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physiology

“Turbocharged” Mitochondria 为鸟类史诗般的迁徙之旅提供动力

作者： Elizabeth Landau 2025 年 5 月 19 日 飞行肌肉细胞中细胞器的数量、形状、效率和互连性的变化为鸟类跨越大陆的壮举提供了额外的能量。 评论 保存文章 稍后阅读 一个钥匙的插图，上面装饰着一个线粒体，插在一个上了发条的鸟的背面。 小鸟是如何长途迁徙的？Mitochondria是关键。 Nan Cao 为 Quanta Magazine 供图

引言

作者：Elizabeth Landau 特约撰稿人 2025 年 5 月 19 日 查看 PDF/打印模式 animals biology birds ecology energy metabolism mitochondria physiology All topics (在新标签页中打开) White-crowned sparrow 的重量仅为一盎司，每年春天迁徙时可以飞行 2,600 英里，从墨西哥到阿拉斯加，有时一个晚上飞行 300 英里。北极燕鸥甚至会从北极圈到南极洲进行 10,000 英里甚至更长的旅程，而大鹬则飞越食物匮乏的沙漠和海洋，有时在四天内不停地覆盖 4,200 英里。

在迁徙季节，许多鸟类物种都成为了跨越大陆、耐力极强的运动员。Soren Coulson (opens a new tab)说：“它们每秒钟拍打翅膀数次，一次最多可拍打 8 个小时”，他在孟菲斯大学研究迁徙生理学。对于人类来说，相当于一个壮举——例如，连续数天不停地跑步，没有食物、水或休息——是无法想象的。

Paulo Mesquita (opens a new tab)说：“我们只是感到惊讶，并且对这些鸟类如何在不停歇的情况下飞行数千英里，并且以极高的强度飞行感到好奇，而我们大多数人几乎无法跑完 5 公里”，他在俄克拉荷马医学研究基金会研究线粒体生理学和肌肉衰老。

长期以来，科学家们一直对鸟类在迁徙前后发生的生理变化 (opens a new tab)着迷。有些鸟类在旅程之前会吃很多脂肪，以至于体重增加一倍。在某些物种中，它们的心脏会增大以泵送更多的血液，或者它们的消化道会增大然后缩小。但是，研究人员直到最近才开始从根本上探索迁徙鸟类如何获得所需的能量，以使自己能够连续数天在空中飞行而无需进食。

去年，两个独立的团队发表了研究，在实验室和野外探索了迁徙鸟类的生理机能，以探究在亚细胞水平上发生了什么，使鸟类能够覆盖广阔的距离。他们都在生物学最基本的引擎中找到了答案：Mitochondria。

他们的研究表明，Mitochondria 的数量、形状、效率和互连性的微小变化如何对鸟类的长时间、跨越大陆的飞行产生巨大的生理影响。

Mesquita 说：“运动生理学家研究 Mitochondria，因为它们提供了维持健康细胞、维持适当细胞功能所需的能量，而且通常来说，也提供了我们运动所需的能量”。“那种能量是推动运动的动力。”

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她说，人类“必须经过一段时间的训练，才能开始看到我们 Mitochondria 的性能发生任何变化”。对于迁徙鸟类，“现在是春天，它们得到了正确的光照周期，它们的身体开始产生更多、更好或更高质量的 Mitochondria。”

罗德岛大学野生动物生态学和生理学教授 Scott McWilliams (opens a new tab) 说，最近的研究推进了一种观点，即生物体可以在不改变其潜在遗传结构的情况下，以重要的方式对其环境做出反应，他没有参与这两项研究。鸟类的这种“表型灵活性”已被证明会根据季节和种群而变化，这些研究是首次在 Mitochondria 水平上跨物种和亚种证明这一点的一些研究。

他说：“这样的主题对于理解迁徙期间鸟类如何完成它们的运动壮举至关重要。”

不是你课本上的 Mitochondria

Mitochondria 通常被称为细胞的动力源，是一种细胞器，它从食物中吸收氧气和分子，例如葡萄糖和脂肪酸，以产生三磷酸腺苷或 ATP，这是大多数代谢过程的燃料。高中生物学的学生会学到这一点。但是，最近的研究表明，Mitochondria 比任何人意识到的都更加复杂和动态。

这些鸟类不停地飞行数千英里，并且以极高的强度飞行，而我们大多数人几乎无法跑完 5 公里。 Paulo Mesquita, 俄克拉荷马医学研究基金会 安大略省西安大略大学动物移动中心主任 Christopher Guglielmo (opens a new tab) 说：“有一种假设，即所有 Mitochondria 或多或少都是相同的”。“而且这种观点，尤其是在过去十年左右的时间里，已经发生了变化。”

让科学家研究线粒体活动的新工具发现了令人惊讶的多样性。有些 Mitochondria 比其他 Mitochondria 产生更多的 ATP，或者更有效地产生 ATP。细胞器可以融合或分离，这会改变它们的形状和性能。在某些情况下，Mitochondria 甚至可以在细胞之间迁移 (opens a new tab) 或专门用于不同的功能 (opens a new tab)。

这些关于 Mitochondria 的发现使人们对某些动物行为的进化有了新的理解。Hood 说：“真正只有在过去的十年左右的时间里，您才看到越来越多的研究从生态和进化的角度研究 Mitochondria”。“Mitochondria 肯定是进化过程的重要目标。”

例如，Guglielmo 的同事 Jim Staples (opens a new tab) 在西安大略大学研究动物代谢，他已经证明，冬眠的地松鼠通过大幅降低 Mitochondria 的性能来降低它们的代谢率，这使它们能够使用更少的分子能量，因此可以在不进食的情况下长时间地生存过冬。Guglielmo 是一位鸟类迁徙专家，他从他的同事那里获得了灵感，开始探索 Mitochondria 的变化是否也可以解释迁徙鸟类的长途飞行超能力。 一只棕色的小鸟，有着引人注目的黑白条纹帽子，灰色的脖子和喉咙，以及橙色的喙。 黄腰柳莺（顶部），也被称为 butterbutt，是一种多才多艺的觅食者，在春天捕捉虫子，在秋天吃浆果。白冠麻雀（底部）吃种子（包括来自喂食器）；人们对其歌曲方言进行了深入的研究。 黄腰柳莺（左图），也被称为 butterbutt，是一种多才多艺的觅食者，在春天捕捉虫子，在秋天吃浆果。白冠麻雀（右图）吃种子（包括来自喂食器）；人们对其歌曲方言进行了深入的研究。 Dan Pacano；Frank Schulenburg Coulson 当时是 Staples 和 Guglielmo 的研究生，他领导了一项关于黄腰柳莺的研究，这是一种鸣禽，在加拿大（它在那里筑巢）与其在美国、墨西哥和加勒比海地区的越冬地之间迁徙。首先，在鸟类秋季迁徙期间，他们捕捉了南下的鸣禽，并将它们带到实验室。在那里，他们管理了鸟类对光和黑暗的暴露，以创建两组“迁徙”和“非迁徙”柳莺的实验室组。然后，他们寻找鸟类 Mitochondria 的差异。

研究人员移除了鸟类的飞行肌肉（这需要对它们实施安乐死），并分离出 Mitochondria。然后，他们进行了实验室测试，以测量细胞器的氧气消耗量，这可以作为 Mitochondria 可以产生多少 ATP 来收缩这些肌肉的指标。

Mitochondria 在迁徙鸟类中的表现是否与非迁徙鸟类不同？ Coulson 说：“我们假设当鸟类迁徙时，它们对飞行肌肉有很高的需求，因为它们需要为肌肉收缩提供能量”。“这些鸟类中的一些可以在一夜之间以极高的运动强度飞行长达数小时。”

科学家们发现，与“非迁徙”鸟类相比，经历“迁徙”条件的鸟类拥有更多的 Mitochondria，并且这些 Mitochondria 具有更大的能量产生能力 (opens a new tab)。Coulson 说，这表明在迁徙期间，鸟类的 Mitochondria 是“涡轮增压”的。然后，在旅程完成后，线粒体的状况会恢复到正常状态。研究人员在 2024 年的 Journal of Experimental Biology 上发表了他们的发现。

Coulson 说：“所有这些涡轮增压的 Mitochondria 都变成了常规充电的 Mitochondria，[并且]它们摆脱了多余的 Mitochondria”。“这样，它们就可以停止潜在地将能量浪费在它们在一年中的这个时候不再需要的特征上。”

强大的 MitoMobile

Emma Rhodes 是奥本大学 Hood 实验室的一名研究生，她从小就喜欢鸟类，当时她收到了喂鸟器和她的第一副双筒望远镜作为礼物。后来，当她有机会在阿拉巴马州沿海的一个鸟类环志站手持并释放一只黄腰柳莺（她的“火花鸟 (opens a new tab)”，她说）时，这种对观鸟的兴趣演变为对研究鸟类的兴趣。“近距离地看到它，就像在你的手中一样，然后飞走——这就像，‘好吧，这就是我想做的’”，Rhodes 说。 Emma Rhodes 肖像。 奥本大学的 Emma Rhodes 发现，与非迁徙麻雀相比，迁徙麻雀的飞行肌肉中 Mitochondria 的数量更多、效率更高。 Steven Dixon 与加拿大的研究人员在实验室中模拟迁徙条件不同，Rhodes 和她的同事决定在野外收集迁徙鸟类，以提出类似的问题：Mitochondria 在迁徙鸟类中的表现是否与非迁徙鸟类不同？

为了找到要研究的鸟类，Rhodes 和她的合作者 Mesquita 也需要带着他们的实验室设备一起迁徙。他们驾驶一辆涂有海军蓝和橙色的中型房车从阿拉巴马州往返加利福尼亚州——两次。里面：一个沙发、一个冷藏离心机、实验室工作台和其他分析 Mitochondria 所需的科学设备。尽管遇到了发电机故障，但这种流动的“MitoMobile”实验室使科学家们能够在不同的地点收集白冠麻雀，并在现场检查它们的 Mitochondria。

Rhodes 和同事们利用了白冠麻雀亚种之间已知的差异：有些迁徙，有些则不迁徙。甘贝尔白冠麻雀在加利福尼亚州和阿拉斯加之间季节性飞行，而纳塔白冠麻雀则常年生活在加利福尼亚州海岸。研究人员在约塞米蒂国家公园附近捕捉了迁徙的甘贝尔麻雀，这些鸟类在那里休息，并在旧金山以北的马林岬捕捉了非迁徙的纳塔麻雀。

与加拿大的研究小组独立