為了度過寒冬，不少哺乳動物演化出了冬眠策略，將代謝水平降至最低，甚至能達到正常水平的1%。但即使是在這段近乎靜歇的時期，它們也需要蛋白質來維持基本的肌肉活動。在停止進食的情況下，它們是如何獲取這些營養物質的？
在一項發表於《科學》的最新研究中，來自威斯康辛大學麥迪遜分校的研究團隊從一種松鼠身上找到了答案：十三條紋地松鼠（Ictidomys tridecemlineatus）的腸道微生物能夠從代謝廢物尿素中，重新獲取宿主可用的氮元素。
“任何動物一旦長期不運動，骨骼和肌肉都會開始萎縮、質量減輕並喪失功能，”該校榮譽教授，這篇論文的共同通訊作者Hannah Carey說，“沒有任何外源的蛋白質攝入，冬眠動物需要從其他途徑獲取肌肉活動所需的營養。”
經過新陳代謝，作為構建氨基酸的關鍵元素，氮在動物體內以尿素的形式積累，最終作為尿液的主要成分排出體外。此前的研究已經發現，進入松鼠消化道的尿素會被腸道微生物降解，後者同樣需要氮元素來合成蛋白質。但研究者希望了解的是，這些腸道微生物降解產生的氮元素中，是否有一部分會被松鼠重新利用？
為此，研究團隊利用同位素示蹤標記了尿素中的氮元素，隨後分別在3個時間段將這些尿素注射至不同松鼠的血液中，分別是：夏季代謝活躍時、冬眠剛開始時，以及冬眠接近結束的時候。作為對照，研究人員還對其中一些松鼠使用抗生素，以大幅降低其腸道微生物的數量。
正如研究團隊的預期，一些腸道微生物在降解尿素之後，將經過同位素標記的氮釋放至松鼠體內。而在對照組中，腸道微生物含量很低的松鼠，肝臟和肌肉中的同位素標記也要少很多。
“我們追蹤發現，這些氮主要進入松鼠的肝臟，在這裡用於製造蛋白質，另一部分則（以氨、谷氨酰胺等形式）進入肌肉，”論文共同通訊作者Fariba Assadi-Porter教授表示，“我們看到了同位素標記的氮元素從宿主進入微生物，隨後又由微生物轉化為宿主可用的分子、回到宿主中的過程，也就是說，氮在冬眠動物體內實現了‘循環’。”
研究者對松鼠腸道微生物進行基因組測序后還發現，隨着冬眠進程的推進，與產生脲酶（催化尿素降解的酶）相關的基因的表達上調，在冬眠尾聲時最活躍。
“只有表達生成脲酶的微生物能分解尿素分子，並釋放氮元素，” Carey教授說，“只要有合適的微生物存在，它們與宿主就達成了某種‘交易’——雙方都能獲得一些氮元素，直到冬眠結束。”
此前的研究已經揭示，人類也能從尿素中重新獲得可用的氮元素，只是含量比松鼠要少很多。了解冬眠狀態下動物生存的方式，對於人類同樣意義重大：這些機制不僅有望為肌肉萎縮患者提供治療思路，還將為未來奔赴遙遠星球的深空旅行奠定理論基礎。未來，為了減輕重量、減少所需的燃料，深空旅行或許需要讓宇航員處於近似冬眠的狀態——只攝取少量食物、水和氧氣，產生的代謝廢物也隨之減少。
“暴露在微重力環境中，肌肉的減少不可避免，但這個過程從理論上將降低太空中肌肉損失的速度，”論文共同作者Matthew Regan教授說，“除了這個與腸道微生物相關的過程，冬眠還有助於減輕深空旅行中的其他威脅，例如電離輻射。因此，如果人類能以類似的狀態進入旅途，將為深空探索解決大量挑戰。”
參考資料：
[1] Matthew D。 Regan et al。， Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season。 Science （2022）。 https：//www.science.org/doi/10.1126/science.abh2950
[2] Microbes help hibernating animals recycle nutrients， maintain muscle through winter。 Retrieved Jan。 27， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/941035