座头鲸代谢组学揭示其极端禁食能力的代谢通路奥秘

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：The metabolome of humpback whales ( Megaptera novaeangliae) reveals clues as to their extreme fasting capabilities

本研究针对南半球座头鲸在长途迁徙期间面临能量耗竭与污染物暴露风险的科学问题，通过对其鲸脂组织进行基于核磁共振（NMR）的代谢组学分析，比较了禁食早期（~3个月）与晚期（~6个月）的代谢谱差异。研究发现32种极性代谢物，其中11种存在显著差异，揭示了与脂肪酸氧化、葡萄糖节约及蛋白质分解相关的关键代谢通路改变。该研究首次描绘了座头鲸迁徙禁食期间的代谢适应机制，为评估南极海洋生态系统变化对鲸类生理的影响提供了新的生物标志物。

　　

在南极洲广袤的冰原边缘，生活着地球上长途迁徙的冠军之一——南半球座头鲸。这些海洋巨兽每年在富饶的南极摄食区与温暖的北方繁殖地之间往返穿梭，旅程长达上万公里。更为惊人的是，在整个迁徙和繁殖季节，它们几乎完全不进食，完全依赖夏季在南极疯狂进食所积累的能量储备来支撑这一高能耗的生命活动。在此期间，它们可能失去高达50%的体重。这种极端的禁食能力背后隐藏着怎样的生理奥秘？在气候变化导致南极海冰生态系统急剧变化的背景下，理解座头鲸如何应对漫长的能量负平衡，不仅关乎物种保护，也为了解整个南极生态系统的健康提供了独特的窗口。

以往的研究表明，与北极熊、企鹅等通过降低代谢率来度过禁食期的动物不同，座头鲸的禁食期恰恰与能量消耗巨大的迁徙和繁殖行为重叠。这使得它们的 fasting physiology（禁食生理学）尤为独特。然而，由于研究大型自由活动鲸类的 logistical（后勤的）和 ethical（伦理的）限制，科学家们对其在分子层面的代谢适应机制知之甚少。此外，鲸脂中脂质储备的波动会动员脂溶性污染物，使得季节性禁食可能成为毒理学风险升高的时期。因此，深入探究座头鲸在禁食期间的代谢变化，对于评估环境压力对其种群健康的影响至关重要。

为了揭开这一谜题，由格里菲斯大学南大洋持久性有机污染物项目组的研究人员领衔的研究团队，在《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》上发表了一项开创性的研究。他们首次将代谢组学这一“组学”技术应用于座头鲸，旨在通过分析其鲸脂（blubber）组织的极性代谢物，揭示在漫长迁徙禁食过程中活跃的生化通路。

研究人员利用“座头鲸哨兵计划”这一长期生物监测项目收集的样本。他们在2008年至2018年间，于澳大利亚东海岸的摩顿湾海洋公园，通过远程活检飞镖采集了60份自由游动座头鲸的鲸脂样本。这些样本 targeted（针对）了东部澳大利亚繁殖种群（E1），并特意在其北向迁徙高峰（6/7月，代表禁食约3个月的早期阶段）和南向回迁高峰（9/10月，代表禁食约6个月的晚期阶段）两个时间点采集，从而形成了早期迁徙组（3头雌性，27头雄性）和晚期迁徙组（2头雌性，28头雄性）的对比队列。

研究的关键技术核心是核磁共振（NMR）光谱学。研究人员采用改良的Bligh-Dyer法从鲸脂组织中提取极性代谢物，将亲水性的极性组分与脂质分离开。随后，使用800 MHz的Bruker Avance III HDX光谱仪获取了样本的氢谱（¹H NMR），并通过与人类代谢组数据库（HMDB）比对，成功鉴定出34种代谢物中的32种。最后，运用多变量统计方法（如主成分分析PCA）和单变量分析（非参数Wilcoxon检验），比较了两个迁徙队列间代谢物丰度的差异，并进行了False Discovery Rate (FDR)校正以控制假阳性。

3. 结果与讨论

3.1. 代谢物丰度的差异

3.1.1. 早期和晚期迁徙之间的差异

主成分分析（PCA）结果显示，早期和晚期迁徙组的代谢谱存在明显分离，前两个主成分解释了总方差的55.6%。这表明两个时间点的鲸脂代谢状态存在系统性差异。热图分析进一步揭示了代谢物丰度的聚类模式，特别是在晚期迁徙组中，支链氨基酸（BCAAs）等代谢物显示出较大的个体间变异性，这可能反映了鲸群在夏季摄食成功率不同导致的生理状态差异。

3.1.2. 与迁徙模式相关的差异代谢物谱

对11个具有显著差异的代谢物（FDR < 0.05）的分析，揭示了座头鲸在禁食过程中的关键代谢适应。

在晚期迁徙组中显著升高的代谢物包括乙酸（acetic acid）、丙酸（propionic acid）和二甲甘氨酸（dimethylglycine，可能与三甲胺trimethylamine共存）。乙酸和丙酸是脂肪酸β-氧化（β-oxidation）的产物，它们的升高明确指示了在长期禁食状态下，鲸体正积极动员和氧化脂肪作为能源。肌醇（myo-inositol）在晚期迁徙组的升高也支持了这一观点，因为肌醇参与脂质代谢和胰岛素敏感性的调节，其变化可能暗示了鲸类为节约葡萄糖而演化出的适应性胰岛素抵抗（adaptive insulin resistance）机制。

在早期迁徙组中显著较高的代谢物包括肌氨酸（sarcosine）、O-磷酸乙醇胺（o-phosphoethanolamine）、肌酐（creatinine）、胱硫醚（cystathionine）、谷氨酸（glutamate）和腺苷（adenosine）。谷氨酸是三羧酸循环（Tricarboxylic Acid Cycle, TCA cycle）的重要中间体，可用于糖异生（gluconeogenesis），其早期丰度较高可能反映了禁食初期活跃的葡萄糖生成以维持血糖稳定。腺苷是ATP的代谢产物，其早期水平较高可能表明在禁食初期能量周转更为活跃。O-磷酸乙醇胺是细胞膜磷脂的关键组分，其变化可能反映了禁食对细胞膜结构和相关信号通路的影响。肌氨酸和二甲甘氨酸同属于胆碱-甘氨酸代谢通路，它们的差异表明禁食引起了该通路的重编程，可能与能量代谢的调整有关。

3.2. 代谢组学在支持野生动物研究中的潜在价值

这项研究证明了利用远程活检样本进行代谢组学分析的可行性，尽管样本经历了长期冷冻储存。所识别出的代谢物模式为了解座头鲸在能量负平衡下的生理适应提供了实时快照。这些代谢物有潜力发展成为评估鲸类营养状况和健康水平的生物标志物（biomarker），特别是在南极海冰快速变化、磷虾可得性可能受到影响的背景下，对于监测座头鲸种群乃至整个南极生态系统的健康具有重要意义。

研究结论与意义

本研究通过代谢组学视角，首次系统描绘了南半球座头鲸在长途迁徙禁食过程中鲸脂组织的代谢动态。研究发现，从禁食早期到晚期，代谢谱发生了显著转变，主要体现在促进脂肪酸氧化、优化葡萄糖利用以及调整氨基酸代谢等方面。这些变化共同指向一种高度适应的生理策略：即在能量摄入为零的情况下，最大限度地依赖脂质供能，同时通过精细的代谢调节（如可能存在的胰岛素抵抗）来节约葡萄糖，以保障大脑等关键器官的能量供应，并尽可能减少蛋白质的分解。

该研究不仅增进了我们对鲸类极端生理学的理解，更重要的是，它展示了代谢组学在困难物种保护生物学中的强大应用潜力。所发现的差异性代谢物，如乙酸、丙酸、肌醇、谷氨酸等，为未来开发非侵入性的健康监测工具奠定了基础。随着气候变化持续影响南极，这类分子水平的生物标志物将变得愈发重要，它们能够灵敏地反映环境压力对顶级捕食者的生理影响，从而为南极海洋生态系统的保护和管理提供及时、科学的依据。