Neues Modell erklärt Winterschlaf nach mathematischen Regeln

(18.07.2022) Säugetiere halten Winterschlaf, um widrigen Umweltbedingungen zeitweise zu entkommen. Um auf diesem Erklärungsansatz basierende Untersuchungsergebnisse besser vergleichbar zu machen, wurde nun unter Leitung des Forschungsinstituts für Wildtierkunde und Ökologie der Vetmeduni ein Modell entwickelt, welches die gängige Winterschlaf-Hypothese erstmals nach mathematischen Regeln darstellt.

Säugetiere, die Winterschlaf (Torpor) halten, senken ihre Stoffwechselrate (metabolic rate; MR) und Körpertemperatur (body temperature; Tb) teils für mehrere Wochen drastisch, erwärmen ihren Körper jedoch regelmäßig und bleiben dabei für kurze Zeit in einer Phase der Normaltemperatur.

Die gängige wissenschaftliche Erklärung dieses Phänomens lautet, dass durch das kurzfristige Verlassen des Winterschlafs angehäufte oder sich erschöpfende Stoffwechselprodukte wieder ins Gleichgewicht gebracht oder entstandene Zellschäden repariert werden.

Vetmeduni

Jüngste Daten, die einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Dauer von Winterschlafphasen und der Stoffwechselrate während des Winterschlafs nachweisen, unterstützen diese Hypothese nachdrücklich.

Mathematisches Modell für Winterschlaf

In einer nun veröffentlichten Studie präsentiert ein Forschungsteam der Vetmeduni unter Beteiligung der University of New England (Armidale, New South Wales, Australien) ein neues mathematisches Modell, das solche Winterschlafmuster simuliert.

Das Modell umfasst einen sogenannten Sanduhr-Prozess H (hibernation; Überwinterung), der die Akkumulation bzw. die Erschöpfung eines entscheidenden Enzyms/Metaboliten darstellt, und einen Schwellenprozess Hthr (hibernation threshold process).

Das Erwachen aus dem Winterschlaf erfolgt demnach, sobald der exponentiell abnehmende Prozess H den Schwellenwert von Hthr erreicht.

Den Nutzen des neuen Modells erklärt Studien-Erstautor Thomas Ruf vom Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie der Vetmeduni folgendermaßen: „Mit dem von uns entwickelten Modell lassen sich mehrere bei überwinternden Säugetieren zu beobachtende Phänomene vorhersagen, etwa die lineare Beziehung zwischen der Dauer der herabgesetzten Stoffwechselrate (TMR) und der Dauer der reduzierten Temperatur (duration of torpor bouts; TBD).

Zudem ist das neue Modell in der Lage, die Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf die Dauer der reduzierten Temperatur sowie die Modulation der Erstarrungstiefe innerhalb der Winterschlafzeit abbilden.“

Genetische Grundlagen als nächstes Forschungsziel

Zusammenfassend ist damit laut den Wissenschaftern das Zwei-Prozess-Modell der Torpor-Erwärmungszyklen – in das auch zirkadiane Rhythmen (Schlaf-Wach-Rhythmus) integriert werden können – mit einer Reihe von Phänomenen kompatibel, die bei überwinternden Säugetieren beobachtet wurden.

Die bedeutendste nächste Aufgabe sehen die Forscher nun darin, die Ursachen des Sanduhr-Prozesses H zu identifizieren. Neben der Analyse von phänotypischen Unterschieden identifiziert Ruf hier vor allem die Suche nach den genetischen Grundlagen als wichtiges neues Forschungsziel.

Publikation

Der Artikel „Hypothesis and Theory: A Two-Process Model of Torpor-Arousal Regulation in Hibernators“ von Thomas Ruf, Sylvain Giroud und Fritz Geiser wurde in „Frontiers in Physiology“ veröffentlicht.


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