Birds' Migratory Mitochondria
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如果你想从洛杉矶到西雅图，你可以选择飞行、驾车或乘坐火车，但让我们假设你需要徒步旅行。路程超过一千英里，所以步行需要几个月的时间。以每小时五英里的平均慢跑速度计算，总共需要超过200个小时。现在想象一下你正在做这件事

慢跑，几乎从不休息。几乎没有食物和水，你认为人体在多久后就无法承受了呢？这就是数百种鸟类年复一年、季节复季节在其迁徙路线上的所作所为。我们这里说的不仅仅是那些在海洋上利用热气流翱翔的海鸟。

我们指的是那些小小的鸣禽，它们日复一日、夜复一夜地用力扇动翅膀。它们是怎么做到的呢？欢迎收听Quanta播客，我们将探索基础科学和数学的前沿领域。我是Samir Patel，Quanta杂志的主编。长途迁徙是自然界最令人惊叹的运动壮举之一。

要理解鸟类是如何做到这一点的，就需要了解一些相当令人惊讶的细胞和分子特性。今天来和我们谈论这个问题的是Quanta的生物编辑Hannah Waters。欢迎，Hannah。你好，Samir。感谢你的邀请。我们总是喜欢从这个问题开始：最大的想法是什么？我们这次谈话的重点是什么？对我来说，最大的想法是，这是一个横跨大陆的全球性动物迁徙现象，

它可以通过亚细胞水平的微观特征来解释。这真是令人惊叹。用最微小的事物来解释最宏大的事物。我认为部分原因是

Hannah，你会非常乐意谈论这个话题，因为你与鸟类有着非常深厚的渊源。那是肯定的。是的。我们要谈论的文章是由记者Liz Landau撰写的，但我担任编辑。我从小就喜欢观鸟。我在高中时上了一门生态学课程，我的老师强迫我们记住当地鸟类的外观。我非常喜欢。

你的，我理解这是观鸟界的一个专业术语，你的“火花鸟”是什么？是什么鸟让你走上了观鸟之路？是的，“火花鸟”是黑顶山雀。它们在北方森林筑巢，但在新泽西州过冬，我就是在那里长大的。它们只是非常可爱的小鸟。它们非常好奇。它们会走近来观察你。我想我一直都很欣赏这一点。

现在，你提到这些都是非常小的鸟，山雀。你说它们从北美北部的北方苔原开始。它们最终到达新泽西州。所以它们正在进行长途迁徙。所以，稍微谈谈迁徙作为一种行为，一种

像这样的小鸣禽的行为？是的，迁徙是鸟类（以及许多动物）的季节性运动，它们从一个地区移动到另一个地区，追踪资源和良好的天气。基本上每个鸟类家族都有一些南北迁徙。它们在北方的北极地区繁殖，那里几乎没有捕食者，食物很多，而且

当冬天太冷的时候，它们就飞回南方，在热带地区过冬。这是一个年度循环，它们每年春天和秋天都要向北飞，然后又飞回南方两次。

自然界中显然有很多形式的迁徙。有垂直迁徙，即水生物种在水柱中向上迁徙，然后向下迁徙。还有非洲角马和其他大型哺乳动物的著名迁徙。然而，所有这些，例如，如果你见过角马，它们就像在大群中漫步一样。是的，这很有挑战性，但沿途有它们可以吃的东西。它们可以随时停下来。

鸟类的迁徙，特别是我们正在谈论的这些小鸣禽的迁徙，有一些不同之处，因为从生理学角度来看，它们的行为方式不同。例如，它们不会带着脚下的食物在北方漫步一段时间。稍微谈谈迁徙作为一项生理壮举是什么样的。我将举几个例子。一个是红喉蜂鸟，这种超小的鸟类是世界上新陈代谢最高的动物之一。

它们每秒扇动翅膀60次。每秒60次？每秒60次。所以它们会离开南美洲，然后几乎连续20个小时飞行，每秒扇动翅膀60次，飞越墨西哥湾。它们的翅膀并不大。它们不会翱翔。它们是一直在扇动翅膀。是的，它们只有一种方式可以做到这一点。所以它们需要几乎整整24个小时不停地扇动翅膀。通常情况下，这些鸟类在正常的觅食过程中必须

每天从许多花朵中吸食花蜜，如果它们甚至错过几朵花，它们就没有足够的能量。因此，显然在迁徙季节会发生一些不同的事情。是的。

另一个例子是长尾滨鹬，这是一种滨鸟。它拥有有史以来追踪到的最长的不间断飞行记录。一只被标记的鸟在阿拉斯加和新西兰之间飞行了8000英里，它在11天内完成了这项飞行，没有停下来觅食或休息。哇。你怎么能连续10天飞行，不休息，不进食？我知道我们将讨论一些分子和细胞方面的事情，

可能正在发生的事情。但在这项新的研究之前，我们从生理学上了解到什么关于鸟类如何完成这项疯狂的运动壮举？

显然会发生生理上的转变。而且似乎当鸟类感觉到白天越来越长，每天的光照时间更多时，就会发生激素变化来测量这一点，它们的激素会发生变化，然后引发所有这些变化。其中之一是，我的意思是，它们吃很多东西。所以它们……

吃很多脂肪，吃大量的浆果。因此，蜂鸟在迁徙前体重会增加一倍。嗯，它只是从半盎司增加到一盎司。蜂鸟的体重并不多。但对于蜂鸟来说，确实很多。你必须承受这个重量。但是是的，许多鸟类的体重会增加一倍。

另一个例子是，某些物种的心脏会增大，以便它们可以将更多的血液泵送到全身。我提到的那些长尾滨鹬会吸收它们不需要的其他器官中的组织。因此，它们会消耗四分之一的肝脏、肾脏和消化道，并将这些物质用于其他地方。哇。所以光线变化。这是一个季节性反应，经过数百万年的进化。是的。

导致激素变化，从而导致所有这些使它们的迁徙能够发生的生理变化。但是，即使你的体重增加了一倍，这又是如何在根本层面上让你能够进行如此巨大的迁徙呢？

这归结于线粒体这种细胞器。好的。那么让我们来谈谈线粒体。它们是什么？在你身体的几乎每个细胞以及任何多细胞动物中都有线粒体，它是一种细胞器。它被称为细胞的动力源，它为细胞提供能量。所以它吸收氧气和葡萄糖或食物。

并将其分解，产生分子能量，然后可以传递并用于细胞中的各种反应。线粒体有趣的一点是，这可以追溯到Lynn Margulis在20世纪60年代提出的一个理论，它很可能最初是一种自由生活的细菌。

所以线粒体是它自己的细胞，独立生活，并拥有处理能量的特殊才能。然后通过一个叫做内共生的过程，一个古老的细胞，也就是我们的祖先，吞噬并与这个细胞形成了关系，这个细胞变成了我们的细胞线粒体。有些人推测线粒体是你可以拥有多细胞生物的原因。对。

听起来近几十年来，我们对线粒体的理解变得更加复杂了。是的，它们可以像其他细胞一样分裂和融合。你的一些组织中含有线粒体，可以专门用于不同的任务。另一件真正出现的事情是，线粒体不仅仅是产生这种ATP，这种分子能量。它们还在细胞中进行各种其他化学反应。

令人着迷的是，它们也是社交的。哇，停一下。是的，有证据表明线粒体实际上彼此交流，不仅在你的细胞内，而且在你的组织之间。

所以你可以想象，你知道，你从环境中吸收一些分子，线粒体处理它。我想告诉其他线粒体这件事。这是因为它起源于它自己的细胞。好的。所以我们知道线粒体的主要作用之一是能量。但是我们如何才能发现线粒体在使鸟类能够完成这些疯狂的生理活动中扮演什么角色呢？

这是几个实验室在过去几年中试图解答并发表了三篇不同的主要论文的问题，这些论文都试图比较迁徙鸟类和非迁徙鸟类的细胞中的线粒体。基本上是问这个问题：这两组鸟类的线粒体之间是否存在差异？但是你不能随便拿一只迁徙或不迁徙的鸟。你必须找到种群中迁徙或不迁徙的鸟类，或者你自己创造它们。你的意思是创造它们？

这就是其中一个小组所做的。他们捕获了黄臀柳莺，这是一种田间的小鸣禽，并将它们带到实验室。

然后，因为我们知道光会引发这些生理变化，所以他们将这些柳莺暴露在不同数量的光线下。例如，更长的日照时间或更短的日照时间。因此，他们实际上产生了两个种群。一个迁徙种群。所谓的“迁徙”，它们并没有迁徙。它们表达的是准备好迁徙的鸟类的特征。与另一个种群相比，这是一个非迁徙种群。它们不表达这些特征。它们更像是常驻的。对。

所以实验室的科学家们有一组没有为迁徙做准备的鸟类和一组已经做好了准备的鸟类。那么接下来他们要观察什么呢？所以他们想看看它们的线粒体。他们通过测量线粒体产生的ATP来做到这一点。作为一种替代方法，线粒体处理了多少氧气？

所以，是的，他们发现那些处于迁徙组的鸟类，它们的细胞中线粒体更多，而且这些线粒体产生能量的能力更强。所以它们用相同数量的食物产生更多能量，这是一种思考方式。

我认为增加线粒体数量（在你的细胞中拥有更多线粒体或让它们产生更多能量）会在生理上付出代价，对吧？否则，我们就会一直拥有它们，我们会变成巨大的能量球。

是的，问题是当线粒体进行这种处理时，它们会产生所谓的活性氧。这些是会损伤DNA的分子。然后细胞必须拥有所有这些备份机制，通过这些机制可以清除这些活性氧。它可以捆绑受损的分子。因此，你最终会花费更多能量来清理你自己的烂摊子。所以存在一种最佳的、有效的能量量，我们已经为此进化了。

现在，鸟类需要时间在这些迁徙结束时恢复，对吧？会有迁徙宿醉吗？是的，它们着陆时可能会非常疲惫。有时观鸟者会目睹我们所说的“坠落”。它们会成群地从空中掉落到同一个地方。你会看到几十种鸟类一起飞翔，成百上千只，都降落在同一个地方，因为它们只需要休息一下，吃点东西。一项研究发现，它们特别寻找含有抗氧化剂的浆果。

帮助它们处理这些活性氧以及对线粒体的损害。是的，绝对如此。它们筋疲力尽，倒下了，然后需要一点时间来恢复。对。然后可以推测它们的线粒体恢复正常？是的。

你提到有几篇论文研究了线粒体和迁徙鸟类。其他研究发现了什么？是的，其他的研究来自另一个实验室。他们采用了一种略微不同的方法。他们在田间收集了迁徙和非迁徙的鸟类。所以他们驾驶了他们所谓的“线粒体移动”机器。

所以它是一辆房车里的移动实验室。专门用于线粒体。是的，它的一侧确实写着“线粒体移动”。所以它有，你知道，实验台，它拥有所有你需要当场进行氧气分析和测量这些线粒体代谢的机器。他们所做的是观察另一种叫做白冠麻雀的鸟类。你可以在美国各地找到它，一年中的不同时间。这种麻雀有不同的亚种。所以有些会迁徙。

有些则不会。啊，天然实验室。没错。完美。我们喜欢鸟类。所以他们去捕获了一些正在迁徙路线上的鸟类，在一个已知的休息点，它们在那里休息。然后他们捕获了另一组已知是常驻的鸟类。然后他们进行了与第一组类似的比较。因此，他们独立地发现了相同的东西。迁徙的鸟类用它们的线粒体产生更多能量，而且它们的线粒体更多。

让我们更深入地探讨一下。线粒体究竟发生了什么变化？它们在做什么来为鸟类产生更多能量？

我们对此还没有完全确定的答案，但第二个实验室的一位科学家Paolo Mesquita进行了一系列分子生物学实验。所以使用从野外收集的相同鸟类，但他随后进行了一项分子生物学研究，以观察蛋白质标记。好的，那些是什么？所以它们基本上只是蛋白质指标，以前曾与线粒体形状的变化有关。

好的。当线粒体改变形状时，会经历某些过程，之前的研究发现，有一些蛋白质我们不知道它们在该过程中扮演什么角色，但它们参与其中。但是它们会被产生，对吧。然后你可以使用这些蛋白质作为追踪器，基本上说，线粒体是否发生了变化？他确实只在这些迁徙鸟类的飞行肌中发现了它们，而不是在腿部肌肉中。

这很有趣，因为这意味着鸟类的生理变化是专门针对它们需要进行迁徙飞行的肌肉的。是的，绝对如此。

好的，所以我们必须推测。鸟类是温血的真核动物物种，我们也是。所以我们的细胞充满了线粒体。当你运动时，你的身体会发生很多生理变化。这对我们理解我们自己身体的工作方式意味着什么？

是的，我认为有两种看待这个问题的方式。一种是经常锻炼或举重的人，他们确实会增加细胞中的线粒体数量。所以有可能。然而，不同之处在于鸟类只是启动它。是的。只要光线照射，它们突然就会有更多的线粒体，而对于人类来说，需要数月的训练才能看到这种效果。

所以Paolo Moschitta，一位研究人员推测，我们是否有可能制造一种药物来让人类实现这一点？另一种思考方式是将鸟类作为研究运动的模式生物。我曾与一位举重朋友交谈过，他对这个非常感兴趣。就像，哦，鸟类会获得更多线粒体。我该如何增加我的线粒体，以便我能举起更多重量？没错。我们能从这些每年几次都非常擅长运动的小鸟身上学到什么关于我们自己的肌肉和运动生理学知识？是的。

从这些每年几次都非常擅长运动的小鸟身上学到什么关于我们自己的肌肉和运动生理学知识？是的。这很有趣。所以，Hannah，我们想在播客结束时做一个推荐。本周有什么让你兴奋的事情吗？

我最近读了一本我想推荐给听众的小说。它叫做Samantha Harvey的《轨道》。这是一本简短的小说，它获得了去年的布克奖。故事发生在国际空间站，讲述了六位宇航员的生活，他们住在那里，并追随他们的内心独白和反思。

我喜欢它的地方在于，它真正地交替展现了他们存在的平淡无奇，生活在一个罐子里，试图保持自己的锻炼和进食，并进行他们的小型科学实验。然后是他们对在太空中的反思，回顾地球并产生所有这些认识的深刻性。我喜欢它。谢谢，Hannah。

本周在Quanta上，你还可以阅读一篇物理学故事，探讨引力实际上来自熵的观点，以及另一篇关于如何在实验室中模拟整个复杂生态系统的生物学故事。因此，你可以查看这些故事以及Liz Landau关于鸟类的故事。它被称为“涡轮增压线粒体为鸟类的史诗般迁徙之旅提供动力”。

今天我们将用两种迁徙鸟类——隐士画眉和白喉麻雀——交织的歌声来结束节目。它们是由Lang Elliott为他的网站musicofnature.com录制的。Quanta播客是Quanta杂志的播客，Quanta杂志是一个由西蒙斯基金会支持的编辑独立出版物。我是Quanta的主编Samir Patel。

西蒙斯基金会的资金决定不会影响本播客或Quanta杂志中主题、嘉宾或其他编辑决定的选择。Quanta播客是与PRX Productions合作制作的。制作团队包括Ali Budner、Deborah J. Balthazar、Genevieve Sponsler和Tommy Bazarian。PRX Productions的执行制片人是Jocelyn Gonzalez。

来自Quanta杂志，Simon France和我本人在Matt Karlstrom、Samuel Velasco、Simone Barr和Michael Kenyongolo的支持下提供编辑指导。我们的主题音乐来自APM Music。如果你有任何问题或意见，请发送电子邮件至[email protected]。感谢收听。