Морские выдры показывают, что мышцы нужны не только для движения, но и для обогрева

Жизнь в холоде трудна для животных. При охлаждении тела органы, включая мозг и мышцы, замедляют работу.

Температура тела таких животных, как рептилии и амфибии, в основном зависит от температуры окружающей среды, но млекопитающие могут увеличивать свой метаболизм, используя больше энергии для обогрева тела. Это позволяет им жить в холодных регионах и оставаться активными при ночном или зимнем похолодании.

Хотя учёным известно, что млекопитающие могут увеличивать метаболизм на холоде, не было ясно, какие именно органы или ткани используют эту дополнительную энергию для выработки тепла. Согревание особенно сложно для небольших водных млекопитающих, таких как морские выдры, поэтому мы хотели понять, как они адаптировались к выживанию в холоде.

Мы собрали исследовательскую группу с опытом в метаболизме человека и морских млекопитающих, включая Хайди Пирсон из Университета Аляски и Майка Мюррея из Аквариума залива Монтерей. Понимание использования энергии у животных, адаптированных к холоду, также может дать ключи к управлению человеческим метаболизмом.

Метаболизм морской выдры

Водным млекопитающим особенно трудно сохранять тепло, потому что вода отводит тепло от тела гораздо быстрее воздуха. У большинства морских млекопитающих крупное тело и толстый слой жира (ворвани) для теплоизоляции.

Морские выдры — самые мелкие из морских млекопитающих и не имеют этого толстого слоя. Вместо этого их изолирует самый густой мех среди млекопитающих — до миллиона волосков на квадратный дюйм. Однако этот мех требует тщательного ухода, включая регулярный груминг. Около 10% ежедневной активности выдры тратится на поддержание изолирующего слоя воздуха, захваченного в меху.

Одного густого меха недостаточно, чтобы согреть выдру. Для выработки достаточного количества тепла их скорость метаболизма в состоянии покоя примерно в три раза выше, чем у большинства млекопитающих схожего размера. Но у этого высокого метаболизма есть цена.

Чтобы получить достаточно энергии, выдры должны съедать более 20% своей массы тела в день. Для сравнения, люди съедают около 2% массы тела — примерно 1,3 кг пищи в день для человека весом 70 кг.

Откуда берётся тепло?

Когда животные едят, энергия из пищи не может быть использована клетками напрямую. Вместо этого пища расщепляется на простые питательные вещества (жиры, сахара), которые транспортируются кровью и поглощаются клетками.

Внутри клеток находятся митохондрии, где питательные вещества превращаются в АТФ — высокоэнергетическую молекулу, которая служит энергетической валютой клетки.

Процесс преобразования питательных веществ в АТФ можно сравнить с плотиной, превращающей запасённую воду в электричество. Если плотина протекает, часть воды (или запасённой энергии) теряется и не может быть использована. Аналогично, «протекающие» митохондрии менее эффективны в производстве АТФ. Хотя утекающая энергия не может быть использована для работы, она генерирует тепло для обогрева тела выдры.

Все ткани тела используют энергию и производят тепло, но некоторые ткани крупнее и активнее других. Мышцы составляют 30% массы тела у большинства млекопитающих. При активности они потребляют много энергии и производят много тепла.

Чтобы выяснить, помогает ли метаболизм мышц согревать выдр, мы изучили небольшие образцы мышц выдр разного размера и возраста — от новорождённых щенков до взрослых особей. Мы помещали образцы в камеры для мониторинга потребления кислорода (меры использования энергии). Добавляя различные растворы, стимулирующие или ингибирующие метаболические процессы, мы определяли, сколько энергии митохондрии могут использовать для производства АТФ, а сколько может уйти в теплопродуцирующую «утечку».

Мы обнаружили, что митохондрии в мышцах морских выдр могут быть очень «протекающими», позволяя выдрам повышать температуру в мышцах без физической активности или дрожи. Оказалось, что мышцы выдры хороши в неэффективности. Энергия, «теряемая» в виде тепла при превращении питательных веществ в движение, позволяет им выживать в холоде.

Примечательно, что мы обнаружили, что новорождённые щенки обладают такой же метаболической способностью, как и взрослые, хотя их мышцы ещё не созрели для плавания и ныряния.

Более широкие последствия

Наше исследование ясно показывает, что мышцы важны не только для движения. Поскольку мышцы составляют такую большую часть массы тела, даже небольшое увеличение мышечного метаболизма может резко повысить количество энергии, используемой животным.

Это имеет важные последствия для здоровья человека. Если учёные найдут способы безопасного и обратимого увеличения метаболизма скелетных мышц в покое, врачи смогут использовать это как инструмент для борьбы с ожирением, увеличивая количество сжигаемых калорий. И наоборот, снижение метаболизма скелетных мышц могло бы сохранять энергию у пациентов с онкологическими или другими истощающими заболеваниями, а также сократить потребность в пище и ресурсах для поддержки астронавтов в длительных космических полётах.