زندگی در سرما برای حیوانات دشوار است. با سرد شدن بدن، اندام ها از جمله مغز و ماهیچه ها کند می شوند. دمای بدن حیواناتی مانند خزندگان و دوزیستان بیشتر به دمای محیط بستگی دارد، اما پستانداران می توانند متابولیسم خود را افزایش دهند و انرژی بیشتری برای گرم کردن بدن خود مصرف کنند. این به آنها اجازه می دهد در مناطق سردتر زندگی کنند و در شب یا در ماه های زمستان که دما کاهش می یابد فعال بمانند.
اگرچه دانشمندان می دانند که پستانداران می توانند متابولیسم خود را در سرما افزایش دهند، اما مشخص نیست که کدام اندام ها یا بافت ها از این انرژی اضافی برای تولید گرمای بیشتر استفاده می کنند. گرم ماندن یک چالش خاص برای پستانداران آبزی کوچک مانند سمورهای دریایی است. بنابراین محققان می خواستند بدانند چگونه آنها برای زنده ماندن در سرما سازگار شدند. برای یک مطالعه جدید، چندین متخصص در زمینه متابولیسم انسان و پستانداران دریایی همکاری کردند. هایدی پیرسون از دانشگاه جنوب شرقی آلاسکا و مایک موری از آکواریوم خلیج مونتگومری در این گروه حضور داشتند.
درک مصرف انرژی حیواناتی که با زندگی در شرایط سرد سازگار شده اند نیز می تواند شواهدی برای دستکاری متابولیسم انسان ارائه دهد.
متابولیسم سمورها
گرم ماندن به خصوص برای پستاندارانی که در آب زندگی می کنند دشوار است، زیرا آب خیلی سریعتر از هوا گرما را از بدن دفع می کند. بیشتر پستانداران دریایی دارای جثه بزرگ و لایه ضخیم چربی هستند که به عنوان عایق عمل می کند.
سمورهای دریایی کوچکترین پستانداران دریایی هستند و این لایه ضخیم چربی را ندارند. در عوض، آنها از خز جدا می شوند که بیشترین تراکم را در بین پستانداران دارد (یک میلیون مو در هر 5.6 سانتی متر مربع). با این حال، کت نیاز به نگهداری بالایی دارد و باید به طور منظم تمیز شود. حدود 10 درصد از فعالیت های روزانه سمورها صرف محافظت از لایه عایق هوا در خز آنها می شود.
خز ضخیم به تنهایی برای گرم نگه داشتن سمور کافی نیست. برای تولید گرمای کافی بدن، متابولیسم آنها در حال استراحت تقریباً سه برابر بیشتر از پستانداران با جثه مشابه است. با این حال، این نرخ بالای متابولیسم گران است.
سمورهای دریایی باید روزانه بیش از 20 درصد وزن بدن خود را بخورند تا انرژی کافی برای تامین نیازهای بالای خود داشته باشند. در مقابل، افراد حدود دو درصد از وزن بدن خود را می خورند. (حدود 1/3 کیلوگرم غذا در روز برای هر نفر حدود 70 کیلوگرم وزن دارد.)
سمورهای دریایی در خلیج مونتری، کالیفرنیا، خرچنگ قاصدک می خورند
گرما از کجا می آید؟
هنگامی که حیوانات غذا می خورند، سلول های بدن نمی توانند از انرژی موجود در غذا به طور مستقیم برای انجام وظایف خود استفاده کنند. در عوض، غذا به مواد مغذی ساده مانند چربی ها و قندها تجزیه می شود. سپس این مواد مغذی توسط خون منتقل شده و توسط سلول های بدن جذب می شوند.
در داخل سلول ها جزئی به نام میتوکندری وجود دارد که در آن مواد مغذی به ATP، یک مولکول پر انرژی که به عنوان منبع انرژی استفاده می شود، تبدیل می شود.
فرآیند تبدیل مواد مغذی به ATP مشابه فرآیند تبدیل سد آب انباشته شده به برق است. هنگامی که آب از سد عبور می کند، با چرخاندن پره های متصل به ژنراتور، برق تولید می کند. اگر سد نشت کند، مقداری آب (یا انرژی انباشته شده) از بین می رود و نمی توان از آن برای تولید برق استفاده کرد. به طور مشابه، میتوکندری های نفوذپذیر در تولید ATP از مواد مغذی کارایی کمتری دارند. اگرچه انرژی آزاد شده در میتوکندری نمی تواند برای انجام کار استفاده شود، اما گرمایی تولید می کند که بدن عثمانی را گرم می کند.
تمام بافت‌های بدن انرژی مصرف می‌کنند و گرما تولید می‌کنند، اما برخی از بافت‌ها بزرگ‌تر و فعال‌تر از بقیه هستند. ماهیچه ها 30 درصد وزن بدن اکثر پستانداران را تشکیل می دهند. عضلات در حین تمرین انرژی زیادی مصرف می کنند و گرمای زیادی تولید می کنند. بدون شک این حالت را هنگام گرم کردن بدن در حین ورزش و هنگام لرزیدن در سرما تجربه کرده اید.
برای اینکه بفهمند آیا متابولیسم ماهیچه ها به گرم شدن سمورها کمک می کند، محققان نمونه های کوچکی از ماهیچه های سمور را در اندازه ها و سنین مختلف (از توله سگ های تازه متولد شده تا سمورهای بالغ) مورد مطالعه قرار دادند. آنها نمونه‌های عضلانی را در اتاقک‌های کوچکی قرار دادند که برای نظارت بر مصرف اکسیژن، معیاری برای اندازه‌گیری مصرف انرژی طراحی شده بود.
با افزودن محلول‌های مختلف که فرآیندهای متابولیک مختلف را تحریک یا مهار می‌کنند، محققان تعیین کردند که میتوکندری چقدر انرژی برای تولید ATP مصرف می‌کند و چه مقدار انرژی می‌تواند به گرما تبدیل شود. محققان دریافته‌اند که میتوکندری در ماهیچه‌های سمور می‌تواند به میزان زیادی نشت کند و به سمورها اجازه دهد تا بدون فعالیت بدنی یا لرزش، گرمای ماهیچه‌های خود را افزایش دهند. انرژی از دست رفته به شکل گرما به آنها کمک می کند تا در سرما زنده بمانند. لازم به ذکر است که توله سگ های تازه متولد شده دارای ظرفیت متابولیکی یکسانی با بزرگسالان هستند. حتی اگر ماهیچه های آنها هنوز به اندازه کافی برای شنا و غواصی بالغ نشده باشد.
یک مادر عثمانی با دست به نوزادش غذا می دهد و تکه های خرچنگ را به او می دهد
نتایج جامع تر
محققان می گویند مطالعه آنها به وضوح نشان می دهد که عضلات برای کارهای خارج از حرکت مهم هستند. از آنجایی که عضله بخش بزرگی از وزن بدن را تشکیل می دهد، حتی افزایش اندک در متابولیسم ماهیچه ها می تواند به طور چشمگیری مصرف انرژی حیوان را افزایش دهد.
این کشف پیامدهای مهمی برای سلامت انسان دارد. اگر دانشمندان بتوانند راه‌هایی برای افزایش ایمن و برگشت‌پذیر متابولیسم ماهیچه‌های اسکلتی در حالت استراحت بیابند، پزشکان احتمالاً می‌توانند از آن به عنوان ابزاری برای کاهش سرعت رو به رشد چاقی با افزایش میزان کالری که بیمار می‌سوزاند، استفاده کنند. برعکس، کاهش متابولیسم ماهیچه های اسکلتی می تواند در مصرف انرژی در بیماران مبتلا به سرطان یا سایر بیماری های ناتوان کننده صرفه جویی کند و همچنین می تواند غذا و منابع مورد نیاز برای کمک به فضانوردان را در مسافت های طولانی کاهش دهد.