Først flere måneders faste – så et enkelt, kæmpestort ... - Viden (JP)

22
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 4 | 2 0 0 2
F Y S I O L O G I
Grovæderens
tarm
Først fl ere måneders faste – så et enkelt, kæmpestort måltid. Det kræver en
slanges fordøjelsessystem at stå model til en sådan kost. Slangernes tarmsystem
studeres af forskerne for bl.a. at sammenligne dette med vores eget.
Tobias Wang, Johannes Overgaard, Johnnie B. Andersen og Morten Zaar
Uden mad og drikke duer
helten ikke! Det er en biologisk
sandhed, hverken mennesker
eller dyr kan unddrage sig. Alle
dyr skal æde for at dække deres
stofskifte. Men der er meget
store forskelle på hvor meget og
hvor ofte, forskellige dyr æder.
Små aktive varmblodede dyr
som kolibrien, skal æde næsten
hele tiden, og de bliver nødt til
at gå i en dvaletilstand allerede
efter få timer uden føde, fordi
opretholdelsen af høj kropstemperatur
og stor fysisk aktivitet
er forbundet med et enormt
energikrav.
I modsætning hertil opretholder
koldblodede dyr livet på
basis af en megen beskeden fødeindtagelse,
fordi de ofte er ret
inaktive og ikke bruger energi på
at opretholde kropstemperaturen.
Nogle arter af kvælerslanger
æder tilsyneladende kun få gange
om året i deres naturlige miljø og
kan overleve fl ere år uden føde.
Til gengæld kan de æde meget
store måltider, og de er i stand
til at sluge bytte, der overstiger
deres egen vægt.
Slangens fordøjelse
som model
Slangernes evne til at faste i
meget lang tid og fordøje meget
store måltider skyldes en række
udprægede fysiologiske tilpasninger.
Studier af slangernes
Pytonslange i færd med et af sine sjældne måltider. Kvælerslanger kan faste i fl ere måneder for så at spise et
enkelt kæmpestort måltid. Og det kæver et helt specielt tarmsystem.
fordøjelsesfysiologi fungerer
derfor efter “August Krogh
princippet”, som siger, at arter
med udprægede tilpasninger
er særligt egnede til undersøgelse
af generelle mekanismer.
Denne metode er opkaldt efter
den danske Nobelprismodtager
August Krogh, som var en af
den sammenlignende fysiologis
grundlæggere.
På Zoofysiologisk Laboratorium
ved Aarhus Universitet
studerer vi, hvorledes
krybdyrernes fordøjelse og
faste påvirker stofskiftet, samt
hvordan mavens og tarmens
funktion ændres efter et måltid.
Udover at beskrive disse specielle
dyrs interessante biologi,
kan sådanne undersøgelser af
slangernes fordøjelsesfysiologi
give et indblik i de grundlæggende
fysiologiske mekanismer,
Foto: CRK

som gælder hos alle dyr. Det
fortæller os altså også noget om,
hvordan vores eget – mere gennemsnitlige
– fordøjelsessystem
virker.
.
Økonomisering med energiressourcer
Det er et grundvilkår for alle
dyr, at længerevarende perioder
uden føde indebærer, at al den
energi, som bruges til fysisk
aktivitet og på at opretholde
kroppens forskellige funktioner,
skal dækkes af kroppens
eksisterede depoter. Det er
derfor en fordel at kunne nedregulere
energiforbrugende
funktioner, så ressourcerne kan
vare længere. Det er samtidig
vigtigt, at denne tilpasning ikke
formindsker dyrenes evne til
udføre almindelige funktioner,
da det er vigtigt f.eks. at kunne
undslippe rovdyr og andre farer
i livet.
Alle kroppens celler udskiftes
hele tiden, ved at de gamle
udtjente celler dør og erstattes
af nye friske celler. Denne stadige
celledeling koster energi og
bidrager sammen med cellernes
øvrige aktiviteter til hvilestofskiftet.
Fordøjelsesorganerne,
såsom mave og tarm, er karakteriserede
ved en meget høj rate
af celledeling, hvilket blandt
andet skyldes den mekaniske
påvirkning fra føden. Desuden
udfører disse celler mange aktive
processer såsom udskillelse af
Fotos: Matthias Starck, Jena Universitet.
mavesyre og enzymer, og det
er dermed ikke overraskende,
at tarmen og maven forbruger
en stor mængde energi. Det er
anslået, at fordøjelsesorganerne
lægger beslag på mellem 20-
40% af hvilestofskiftet. Da disse
organer jo ikke bruges under
faste, kan dyr med fordel nedregulere
fordøjelsesorganernes
funktion i perioder uden føde
og dermed spare på den energi,
som ellers ville være brugt på
vedligeholdelse.
Tarmens op- og nedture
Alle dyr er i et vist omfang i
stand til at nedregulere funktionen
af deres fordøjelsesorganer
under faste, og i praksis sker der
bl.a. det, at tarmen skrumper
ind – dvs. dens størrelse og vægt
reduceres. Dette kan i princippet
sammenlignes med, at vores
muskler også reduceres, når vi
ikke styrketræner eller dyrker
sport. At reducere tarmens størrelse
sparer energi, men indebærer
også, at tarmens funktioner
gradvist nedsættes – dvs. evnen
til at transportere næringsstoffer
fra føden eller udskille enzymer
bliver nedsat.
For at dyret skal drage fordel
af at nedregulere tarmens størrelse
og funktion kræver det,
at dyrene kan restituere fordøjelsesprocesserne
umiddelbart
efter de igen indtager et måltid.
Hvis tarm-funktionen ikke
genetableres hurtigt, vil de nor-
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 4 | 2 0 0 2
F Y S I O L O G I
Mikroskopfotos af tarmceller fra hhv. en fastende (tv) og en fordøjende (th) slange. Tarmcellernes
cellevægge hos den fastende slange er sammenfoldede nærmest som en harmonika. Ved at indkorporere
små fedtpartikler i tarmcellerne, vokser tarmen lynhurtigt til fuld størrelse igen.
Stofskifte
Ordet stofskifte har fra gammel tid – i overensstemmelse med
dets bogstavelige betydning -betegnet kroppens optagelse af føde,
dens nedbrydning og omdannelse til andre kemiske forbindelser
samt udskillelse af affaldsprodukter. Vi bruger stadig ordet i denne
betydning, når vi f.eks. taler om organismens fedtstofskifte eller
calciumstofskifte. I vore dage bruges ordet til at betegne kroppens
energiomsætning. Næringsstofferne (fedtstoffer, sukkerarter og aminosyrer)
fra føden, optages gennem tarmvæggen, og spaltes videre
i cellerne, hvorved der frigøres kemisk energi. En del af den frigjorte
energi oplagres i energirige ATP-molekyler, som bruges som energikilde
for stort set alle energikrævende processer i cellerne. De cellulære
processer, der står for energioverførslen er ikke fuldstændig effektive.
En del af den energi, der frigøres ved næringsstoffernes nedbrydning
og forbruget af ATP, fremkommer derfor som varme. Varmen kan på en
måde anses som et spildprodukt.
Når ilt er til stede nedbrydes næringsstofferne til kuldioxid og vand,
og for aminosyrernes vedkommende desuden urinstof, som nyren
udskiller. Dette betegnes aerobt stofskifte og svarer kemisk set til en
forbrænding. Det giver anledning til den størst mulige udnyttelse af
energien i næringsstofferne og dermed til dannelse af mange energirige
ATP-molekyler. Er der ikke ilt til stede, kan mange celler gå over til
anaerobt stofskifte, hvor sukker kun nedbrydes delvis til mælkesyre.
Anaerobt stofskifte giver en langt mindre ATP-dannelse, fordi størstedelen
af sukkerets kemiske energi fortsat er bundet i mælkesyren.
Det anaerobe stofskifte forekommer f. eks. i forbindelse med hårdt
arbejde, hvor musklernes forsyning med ilt ikke er tilstrækkelig til at
dække deres energibehov.
Hos krybdyr foregår hele det forøgede stofskifte under fordøjelsen i
form af aerobt stofskifte. Når et fi rben løber med maksimal hastighed
foregår derimod mere end halvdelen af ATP-dannelsen via anaerobt
stofskifte.
Stofskiftets eller energiomsætningens størrelse kan måles på tre
måder:
1. I en periode måles energiindholdet i føden og i urin og fækalier.
Forskellen i indtaget og udskilt energi er dyrets energiforbrug, idet der
dog eventuelt også skal tages hensyn til opmagasineret energi, hvis
dyret er vokset.
2: Dyret anbringes i et kalorimeter, som måler varmeproduktionen.
Metoden vil registrere både aerobt og anaerobt stofskifte
3. Forbruget af ilt og/eller udskillelsen af kuldioxid måles, hvorved
kun det aerobe stofskifte registreres.
23

24
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 4 | 2 0 0 2
F Y S I O L O G I
male fordøjelsesprocesser ikke
kunne forløbe, og føden kan gå
i forrådnelse i maven med fatale
følger for dyret. Tarmen som
“biologisk opfi ndelse” skal altså
udvise en konstant tilpasning
til de modsatte krav, der stilles
under henholdsvis faste og
fordøjelse. Tarmens struktur og
funktion skal reduceres under
faste for at spare energi, men
skal kunne genskabes hurtigt
efter et måltid.
I denne henseende er krybdyrs
tarmsystem ganske enestående.
Slanger er som nævnt i
stand til at faste i fl ere måneder
– ja op til år – og samtidig er
de i stand til at opregulere deres
fordøjelsesprocesser i et imponerende
tempo. Adskillige arter
kan således forøge tarmens vægt
og evne til at optage næringsstoffer
med op til tre gange
indenfor 24-48 timer efter, at
byttet er slugt.
Et klinisk perspektiv
Sammenlignet med slangernes
ekstreme evne til at ned- og
opregulere deres tarmsystem, er
mennesket langt mere ordinært,
hvilket kan give os problemer.
Det kan således være meget
svært at få genetableret tarmens
Fordøjelsessystemet
Fordøjelsens primære funktion
består i at nedbryde føden til små
enheder af sukker, fedt og protein.
Disse næringsstoffer kan derefter
optages over tarmen og bruges
i cellernes stofskifte forskellige
steder i kroppen eller omdannes
i leveren. Fordøjelsessystemet
bruges derfor som en betegnelse
for alle de organer, der er involverede
i at nedbryde føden.
Slangens fordøjelsessystem
består således af:
Hovedet.
Alle slanger sluger byttet helt
– uden at tygge! Slangerne kan
lade underkæben “gå af led” for
at give plads til store byttedyr.
Svælget.
Hvis slangen har spist meget kan
de sidst indtagne byttedyr ligge i
svælget og vente på, at der bliver
plads i maven – der foregår ingen
synderlig nedbrydning i svælget.
funktion efter sygdom. Det gælder
specielt, når patienter har
modtaget intravenøs ernæring
i en periode, hvor føden har
været givet direkte som opløste
næringsmidler i blodbanen –
eller det kan være under sult ved
anoreksi eller hungersnød. Der
er derfor en stor interesse for at
forstå de faktorer, som udløser
tarmvækst, og som dermed får
tarmens funktion tilbage i fulde
omdrejninger.
I denne forbindelse har vi
og andre forskere håbet på,
at slangernes eminente evne
til at restituere tarmsystemet
kunne være nøglen til at forstå
mekanismer, der kunne bane
vejen for behandling af rent
kliniske problemstillinger. At
man øjnede dette perspektiv har
stimuleret en anselig forskningsaktivitet
indenfor området i de
seneste år.
Hoved
Svælg
Mave
Maven.
I maven udskilles saltsyre og
proteinnedbrydende enzymer
som pepsin. Enzymer og mavens
rytmiske sammentrækning nedbryder
byttet til en tyktfl ydende
væske, som langsomt fl yder ned
til tyndtarmen.
Bugspytkirtlen og galdeblæren
udskiller en basisk væske, som
neutraliserer mavesyren. Her
udskilles også en række enzy-
Effektiv genopbygning
af tarmen
Vores undersøgelser af pythonslangens
tarmsystem og stofskifte
har vist, at slangerne kan
genetablere tarmens vægt og
funktion kort efter fødeindtagelse,
uden at dette forbruger
særlig megen energi. Dette kan
umiddelbart virke overraskende
set i lyset af de kliniske problemer.
Men studier udført af
vore tyske kolleger ved Jena´s
universitet har givet en mulig
forklaring på denne forskel.
Ved at undersøge tarmcellernes
anatomi viste tyskerne,
at når pythonslangens tarm
skrumper til en tredjedel af den
oprindelige størrelse i løbet af
få uger uden føde, kan langt
størstedelen af disse fabelagtige
ændringer forklares ved, at de
individuelle celler skrumper,
mens det samlede antal celler
forbliver stort set uændret.
Tilsvarende kan den kraftige
vækst efter fødeindtagelse forklares
ved en forøgelse af hver
enkelt celles størrelse, hvor cellevæggen
nærmest foldes ud som
en harmonika.
Mekanismen, der ligger til
grund for denne strukturelt set
ret simple ekspansion, er endnu
Tyndtarm
Galdeblære
Bugspytkirtel
Tyktarm
mer, der nedbryder protein, fedt
og sukkerstoffer.
Tyndtarmen.
Her optages næringsstofferne
over tarmvæggen og transporteres
med blodet til leveren for
videre omdannelse eller til kroppens
celler.
Tyktarmen
hvor vand optages fra tarmvæsken
ikke forstået i detaljer, men skyldes
i stor grad en inkorporering
af små fedtvesikler
Denne mekanisme er altså
forskellig fra pattedyr, herunder
mennesket, hvor genopbygning
af tarmen primært er forbundet
med en dannelse af nye celler
igennem forøget celledeling.
Slangens slumrende fordøjelses-beredskab
Vi har sammen med kolleger
fra Göteborg Universitet udført
forsøg med slanger, som viser, at
mængden af forskellige regulatoriske
signalmolekyler (peptider)
i tarmen ikke ændres synderligt
mellem faste og fordøjelse. Disse
molekyler regulerer forskellige
fysiologiske funktioner (f.eks.
tarmens sammentrækning, som
sikrer at føden transporteres i
den rigtige retning) og virker
som en slags lokale hormoner.
At koncentrationerne og sammensætningen
af disse signalmolekyler
er uændret tyder på,
at de overordnede kontrolprocesser
ikke nedreguleres i særlig
grad under faste.
Dette bekræfter vore tyske
kollegers formodning om, at
tarmen hos slanger befi nder sig
i en slags “slumrende beredskab”
under faste, hvor tarmen
er nedpakket, mens de funktionelle
egenskaber er bibeholdt.
Den nedsatte kapacitet for
aktiv transport af næringsstoffer
over tarmen kan således forklares
ved, at der er et mindre
overfl adeareal, som transporten
kan foregå over, når tarmen er
“nedpakket” og cellemembranen
dermed er sammenfoldet.
Evnen til at restituere tarmens
funktion kan derfor foretages
gennem en simpel ekspansion
af de enkelte tarmceller – hvilket
er en nem og energimæssig
billig måde at opregulere både
størrelse og funktion af tarmsystemet.
Denne evne er en vigtig
tilpasning til en levevis, hvor
føden kun indtages få gange
om året.
Grundforskningen
længe leve!
Den nyeste forskning – bl.a.
fra vores laboratorium – har
altså vist , at tarmens regulering
hos mennesker og slanger

Tobias Wang bestemmer i denne forsøgsopstilling pythonslangens stofskifte ud fra målinger af slangens
forbug af ilt og dens udskillelse af kuldioxid.
er mere forskellig end vi forventede,
da vi startede studierne.
Det kan umiddelbart
synes skuffende, at det anvendelsesmæssige
perspektiv svinder
i takt med, at forskningen
løfter sløret for de fysiologiske
mekanismer. Men, sådan er
forskningens dynamik, og det
ændrer ikke på, at krybdyrenes
fascinerende levevis og fysiologi
er interessant fra et grundvidenskabeligt
synspunkt.
Slangernes evne til at ændre
tarmens vægt og funktion på
en energimæssig billig måde er
Energiforbrug
Stofskiftet, oftest målt som iltoptagelsen, stiger
under fordøjelse hos alle dyr, også mennesket, fordi
de mange fordøjelsesprocesser koster energi. Det
forøgede stofskifte efter fødeindtagelse er meget
udpræget hos kvælerslanger, hvor iltoptaget kan
stige mere end ti gange. Denne voldsomme stigning
skyldes delvist det lave hvilestofskifte for de koldblodede
krybdyr, men er ikke desto mindre meget
imponerende, idet det maksimale stofskifte under
fordøjelse kan overstige det, som fi ndes under maksimalt
muskelarbejde.
En amerikansk forskningsgruppe foreslog, at tarmens
vækst er væsentligste årsag til det forøgede
energiforbrug under fordøjelse hos slanger. Vi har
imidlertid vist, at dette ikke er tilfældet ved at
sammenligne stofskifteændringer til måltider efter
således en af de faktorer, der
forklarer, hvordan slangerne
kan leve i omgivelser som ørkner,
hvor der er ikke er megen
føde at komme efter.
De sammenlignende studier
af krybdyrenes fysiologi giver
desuden indsigt i, hvordan
og hvorfor dyrenes organer
har udviklet sig igennem
evolutionen og, som så ofte
før, når man betræder ukendt
område, har vi opdaget en
række uforudsete fysiologiske
sammenhænge. Vores seneste
undersøgelser tyder således på,
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 4 | 2 0 0 2
F Y S I O L O G I
fasteperioder af forskellig varighed. Det forholder
sig sådan, at tarmens vægt og funktion forbliver
opreguleret i adskillige dage efter, at slangen har
indtaget føde. Hvis det energimæssigt er dyrt at
opregulere tarmen, ville man derfor forvente, at
fordøjelsen af et måltid, der indtages kort efter et
forudgående måltid skulle være billigere, da al den
energi, som kræves for tarmens opregulering allerede
var brugt under det første måltid. Vi fandt imidlertid,
at energibruget for et givet måltid er uafhængigt
af længden på den forudgående fasteperiode.
Dette tyder på, at tarmvæksten ikke koster megen
energi. Vores forsøg forklarer dog ikke, hvilke andre
processer, der så er ansvarlige for det forøgede
energiforbrug under fordøjelse. Der er derfor stadig
en række studier, som skal udføres.
at fordøjelsesorganerne spiller
en vigtig og hidtil overset rolle
i reguleringen af hjertets og
lungernes funktion under det
forhøjede stofskifte, der forekommer
under fordøjelse.
Der er derfor ingen tvivl om,
at slangernes imponerede evne
som grovædere fortsat vil give
stof til eftertanke, og at slangernes
fysiologi fortsat vil være et
centralt forskningsemne.
Foto: CRK
Om forfatterne
Tobias Wang er forskningslektor
(Rømerstipendiat fra Statens
Naturvidenskabelige
forskningsråd)
Zoofysiologisk Afdeling
Aarhus Universitet
C.F. Møllers Alle, bygn. 131
8000 Århus C
Tlf.: 8942 2694 / 2640
E-post:
tobias.wang@biology.au.dk
www.biology.au.dk/
zoophysiology/
Johannes Overgaard og Johnnie
B. Andersen er ph.d.studerende
ved Zoofysiologisk
Afdeling (AU) med økonomisk
støtte fra Statens Naturvidenskabelige
forskningsråd og Det
Naturvidenskabelige Fakultet.
Morten Zaar er specialestuderende
ved Zoofysiologisk Afdeling
(AU).
Læs videre:
Secor, S. M. and Diamond, J.
(1998). A vertebrate model of
extreme physiological regulation.
Nature 395: 659-662.
Starck, J. M. and Beese, K.
(2001). Structural fl exibility
of the intestine of Burmese
python in response to feeding.
Journal of Experimental Biology
204: 325-335.
Wang, T., Busk, M., Overgaard,
J. (2001). The respiratory
consequences of feeding
in amphibians and reptiles.
Comparative Biochemistry
and Physiology 128A: 533-
547.
25