A MENTE FREDDA Matteo Cerri - L'ibernazione: dal mondo animale all'esplorazione spaziale - Zanichelli
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Matteo Cerri
A MENTE
FREDDA
L’ibernazione: dal mondo animale
all’esplorazione spaziale
a cura
di Stefano Dalla Casa e Pietro BassiCopyright © 2018 Zanichelli editore S.p.A., Bologna [42090]
www.zanichelli.it indice
I diritti di elaborazione in qualsiasi forma o opera, di memorizzazione anche digitale su supporti
di qualsiasi tipo (inclusi magnetici e ottici), di riproduzione e di adattamento totale o parziale
con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), i diritti di noleggio, di prestito
e di traduzione sono riservati per tutti i paesi. L’acquisto della presente copia dell’opera non implica
il trasferimento dei suddetti diritti né li esaurisce.
Realizzazione editoriale:
– Collana ideata da: Federico Tibone e Lisa Vozza
– Coordinamento editoriale: Elena Bacchilega, Pietro Bassi, Introduzione 5
Stefano Dalla Casa
– Redazione: Lucia Sanna Bissani 1. Ibernazione: dal pop all’etologia 9
– Collaborazione redazionale: Veronica Vannini La fantascienza ci ha mostrato tante volte come immaginare
– Progetto grafico: Falcinelli & Co. l’ibernazione, ma di che cosa si tratta in realtà?
– Impaginazione: Francesca Ponti
– Disegni e grafici: Roberto Marchetti 2. Come si scaldano gli animali? 19
– Ricerca iconografica: Stefano Dalla Casa La conquista della termoregolazione e la temperatura
costante dei mammiferi, la chiave di volta dell’evoluzione.
Copertina:
– Progetto grafico: Falcinelli & Co.
3. Come attivare il «risparmio energetico» 49
I mammiferi ibernanti rallentano il metabolismo fin quasi
– Artwork: Falcinelli & Co.
a spegnerlo completamente, ma qual è l’interruttore?
– Immagine di copertina: Mike Kemp/Getty Images
4. Funzionare al freddo 75
Prima edizione: ottobre 2018 Durante l’ibernazione il corpo intero si modifica.
Dalle cellule agli organi, dai microorganismi simbionti
Ristampa: agli apparati.
5 4 3 2 1 2018 2019 2020 2021 2022
5. Il cervello ibernato 99
Grazie a chi ci segnala gli errori
Il cervello è al comando dell’ibernazione, ma allo stesso tempo
Segnalate gli errori e le proposte di correzione su www.zanichelli.it/correzioni. deve adattarsi al nuovo stato per sopravvivere senza danni.
Controlleremo e inseriremo le eventuali correzioni nelle ristampe del libro.
Nello stesso sito troverete anche l’errata corrige, con l’elenco degli errori e delle correzioni. 6. Svegliarsi per dormire 119
Durante il letargo un animale ibernante si sveglia
periodicamente. Non lo fa per mangiare, ma per dormire.
7. Verso l’ibernazione umana 129
Come è cambiata la ricerca sull’ibernazione
negli ultimi quindici anni.
Stampa: Grafica Ragno
Via Lombardia 25 , 40064 Tolara di Sotto - Ozzano Emilia (Bologna) 8. Le applicazioni dell’ibernazione 153
per conto di Zanichelli editore S.p.A. Se riuscissimo a ibernare un essere umano, a che cosa
Via Irnerio 34, 40126 Bologna ci servirebbe? Le applicazioni dalla medicina ai viaggi spaziali.capitolo settimo
Verso l’ibernazione umana
Durante l’ibernazione, l’organismo sembra morire
e risorgere ciclicamente. Questo fenomeno ha sem-
pre incuriosito gli scienziati, ma per molto tempo
non è stato studiato. Era sì un fenomeno affasci-
nante ma in fondo, diciamocelo, perché studiarlo?
Gli animali ibernanti erano di scarsa importanza
per l’uomo e, soprattutto, a che cosa serviva cercare
di comprenderne i meccanismi?
Quest’ultima domanda è una «maledizione» per
l’intero ambito delle scienze della vita. A differen-
za delle scienze fisiche, infatti, l’insieme dei feno-
meni biologici è molto ampio e ricchissimo di casi
particolari o unici, come la appunto stessa iberna-
zione. Questa sterminata ricchezza genera a monte
una difficile domanda che orienta il cammino della
ricerca: quali fenomeni vale la pena studiare?
La scienza è un’attività costosa, il più delle vol-
te finanziata pubblicamente con le tasse, e giu-130 a mente fredda verso l’ibernazione umana 131 stamente si pensa che non debba servire «solo» a nologie. Una di queste è l’Agenzia spaziale euro- soddisfare le curiosità dei ricercatori: in qualche pea (esa). Come fanno queste organizzazioni a re- modo dovrebbe portare vantaggi all’intera co- stare aggiornate sugli ultimi sviluppi delle scienze munità. Dopo tutto è proprio grazie alla scienza e a capire quali sono i settori sui quali lavorare per e alla tecnologia che la civiltà ha avuto modo di risolvere non tanto i problemi di domani, quanto svilupparsi. Per questi motivi una ricerca dovrebbe quelli di dopodomani? avere almeno la parvenza di una possibile applica- La risposta è che questi enti organizzano perio- zione umana per essere sostenibile. Ma nel caso dicamente una serie di conferenze, incontri o se- dell’ibernazione, questo vincolo è stato per molto minari, nei quali valutano lo stato dell’arte di un tempo eccessivamente restrittivo. Come pensare di particolare campo del sapere. La domanda princi- ricavare qualcosa dallo studio dell’ibernazione? A pale a cui cercano di rispondere è: che cosa dovre- chi importa di quegli animali sonnolenti? mo sapere fra 10-15 anni per sviluppare le tecno- Oggi, finalmente, abbiamo la risposta: l’iberna- logie che serviranno fra 20-30 anni? zione deve essere studiata per sviluppare una pro- Nel 2004 l’esa studiò il dossier ibernazione e cedura in grado di far entrare in torpore/ibernazio- decise che non era ancora il momento di lavorar- ne anche gli esseri umani. ci; le conoscenze scientifiche disponibili non erano Per molto tempo l’ibernazione umana è stata ri- sufficientemente avanzate non solo per sviluppare tenuta un obiettivo troppo ambizioso, al di là della l’ibernazione umana, ma nemmeno per pianifica- portata di un progetto di ricerca. Fortunatamente re un progetto di ricerca con solide basi per po- la scienza progredisce, e quello che prima sem- terci arrivare. In altre parole si navigava nel buio. brava al di là dei limiti, a un certo punto sembra Le cose cambiarono nei successivi dieci anni tanto diventare raggiungibile. Per esempio, è solo ne- che, nella successiva serie di incontri sull’iberna- gli ultimi anni che abbiamo imparato a «editare» zione che si sono svolti nel 2014, l’esa decise che il dna, mentre le prime manipolazioni genetiche questa volta c’erano abbastanza elementi per poter hanno pochi decenni. intervenire. Nel caso dell’ibernazione è utile ricordare com’è Come ipotizzare quindi un programma di ri- cambiata la ricerca negli ultimi quindici anni. Le cerca in grado di portare all’ibernazione dell’essere grandi imprese scientifiche richiedono tempi lun- umano? Partiamo dal mattone fondamentale della ghi e multiple generazioni di scienziati. Per far sì vita: la cellula. che l’obiettivo di un certo ambito di ricerca non si perda col trascorrere del tempo, la società ha creato delle organizzazioni per lo sviluppo di nuove tec-
132 a mente fredda verso l’ibernazione umana 133
Cellule fredde porci quindi è: che cosa succede alle cellule di un
animale in ibernazione?
La cellula è l’elemento alla base della vita. In una Molti parametri dell’ambiente interno cam-
visione un po’ «cellulo-centrica» si potrebbe dire biano, prima di tutto la temperatura. Come rea-
che l’organismo altro non è che una macchina per giscono le cellule a questi cambiamenti? Perché
provvedere al benessere delle cellule che lo com- non muoiono? Per rispondere a questa domanda
pongono. Quando i primi organismi unicellulari R.H. (Rob) Henning, dell’Università di Gronin-
comparvero sulla Terra, le risorse necessarie alla gen, decise di condurre un esperimento che nel
sopravvivenza si trovavano nell’ambiente circo- tempo è diventato un «classico». Si sapeva che le
stante, a diretto contatto con loro. cellule umane in coltura (ossia coltivate in provetta
Con la comparsa degli organismi pluricellulari in laboratorio) sono molto sensibili ai cambiamen-
la vita ha dovuto affrontare il primo di una lunga ti di temperatura: se raffreddate e poi riscaldate
serie di problemi: alcune cellule, quelle più interne, muoiono. Questo non succede nelle cellule di un
non erano più a contatto con l’ambiente esterno e animale ibernante. È possibile che queste ultime
c’era bisogno di un sistema di trasporto in grado di producano qualche composto protettivo che le di-
portare loro le risorse necessarie. E più gli organi- fende dallo stress dell’oscillazione termica? Ma se
smi diventavano complessi, più questo problema così fosse, come cercarlo? Per fortuna è possibile
si faceva sentire. È questa l’origine degli apparati: sperimentare le ipotesi su cellule coltivate in labo-
cellule che si specializzano per trasformare il flusso ratorio, in particolari condizioni di incubazione.
di risorse energetiche in entrata in modo che siano È una tecnica piuttosto comune nei laboratori di
utilizzabili dalle cellule interne. Si può dire che lo tutto il mondo, ma il «pollice verde» che serve per
scopo degli apparati, come anche dei sistemi del crescere le cellule in coltura non è comunque da
corpo umano, sia quello di mantenere adatta alla tutti e richiede una particolare sensibilità.
vita la qualità dell’ambiente che circonda le cellule L’idea di Henning fu piuttosto semplice. Met-
dell’organismo. tere in coltura delle cellule umane e delle cellule
Una cellula non sa di essere all’interno di un or- di ibernante, più precisamente di criceto siriano,
ganismo multicellulare complesso, ma cerca le ri- raffreddarle e riscaldarle. Si vedrà che le cellule
sorse nell’ambiente che la circonda, che nel nostro umane muoiono e quelle di un ibernante no. Se le
caso specifico è proprio l’organismo. Come abbia- cellule di criceto hanno prodotto qualcosa che le
mo già visto, il processo con cui l’organismo adatta protegge, questa sostanza dovrà trovarsi anche nel
il suo ambiente interno ai bisogni delle sue cellu- liquido di coltura. Trasferendo quel liquido a una
le si chiama omeostasi. La domanda che possiamo nuova coltura di cellule umane, vedremo se questa134 a mente fredda verso l’ibernazione umana 135
ipotetica sostanza riesce a proteggere anche le cel- po non è così semplice. Queste molecole, infatti,
lule umane. proteggono le cellule, ma non possono indurre l’i-
E così è stato. Le cellule umane diventavano bernazione. Inoltre bisogna considerare alcuni im-
capaci di sopravvivere al raffreddamento in modo portanti aspetti tecnici, che ci invitano a procedere
simile a quelle di criceto. Che risultato fantastico! con cautela.
Bisognava a questo punto mettersi in caccia per Le cellule coltivate in vitro, in questo caso spe-
cercare di scoprire che tipo di sostanza o sostanze cifico fibroblasti (ossia le cellule del tessuto con-
fossero entrate in gioco. La risposta, però, non era nettivo), non sono uguali alle cellule che vivono
affatto scontata. Sono infatti due molecole molto nel nostro corpo. Le loro caratteristiche sono mol-
note a mediare l’effetto protettivo, ma nessuno si to diverse, tanto che la composizione chimica del
aspettava di trovarle qui8. Si tratta di due neurotra- liquido di coltura che le nutre sarebbe tossica per il
smettitori: la dopamina e la serotonina. Che cosa nostro organismo. Il metabolismo stesso di queste
ci fanno due neurotrasmettitori in una coltura di cellule si modifica radicalmente, e questo è molto
cellule che non sono neuroni? rilevante per la nostra ricerca. Non sappiamo an-
C’è ancora molto da scoprire. Sappiamo però cora, infatti, se le cellule degli animali in iberna-
che la serotonina si trova anche in cellule che non zione abbiano un’«impronta digitale» molecolare
appartengono al sistema nervoso centrale, per che le possa distinguere da cellule che siano sem-
esempio le piastrine. È possibile che durante il raf- plicemente state raffreddate. Questa è una delle
freddamento le cellule di criceto si mettano a pro- domande più importanti a cui si sta cercando di
durla. L’azione di queste molecole però non è la rispondere.
stessa che esercitano nelle sinapsi del cervello, ma Al momento sembrerebbe che le cellule di mol-
è quella di stimolare le cellule ad attivare la produ- ti tessuti diversi modifichino il loro metabolismo
zione di sostanze che hanno un importante effetto semplicemente in funzione della temperatura, ma
difensivo. Queste sostanze derivano dall’acido sol- è possibile che qualche tipo cellulare importante e
fidrico: un attore importante della nostra storia di specifico subisca modificazioni particolari che non
cui parleremo più avanti. abbiamo ancora osservato.
Per ibernare un essere umano basterebbe quindi Per chiarire la questione bisognerebbe confron-
somministrargli dopamina e serotonina? Purtrop- tare le molecole prodotte da tutti i tipi di cellule
dell’organismo in ibernazione con le molecole che
gli stessi tipi di cellule producono in ipotermia. E
Talaei, F. et al. (2011). “Serotonin and Dopamine Protect from
8
Hypothermia/Rewarming Damage through the cbs/H2S Pathway”. questo studio andrebbe fatto sia con cellule di un
PLoS One, 6(7), e22568. animale ibernante sia con cellule di un animale non136 a mente fredda verso l’ibernazione umana 137
ibernante. Queste cellule, per essere il più possibile ganulo cellulare chiamato mitocondrio, spesso
vicine a quanto succede nell’organismo, dovrebbe- definito (fin quasi alla nausea) per chi ha studiato
ro essere coltivate come colture primarie, ossia non biologia, «la centrale energetica della cellula». Non
da linee cellulari che si riproducono da decenni in ci può essere riduzione del metabolismo senza che
laboratorio grazie a speciali mutazioni, ma come i mitocondri lavorino di meno. Ecco quindi che le
cellule estratte direttamente dagli organi e tessuti prime ipotesi che cercavano di spiegare il fenoti-
che si vogliono studiare. Tali cellule, però, in col- po degli ibernanti si basavano sull’esistenza di una
tura vivono poco. Un esperimento come questo molecola circolante che potesse inibire e quindi
sarebbe davvero molto difficile, e quindi costoso. ridurre l’attività dei mitocondri. Quello che si cer-
Ma che cosa possiamo dire degli studi in coltura cava era l’ormone dell’ibernazione, o per lo meno
condotti finora? qualche molecola che potesse agire come se esi-
Le cellule in coltura che si comprano, come ab- stesse un ormone dell’ibernazione.
biamo accennato, sono molto diverse da quelle na- Il 2005 fu l’anno in cui la ricerca sull’ibernazio-
turali. Questo significa che non possiamo fidarci dei ne, o per meglio dire la ricerca su metodi per si-
dati degli esperimenti condotti su tali modelli? Di- mularla in mammiferi non ibernanti, ricevette un
pende. Le funzioni alla base della vita della cellula, grande impulso. Il biochimico Mark Roth, insie-
come la replicazione del dna o la sua riparazione da me al suo gruppo di ricerca, pubblicò un artico-
eventuali danni, sono probabilmente così essenziali lo diventato molto famoso, dove si mostrava che
per la vita che non possono essere modificate. Ma l’acido solfidrico (H2S) in bassissime quantità (80
se cerchiamo di studiare funzioni cellulari più com- parti per milione, o ppm) poteva indurre uno stato
plesse bisogna usare i risultati di questi esperimenti di animazione sospesa nei topi.
come un «suggerimento», e poi ricorrere a modelli L’articolo, pubblicato su Science9, ebbe l’effetto
di studio più aderenti alla realtà per procedere. di un sasso lanciato in uno stagno. Da un lato la
comunità di ricercatori che aveva studiato l’iberna-
zione dal punto di vista etologico o fenomenolo-
A caccia dell’ormone dell’ibernazione gico si trovò quasi scavalcata, dall’altro si mostrava
che forse era possibile simulare l’ibernazione, con il
Come abbiamo già visto, l’evento chiave dell’i- risultato di attrarre nell’arena molti altri ricercatori.
bernazione è l’inibizione del metabolismo, ossia
la riduzione del consumo di ossigeno. L’ossigeno, 9
Blackstone, E., Morrison, M., & Roth, M.B. (2005). “H2S In-
senza il quale noi mammiferi non potremmo avere duces a Suspended Animation Like State in Mice”. Science, 308(5721),
un metabolismo così alto, è utilizzato da quell’or- 518-519.138 a mente fredda verso l’ibernazione umana 139
Gli ibernologi puristi, ossia quelli che storica- ce Center di Houston, si occupavano di studiare il
mente rappresentavano il settore degli esperti di modo in cui i ritmi circadiani influenzano l’attività
ibernazione, ebbero subito dei sospetti, che poi si dell’organismo. Nel 2006 pubblicarono i risultati
rivelarono fondati. I dati di Roth mostravano qual- dei loro studi sulla rivista Nature11, che conteneva
cosa di diverso dal torpore che avviene in natura, e fra i tanti dati un grafico molto importante per chi
queste differenze andavano valutate attentamente. lavora nel campo dell’ibernazione.
Ma anche così lo studio sembrava in accordo con Questo grafico era la curva della temperatura
le previsioni teoriche: H2S è infatti un inibitore re- corporea di un topo: dopo la somministrazione di
versibile di uno degli enzimi chiave usati dai mi- particolare sostanze la curva passava da 37 °C a cir-
tocondri per produrre energia. Bloccarlo avrebbe ca 20 °C. Era un effetto simile a quello ottenuto da
dovuto portare proprio alle conseguenze che Roth Roth con H2S, ma questa volta la molecola era il
aveva previsto. Le prime cautele quindi furono tra- 5'-amp. Che cos’è questa sostanza?
volte dalle straordinarie possibilità applicative che Nel terzo capitolo abbiamo visto che quando la
la scoperta di Roth aveva generato. L’H2S è inoltre cellula consuma atp per produrre energia si pro-
un gas, e quindi è estremamente semplice sommi- ducono prima adp e poi amp. La presenza di amp
nistrarlo e usarlo al di fuori dei contesti ospedalieri. indica quindi che, in termini energetici, stiamo ra-
L’esperimento fece così tanto notizia che nel schiando il fondo del barile. È a tutti gli effetti un
2007 fu addirittura messo in scena in un episodio segnale d’emergenza, che dice alle cellule di ridurre
della serie csi: ny10. Contemporaneamente, per vie tutti i consumi perché non c’è più energia.
diverse, altri ricercatori erano giunti a osservazioni Il risultato della sua somministrazione era quin-
simili a quelle di Roth, usando però altre sostan- di l’induzione di uno stato di animazione sospesa.
ze. Mentre Mark Roth aveva lavorato per cercare Il meccanismo con cui il 5'-amp funziona non è
proprio quello che aveva trovato, testando molte ancora noto, e oggi si ritiene che possa agire tra-
sostanze e finendo per trovarne una apparentemen- sformandosi in adenosina. Ancora una volta però
te efficace, altri ricercatori arrivarono a conclusioni c’era qualcosa che non sembrava corretto agli occhi
simili partendo da altre strade. della comunità degli ibernologi. La fisiologia che si
Jianfa Zhang, Krista Kaasik, Michael R. osservava era diversa da quella del torpore natura-
Blackburn e Cheng Chi Lee dell’UT Health Scien- le. Questo potrebbe però anche essere irrilevante.
11
Zhang, J., Kaasik, K., Blackburn, M.R., & Lee, C.C. (2006).
Il titolo dell’episodio, il ventesimo della terza stagione, è «Inci-
10
“Constant darkness is a circadian metabolic signal in mammals”. Natu-
dente di percorso» re, 439(7074), 340-343.140 a mente fredda verso l’ibernazione umana 141
Gli aerei non volano imitando il volo degli uccelli: I motivi di un fallimento
l’importante è che volino.
Un terzo articolo, anch’esso pubblicato su una Sia l’H2S sia il 5'-amp furono testati su altri ani-
rivista molto importante, Nature Medicine12, mo- mali. Per primi i ratti, poi maiali e pecore. Per qua-
strava nello stesso periodo un risultato simile iniet- le motivo, ci si potrebbe chiedere, era necessario
tando 3-iodotironamina. Si ritiene che questa mo- testarli su altri animali visto che queste molecole si
lecola vada a interferire con l’attività di un ormone erano rivelate efficaci già sui topi?
molto simile che è fondamentale per il metaboli- L’induzione di uno stato di torpore sintetico è
smo: l’ormone tiroideo prodotto dalla tiroide. Le una procedura altamente sperimentale, e per prima
disfunzioni della ghiandola tiroide sono abbastan- cosa bisogna essere sicuri che non sia dannosa. Per
za comuni, e non è difficile che qualcuno fra i no- questo motivo è meglio usare più specie. In questo
stri parenti o conoscenti soffra di ipotiroidismo. caso in particolare, la dimensione e il metabolismo
Queste persone non hanno abbastanza ormone degli animali su cui questi farmaci sono stati testati
tiroideo e, prima della terapia, presentano tutti i è un fattore molto importante. L’uomo è un ani-
sintomi di un ipometabolismo, come insofferen- male di grandi dimensioni, e come abbiamo visto
za al freddo, sonnolenza e stanchezza. L’ormone la diminuzione del metabolismo, così come il raf-
tiroideo agisce infatti come un «pungolo» che sti- freddamento, avvengono in funzione delle dimen-
mola le cellule a lavorare. Senza di esso, la «pigrizia sioni. Era necessario capire se gli effetti visti nei
molecolare» prende il sopravvento. topi erano conservati anche in animali grandi. Le
Topi trattati con la 3-iodotironamina andavano cose non andarono molto bene.
effettivamente in animazione sospesa, anche se in Già nei ratti gli effetti apparvero molto modesti.
una maniera meno spettacolare rispetto ai due casi I ratti sono animali molto diversi dai topi, con cui
precedenti. C’era molta attesa riguardo gli svilup- tendiamo a confonderli. Un topo è un animaletto
pi di queste ricerche, e tutti i gruppi di ricercatori che pesa circa 20 grammi, mentre un ratto ne pesa
si misero al lavoro per traslare la loro scoperta ad 300. I ratti hanno anche una struttura sociale mol-
altre specie animali, per poi arrivare all’uomo. Ma to più complessa e organizzata rispetto ai topi.
non tutto andò come si sperava. Così come gli effetti non si ripeterono nei ratti,
lo stesso avvenne anche nei maiali e nelle pecore. I
motivi di questo fallimento non furono immedia-
tamente chiari. Bisognò tornare ad alcune delle os-
Scanlan TS et al (2004). “3-Iodothyronamine is an endogenous
12
and rapid-acting derivative of thyroid hormone”. Nature Medicine, servazioni che gli ibernologi classici avevano fatto
10(6), 638-642. grazie ai dati ottenuti da Roth e Zhang. Nei cor-142 a mente fredda verso l’ibernazione umana 143 ridoi dei congressi, infatti, dove i colleghi si scam- Fra le differenze che gli ibernologi avevano rilevato biano le opinioni più personali, si faceva notare che fra il torpore sintetico indotto da 5'-amp e quello un fatto sembrava essere stato dimenticato: i topi naturale, c’era un’osservazione che aveva a che fare sono animali in grado di andare in torpore. con il cuore. Può sembrare irrilevante, ma in realtà questa La frequenza cardiaca diminuisce moltissimo era l’osservazione che sarebbe stato più utile fare. durante il torpore, ma tale diminuzione sembra Prendiamo per esempio l’H2S, che è un inibitore andare in parallelo al calo di temperatura. Dopo dell’attività dei mitocondri e come tale va consi- un’iniezione di 5'-amp, invece, la frequenza car- derato, cioè una molecola molto pericolosa. Il più diaca scendeva subito in maniera drastica. Oltre famoso inibitore dell’attività mitocondriale è il cia- all’effetto biochimico del 5'-amp vi era quindi an- nuro, il cui effetto di blocco del metabolismo non che un effetto circolatorio. Se il sangue non circola è certo quello che vorremmo sperimentare su noi quasi più, anche il calore non circolerà quasi più stessi, essendo un veleno letale. L’H2S non ha la nell’organismo, riducendo la quantità di ossige- potenza del cianuro, ma se proviamo a conside- no nei tessuti (un fenomeno detto ipossia tissuta- rarlo come una sostanza tossica invece che come le). Anche questo sintomo può essere interpretato un farmaco, il quadro diventa un po’ più chiaro. I come l’effetto di una molecola tossica, innescando topi infatti sono molto abili a difendersi dai vele- la risposta del torpore. ni, e per farlo usano una strategia molto lineare. Il In entrambi i casi accadeva quindi che la mole- veleno danneggia l’organismo se viene incorporato cola somministrata generasse una reazione dell’or- nei processi metabolici; se riduciamo tali processi, ganismo basata sulla sua capacità intrinseca di avremo il tempo necessario per espellere cioè che è ridurre il metabolismo. Animali che non possede- tossico e sopravvivere. Quindi di fronte a un’intos- vano questa capacità, non potevano attivarla. sicazione i topi sono in grado di entrare in torpore Gli esperimenti non avevano funzionato come per difendersi dalla sostanza assunta. previsto, ma avevano impartito un’importante le- I ratti, purtroppo per loro, non possono fare la zione: non si possono usare specie di animali che stessa cosa. entrano in torpore per studiare metodi che inda- Ecco quindi che cosa è probabilmente successo gano l’induzione del torpore sintetico. Il campo di nell’esperimento di Mark Roth: l’organismo dei studi era, ed è tuttora, molto giovane: è ragionevo- topi ha percepito la presenza dell’H2S; l’ha inter- le quindi che si possano compiere degli errori. pretata come un potenziale veleno e per difendersi Grazie a questi errori la ricerca sull’ibernazio- è entrato in torpore. Un evento simile può spiega- ne è uscita più forte, acquisendo metodi più chiari re gli effetti del 5'-amp, con una piccola aggiunta. ed efficace. Era quindi tutto finito? Al contrario,
144 a mente fredda verso l’ibernazione umana 145
avevamo appena cominciato, e nuove idee erano mica, ossia in tutto il corpo, non si è certo fermata.
pronte per essere testate. Altre molecole hanno mostrato delle capacità pro-
mettenti. Per esempio la grelina, un ormone secre-
to dallo stomaco che dice al nostro cervello che è
Una via alternativa necessario mangiare, o il 2-desossi-glucosio (2-dg),
un analogo del glucosio che però non può essere
L’ipotesi di agire su tutte le cellule con una mo- metabolizzato, oppure il neuropeptide Y (npy), un
lecola che potesse ridurre l’attività dei mitocondri neurotrasmettitore molto particolare prodotto da
si era rivelata poco praticabile. D’altra parte, se ri- una specifica regione del cervello.
pensiamo alla teoria del Channel Arrest, bisogne- Esistono quindi ancora delle possibilità che
rebbe prima ridurre il lavoro delle cellule e solo venga trovato un ormone dell’ibernazione, sia esso
dopo abbassarne la produzione di energia. Inoltre, sintetico o naturale, anche se i risultati ottenuti da
osservando l’andamento del consumo di ossigeno queste nuove molecole non sembrano al momen-
in animali in ibernazione, si può notare che prima to in grado di risolvere il problema. Confrontando
di ogni periodo di torpore si assiste a un’impennata però le molecole che sembrano avere un effetto sul
nel consumo di ossigeno. torpore, si può notare che molte di esse agiscono
Questa interessante osservazione fu presenta- o provengono dal cervello, che si tratti di ormo-
ta nel 2012 da Gerhard Heldmaier, uno dei più ni come la grelina o di neurotrasmettitori come
famosi ibernologi del mondo, al quattordicesimo il npy. Questo può indicare un altro modo di af-
simposio internazionale sull’ibernazione13 (Sem- frontare al problema dell’induzione del torpore
mering, Austria). Non si conosce ancora bene sintetico. Il cervello infatti possiede tutte le chia-
il motivo di questo picco di attività che precede vi necessarie per modulare il metabolismo in ogni
l’entrata in torpore, ma sembra che si tratti di un modo. Può farlo aumentare, come quando siamo
evento fondamentale. È quindi chiaro che, anche al freddo o abbiamo fatto un pasto molto calorico,
assumendo che in cricolo ci sia una molecola il così come può farlo diminuire, come quando ci ad-
cui scopo è inibire i mitocondri, sarebbe difficile dormentiamo.
spiegare tale incremento. In ogni caso la ricerca di Se il cervello possiede le chiavi per regolare la
sostanze che siano in grado di agire per via siste- spesa energetica dell’organismo, non sarebbe più
efficace trovare un modo di agire su di esso? Que-
sta strategia avrebbe alcuni vantaggi rispetto alla
13
Ruf, T., Bieber, C., Arnold, W., & Millesi, E. (2012). Living in messa a punto di un ormone dell’ibernazione. Il
a Seasonal World. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. vantaggio più importante riguarda il modo in cui146 a mente fredda verso l’ibernazione umana 147
le cellule e gli organi del corpo possono reagire prio come il cervello controlla il metabolismo e la
all’induzione del torpore sintetico. Usando un far- temperatura.
maco che blocchi l’attività dei mitocondri di tutte Come abbiamo spiegato nei capitoli precedenti,
le cellule, le si mette in condizioni di potenziale i circuiti neuronali che controllano la temperatura
sofferenza metabolica. Il loro lavoro non diminui- corporea, e di conseguenza il metabolismo, sono
rebbe, ma si troverebbero a vedersi tagliate le risor- stati studiati a fondo negli ultimi quindici anni.
se energetiche. Fra le tante regioni identificate, una spicca per im-
Se invece fosse il cervello a comandare una ri- portanza: quella del raphe pallidus (rpa). È stato il
duzione del metabolismo, quest’ordine ridurrebbe professor Shaun Morrison, della Oregon Health
proprio il lavoro cellulare, come avviene nel torpo- & Science University di Portland, a scoprire il ruo-
re naturale. lo chiave di questa regione nel controllo termico. Il
Inoltre non è detto che sia necessario agire su suo studio era nato per ottenere un effetto oppo-
tutte le cellule dell’organismo. Molte cellule con- sto a quello che stiamo descrivendo: aumentare il
tribuiscono in modo marginale al consumo di os- metabolismo. L’idea era di far aumentare il consu-
sigeno e alla spesa energetica, mentre altre contri- mo energetico nei pazienti obesi per ridurre il loro
buiscono molto di più. Ecco quindi che il cervello peso. Al momento, nonostante diversi tentativi,
dovrebbe essere in grado di mandare comandi mi- una terapia dell’obesità basata su questo principio
rati ai diversi tessuti per ottenere una riduzione del non è disponibile ma, mentre si cercava di raggiun-
lavoro cellulare prima, e della spesa energetica poi, gere quest’obiettivo, le vie della termoregolazione
in modo proporzionale all’impegno metabolico di venivano descritte in sempre maggior dettaglio. Si
quei tessuti. sapeva che l’attivazione dell’rpa faceva aumentare
Se quindi agire sul cervello sembrerebbe essere il metabolismo e che la sua inibizione provocava
una via migliore, perché non si è partiti da lì? La una riduzione della temperatura. Ma, forse per
risposta è semplice: agire sul cervello è più com- uno di quei preconcetti che a volte si annidano
plicato tecnicamente. Il cervello è un organo terri- anche nella mente degli scienziati, si credeva che
bilmente complesso, forse l’oggetto più complesso fosse una conseguenza potenzialmente pericolosa
che esista nell’Universo. Modificare la funzione di e quindi da evitare. Erano tempi in cui i fisiologi
alcune sue parti potrebbe avere gravi conseguenze e gli ibernologi non si erano ancora incontrati e
sull’organismo. Non era quindi il caso di procedere nessuno pensava a studiare i meccanismi dell’iber-
a tentoni; bisognava sapere esattamente cosa fare. nazione. Ci volle un po’ di tempo perché si capisse
In aiuto a chi cercava di sfruttare questa via venne che l’ipotermia prodotta dall’inibizione dell’rpa
un decennio di studi mirati a studiare e capire pro- non era affatto un rischio, ma un’opportunità.148 a mente fredda verso l’ibernazione umana 149
Il cervello al comando mali l’organismo tende anche a ridurre sia la quan-
tità di sangue che manda alla cute sia la superficie
Nel 2013 venne pubblicato il primo articolo che che espone al freddo. Cerca così facendo di dimi-
mostrava come fosse effettivamente possibile in- nuire le perdite. Inibendo però i neuroni dell’rpa
durre uno stato di torpore molto simile a quello anche questo meccanismo si interrompe, per cui il
naturale in animali che in natura non erano in sangue torna a fluire alla superficie e la postura cam-
grado di farlo14. La notizia ebbe un certo rilievo bia, passando da una postura raccolta, di difesa dal
nell’ambiente e contribuì ad attrarre l’attenzione di freddo, simile a quella che assumiamo quando dor-
enti come l’esa. L’idea era semplice alla sua radice: miamo per la prima volta in un letto freddo, a una
si proponeva di capire se, fermando il comando di più adatta alla termodispersione, come quella che
produrre calore che il cervello manda agli organi, si assumiamo nelle notti di agosto in città quando si è
poteva ottenere il torpore. Per farlo si provò a «in- rotta l’aria condizionata (figura 22). In questo modo
gannare» i neuroni dell’rpa, facendo credere loro si riduce la produzione di calore e se ne aumenta la
che l’ambiente esterno fosse molto caldo. In questo dispersione. Ci si può chiedere se questo non ge-
modo il cervello impartì il comando che ci si aspet- neri una qualche risposta da parte dell’organismo.
tava: fermare la produzione di calore. Com’è possibile che non si accorga di raffreddarsi?
Ma che cosa succede durante il torpore sinte- E per quale motivo durante il raffreddamento non
tico? In un ambiente con una temperatura mode- viene attivata una postura raccolta?
ratamente fredda, si interrompono gli ordini con i Un’ipotesi riguarda il rapporto fra la tempe-
quali il cervello attiva gli organi termoregolatori e la ratura cutanea e quella cerebrale. In condizioni
produzione di calore non bilancia più la sua disper- normali la nostra temperatura cerebrale è sempre
sione. Essendo l’ambiente esterno generalmente superiore a quella cutanea. La differenza di tem-
più freddo rispetto alla temperatura corporea, esiste perature cute-cervello è più elevata quando siamo
un flusso costante di calore che il corpo disperde al freddo, mentre quando siamo al caldo la diffe-
nell’ambiente. Al freddo questa perdita aumenta, e renza si riduce. Nel torpore sintetico la differenza
viene compensata con l’aumento della produzione si riduce anche al freddo, ed è quindi possibile che
di calore. Come abbiamo visto, in condizioni nor- il cervello interpreti questo dato come se fuori ci
fosse molto caldo, contribuendo ulteriormente a
ridurre il metabolismo.
Cerri, M. et al. (2013). “The Inhibition of Neurons in the Cen- Nei primi esperimenti pubblicati su questa tec-
14
tral Nervous Pathways for Thermoregulatory Cold Defense Induces a
Suspended Animation State in the Rat”. Journal of Neuroscience, 33(7), nica, la temperatura corporea era stata portata fino
2984-2993. a circa 22 °C. Non ci sono in realtà limiti teorici150 a mente fredda verso l’ibernazione umana 151
Il ruolo dell’adenosina
Dopo l’inibizione dei neuroni del rpa, una nuova
procedura è stata presentata alla fine del 2013. Si
usava una molecola molto nota nel mondo degli
ibernologi e che si sapeva essere coinvolta nel pro-
cesso, ma senza sapere come: l’adenosina.
L’adenosina è, come abbiamo già detto nel ter-
zo capitolo, uno dei mediatori che segnalano alla
cellula quando c’è carenza di energia, e richiede di
ridurre l’attività cellulare. Questo però nel cervel-
lo sembra avvenire con modalità particolari. Gli
scoiattoli artici sono in grado di entrare in iberna-
zione se viene loro somministrata adenosina, ma
solo durante l’inverno. Gli stessi animali sembrano
invece essere immuni a questo farmaco durante il
periodo estivo.
Si è visto che questa insensibilità dipende da
un particolare ciclo circannuale di espressione dei
Figura 22. Al freddo una postura rannicchiata riduce la superficie espo- recettori. In parole più semplici, questi recettori
sta e disperde meno calore; al caldo invece ci distendiamo per raffred- sono presenti nel cervello durante l’inverno, ma
darci più velocemente. Foto: Twin Design/Shutterstock
non durante l’estate. Il legame che unisce adenosi-
che indichino quale sia la temperatura ottimale per na e ibernazione non si limita a questo. Un’osser-
il torpore sintetico, e più di un esperto del settore vazione molto interessante riguardava l’uso di un
ritiene che potrebbe essere preferibile attestarsi su farmaco antagonista dell’adenosina. Un antagoni-
temperature non troppo basse: una specie di «iber- sta è una molecola che è in grado di legarsi a un
nazione calda». Esclusa la postura, che nel topo recettore senza attivarlo: in altre parole si lega al
è naturale e comunque raccolta, per molti altri recettore, occupandolo, ma non lo mette in fun-
aspetti il torpore sintetico non differisce da quel- zione. In questo modo impedisce che le molecole
lo naturale. L’attività cerebrale è infatti uguale a in grado di attivarlo vi si leghino.
quella osservata in natura, con un rallentamento Quando durante il torpore viene somministrato
progressivo dei ritmi della corteccia. un antagonista dell’adenosina, si induce un risve-Puoi anche leggere
