夏末，地松鼠狼吞虎咽地吃着食物，为冬眠做准备。 它们需要以脂肪的形式储存大量能量，这成为它们整个冬天在地下冬眠洞穴中的主要燃料来源。
冬眠时，地松鼠进入一种叫做麻木的状态。 他们的新陈代谢下降至夏季水平的 1%，并且他们的体温可以骤降至接近冰点。 冬眠大大减少了动物在春天之前生存所需的能量。
长时间的禁食有一个缺点：没有新的蛋白质输入，而蛋白质对于维持身体的组织和器官至关重要。 这对于肌肉来说是一个特殊的问题。
对于人类来说，长时间不活动，比如长时间卧床休息，导致肌肉萎缩。 但冬眠动物的肌肉消耗很少。 尽管有六到九个月不活动且没有摄入蛋白质，它们仍能很好地保持肌肉质量和性能——这是一种非常方便的适应，有助于确保春季繁殖季节的成功。
冬眠者是如何做到这一点的呢？ 它已经真正令人头疼的 几十年来冬眠生物学家。我们的研究 团队解决了通过研究冬眠动物如何获得主要帮助来回答这个问题来自生活在肠道中的微生物。
氮循环系统
我们从之前的研究中得知，冬眠者的胃肠系统发生巨大变化从夏季喂养到冬季禁食的结构和功能。
不仅动物整个冬天都在禁食，它们的肠道微生物也是如此。 与我们的微生物学合作者一起，我们发现冬季禁食会改变肠道微生物组相当多。
然后我们想知道……肠道微生物能否在冬眠过程中发挥功能性作用？ 当大多数不动的动物不进食时，某些细菌能否帮助保持肌肉和其他组织的工作？
生物学家此前在牛等反刍动物身上发现了一个巧妙的技巧，可以帮助它们在饮食中蛋白质摄入量较低或蛋白质需求特别高（例如怀孕期间）的情况下生存。
一个过程称为尿素氮回收允许动物回收氮——构建蛋白质的关键成分——否则氮会作为废物尿素从尿液中排出。 相反，尿素的氮被保留在体内并用于制造氨基酸，即蛋白质的组成部分。
这种打捞操作取决于尿素分子的化学分解以释放氮。 但问题在于：尿素的化学分解需要脲酶，这是一种动物不会产生的酶。 那么，例如，奶牛如何从尿素中获取氮呢？
事实证明，动物肠道内的某些正常微生物可以做到这一点。 他们制造脲酶并用它来化学分解尿素分子，释放出氮，氮成为氨分子的一部分。 然后微生物吸收氨并用它为自己制造新的蛋白质。
反刍动物消化系统的特殊性使这些动物从这个过程中受益匪浅。 但对于其他动物——比如冬眠者和我们——尚不清楚尿素氮是否以及如何进入动物体内以支持蛋白质合成。
这是我们作为科学家面临的挑战：我们能否在冬眠者中证明尿素氮的循环，并证明这对他们禁食的时间越长特别有帮助？
我们的实验性游戏计划
使用13线地松鼠，我们设计了实验来调查尿素氮回收的关键步骤。
首先，我们将尿素分子注入松鼠的血液中，其中两个氮原子被更重的氮原子取代，而这种氮原子在体内自然存在的量很少。
当注射的尿素从血液进入肠道，然后微生物脲酶将尿素分解为其组成部分，最后分解为松鼠的组织代谢物和蛋白质时，我们能够跟踪这些较重的氮原子。
无论我们在哪里看到较高水平的重氮，我们都知道尿素是氮的来源，因此肠道微生物必须负责将尿素氮带回动物体内。
为了确认微生物正在进行氮循环，我们将具有正常肠道微生物组的松鼠与没有正常肠道微生物组的松鼠进行了比较。
我们在一年中的三个时间用抗生素治疗一些动物以减少肠道微生物：夏季； 初冬，他们进入禁食和冬眠一个月； 冬末，他们进入禁食和冬眠状态四个月。
在具有正常微生物组的松鼠中，我们在测试过程的每个步骤中都看到了尿素氮回收的证据。 但微生物组耗尽的松鼠表现出最小的尿素氮回收率。
我们的观察证实，这一过程确实依赖于肠道微生物在冬眠者肠道中分解尿素并释放氮的能力。 冬眠者的肝脏和肌肉组织在冬末吸收了最多的尿素氮——也就是说，它们冬眠且没有食物的时间越长。
我们还发现地松鼠对这种显着的共生关系做出了贡献。
在冬眠期间，它们的肠道细胞会增加称为尿素转运蛋白的蛋白质的产生。 这些分子驻留在肠细胞膜中，并将尿素从血液引导到肠道，在那里发现含有尿素酶的微生物。
这种帮助意味着动物在冬眠期间产生的少量尿素可以更容易地进入肠道。
最后，我们发现从这个过程中受益的不仅仅是松鼠。 微生物也利用尿素氮来构建自己的蛋白质，这表明尿素氮回收在漫长的冬季禁食期间为双方提供了这种重要的分子构建模块。
这种共生可以帮助人类吗？
这个冬眠者与微生物共生的例子具有潜在的临床应用。
例如，营养不良影响着全球数百万人，导致肌肉质量逐渐下降并损害健康。
肌肉减少症是一种肌肉萎缩，是衰老的自然现象，会损害活动能力，使人们更容易受伤。 详细了解当组织损失和肌肉萎缩的风险最大时，冬眠器氮气挽救系统如何最有效，可能会导致新的疗法来帮助处于类似情况的人们。
另一个潜在的应用是载人航天，在此期间机组人员会经历肌肉萎缩率高这是因为微重力引起的肌肉蛋白质合成抑制。
即使宇航员为抵消这一影响而进行的广泛锻炼也还不够。 一种基于微生物组的对策可以促进肌肉蛋白质的合成，类似于我们在冬眠者中观察到的过程，可能值得研究。
这些应用虽然理论上是可行的，但离交付还有很长的路要走。 但 20 世纪 90 年代的研究表明，人类有能力在肠道微生物的帮助下回收少量的尿素氮。 因此，必要的机制已经就位，只需要优化即可。
汉娜诉凯里，兽医学院比较生物科学名誉教授，威斯康星大学麦迪逊分校和马修·里根，生物科学助理教授，蒙特利尔大学。
