Centralne ogrzewanie, klimatyzacja, lodówki, ubrania, izolacja domów: przyzwyczailiśmy się, że technologia uniezależnia nas od warunków zewnętrznych, umożliwia zasiedlenie nawet „nieprzyjaznych” zakątków globu przez cały rok, zimą i latem. Im bardziej zaawansowana technologia, tym bardziej przesuwa nasze granice.

I tym odważniej pozwala rzucać wyzwanie nawet antarktycznym mrozom na jedynym kontynencie, gdzie nie rozwinęła się żadna rdzenna cywilizacja, ale za to we względnym komforcie żyją i pracują badacze tego obszaru w stacjach polarnych. Innymi słowy, „sztucznie” rozszerzamy zakres tolerancji ekologicznej gatunku Homo sapiens.

My też ewoluujemy

A jednak zanim rozwój ludzkiego mózgu pozwolił na świadome kształtowanie otoczenia na nasz użytek, mechanizmy ewolucji już kształtowały naszą fizjologię w dostosowaniu do warunków, które nasi przodkowie napotykali.

Nieprzypadkowo kolebką ludzkości są obszary okołorównikowe: nasz praprzodek, pozbawiony ubrań, ognia czy schronienia nie miał wyjścia: jego jedyną szansą było życie w warunkach zbliżonych do punktu równowagi cieplnej (thermic neutral point – TNP). Jest to punkt, w którym organizm człowieka nie wymaga żadnej energii w celu ustabilizowania temperatury ciała. Przyjmuje się, że ta temperatura w przybliżeniu wynosi ok. 23-27 stopni Celsjusza. Okolica równika była więc pod tym względem idealna, zwłaszcza, że różnice między okresem najcieplejszym a najzimniejszym są minimalne.

A jednak coś wygnało wczesnych ludzi z afrykańskiej cieplarni jakieś 40-60 tys. lat temu. Czy był to zew przygody? Prawdopodobnie były to raczej zmiany klimatu i tamtejsze susze. Jednak po opuszczeniu ciepłych rejonów nasi przodkowie musieli nagle stawić czoła okresowemu lub ciągłemu zimnu. Na szczęście ewolucja nigdy nie zasypia i odpowiedziała fizjologicznymi adaptacjami.

Kto śpi spokojnie w zimnie?

Wszystko, co wykracza poza nasz termiczny komfort, zarówno niska, jak i wysoka temperatura, to dla organizmu stres. W dłuższej perspektywie ze zbytnim gorącem radzimy sobie łatwiej niż z zimnem, wyposażeni w mechanizm pocenia się.

W latach 50-tych XX wieku zainteresowano się tematem tych adaptacji i różnych reakcji ludzi na temperaturę. Grupę ochotników, m.in. Norwegów (rasy kaukaskiej), Inuitów (wówczas określanych Eskimosami) i Saamów (wówczas nazywanych Lapończykami) poddano eksperymentowi: sprawdzano ich reakcje podczas snu w temperaturze 0-6 stopni Celsjusza w dość cienkich śpiworach. Nieprzyzwyczajeni do tego Norwegowie nie znieśli eksperymentu dobrze, mieli dreszcze, a w efekcie podwyższony metabolizm, a także wychłodzoną skórę. Rdzenni mieszkańcy Arktyki reagowali różne – Inuici co prawda nie mieli dreszczy, więc zachowali normalny metabolizm, ale spali niespokojnie – w normalnych warunkach komfort zapewniało im tradycyjnie przecież igloo i ubrania z wyjątkowo ciepłych materiałów: futra niedźwiedzia polarnego czy foczych skór. Najlepiej zareagowali Saamowie – przyzwyczajeni do koczowniczego trybu życia, a jednocześnie tradycyjnie ubierający się mniej „ekstremalnie” niż mieszkańcy Grenlandii czy północnej Kanady.

Dreszcze i co jeszcze

Dreszcze to skuteczna odpowiedź organizmu na krótkotrwały stres niskiej temperatury, jednak zbyt kosztowna dla organizmu, aby trwała cały czas – a w Arktyce, przy temperaturach wahających się od minus 40 stopni Celsjusza w miesiącach najzimniejszych do +10 stopni Celsjusza latem nie ma „przerwy” od chłodu. Ewolucja znalazła lepsze, długofalowe rozwiązane - adaptacje morfologiczne, takie jak zwężone kanały nosowe, stosunkowo krępa, niska sylwetka. Wąskie otwory nosowe ze stosunkowo długimi kanałami pozwalają na ogrzanie zimnego powietrza przez błony śluzowe wyściełające jamę nosową, aby zapobiec uszkodzeniu delikatnej tkanki płucnej i mózgu, i zwiększyć „odzysk” ciepła i wilgoci z wydychanego powietrza. To wydaje się intuicyjnie zrozumiałe. Co jednak z krępą sylwetką i niskim wzrostem? Tu sprawa jest bardziej złożona i ma związek z arktyczną dietą.

Tradycyjna dieta Inuitów może brzmieć jak koszmar współczesnego dietetyka: żadnych świeżych warzyw i owoców, monotonia, mięso i tłuszcz. Może też brzmieć jak reklama suplementów diety: wysoki poziom wielonienasyconych kwasów tłuszczowych omega-3 równoważy szkodliwe skutki zdrowotne diety wysokotłuszczowej. Ale to, co jest zdrowe dla mieszkańców dalekiej północy, zupełnie nie sprawdzałoby się w przypadku Europejczyków. Okazuje się, że Inuici mają specjalne mutacje w genach kodujących enzymy FADS1, FADS2 i FADS3, które określają poziomy wielonienasyconych kwasów tłuszczowych we krwi,  przez co pomagają im częściowo przeciwdziałać skutkom diety bogatej w tłuszcz ssaków morskich (fok i wielorybów). Te mutacje genetyczne, występujące u prawie 100 procent Inuitów, pojawiają się u zaledwie 2 procent Europejczyków. Mutacje te skutkują niższym poziomem „złego” cholesterolu i insuliny, co chroni przed chorobami sercowo-naczyniowymi i cukrzycą. Ta genetyczna „supermoc” pozwalająca przetrwać dietę zabójczą dla Europejczyka ma jednak swoją „cenę” – kwasy tłuszczowe wpływają na metabolizm hormonu wzrostu, co skutkuje niższą o kilka centymetrów średnią wzrostu w populacji inuickiej.

Pozostaje jeszcze krępa, masywna sylwetka, której absolutnie nie należy mylić z otyłością. Tu wytłumaczenie podsuwa tzw. reguła Bergmanna, co prawda sformułowana dla zwierząt, ale w kwestii analizy tych adaptacji warto sobie uświadomić, że jak najbardziej do Królestwa zwierząt przynależymy. W 1847 r. niemiecki biolog Carl Bergmann stwierdził, że w obrębie tego samego gatunku zwierząt stałocieplnych populacje o mniej masywnych osobnikach częściej występują w ciepłym klimacie, podczas gdy te o większej masie znajdują się w chłodniejszych regionach. Wynika to z faktu, że duże osobniki zazwyczaj wytwarzają więcej ciepła – bo mają więcej komórek, a normalnym produktem ubocznym metabolizmu w komórkach jest wytwarzanie ciepła. Im więcej komórek, tym więcej ciepła. W 1877 r. amerykański biolog Joel Allen poszedł dalej niż Bergmann, obserwując, że długość ramion, nóg, szyi ma również wpływ na ilość ciepła traconego do otaczającego środowiska. I znów, porównując populacje tego samego gatunku żyjące w ciepłym klimacie bliżej i dalej równika stwierdził, że te pierwsze mają zwykle dłuższe kończyny niż te żyjące w chłodniejszych warunkach. Wynika to z faktu, że korpus o stosunkowo długich „wypustkach” jest mniej zwarty, a zatem ma większą powierzchnię. Im większa powierzchnia, tym szybciej ciepło ciała zostanie utracone do otoczenia.

Brunatny tłuszcz w prezencie od Denisowian czy Neandertalczyków?

Tłuszcz odgrywa dużą rolę nie tylko w arktycznej diecie: jest też budulcem naszego ciała. Każdy z nas posiada dwa rodzaje tkanki tłuszczowej: białą (white adipose tissue – WAT) i brunatną (brown adipose tissue – BAT). Głównym zadaniem białej tkanki tłuszczowej jest magazynowanie energii, chroni też organy wewnętrzne przed urazami. Składa się przede wszystkim z komórek tłuszczowych – adipocytów. Z kolei tkanka brunatna odpowiada za utrzymanie temperatury ciała oraz rozprowadzanie jej po organizmie. Komórki tej tkanki wyróżnia mniejsza zawartość lipidów, które stanowią tylko 30–50% objętości komórek, ponieważ resztę objętości stanowią liczne mitochondria. To właśnie dzięki obecności mitochondriów – małych komórkowych elektrociepłowni - brunatna tkanka tłuszczowa charakteryzuje się większą aktywnością komórek, dzięki czemu dba o termoregulację ciała. Najwięcej brunatnej tkanki występuje u noworodków, aby mogły utrzymać ciepło po przyjściu na świat. Z wiekiem tkanka ta zanika, u dorosłych zlokalizowana jest głównie na karku, oraz wzdłuż dużych naczyń krwionośnych. Inaczej jest jednak u Inuitów. Mają znacznie więcej „aktywnej”, brązowej tkanki tłuszczowej, co oczywiście również zapisane jest w ich genach – konkretnie genach WARS2 i TBX15, odpowiadających za zróżnicowanie i dystrybucję tkanki tłuszczowej u człowieka.

Co ciekawe, odkrycie tego sekretu adaptacji do zimna pozwoliło na potwierdzenie, że przed tysiącami lat Homo sapiens krzyżował się z Neandertalczykami, a najprawdopodobniej także Denisowianami, wyjątkowo tajemniczą grupą rodzaju Homo, odkrytą dopiero w 2010 roku, która pozostawiła po sobie niewiele śladów – wszystkie badania tej grupy opierają się na znalezionych w syberyjskiej jaskini dwóch zębach i kości palca ręki (!), a jednak udało się wyizolować część genomu, m.in. właśnie geny zbieżne z przydatną mutacją u Inuitów…

Ogromne znaczenie mają adaptacje związane z systemem naczyń krwionośnych. Metabolizm bazowy (spoczynkowy) Inuitów jest nawet o 30% wyższy niż nasz – co chroni przed hipotermią, a także zapewnia świetne krążenie krwi. Niska temperatura automatycznie uruchamia dopływ krwi do dłoni i stóp, zapobiegając odmrożeniom. Zazwyczaj jest odwrotnie – dopływ krwi do oddalonych części ciała jest ograniczany, aby chronić korpus, jednak intensywny metabolizm sprawia, że Inuici mogą sobie na to pozwolić, a na odmrożenia, utratę kończyn czy palców – nie.

Polarna aklimatyzacja

Ewolucja wymaga czasu, kolejnych pokoleń niosących zapisany w DNA przepis na sukces, utrwalających pożądane cechy, a eliminujących drogą doboru naturalnego (jakkolwiek brutalnie, szczególnie w odniesieniu do ludzi, by to nie zabrzmiało) te, które przeszkadzają. Jaki jednak wpływ na konkretną jednostkę ma ekspozycja na zimne ekstremum i czy da się do niego przyzwyczaić? Jest kilka (mrożących krew w żyłach) przykładów wskazujących, że jeśli wystawiamy się na takie bodźce, to zmienia się nie tylko nasze subiektywne odczucie zimna, ale i my sami.

Klasyczny przykład nie pochodzi z regionów polarnych, a z Korei. „Amas” to koreańskie kobiety – poławiaczki pereł, którym niestraszne zimowe morze – nurkują przez cały rok, nawet gdy temperatura wody nie przekracza 10 stopni Celsjusza. Zaobserwowano u nich konsekwentny, odwracalny wzrost metabolizmu podstawowego (który jest sumą wszystkich naszych procesów metabolicznych, gdy ciało jest w pełni w spoczynku) o około 30% właśnie w zimie. Oczywiście nie dzieje się tak od razu - amas zaczynają nurkować w lekkich strojach kąpielowych w wieku 12 lat i kontynuują swoją pracę przez kilkadziesiąt lat, codziennie, nawet jeśli temperatura powietrza jest bliska zera.

A co z bohaterami lodowych krain? Ekstremalne czasy heroicznej epoki eksploracji polarnej miewały ekstremalnie odpornych uczestników. Nikt co prawda nie zmierzył metabolizmu Birdie’go (H.R.) Bowersa, weterana polarnej eksploracji z początku XX wieku, który udał się ze Scottem na (tragicznie niestety zakończoną) wyprawę na Biegun Południowy w 1911 roku. Z pewnością jednak Birdie był mistrzem polarnej aklimatyzacji, w końcu sam Scott pisał o nim „Najtwardszy podróżnik, który kiedykolwiek odbył podróż polarną, a także jeden z najbardziej niezrażonych”. Bowers był w stanie spać spokojnie w warunkach, które towarzyszy przyprawiały o potworne dreszcze.  Trudno się dziwić, skoro każdego ranka po przybyciu na Antarktydę, rozbierał się do naga na zewnątrz i wylewał na siebie wiadra lodowatej wody - ku wielkiemu przerażeniu i fascynacji jego towarzyszy. Co ciekawe Birdie był raczej niski (163 cm wzrostu) i krępy, co stawiało go w uprzywilejowanej sytuacji, obdarowując naturalnie korzystnym stosunkiem powierzchni do masy.

Do wszystkiego można się przyzwyczaić? Być może, choć za to przyzwyczajenie płaci się pewną cenę. Osoby przewlekle narażone na długotrwałe zimno w pewnym stopniu mogą do niego przywyknąć, co niekoniecznie przynosi dobre skutki.  Osłabiają się typowe reakcje na wyziębienie: dreszcze, kurczenie się naczyń krwionośnych; powierzchnia skóry pozostaje cieplejsza, ale jeśli delikwent nie jest Inuitą, tylko np. Europejczykiem na stacji antarktycznej, to nie ma wystarczająco szybkiego metabolizmu, szybciej traci ciepło i jest narażony na hipotermię.  Reakcja organizmu jest jednak indywidualna: może się okazać, że aklimatyzacja nasila reakcję na zimno: może pojawić się nawet termogeneza bez dreszczy. Zdecydowanie bezpieczniej zdać się na technologię i schronienie, zwł. w takich miejscach jak stacja Wostok na Antarktydzie, gdzie w 2010 roku odnotowano rekord zimna: minus 93,2 stopnia Celsjusza…

Ewolucyjne przystosowania człowieka do określonych warunków klimatycznych są wciąż słabo zbadane, do całkiem niedawna wątpiono, na ile w ogóle cechy poszczególnych populacji zapisane w ich genomie to adaptacja, podobna do adaptacji chrobotka reniferowego czy niedźwiedzia polarnego. Chyba chcieliśmy się czuć bardziej wyjątkowi, szybko wyzwoleni z okowów ewolucji, jak tylko pozwoliła nam wstać i stać się tym, co dziś nazywamy Homo sapiens. Może chcieliśmy zawdzięczać jak najwięcej „sobie”, a nie doborowi naturalnemu. Nie ułatwia tych badań nasza odwieczna natura podróżników, mieszanie pul genowych, a przede wszystkim nasz mózg, który pragnął nas uniezależniać od kapryśnego otoczenia co najmniej od momentu, kiedy odkrył, jak przywołać i okiełznać ten dziwny, pomarańczowy płomień, który przegania chłód.

Autor: Anna Wielgopolan