Babymuizen ‘schakelen uit’ om extreme kou op de hoogste bergtoppen te overleven

Het is begin 2019, en bioloog Jay Storz heeft moeite om adem te halen. Hij heeft net de top bereikt van Llullaillaco, een Chileense vulkaan die ongeveer driekwart zo hoog is als de Mount Everest, op zoek naar een gerucht.

Op deze hoogte is de lucht ijl, dus er is niet veel zuurstof en elke stap is een inspanning. Storz’s collega, Mario Perez Mamani, ziet beweging tussen de rotsen en Storz komt in actie. Hij grijpt hem met succes en gaat glimlachend achterover zitten. In zijn vuist zit het hoogst levende dier ter wereld: Een geel-rumped blad-oor muis (Phyllotis xanthopygus rupestris).

Ik ben een Canadese bioloog die deel uitmaakt van een internationaal team van wetenschappers waar Storz deel van uitmaakt; wij bestuderen bergtop muizen om te leren hoe dieren zich aanpassen aan extreme omgevingen. Als het aankomt op leven in de hoogte, zijn kleine knaagdieren en lagomorfen (verwanten van konijnen) de onbetwiste kampioenen op grote hoogten van de Andes tot de Himalaya. Onze studiesoort, de Noord-Amerikaanse hertenmuis (Peromyscus maniculatus), komt voor van zeeniveau tot de top van de hoogste Rocky Mountains, waarmee hij het breedste hoogtebereik heeft van alle zoogdieren op het continent.

Als pup extreme omgevingen overleven

De bergtoppen behoren tot de meest extreme omgevingen op aarde, en veel bergtoppen zijn het hele jaar door ijskoud. Voor kleine muizen kan dit een groot probleem zijn. Hun oppervlakte is groot in verhouding tot hun massa, zodat ze snel warmte verliezen.

De meeste warmbloedige dieren zoals vogels en zoogdieren – endothermen – gebruiken energie uit voedsel om hun eigen warmte te maken en te voorkomen dat hun lichaamstemperatuur te laag daalt. Zoogdieren gebruiken spieren om te rillen of een speciaal soort vet, bruin vetweefsel genaamd, dat warmte maakt zonder te rillen. Zowel bibberspieren als bruin vet hebben energie en zuurstof nodig om warmte te maken.

Zuurstof is schaars op een bergtop, maar muizen op grote hoogte hebben een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Hooglandpopulaties van de Noord-Amerikaanse hertenmuis, inheems in de Rocky Mountains en de White Mountains, zijn geëvolueerd om de warmteproductie te maximaliseren. Hun bruine vet en skeletspieren zijn vetverbrandingsmachines, en hun gespecialiseerde cardiovasculaire en ademhalingssystemen leveren alle benodigde zuurstof en brandstof. Het maximaliseren van de warmteproductie betekent dat een volwassen muis meer kans heeft om te overleven op de koude bergtop.

Warmte genereren om te overleven

Sommige zoogdieren worden geboren met volledig functionerende warmte-genererende mechanismen. Maar bij veel soorten rijpen deze systemen na de geboorte. Bij deze dieren – waaronder mensen en muizen – rijpt bruin vet het eerst en neemt het de warmteproductie op zich.

Op zeeniveau heeft het bruine vet van een babymuis ongeveer acht dagen nodig om zich te ontwikkelen. Tegen die tijd zijn de baby’s, of pups, verdrievoudigd in omvang en begint de vacht te groeien. Over nog eens twee korte weken zijn ze oud genoeg om het huis te verlaten, maar deze eerste weken zijn verraderlijk. Door het hoge roofrisico en de energetische kosten van de groei haalt minder dan de helft van de in het wild geboren babymuizen de volwassen leeftijd.

Maar muizen op grote hoogte hebben een verrassende strategie ontwikkeld om deze vroege levensfase te helpen overleven: ze laten zichzelf koud worden. Uit ons onderzoek bleek dat warmteproducerende systemen van hooggelegen hertenmuisjongen langzaam rijpen in vergelijking met muizen uit lager gelegen gebieden. Toen we keken naar de genen die verantwoordelijk zijn voor deze eigenschappen, ontdekten we dat zowel in bruin vet als in skeletspieren de metabolische routes die verband houden met warmteproductie waren uitgeschakeld bij pups op grote hoogte, die voor warmte afhankelijk waren van hun moeder.

Moeder-knaagdieren zitten op hun jongen terwijl deze zogen, zodat ze lekker warm blijven. Als de jongen hun eigen warmte niet kunnen produceren, zal hun lichaamstemperatuur langzaam dalen als de moeder weg is.

Tolerantie voor kou

Mensen krijgen onderkoeling als ons lichaam 2 C daalt, dus dit kan gevaarlijk lijken. Maar babymuisjes zijn opmerkelijk koudetolerant. Hun lichaamstemperatuur kan urenlang bijna tot het vriespunt dalen, en weer opwarmen als hun moeder terugkeert.

Uit ons onderzoek kunnen we afleiden dat muizen op grote hoogte hun energiegebruik sparen om te groeien, in plaats van warm te blijven. De combinatie van kou en zuurstofgebrek betekent dat de meeste zoogdierbaby’s (van mensen tot ratten) niet goed kunnen groeien op grote hoogte.

De hertenmuis is in staat om te overleven tot volwassenheid op grote hoogten vanwege zijn vermogen om metabolische activiteit te vertragen en energie te besparen. Aangezien dit precies de tegenovergestelde strategie is die volwassen hertenmuizen gebruiken, laat ons werk zien hoe belangrijk het is om jonge dieren te bestuderen als we willen begrijpen hoe een soort is geëvolueerd.