“低效率”的线粒体，让海獭在水中保持温暖｜Science

海獭向我们证明，肌肉除了负责运动，还能产生热量。

对动物来说，在寒冷的环境中生存是很难的。当身体感到寒冷时，包括大脑和肌肉在内的器官的运作都会减速。

爬行动物和两栖动物等动物的体温主要取决于环境的温度，但哺乳动物可以加快新陈代谢，使用更多的能量来温暖自己的身体。这使得它们能够生活在较冷的地区，并在夜间或冬季气温下降时保持活跃。

尽管科学家们知道哺乳动物可以在寒冷的环境中加快新陈代谢，但还不清楚哪些器官或组织会利用这些额外的能量来产生更多的热量。对于海獭这样的小型水生哺乳动物来说，保持温暖尤其具有挑战性。而了解能适应寒冷生活的动物们的能量消耗，或许能为控制人类的新陈代谢提供线索。

对于生活在水里的哺乳动物来说，保持体温尤其困难，因为水把热量从身体里传导出去的速度比空气快得多。因此，大多数海洋哺乳动物体型庞大，并拥有厚厚的一层脂肪或鲸脂用来隔热。

海獭是海洋哺乳动物中体型最小的，没有这么厚的脂肪层。取而代之的是一层浓密的毛发，其密度是哺乳动物当中最大的，达到每平方英寸 100 万根。然而，这种皮毛的保养代价很高，需要经常梳理。海獭的日常活动中，大约有 10% 的活动量是为了保持它们皮毛中空气的绝缘层。

浓密的皮毛本身不足以让海獭保暖。为了产生足够的体温，它们在休息时的代谢率比大多数体型相近的哺乳动物高出约三倍。然而，这种高代谢率也是有代价的。

为了获得足够的能量来满足这种高需求，海獭每天必须吃掉超过自身体重 20% 的食物。相比之下，人类摄入的食物约占其体重的 2%——一个 155 磅（70 公斤）的人每天摄入的食物约为 3 磅（1.3 公斤）。

当动物进食时，食物中的能量不能被细胞直接利用。实际上，食物会被分解成简单的营养物质，如脂肪和糖，然后这些营养物质在血液中运输并被细胞吸收。

在细胞内有一种叫做线粒体的“隔间”，营养物质在那里被转化为 ATP——一种作为细胞能量货币的高能分子。

将营养物质转化为 ATP 的过程类似于水坝将储存的水转化为电力的过程。当水从大坝流出时，它通过与发电机相连的旋转叶片发电，类似于风力驱动风车叶片。如果大坝漏水，一些水或储存的能量就会流失，不能用来发电。

同样，有能量泄漏的线粒体从营养物质中产生ATP的效率较低。虽然线粒体中泄漏的能量不能用于工作，但它会产生热量来温暖海獭的身体。

身体的所有组织都要消耗能量并产生热量，但有些组织比其他组织更大、更活跃。肌肉占大多数哺乳动物体重的 30%。当运动时，肌肉消耗大量能量并产生大量热量。毫无疑问，你肯定经历过这种情形，无论是在运动中感到变热，还是在寒冷时发抖。

为了找出肌肉代谢是否有助于海獭保暖，研究团队分析了海獭的小肌肉样本，样本涵盖体积大小和年龄不等的小肌肉组织，分别来自新生到成年的海獭。研究团队把肌肉样本放在专门监测耗氧量的容器里，以检测消耗了多少能量。通过添加不同溶液，刺激或抑制各种代谢过程，实验确定了线粒体可以使用多少能量来产生 ATP，以及有多少能量泄漏用于产生热量。

研究发现，海獭肌肉中的线粒体可能非常容易泄漏能量，这使得海獭可以在不进行体力活动或颤抖的情况下提高肌肉中的热量。事实证明，海獭的肌肉擅长“不高效”：在将营养转化为肌肉做功的过程中，能量以热量的形式“流失”，这使得海獭能够在寒冷中生存。

值得注意的是，研究发现新生幼崽的新陈代谢能力与成年海獭相同，尽管它们的肌肉还没有成熟到可以进行游泳和潜水的程度。

我们的研究清楚地表明，肌肉不仅仅对运动很重要。由于肌肉在身体中占了很大的比例，所以肌肉代谢的一点点增加就能大幅度增加动物的能量消耗。

这对人类健康有重要影响。如果科学家们发现了能够安全且可逆地增加骨骼肌静息状态代谢的方法，医生们可能会将其作为一种治疗手段，如通过增加患者可燃烧的卡路里量，来降低肥胖率的上升。反之，减少骨骼肌代谢也可为癌症或其他消耗性疾病患者保存能量，并可减少支持宇航员进行长期太空飞行所需的食物和资源。

【标题】Skeletal muscle thermogenesis enables aquatic life in the smallest marine mammal

【作者】Traver Wright, Randall W. Davis, Heidi Christine Pearson, Melinda Sheffield-Moore

【期刊】Science

【日期】9 July 2021

【DOI】10.1126/science.abf4557

【链接】https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf4557

【摘要】Basal metabolic rate generally scales with body mass in mammals, and variation from predicted levels indicates adaptive metabolic remodeling. As a thermogenic adaptation for living in cool water, sea otters have a basal metabolic rate approximately three times that of the predicted rate; however, the tissue-level source of this hypermetabolism is unknown. Because skeletal muscle is a major determinant of whole-body metabolism, we characterized respiratory capacity and thermogenic leak in sea otter muscle. Compared with that of previously sampled mammals, thermogenic muscle leak capacity was elevated and could account for sea otter hypermetabolism. Muscle respiratory capacity was modestly elevated and reached adult levels in neonates. Premature metabolic development and high leak rate indicate that sea otter muscle metabolism is regulated by thermogenic demand and is the source of basal hypermetabolism.

参考来源：https://theconversation.com/sea-otters-demonstrate-that-there-is-more-to-muscle-than-just-movement-it-can-also-bring-the-heat-165804

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