冬眠松鼠如何保持強壯？
By Daria Zaitseva
你曾經想過像松鼠、熊和刺蝟這些動物如何渡過寒冬嗎？牠們當中一些物種會在長達數個月的日子裡進入一種不活躍的狀態，只需要極少食物和水就能生存 [1]。這種驚人的能力叫冬眠，期間呼吸、心跳和大部分代謝過程都會減慢，體溫會顯著下降以節省能量。有趣的是冬眠動物在停止進食期間也能維持肌肉質量，你有想過這是怎樣做到的嗎？
要回答這個問題，我們先要明白包括肌肉在內，身體組織需要穩定氨基酸供應才能保持完整，而氨基酸是構成蛋白質的基本單位。當動物正常攝食時，氨基酸的主要來源是膳食；但在冬眠期間，動物會轉為分解身體組織以獲取足夠氨基酸製造新蛋白質維持生命。然而身體亦存在另一個途徑會在肝臟先把氨基酸分解成氨，再分解成尿素，使氨基酸白白被浪費掉。尿素隨後會進入血液，最終隨尿排出。那冬眠動物如何對抗這種會導致肌肉質量減少的生化途徑呢？
最近一項研究發現冬眠松鼠的腸道微生物群可能就是關鍵。我們知道血流中的尿素能被運輸至腸腔 [2]，那裡的腸道微生物群可以透過製造尿素酶將尿素代謝回二氧化碳和氨，後者可被同一個微生物群用於重新合成氨基酸 [3]。這個回收途徑能減少動物在冬眠時消耗的氨基酸，使松鼠甚至可以擁有比冬眠前更發達的肌肉，從而更強壯地迎接緊隨在冬季後的繁殖季節 [4]。
也讓我們談談這個發現對人類的啟示 [3]。肌肉萎縮常見於因年齡增長而流失肌肉的長者，和長期臥床缺乏運動的病人；由於在發展中國家數以百萬計的人膳食中缺乏足夠蛋白質，這種情況亦非常普遍。這不就是與我們在冬眠動物中看到的情況相似嗎？是的，你猜對了：我們也許可以利用冬眠松鼠的腸道細菌來維持人類的肌肉質量。
人類腸道微生物群是可塑的，它受膳食影響。經典例子是透過母乳哺育將有益的腸道細菌，例如雙歧桿菌（Bifidobacterium），從母親轉移到嬰兒體內 [5]。母乳還含有人乳寡糖，作為雙歧桿菌的益生元（即是雙歧桿菌的食物），它能有助細菌佔據並居住在嬰兒的腸道中，促進嬰兒健康 [6]。在另一個促進營養不良兒童健康成長的案例中，科學家研發了能促進微生物生長的食品，透過增加腸道中能幫助兒童成長益菌的比例，科學家嘗試修復兒童早年因營養不良而未能發展成熟的腸道微生物群 [7]，藉以幫助兒童健康成長。鑑於這些故事，研究人員現正探索研發口服益生菌的可能性，將能製造尿素酶的細菌，例如冬眠松鼠中發現的阿里斯氏屬（Alistipes）細菌，或經基因改造的細菌引入人類腸道，促進尿素分解和肌肉補充 [3]。這些方法都有望藉改造腸道微生物群對抗肌肉萎縮。
冬眠是一種神秘得讓人想探索更多的動物行為，當中涉及許多不尋常的生理和微生物過程。透過研究冬眠動物和相關過程的原理，我們或許能從中得到啟發，研究出治療人類疾病和改善患者生活質素的新療法；未來太空旅行的航程亦可能涉及身體長時間靜止等待，這些研究那時也許就能大派用場 [3]。誰知道呢？
參考資料
[1] Geiser, F. (2013). Hibernation. Current Biology, 23(5), R188–R193. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.01.062
[2] Walpole, M. E., Schurmann, B. L., Górka, P., Penner, G. B., Loewen, M. E., & Mutsvangwa, T. (2015). Serosal-to-mucosal urea flux across the isolated ruminal epithelium is mediated via urea transporter-B and aquaporins when Holstein calves are abruptly changed to a moderately fermentable diet. Journal of Dairy Science, 98(2), 1204–1213. https://doi.org/10.3168/jds.2014-8757
[3] Sommer, F., & Bäckhed, F. (2022). Staying strong during hibernation. Science, 375(6579), 376–377. https://doi.org/10.1126/science.abn6187
[4] Regan, M. D., Chiang, E., Liu, Y., Tonelli, M., Verdoorn, K. M., Gugel, S. R., Suen, G., Carey, H. V., & Assadi-Porter, F. M. (2022). Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season. Science, 375(6579), 460–463. https://doi.org/10.1126/science.abh2950
[5] Soto, A., Martín, V., Jiménez, E., Mader, I., Rodríguez, J. M., & Fernández, L. (2014). Lactobacilli and bifidobacteria in human breast milk: influence of antibiotherapy and other host and clinical factors. Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition, 59(1), 78–88. https://doi.org/10.1097/MPG.0000000000000347
[6] Taft, D. H., Lewis, Z. T., Nguyen, N., Ho, S., Masarweh, C., Dunne-Castagna, V., Tancredi, D. J., Huda, M. N., Stephensen, C. B., Hinde, K., von Mutius, E., Kirjavainen, P. V., Dalphin, J. C., Lauener, R., Riedler, J., Smilowitz, J. T., German, J. B., Morrow, A. L., & Mills, D. A. (2022). Bifidobacterium Species Colonization in Infancy: A Global Cross-Sectional Comparison by Population History of Breastfeeding. Nutrients, 14(7), 1423. https://doi.org/10.3390/nu14071423
[7] Gehrig, J. L., Venkatesh, S., Chang, H. W., Hibberd, M. C., Kung, V. L., Cheng, J., Chen, R. Y., Subramanian, S., Cowardin, C. A., Meier, M. F., O'Donnell, D., Talcott, M., Spears, L. D., Semenkovich, C. F., Henrissat, B., Giannone, R. J., Hettich, R. L., Ilkayeva, O., Muehlbauer, M., . . . Gordon, J. I. (2019). Effects of microbiota-directed foods in gnotobiotic animals and undernourished children. Science, 365(6449). https://doi.org/10.1126/science.aau4732