A mindössze 25–28 grammos verébsármány éves tavaszi vonulása során több mint 4000 kilométert képes megtenni Mexikótól Alaszkáig, és néha egyetlen éjszaka alatt közel 500 kilométert repül. A sarki csér még hosszabb, 16 ezer kilométeres vagy annál is hosszabb utat tesz meg az Északi-sarkkörtől az Antarktiszig, míg a nagy sárszalonka táplálékban szegény sivatagok és tengerek felett vándorol, olykor négy nap alatt 6700 kilométert téve meg megállás nélkül.
A költözési szezonban számos madárfaj tagjai válnak nagy állóképességű „ultrasportolókká”, akik egész kontinenseket szelnek át. „Másodpercenként többször is megmozgatják szárnyaikat, akár nyolc órán keresztül” – mondja Soren Coulson, aki a Memphisi Egyetemen tanulmányozza a migráció élettanát. Az ember számára egy ezzel egyenértékű teljesítmény az lenne, ha napokon át megállás nélkül futnánk élelem, víz és pihenés nélkül, ami elképzelhetetlen.
„Egyszerűen lenyűgöző, és éppen ezért nagyon érdekelt bennünket, hogy ezek a madarak hogyan képesek több ezer kilométert repülni megállás nélkül, igazán nagy intenzitással, miközben a legtöbben közülünk alig tudnak egyben lefutni egy 5 kilométeres távot”
– mondja Paulo Mesquita, az Oklahomai Orvosi Kutatási Alapítvány kutatója, aki a mitokondriális élettant és az izomöregedést vizsgálja munkája során.
Instant élsportolók
A szakértőket régóta lenyűgözik azok az élettani változások, amelyeken a madarak a költözés időszaka előtt és közben átesnek. Egyes fajok olyan sok zsírt esznek utazásuk előtt, hogy testsúlyuk megduplázódik. Vannak madarak, amelyek szíve megnagyobbodik, hogy több vért tudjon pumpálni, vagy az emésztőrendszerük nő meg, majd a migráció után összezsugorodik. Azt a kutatók azonban csak nemrégiben kezdték el alaposabban feltárni, hogy a költöző madarak hogyan jutnak energiához, hogy napokon át táplálkozás nélkül a levegőben maradhassanak.
Tavaly két független kutatócsoport publikált olyan kutatásokat, amelyek során a költöző madarak fiziológiáját vizsgálták laboratóriumban és terepen, hogy megtudják, mi történik a sejtek alatti szinten, ami lehetővé teszi a madarak számára, hogy ilyen hatalmas távolságokat tegyenek meg. Mindkét csapat tagjai a biológia legalapvetőbb motorjában, a mitokondriumokban találták meg a választ kérdéseikre.
A vizsgálatokból kiderült, hogy a mitokondriumok számában, alakjában, hatékonyságában és összekapcsoltságában bekövetkező apró változásoknak milyen hatalmas élettani következményei lehetnek, amelyek hozzájárulnak a madarak hosszú távú, kontinenseket átívelő repüléseihez.
„A testmozgás élettanának kutatói azért tanulmányozzák a mitokondriumokat, mert ezek biztosítják az egészséges sejtek és a megfelelő sejtműködés fenntartásához szükséges energiát, de általában véve a testmozgáshoz szükséges energiát is” – mondja Mesquita. „Ez az energia az, amely a mozgást táplálja.”
A mitokondriumok teljesítményével és a madarak költözésével kapcsolatos úttörő vizsgálatok rávilágítottak, hogy a változó fénymennyiségre adott szezonális válasz, nem pedig a fizikai felkészülés váltja ki a döntő szubcelluláris változásokat, mondja Wendy Hood, az alabamai Auburn Egyetemen élettani ökológiát vizsgáló kutatója. Mesquita vele és más kutatókkal dolgozott együtt ezeken a problémákon a doktori tanulmányai során. Ahogy Hood mondja, az embereknek jó ideig edzeniük kell, mielőtt bármilyen változást tapasztalnánk a mitokondriumaik teljesítményében.
A költöző madarak esetében viszont tavasszal, amikor megkezdődnek a megfelelő fényciklusok, a szervezetük elkezd több és jobb, illetve magasabb minőségű mitokondriumot termelni.
A legutóbbi vizsgálatok alátámasztják, hogy az élő szervezet rendkívül jelentős változáskon képes keresztülmenni pusztán a környezet hatására anélkül, hogy az alapjául szolgáló genetikai állomány módosulna, mondja Scott McWilliams, a Rhode Island-i Egyetem vadon élő állatok ökológiáját és élettanát vizsgáló szakértője, aki egyik új kutatásban sem vett részt. A madaraknak ez a fenotípusos rugalmassága évszakonként és populációtól függően változik, és ezek a kutatások az elsők között vannak, amelyek ezt fajonként és alfajonként ki tudták mutatni mitokondriális szinten, mondja a szakértő, hozzátéve, hogy ez pedig központi jelentőségű annak megértéséhez, hogy a madarak a migráció során hogyan képesek teljesíteni ezeket az „atlétikai mutatványokat”.
Nem tankönyvi mitokondriumok
A mitokondriumokat gyakran a sejt erőműveiként is emlegetik. Ezek olyan organellumok, vagyis sejtszervecskék, amelyek oxigént és a táplálékból származó molekulákat, például glükózt és zsírsavakat vesznek fel, hogy létrehozzák a legtöbb anyagcsere-folyamat üzemanyagát, az adenozin-trifoszfátot (ATP). Ezt tanuljuk legalábbis a szervecskékről a középiskolában. A legújabb kutatások azonban feltárták, hogy a mitokondriumok sokkal összetettebbek és dinamikusabbak, mint azt bárki gondolta volna.
„Volt egy olyan feltételezés, hogy minden mitokondrium többé-kevésbé egyforma” – mondja Christopher Guglielmo, a Western University állati mozgásokkal foglalkozó központjának igazgatója. „De ez a nézet, különösen az elmúlt körülbelül egy évtizedben, jelentősen megváltozott.”
Az új eszközök, amelyek lehetővé teszik a kutatók számára a mitokondriumok tevékenységének tanulmányozását, meglepő sokféleséget tártak fel. Egyes mitokondriumok több ATP-t termelnek, mint mások, vagy hatékonyabbak a termelésben. A szervecskék összeolvadhatnak vagy széteshetnek, ami megváltoztatja alakjukat és teljesítményüket. Egyes esetekben a mitokondriumok akár a sejtek között is vándorolhatnak, vagy különböző funkciókra specializálódhatnak.
A mitokondriumokkal kapcsolatos ezen felfedezések egyes állati viselkedésformák evolúciójának új megértéséhez vezettek. „Az elmúlt évtizedben egyre több kutatás kezdte vizsgálni a mitokondriumokat ökológiai és evolúciós szempontból” – mondja Hood. „A mitokondriumok minden bizonnyal az evolúciós folyamatok fontos célpontjai.”
Guglielmo kollégája, Jim Staples, aki a Western Universityn az állatok anyagcseréjét tanulmányozza, például kimutatta, hogy a téli álmot alvó földimókusok a mitokondriumok teljesítményének drámai csökkentésével lassítják anyagcseréjüket, ami lehetővé teszi számukra, hogy kevesebb molekuláris energiát használjanak fel, és így gyakorlatilag evés nélkül vészeljék át a telet. Guglielmo, aki a költöző madarak szakértője, munkatársától merített ihletet, hogy megvizsgálja, vajon a mitokondriumokban bekövetkező változások magyarázhatják-e a madarak távrepülő szuperképességeit is.
Coulson, aki akkoriban Staples és Guglielmo doktorandusz hallgatója volt, a sárgarigókat tanulmányozta. Ez az énekesmadár Kanadában fészkel, és az Egyesült Államokban, Mexikóban és a Karib-térségben telel. Először a madarak őszi vonulása során fogtak be délre tartó egyedeket, és bevitték őket a laborba. Ott szabályozták a fénynek és sötétségnek való kitettségüket, két laboratóriumi csoportot hozva létre, egy „költözőt” és egy „nem költözőt”. Ezután megvizsgálták az eutanizált madarak mitokondriumait.
A repülőizmokból különítették el a mitokondriumokat, majd laboratóriumi teszteket végeztek, hogy megmérjék a szervecskék oxigénfogyasztását, ami azt jelzi, hogy a mitokondriumok mennyi ATP-t képesek előállítani az izmok összehúzódásához. „Feltételeztük, hogy amikor a madarak költöznek, a repülőizmaiknak nagyon nagy igényük van arra, hogy energiát biztosítsanak az izomösszehúzódásokhoz” – mondja Coulson. „Néhány ilyen madár akár több órán keresztül is repülhet éjszakánként, nagyon magas edzésintenzitással.”
A kutatók megállapították, hogy a „költöző” állapotot megélő madaraknak több mitokondriumuk volt, és ezek nagyobb kapacitással rendelkeztek az energiatermelésre, mint a „nem költöző” madarak szervecskéi.
Ez arra utalt, hogy a költözés során a madarak mitokondriumai „felturbózódnak”, mondja Coulson. Aztán az utazás végeztével a mitokondriumok visszatértek a megszokott állapotukba.
„Az összes felturbózott mitokondrium normál mitokondriummá vált, és a sejtek megszabadultak a felesleges szervecskéktől” – mondja Coulson. „Így a madarak nem pazaroltak energiát olyan funkciókra, amelyekre az évnek ebben az időszakában már nem volt szükségük.”
A MitoMobile kalandjai
Emma Rhodes, Hood laborjának doktorandusza ahelyett, hogy a kanadai kutatókhoz hasonlóan laboratóriumban szimulálta volna a migrációs körülményeket, költöző madarakat gyűjtött be kollégáival, hogy hasonló kérdéseket tegyenek fel. Vagyis, hogy más-e a mitokondriumok teljesítménye a költöző madaraknál, mint azoknál, amelyek nem költöznek?
Ahhoz, hogy a vizsgálandó madarakat megtalálják, Rhodesnak és munkatársának, Mesquitának maguknak is migrálniuk kellett laboratóriumi felszerelésükkel. Egy közepes méretű lakóautóval utaztak Alabamából Kaliforniába és vissza – kétszer is. A kocsiban egy kanapé, egy hűtött centrifuga, laborpadok és más tudományos felszerelések kaptak helyet, amelyek a mitokondriumok elemzésére szolgáltak. A MitoMobile nevű mozgó laboratórium annak ellenére, hogy generátorproblémákkal küzdött, lehetővé tette a kutatók számára, hogy különböző helyszíneken gyűjtsenek koronás verébsármányokat, és helyben vizsgálják meg a mitokondriumaikat.
Rhodes és munkatársai kihasználták a koronás verébsármány alfajok egy ismert különlegességét: egyesek típusok költöznek, mások viszont nem. A Gambel-féle koronás verébsármány például szezonálisan repked Kalifornia és Alaszka között, míg a Nuttal-féle koronás verébsármány az egész évet a kaliforniai partvidéken tölti. A kutatók a migráló Gambel-féle verébsármányokat a Yosemite Nemzeti Park közelében fogták be, ahol a madarak költözés idején megpihennek, a nem költöző Nuttal-féle verébsármányokat pedig San Franciscótól északra, Marin Headlandsben gyűjtötték be.
Rhodes és munkatársai a kanadai csapathoz hasonlóan úgy találták, hogy a költöző verébsármány repülőizmaiban több mitokondrium van és ezek hatékonyabbak, több oxigént használnak fel, mint a nem költöző madarak sejtszervecskéi.
Míg a mitokondriumok oxigénfogyasztása a migráció során volt a legmagasabb, a kutatók azt is megfigyelték, hogy már a madarak indulása előtt elkezdett növekedni.
Ugyanezen madarak alapján Mesquita azt vizsgálta, hogy milyen mechanizmusok lehetnek felelősek a mitokondriumok megnövekedett teljesítményéért. Kutatását olyan fehérjemarkerekre összpontosította, amelyek a mitokondriumok átalakulásával kapcsolatosak, amikor a szervsejtek összeolvadással vagy szétválással változtatják meg alakjukat.
Mesquita és munkatársai a dinamikus mitokondriális változások fehérjemarkereit azonosították a költöző madarak mellizmaiban, amelyek kulcsfontosságúak a repüléshez, míg a lábizmaikban, illetve a nem költöző madarak bármelyik izmában kevesebb ilyet találtak. Ezek a markerek összefüggésbe hozhatók azzal, hogy a mitokondriumok mennyire jól fogyasztják az oxigént, és ezáltal mennyire sok energiát termelnek.
Az elmélet szerint egyes mitokondriumok egyesülnek, hogy javítsák ATP-termelésüket, míg mások szétesnek, hogy megszabaduljanak a nem megfelelően működő részektől. „Nem tudjuk, hogy pontosan ez történik-e, de nyilvánvaló, hogy a morfológiában változások következnek be” – mondja Hood. Az eredmények azt sugallják, hogy a mitokondriumok alakjában bekövetkező változások közvetlen szerepet játszhatnak abban, hogy a madarak megkapják a hosszú repülésekhez szükséges energiát. Ez a sejtszintű alkalmazkodás segít megmagyarázni, hogy az ilyen apró madarak hogyan képesek ilyen hatalmas távolságokat megtenni.
A felturbózott mitokondriumoknak azonban hátránya is van. Az energiaellátás során a mitokondriumok káros molekulákat, úgynevezett reaktív oxigéngyököket termelnek, amelyek többek közt a szív- és érrendszeri betegségek kialakulásához vezethetnek. Ha a költöző madarak több és erősebb mitokondriumot építenek fel, vajon hogyan kezelik ezt a problémát?
Erre a kutatók szerint a táplálkozás lehet az egyik válasz. McWilliams és munkatársai kutatásaik során kimutatták, hogy a költöző madarak előszeretettel fogyasztanak antioxidánsokban gazdag gyümölcsöket, amelyek ellensúlyozzák ezeket a káros molekulákat.
Kísérleteik azt is kimutatták, hogy az antioxidáns E-vitamin bejuthat a laborban nevelt madarak repülőizmaiban található mitokondriumokba. Ez potenciálisan már a sejtszervecske szintjén is ellensúlyozhatja az oxidatív stresszt. Annak alaposabb megértéséhez viszont, hogy a mitokondriumok hogyan biztosítják a madarak számára a többletenergiát anélkül, hogy túl sok reaktív oxigéngyököt termelnének, további kutatásokra lesz szükség, mondja McWilliams.
***
Mesquita jelenleg a madarak helyett emberekkel foglalkozik. Az, hogy a költöző madarak szubcelluláris szintű tanulmányozása valóban alkalmazható-e az emberekre, egyelőre vita tárgya, de a mitokondriumok kétségkívül fontosak az emberi öregedésben, amit Mesquita tanulmányoz. A kutató nagyon kíváncsi arra, hogy vajon ki lehetne-e dolgozni olyan emberi edzésprogramot, vagy akár gyógyszert, amely növelné a mitokondriumok teljes számát és hatékonyságát – gyakorlatilag a költöző madarakéhoz hasonlóra alakítva ezeket.
Akár lehetséges ez, akár nem, meggyőződése, hogy a mitokondriumok a világegyetem középpontja, legalábbis ami ezt a területet illeti, mondja. A sejtszervecskék tanulmányozására szolgáló jobb eszközök fejlődésével egyre nyilvánvalóbbá válik, hogy számos élettani alkalmazkodás és betegség a mitokondriumok működésén múlik. Az emberi testmozgástól a madárvonulásig minden ezzel függ össze, mondja Mesquita.
