Kopi af:
Grovæderens tarm
Dette materiale er lagret i henhold til aftale mellem DBC og udgiveren.
www.dbc.dk
e-mail: dbc@dbc.dk
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 kropstem- peratur og stor fysisk aktivitet er forbundet med et enormt energikrav.
I modsætning hertil opret- holder koldblodede dyr livet på basis af en megen beskeden føde- indtagelse, fordi de ofte er ret inaktive og ikke bruger energi på at opretholde kropstemperatu- ren. 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 tilpas- ninger. Studier af slangernes
fordøjelsesfysiologi fungerer derfor efter “August Krogh princippet”, som siger, at arter med udprægede tilpasninger er særligt egnede til undersø- gelse af generelle mekanismer.
Denne metode er opkaldt efter den danske Nobelprismodtager
August Krogh, som var en af den sammenlignende fysiologis grundlæggere.
På Zoofysiologisk Labora- torium ved Aarhus Univer- sitet studerer vi, hvorledes krybdyrernes fordøjelse og faste påvirker stofskiftet, samt
hvordan mavens og tarmens funktion ændres efter et måltid.
Udover at beskrive disse spe- cielle dyrs interessante biologi, kan sådanne undersøgelser af slangernes fordøjelsesfysiologi give et indblik i de grundlæg- gende fysiologiske mekanismer, 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.
Foto: CRK
som gælder hos alle dyr. Det fortæller os altså også noget om, hvordan vores eget – mere gen- nemsnitlige – fordøjelsessystem virker.
Økonomisering med energi-. ressourcer
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 funktio- ner, skal dækkes af kroppens eksisterede depoter. Det er derfor en fordel at kunne ned- regulere 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 udskif- tes hele tiden, ved at de gamle udtjente celler dør og erstattes af nye friske celler. Denne sta- dige celledeling koster energi og bidrager sammen med cellernes øvrige aktiviteter til hvilestof- skiftet. Fordøjelsesorganerne, såsom mave og tarm, er karak- teriserede 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
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 ned- regulere 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 funktio- nen 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 princip- pet sammenlignes med, at vores muskler også reduceres, når vi ikke styrketræner eller dyrker sport. At reducere tarmens stør- relse sparer energi, men indebæ- rer 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 stør- relse og funktion kræver det, at dyrene kan restituere fordø- jelsesprocesserne umiddelbart efter de igen indtager et måltid.
Hvis tarm-funktionen ikke genetableres hurtigt, vil de nor-
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 indkorpo-
rere små fedtpartikler i tarmcellerne, vokser tarmen lynhurtigt til fuld størrelse igen.
Fotos: Matthias Starck, Jena Universitet.
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 ami- nosyrer) 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 energi- rige 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 største- delen 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.
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 involve- rede 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.
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 stil- les 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 kryb- dyrs tarmsystem ganske enestå- ende. 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 impo- nerende tempo. Adskillige arter kan således forøge tarmens vægt og evne til at optage nærings- stoffer 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
funktion efter sygdom. Det gæl- der 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 forsknings- aktivitet indenfor området i de seneste år.
Effektiv genopbygning af tarmen
Vores undersøgelser af python- slangens tarmsystem og stof- skifte har vist, at slangerne kan genetablere tarmens vægt og funktion kort efter fødeindta- gelse, uden at dette forbruger særlig megen energi. Dette kan umiddelbart virke overraskende set i lyset af de kliniske pro- blemer. Men studier udført af vore tyske kolleger ved Jena´s universitet har givet en mulig forklaring på denne forskel.
Ved at undersøge tarmcel- lernes 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 for- klares ved en forøgelse af hver enkelt celles størrelse, hvor celle- væggen nærmest foldes ud som en harmonika.
Mekanismen, der ligger til grund for denne strukturelt set ret simple ekspansion, er endnu
ikke forstået i detaljer, men skyl- des 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 fordø- jelses-beredskab
Vi har sammen med kolleger fra Göteborg Universitet udført forsøg med slanger, som viser, at mængden af forskellige regulato- riske 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 sam- mensætningen af disse signal- molekyler er uændret tyder på, at de overordnede kontrolpro- cesser 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 bered- skab” under faste, hvor tarmen er nedpakket, mens de funktio- nelle egenskaber er bibeholdt.
Den nedsatte kapacitet for aktiv transport af næringsstof- fer over tarmen kan således for- klares ved, at der er et mindre overfl adeareal, som transporten kan foregå over, når tarmen er
“nedpakket” og cellemembra- nen dermed er sammenfoldet.
Evnen til at restituere tarmens funktion kan derfor foretages gennem en simpel ekspansion af de enkelte tarmceller – hvil- ket er en nem og energimæssig billig måde at opregulere både størrelse og funktion af tarmsy- stemet. 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 regule- ring hos mennesker og slanger
Maven.
I maven udskilles saltsyre og proteinnedbrydende enzymer som pepsin. Enzymer og mavens rytmiske sammentrækning ned- bryder 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-
mer, der nedbryder protein, fedt og sukkerstoffer.
Tyndtarmen.
Her optages næringsstofferne over tarmvæggen og transpor- teres med blodet til leveren for videre omdannelse eller til krop- pens celler.
Tyktarmen
hvor vand optages fra tarmvæ- sken
Mave
Tyndtarm
Tyktarm
Galdeblære
Bugspytkirtel Svælg
Hoved Fordøjelsessystemet
Om forfatterne
Tobias Wang er forskningslek- tor (Rømerstipendiat fra Sta- tens 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 John- nie B. Andersen er ph.d.- studerende ved Zoofysiologisk Afdeling (AU) med økonomisk støtte fra Statens Naturviden- skabelige forskningsråd og Det Naturvidenskabelige Fakultet.
Morten Zaar er specialestude- rende ved Zoofysiologisk Afde- ling (AU).
er mere forskellig end vi for- ventede, da vi startede stu- dierne. Det kan umiddelbart synes skuffende, at det anven- delsesmæssige perspektiv svin- der 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 fysio- logi er interessant fra et grund- videnskabeligt synspunkt.
Slangernes evne til at ændre tarmens vægt og funktion på en energimæssig billig måde er
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 kold- blodede krybdyr, men er ikke desto mindre meget imponerende, idet det maksimale stofskifte under fordøjelse kan overstige det, som fi ndes under mak- simalt muskelarbejde.
En amerikansk forskningsgruppe foreslog, at tar- mens 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 ørk- ner, 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,
at fordøjelsesorganerne spiller en vigtig og hidtil overset rolle i reguleringen af hjertets og lungernes funktion under det forhøjede stofskifte, der fore- kommer under fordøjelse.
Der er derfor ingen tvivl om, at slangernes imponerede evne som grovædere fortsat vil give stof til eftertanke, og at slanger- nes fysiologi fortsat vil være et centralt forskningsemne.
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 alle- rede var brugt under det første måltid. Vi fandt imid- lertid, at energibruget for et givet måltid er uafhæn- gigt 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.
Energiforbrug
Tobias Wang bestemmer i denne forsøgsopstilling pythonslangens stofskifte ud fra målinger af slangens forbug af ilt og dens udskillelse af kuldioxid.
Foto: CRK
Læs videre:
Secor, S. M. and Diamond, J.
(1998). A vertebrate model of extreme physiological regula- tion. 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 Bio- logy 204: 325-335.
Wang, T., Busk, M., Overga- ard, J. (2001). The respira- tory consequences of feeding in amphibians and reptiles.
Comparative Biochemistry and Physiology 128A: 533- 547.
