“涡轮增压”的Mitochondria为鸟类史诗般的迁徙之旅提供动力
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‘Turbocharged’ Mitochondria Power Birds’ Epic Migratory Journeys Comment
“涡轮增压”的Mitochondria为鸟类史诗般的迁徙之旅提供动力
By Elizabeth Landau May 19, 2025 飞行肌肉细胞内细胞器的数量、形状、效率和相互连接性的变化为鸟类跨越大陆的壮举提供了额外的能量。
Introduction
By Elizabeth Landau Contributing Writer
May 19, 2025
White-crowned sparrow重约1盎司，在每年的春季迁徙中可以飞行2600英里，从墨西哥到阿拉斯加，有时一个晚上可以飞行300英里。 Arctic terns甚至会进行更长的旅程，从北极圈到南极洲的10,000英里或更多，而great snipes则飞越食物贫乏的沙漠和海洋，有时会在四天内不停地覆盖4200英里。
在迁徙季节，许多鸟类物种成为跨越大陆、耐力极强的运动员。Soren Coulson说：“它们每秒钟拍打翅膀数次，一次最多拍打8个小时。”他在University of Memphis研究迁徙生理学。 对于人类来说，相当于连续几天不吃、不喝、不休息地跑步——这是难以想象的壮举。
Paulo Mesquita说：“我们只是惊叹并对这些鸟类如何在不停歇的情况下飞行数千英里，而且强度很高，而我们大多数人几乎跑不完5公里。”他在Oklahoma Medical Research Foundation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之前和期间发生的生理变化着迷。 有些鸟类在旅程开始前会吃掉大量脂肪，体重增加一倍。 在某些物种中，它们的心脏会增大以泵出更多的血液，或者它们的消化道会生长然后缩小。 但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，以在不进食的情况下保持数天的高空飞行。
去年，两个独立的研究小组发表了研究成果，他们在实验室和野外探索了迁徙鸟类的生理学，以探究亚细胞水平上发生的情况，这些情况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、效率和相互连接性的微小变化如何产生巨大的生理后果，从而促进鸟类的长时间、跨越大陆的飞行。
Mesquita说：“运动生理学家研究Mitochondria，因为它们提供维持健康细胞、维持适当细胞功能所需的能量——而且通常是我们需要锻炼的能量。” “这种能量是运动的燃料。”
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To Paulo Mesquita, an exercise physiologist, mitochondria are the center of the universe.
Courtesy of Paulo Mesquita/OMRF
Auburn University的Wendy Hood说，这些关于线粒体性能和鸟类迁徙的开创性研究突出表明，触发关键亚细胞变化的是对不断变化的光照水平的季节性反应，而不是身体准备； Mesquita在他的研究生学习期间与她和其他同事一起研究了这些问题。
她说，人类“必须训练一段时间才能开始看到Mitochondria性能的任何变化”。 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。”
University of Rhode Island的野生动物生态学和生理学教授Scott McWilliams说，最近的研究推进了这样一种观点，即生物体可以在不改变其基本遗传组成的情况下，以重要的方式对环境做出反应，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。
他说：“这样的主题对于理解迁徙期间的鸟类如何完成它们的运动壮举至关重要。”
不是你教科书里的Mitochondria
Mitochondria通常被称为细胞的动力源，它是一种细胞器，可从食物（如葡萄糖和脂肪酸）中吸收氧气和分子，以产生三磷酸腺苷或ATP，ATP是大多数代谢过程的燃料。 高中生物学生会学到这一点。 但最近的研究表明，Mitochondria比任何人意识到的都更加复杂和动态。
Oklahoma Medical Research Foundation的Paulo Mesquita 这些鸟类在不停歇的情况下飞行数千英里，而且强度很高，而我们大多数人几乎跑不完5公里。
Western University Center for Animals on the Move主任Christopher Guglielmo说：“人们认为所有Mitochondria或多或少都是相同的。” “这种观点，尤其是在过去十年左右，已经发生了变化。”
让科学家研究Mitochondria活动的新工具揭示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。 这些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或专门用于不同的功能。
这些关于Mitochondria的发现导致了对某些动物行为进化的新理解。 Hood说：“在过去十年左右，你才会看到越来越多的研究从生态和进化的角度来看待Mitochondria。” “Mitochondria当然是进化过程的重要目标。”
例如，Guglielmo的同事Jim Staples在Western University研究动物新陈代谢，他已经表明，冬眠的ground squirrels通过大幅降低Mitochondria的性能来降低它们的新陈代谢，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生存很长时间。 鸟类迁徙专家Guglielmo从他的同事那里获得灵感，探索对Mitochondria的改变是否也能解释迁徙鸟类的长途飞行超能力。
Coulson当时是Staples和Guglielmo的研究生，他领导了一项关于yellow-rumped warbler的研究，这是一种鸣禽，它在加拿大（它的筑巢地）和它在美国、墨西哥和加勒比海的越冬地之间迁徙。 首先，在鸟类秋季迁徙期间，他们捕获了南下的鸣禽并将它们带到实验室。 在那里，他们控制了鸟类暴露在光线和黑暗中的程度，以创建两组“迁徙”和“非迁徙”莺的实验室组。 然后，他们寻找鸟类Mitochondria的差异。
研究人员取出鸟类的飞行肌肉（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耗氧量，这可以作为Mitochondria产生多少ATP来收缩这些肌肉的替代指标。
与非迁徙的鸟类相比，迁徙鸟类的Mitochondria性能是否有所不同？
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，需要为肌肉收缩提供能量。” “其中一些鸟类可以在夜间以非常高的运动强度飞行长达数小时。”
科学家们发现，经历“迁徙”条件的鸟类有更多的Mitochondria，并且与“非迁徙”鸟类相比，这些Mitochondria具有更大的产生能量的能力。 这表明在迁徙期间，鸟类的Mitochondria被“涡轮增压”，Coulson说。 然后，在旅程结束后，Mitochondria的景象恢复到其通常状态。 研究人员于2024年在_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，他们就可以停止将能量浪费在他们不再需要用于一年中那个时候的特征上。”
强大的MitoMobile
Auburn的Hood实验室的研究生Emma Rhodes从小就喜欢鸟类，小时候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握住并释放一只yellow-rumped warbler（她的“spark bird”）时，对观鸟的兴趣演变成了对研究它们的兴趣。“近距离地看到它，就像在你手中一样，然后飞走——感觉就像，‘好吧，这就是我想做的事情，’”Rhodes说。
Emma Rhodes at Auburn University found more numerous and efficient mitochondria in the flight muscles of migratory sparrows compared to nonmigratory ones.
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：迁徙鸟类的Mitochondria性能与非迁徙鸟类是否有所不同？
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进行迁徙。 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：沙发、冷藏离心机、实验台和其他分析Mitochondria所需的科学设备。 尽管遇到了发电机故障，但流动的“MitoMobile”实验室让科学家们可以在不同的地点收集white-crowned sparrow并当场检查它们的Mitochondria。
Rhodes和同事们利用了white-crowned sparrow亚种之间的一个已知差异：有些迁徙，有些则不迁徙。 Gambel's white-crowned sparrow在加利福尼亚州和阿拉斯加之间季节性地飞行，而Nuttal's white-crowned sparrow常年生活在加利福尼亚州海岸。 研究人员在Yosemite National Park附近捕获了迁徙的Gambel's sparrow，已知这些鸟类在迁徙期间会在那里休息，并在旧金山以北的Marin Headlands捕获了非迁徙的Nuttal's sparrow。
与加拿大的研究小组独立，Rhodes和她的同事发现，与不迁徙的鸟类相比，迁徙的white-crowned sparrow的飞行肌肉具有更多且更高效的Mitochondria，它们使用更多的氧气。 虽然Mitochondria的耗氧量在迁徙期间最高，但研究人员观察到它在鸟类开始迁徙之前就增加了。
利用来自同一批鸟类的数据，Mesquita探索了哪些机制可能是导致Mitochondria性能提高的原因。 他将搜索重点放在与Mitochondria重塑相关的蛋白质标记物上，即细胞器通过融合或断裂来改变形状的位置。
Mesquita和他的同事在迁徙鸟类的胸肌（对飞行至关重要）中发现了动态Mitochondria变化的蛋白质标记物，而在它们的腿部肌肉或任何非迁徙鸟类的肌肉中则较少。 这些标记物与Mitochondria消耗氧气并因此产生能量的程度相关。
该理论认为，一些Mitochondria融合以改善ATP的产生，而另一些Mitochondria则分离以去除功能失调的部件。 Hood说：“我们不知道这是否完全是正在发生的事情，但显然正在发生一些形态变化。”
这些发现表明，Mitochondria形状的改变可能在为鸟类提供长途飞行能量方面发挥直接作用——这种细胞适应有助于解释为什么如此小的鸟类可以迁徙如此遥远的距离。
然而，涡轮增压的Mitochondria也有缺点。 在提供能量的过程中，Mitochondria会产生有害分子，称为活性氧，会导致心血管疾病等健康影响。 如果迁徙鸟类积累了更多数量和更强大的Mitochondria，它们如何应对这种权衡？
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饮食可能是一个答案。 McWilliams及其同事的研究表明，迁徙鸟类热衷于食用富含抗氧化剂的水果，这些抗氧化剂可以抵消这些有害分子。 他们的实验还表明，抗氧化剂维生素E可以进入Mitochondria在实验室饲养的鸟类的飞行肌肉中，但只有那些经过飞行训练的鸟类才能进入。 这可能会抵消甚至在微小细胞器水平上的氧化应激。 McWilliams说，从根本上更多地了解Mitochondria如何在不过度产生活性氧的情况下为鸟类提供额外的能量是该研究方向中“必要的下一步”。
今天，Mesquita已经从鸟类转向人类。 在亚细胞水平上研究迁徙鸟类是否对人类有任何实际应用是有争议的，但Mitochondria在人类衰老中很重要，这正是Mesquita现在研究的。 他仍然想知道是否可以开发一种人类锻炼计划，甚至是一种药物，以增加Mitochondria的总体数量和效率——有效地像鸟类一样重塑它们。
无论这是否可能，他都确信“Mitochondria是宇宙的中心”，他引用一位同事的话说。 随着研究细胞器的更好工具的开发，越来越多的迹象表明，许多生理适应和疾病都归结为Mitochondria功能。 从人类锻炼到鸟类迁徙，“我认为这一切都是相关的，”他说。