kolik je aktivní regulace.

Cena návratu

Hloubku poznáte i podle toho, jak rychle se živočich vrátí k plné funkci. Ze spánku trvá návrat sekundy, z mělkého torporu minuty a z hlubokého hibernačního úseku desítky minut až hodiny. Na jediný restart padne velký výdej energie.

U malých hibernátorů se probuzení mezi úseky opakuje a zároveň hodně stojí. Budí se zhruba jednou za 1 až 3 týdny. Arktický sysel se často budí po 10 až 21 dnech. Úsporu to narušuje. Přesto se budí skoro všichni. Něco v hlubokém chladu nejde držet donekonečna. Hypotézy mluví o spánku mozku, o imunitě a o obnově buněčných produktů. Shodují se v tom, že se zvíře budí.

Cena probuzení patří do účtu stejně jako samotný úsek útlumu. Levný úsek s drahým buzením může vyjít hůř než mělký torpor, ze kterého je návrat rychlý.

Mozek a chování

U spánku máme elektrický záznam mozku (EEG) a znaky v chování. Zvíře ztuhne, hůř reaguje na slabý podnět a po silném se vrátí rychle. V hluboké hibernaci mozková kůra skoro zmlkne. Medvěd zůstává připravenější. U kryptobiózy už elektrický záznam mozku nic neřekne. Sleduje se chemická stabilita a to, jestli se organizmus po návratu vody znovu rozběhne.

Siegel upozorňuje na zvláštnost spánku u člověka. V hlubším spánku bez rychlých pohybů očí (NREM) klesne spotřeba mozku řádově o 30 % proti klidné bdělosti. Mozek přitom bere asi 20 % klidové energie těla a váží asi 2 % hmotnosti. Šetří se tím drahá tkáň, zatímco senzorický filtr pořád pracuje. Sysel na týdny vypne skoro všechno, takže jde o jiný návrh než o hlubší verzi téže noci.

Jak se veličiny skládají

Než stav zařadíme, chceme podíl bazálního metabolizmu a spotřebu kyslíku. K tomu patří tělesná teplota vůči okolí, délka úseku a frekvence buzení. Bez ceny návratu a bez odpovědi, jestli je stav vratný bez poškození tkání, srovnání pořád kulhá.

Spánek šetří středně, teplotu drží vysoko a návrat trvá sekundy. Hibernace sysla ušetří obří podíl energie. Teplotu srazí k nule nebo pod ni, úseky táhne na dny až týdny a návrat je drahý. Medvěd šetří výrazně a teplotu nechává vysoko. V doupěti vydrží celou sezónu a probouzí se snáz než sysel. Kryptobióza stáhne spotřebu skoro k nule. Teplota tu skoro ztrácí smysl, protože bez vody neběží běžná chemie. Restart přijde s návratem podmínek, pokud vydrží DNA a membrány. Smrt účet vynuluje úplně. Návrat z ní fyziologie neumí.