Морским выдрам нелегко сохранять тепло.
Большую часть времени животные проводят в воде, которая отсасывает тепло от тела примерно в 23 раза быстрее, чем воздух. Их северо-тихоокеанская среда обитания впечатляет прохладой: температура воды колеблется от нуля до 15 градусов Цельсия (от 32 до 59 градусов по Фаренгейту). Морские выдры также являются самыми маленькими морскими млекопитающими, что означает, что они имеют большую площадь поверхности по отношению к размеру тела, через которую они теряют тепло, и у них нет изолирующей подкожной клетчатки, которая есть у их более массивных родственников.
"У них самый густой мех из всех животных на Земле, но этого все равно недостаточно, чтобы согреться", - говорит Трэвер Райт, физиолог из Техасского университета A&M в Колледж-Стейшене. "Поэтому у них очень ускоренный метаболизм, и считается, что это делается для того, чтобы генерировать тепло и оставаться в тепле".
Он и его коллеги хотели узнать, как эти животные поддерживают скорость метаболизма в состоянии покоя, которая в три раза выше, чем у аналогичных по размеру млекопитающих. Изучив образцы тканей диких и содержащихся в неволе выдр, ученые обнаружили, что тепло, вытекающее из скелетных мышц, может объяснять эту впечатляющую способность.
"У этих парней метаболизм действительно приспособлен к тому, чтобы быть неэффективным", - говорит Райт, который сообщил о результатах исследования 8 июля в журнале Science. "Мышцы могут сжигать много энергии, даже когда они не физически активны".
Скелетные мышцы - наиболее распространенный вид мышц, отвечающий за волевые движения - являются одной из самых метаболически активных тканей организма. Она составляет от 40 до 50 процентов массы тела большинства млекопитающих, что делает ее самой большой тканью в организме. Мышцы выделяют тепло, когда сокращаются во время физических упражнений или дрожи. Однако они также могут выделять тепло в процессе, называемом не дрожательным термогенезом, который, как предполагают Райт и его команда, был решающим для морских выдр.
Исследователи сосредоточились на том, как мышечные клетки получают энергию. Как правило, углеводы расщепляются в клетках с образованием химического вещества под названием пируват. Пируват попадает в энергогенерирующий механизм клетки, известный как митохондрии, для дальнейшего метаболизма. В результате этого процесса высвобождается энергия, которая используется для перемещения протонов, или положительно заряженных частиц, через митохондриальную мембрану. Этот так называемый протонный градиент способствует преобразованию аденозиндифосфата (АДФ) в молекулу аденозинтрифосфата (АТФ), которая является источником энергии.
"АТФ может использоваться для питания клеток - в данном случае мышечной клетки - для питания сокращений и обычных, повседневных энергетических затрат на поддержание жизнедеятельности клетки", - говорит Райт.
Однако иногда поток заряженных частиц, которые превращают АДФ в АТФ, прерывается.
"По сути, маленькие отверстия, проделанные во внутренней мембране, позволяют протонам течь обратно в... центр митохондрии", - говорит Райт.
Это означает, что клетке приходится работать больше, чтобы произвести то же количество АТФ, сжигая энергию и создавая тепло, которое рассеивается вместо того, чтобы быть использованным. Райт и его команда хотели понять метаболическую емкость утечки у морских выдр - термин, означающий, сколько энергии мышцы морских выдр могут "потерять" таким образом.
Ученые собрали небольшие образцы мышц 21 выдры в возрасте от новорожденных до взрослых особей и очистили их от остатков жиров и сахаров, которые клетки могли сжигать для получения энергии, а также от остатков АДФ.
Затем исследователи поместили образцы тканей в герметичную камеру, скормили им пируват и измерили, сколько кислорода израсходовали клетки на метаболизм этого химического вещества. Поскольку клетки не могли производить АТФ, любая их работа была направлена на поддержание работы протонного насоса. Чем интенсивнее работали клетки, тем больше была их "утечка".
Наконец, исследователи снабдили клетки АДФ. Это позволило им изучить, как клетки будут работать в нормальных условиях.
Исследователи обнаружили, что "утечка" энергии составляла до 41 процента от метаболической способности клеток. Утечка энергии у выдр варьировалась примерно от двух до семи раз больше, чем у других млекопитающих, включая аляскинских хаски, людей, лошадей, слоновых тюленей и крыс.
Ученые смогли найти данные только по нескольким видам, поэтому неясно, насколько репрезентативными могут быть эти другие млекопитающие, предупреждает Райт. Однако он и его коллеги также заметили, что метаболическая способность к утечке у новорожденных и содержащихся в неволе выдр была такой же, как у взрослых и диких особей. Это позволяет предположить, что движущей силой их необычно высокой скорости метаболизма является поддержание тепла, а не плавание, добыча пищи или другие виды деятельности.
Использование этого тепла для согревания тела энергетически затратно. Морские выдры вынуждены тратить на еду до половины своего дня. За один день они могут потреблять до четверти массы своего тела в виде пищи.
"Важно понимать, что если емкость утечки есть, это не значит, что она всегда работает на полную мощность", - говорит Райт. Тем не менее, он говорит: "Это подчеркивает важность скелетных мышц не только для того, о чем мы обычно думаем, как о способности позволять нам двигаться, но и для регулирования метаболизма всего организма".
Хотя у людей нет мышц, которые "пропускают" столько тепла, как у выдр, ученые исследуют, можно ли управлять метаболизмом пропускания для регулирования ожирения, добавляет он.
Возможно, что эта неэффективная форма метаболизма была критической адаптацией, которая помогла сухопутным предкам морских млекопитающих заселить Мировой океан, заключают Райт и его коллеги в своей работе.
"Способность мышечной ткани изменяться в соответствии с потребностями выдры, по-видимому, имеет решающее значение для выживания этих животных в условиях, которые мы считаем экстремальными", - говорит он.