Bí quyết ngủ đông của gấu đen và tiềm năng ứng dụng với con người

Một số cá thể gấu đen của Mỹ, bị cơ quan chức trách Alaska bắt giữ sau khi lang thang tới quá gần các khu dân cư, đã tạo cơ hội độc nhất vô nhị để các nhà khoa học nghiên cứu về thói quen ngủ đông của loài vật này.

Kết quả nghiên cứu bất ngờ cho thấy rằng gấu đen chỉ giảm nhiệt độ cơ thể một chút ít trong thời gian ngủ đông, trong khi các hoạt động tiêu hóa giảm một cách đáng kể, chỉ bằng 25% so với mức khi sinh hoạt bình thường. Khám phá này là một bất ngờ vì trước đây nhìn chung người ta chỉ mới được thấy các sinh vật giảm được mức hoạt động của các tiến trình sinh hóa khoảng 50% mỗi lần nhiệt độ cơ thể giảm 10 độ C.

Đối với loài gấu đen Alaska, chúng chỉ giảm nhiệt độ cơ thể khoảng 5-6 độ C, trong khi các hoạt động tiêu hóa có thể giảm thiểu ở mức không thể tưởng tượng được. Hơn nữa, hệ tiêu hóa của gấu đen vẫn tiếp tục hoạt động ở mức tối thiểu trong vòng vài tuần khi chúng đã tỉnh giấc sau thời kỳ nghỉ đông.

Øivind Tøien và một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Sinh học Bắc Cực của Đại học Alaska Fairbanks, cùng các đồng nghiệp từ Đại học Stanford, đã báo cáo kết quả nghiên cứu của mình trong cuộc họp hằng năm 2011 của Hội Phát triển Khoa học Mỹ (AAAS) vào ngày 17/2/2011. Báo cáo này cũng được công bố trên tạp chí Science vào ngày 18/2/2011.

Đây là nghiên cứu đầu tiên tiến hành đo đạc liên tục nhiệt độ cơ thể và mức độ hoạt động của hệ tiêu hóa ở gấu đen Mỹ, tên khoa học là Ursus americanus, khi chúng ngủ đông trong các điều kiện tự nhiên. Những con gấu này ngủ đông trong 5-7 tháng mà không ăn, uống, tiểu tiện, bài tiết, trước khi chúng ra khỏi hang trong điều kiện hầu như giống với khi chúng vào hang. Thành công trong nghiên cứu này có khả năng ứng dụng rất rộng, từ cải thiện trong chăm sóc y tế tới hoạt động du hành sâu trong vũ trụ.

Những chú gấu làm đối tượng thí nghiệm sau khi quấy rối các khu dân cư đã bị cơ quan chức năng bắt chuyển tới Viện Sinh học Bắc Cực nơi chúng được đưa vào những cái hang mô phỏng hang gấu. Những hang này nằm trong rừng, tránh sự làm phiền của con người, và được trang bị camera hồng ngoại, những thiết bị phát hiện các chuyển động, cùng các thiết bị điều khiển từ xa. Tøien và các cộng sự cũng cài đặt máy chuyển sóng radio lên từng cá thể gấu để ghi lại nhiệt độ cơ thể của con vật, nhịp đập tim, và cử động của các cơ.

Bằng cách giám sát các chú gấu cả ngày và đêm trong suốt 5 tháng chúng ngủ đông, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy nhiệt độ cơ thể của gấu dao động từ 30 tới 36 độ C theo những chu kỳ chậm, từ 2 tới 7 ngày. Các nhà khoa học chưa từng chứng kiến những chu kỳ dao động thân nhiệt ở mức rộng và kéo dài như vậy ở các loài ngủ đông khác.

Tuy nhiên, ngoại lệ có thân nhiệt một con gấu cái đang có mang trong thời gian ngủ đông đã duy trì ở mức thân nhiệt khi hoạt động bình thường trong suốt thời gian mang thai. Chi tiết này cho thấy dao động thân nhiệt không phải là yếu tố có lợi cho sự phát triển của phôi thai. Sau khi con gấu này sinh con, thân nhiệt của nó hạ dần và chuyển thành mức tương tự với thân nhiệt của những con gấu ngủ đông khác. 

“Mấu chốt rất quan trọng để hiểu về cơ chế tiêu hóa của gấu là thân nhiệt của chúng,” Tøien nói. “Chúng ta trước đây đã biết rằng thân nhiệt giảm trong thời gian nghỉ đông, nhưng ở Alaska chúng tôi thấy rằng thân nhiệt của gấu đen biến thiên lên xuống theo chu kỳ vài ngày, điều chưa từng được biết trước đây ở động vật”.

Khi thân nhiệt của gấu giảm xuống khoảng 30 độ C, cơ thể chúng sẽ tự động run lên trong vòng vài ngày khiến thân nhiệt tăng lên 36 độ C. Sau đó cơ thể của gấu sẽ giảm mức độ run khiến thân nhiệt tự động hạ xuống còn 30 độ C, và chu kỳ tiếp tục lặp lại.

Bằng cách đo lượng oxy mà gấu tiêu thụ trong thời gian nghỉ đông tại các hang gấu giả, các nhà nghiên cứu nhận thấy gấu giảm mức hoạt động tiêu hóa 75% so với mức hoạt động trong mùa hè. Nhịp tim của con vật cũng giảm xuống từ 55 nhịp/phút còn 14 nhịp/phút.

“Loạn nhịp xoang là hiện tượng nhịp tim thay đổi tương ứng theo hơi thở, và ở loài gấu đen chúng ta thấy hiện tượng này xảy ra ở mức độ đặc biệt”, Tøien nói. “Chúng có nhịp tim gần như bình thường khi hít thở vào. Nhưng trong khoảng giữa các hơi thở hít vào, nhịp tim của gấu rất chậm. Có lúc thời gian giữa hai nhịp lên tới 20 giây. Mỗi lần gấu hít thở vào, tim của nó tăng tốc trong một thời gian ngắn lên mức tương đương với khi họat động trong mùa hè. Còn khi gấu thở ra, tim của nó đập chậm lại…”

Vào mùa xuân, khi gấu tỉnh giấc và ra khỏi hang, các nhà nghiên cứu đã nghĩ rằng hệ tiêu hóa của chúng sẽ ngay lập tức trở lại hoạt động ở mức bình thường. Nhưng họ một lần nữa lại bị bất ngờ khi phát hiện ra rằng hệ tiêu hóa của gấu lúc này vẫn chỉ hoạt động ở mức độ bằng một nửa so với mức bình thường trong mùa hè. Tøien và nhóm nghiên cứu tiếp tục giám sát hệ tiêu hóa của gấu đen thêm một tháng sau thời gian nghỉ đông của chúng và đi đến kết luận rằng hệ tiêu hóa của những con gấu chỉ quay lại mức hoạt động bình thường sau 2 tới 3 tuần.

Tập hợp những kết luận trên đây lại với nhau, những kết luận tạo thành một bức tranh độc đáo về chế độ nghỉ đông của một loài động vật có kích cỡ tương đương với con người – và các nhà nghiên cứu kỳ vọng sẽ ứng dụng khám phá này trên diện rộng. Các hình thức ngủ đông – trong đó thân nhiệt và mức hoạt động tiêu hóa giảm xuống – đã được biết đến trên 9 nhóm động vật có vú, vì vậy nhiều khả năng là cơ sở di truyền của khả năng này tồn tại từ nguyên thủy trước khi phân chia các loài này, và vì vậy lợi thế trên đây cũng có thể được tìm thấy và thúc đẩy ở cơ thể người. “Nếu nghiên cứu của chúng tôi có thể chỉ ra cơ chế giúp giảm mức độ tiêu hóa và nhu cầu ôxy trong các mô cơ ở người, chúng ta có thể tận dụng khám phá này để cứu các bệnh nhân” Tøien nói. “Đơn giản là chúng ta chỉ phải học cách tắt mở những bộ phận nào đó để tạo ra các trạng thái ngủ đông của cơ thể phù hợp nhất cho các mục tiêu của con người.”

“Khi gấu đen ra khỏi hang sau mùa xuân, người ta không thấy chúng bị teo cơ hoặc teo xương, hoặc bị suy giảm chức năng hoạt động giống như ở người sau khi không di chuyển và hoạt động trong một thời gian dài”, nhận xét từ Brian Barnes, chuyên gia cao cấp, đồng tác giả của nghiên cứu. “Nếu chúng ta có thể tìm hiểu được cơ chế phân tử và di truyền của khả năng này ở gấu, có khả năng chúng ta sẽ xây dựng được những phương pháp điều trị và phương thuốc mới giúp con người ngăn chặn được chứng loãng xương, teo cơ do bất động, hoặc thậm chí có thể làm bất động người bị tai nạn cho tới khi người này được chuyển tới nơi chăm sóc y tế — cho phép kéo dài thời gian di chuyển bệnh nhân từ một tiếng lên một ngày, hay một tuần”.

Việc ngủ đông cũng rất liên quan tới khả năng du hành sâu trong vũ trụ, các nhà nghiên cứu nhận định. Nếu loài người vào lúc nào đó cần rời bỏ Trái đất, có lẽ họ sẽ cần được thu xếp trong một trạng thái ngủ đông giống như gấu nhằm có thể đi được xa được trong vũ trụ.

Tất nhiên, những tiềm năng này đòi hỏi thêm các nghiên cứu khác. Bài báo cáo của Tøien và các cộng sự đã giúp họ nhận được tài trợ từ quỹ U.S. Army Medical Research and Materiel Command, một số tài trợ từ Tổ chức National Science Foundation, một tài trợ từ Viện National Institutes of Health, và những nguồn quà tặng từ trường Stanford University, hội American Heart Association, và Chương trình Fulbright.