Colibrì: campioni di metabolismo

«I colibrì sono pura delizia. Colori scintillanti, ali che battono 80 volte al secondo, ma c’è una fornace sotto quelle piume». Comincia così un piacevolissimo video di James Gorman, sul New York Times del 20 marzo 2018, sul metabolismo di questi stupefacenti uccelli.

Nel video osservate il colibrì in volo agli infrarossi: avrete un’idea del suo intensissimo calore interno. Con il cuore che palpita a più di 1000 battiti al minuto, un colibrì in volo brucia più energia per unità di peso di qualsiasi altro uccello o mammifero.

Ma guardate lo stesso uccello di notte: si trova in uno stato di torpore, con il metabolismo più rallentato di quello di una lumaca. Il battito cardiaco è al minimo e la temperatura si è ridotta al punto che il colibrì sta usando un cinquantesimo dell’energia che gli serve in volo. Questo drastico risparmio energetico è una buona notizia per la bestiola, che altrimenti in 12 ore senza nutrimento potrebbe morire di fame.

A volte i colibrì sono così magri che stanno in bilico fra la vita e la bancarotta calorica. In volo durante il giorno devono nutrirsi come minimo ogni mezz’ora, mentre il torpore notturno, con il battito del cuore quasi impercettibile e la temperatura corporea bassissima, serve proprio a diminuire il bisogno di cibo.

Ogni dodici ore il loro metabolismo passa da un estremo all’altro. Al confronto la marmotta che cambia ritmo metabolico ogni sei mesi circa, quando entra ed esce dal letargo invernale, è una dilettante.

Animaletti belli, curiosi, improbabili: non c’è da stupirsi che gli scienziati studino da tempo i colibrì. Kenneth Welch, per esempio, ha passato più di un decennio all’Università di Toronto a Scarborough a cercare di capire come questi uccelli gestiscono il loro budget energetico.

I colibrì si nutrono esclusivamente di nettare, un liquido che è fatto per metà di glucosio e per metà di fruttosio. Noi umani siamo pessimi utilizzatori di fruttosio, che nel nostro corpo finisce praticamente tutto trasformato in grasso. I colibrì invece hanno evoluto un modo di spedire il fruttosio direttamente nei muscoli, per essere usato immediatamente. Questo grazie anche al cuore, molto grande, che pompa un notevole volume di sangue al minuto, e alla fitta rete di capillari che raggiunge le cellule dei muscoli.

Probabilmente noi mammiferi abbiamo poche molecole in grado di trasportare il fruttosio nei muscoli, a differenza dei colibrì. Da lì i guai delle nostre sindromi metaboliche e delle obesità favorite dagli sciroppi ad alto contenuto di fruttosio presenti in tanti alimenti.

Per studiare questi uccelli, Welch ne ha addestrati alcuni a succhiare il nettare in volo, con la testa infilata in una specie di maschera. L’apparecchio misura l’utilizzo di ossigeno necessario a metabolizzare gli zuccheri per far muovere i muscoli e quindi le ali. Obiettivo dell’esperimento era valutare quanta energia assorbono e quanto lavoro fanno. In questo modo gli scienziati hanno scoperto che durante un volo vigoroso i colibrì più grandi usano in modo più efficiente l’energia rispetto ai più piccoli. I risultati sono pubblicati sui Proceedings of the Royal Society B.

Studi analoghi si fanno anche con gli esseri umani, specialmente con gli sportivi, ma con i colibrì non c’è partita. Questi uccellini usano normalmente 40 millilitri di ossigeno per grammo all’ora, e quando volano alla massima velocità possono utilizzarne oltre 60. Il loro tasso metabolico in volo è, per unità di peso, 10 volte superiore a quello che può raggiungere un campione olimpico. Non a caso i colibrì hanno cuori enormi, ben più grandi, in proporzione, dei gonfi cuori d’atleta.

I colibrì sono più abili della maggior parte degli animali ad alimentare i loro muscoli con i grassi e gli zuccheri. Quando si preparano a migrare possono stipare grassi fino al 40% del loro peso corporeo. Il combustibile preferito dagli esseri umani è il glucosio, ma questo zucchero impiega più tempo per essere utilizzato nei muscoli umani che in quelli dei colibrì.

Di recente Welch e colleghi hanno studiato come le dimensioni dei colibrì sono associate all’efficienza energetica. I colibrì più piccoli pesano 2-3 grammi, meno di una moneta da un centesimo, mentre i più grandi arrivano a dieci volte di più, fino a 20 grammi. Più sono minuscoli, più devono battere le ali velocemente per restare in volo. E più veloci sono i loro battiti, meno efficiente è il consumo di energia, dal momento che convertono una minore proporzione dei loro zuccheri in lavoro rispetto ai colibrì più grandi.

Mentre volano mangiano in continuazione, bruciando quasi esclusivamente lo zucchero che hanno assorbito nell’ora precedente. I colibrì hanno una straordinaria capacità di spostare lo zucchero dall’intestino al sangue alle cellule dei muscoli, e lo fanno a una velocità incredibile. Entrate e uscite in tempo reale.

Ricordate lo zio Albert di Mary Poppins? Sospeso a mezz’aria, accanto a un lampadario, canta a squarciagola che adora ridere, ed è proprio il gran ridere a tenerlo lassù. Uno zio Albert in carne e ossa avrebbe bisogno di zucchero per stare lassù come un colibrì. Ma quanto zucchero? Almeno una lattina di Coca-Cola al minuto, secondo i calcoli di Welch. Non ditelo al dottore, mi raccomando…

I colibrì fanno tutto in fretta. Non possono permettersi di perdere tempo, neanche quando bevono il nettare. Il movimento della lingua è visibile solo al rallentatore. Dapprima compressa nel becco, la lingua si estende e si apre (è biforcuta!) quando entra nel fiore e intrappola il nettare che viene pompato su due scanalature della lingua stessa.

Il metabolismo è di moda e per molte buone ragioni. È un delizioso incrocio di studi, fra chimica e fisiologia, un intrico di molecole e reazioni incorporate in cellule, tessuti e organi. Ne sappiamo un po’, non abbastanza.

Obesità, diabete, ma anche cervelli che rallentano o si fermano invecchiando, per molti sono metabolismi andati a pallino. Le ragioni? Soprattutto vite sedentarie, alimentazione eccessiva e squilibrata, poca attenzione al ritmo del sonno e della veglia, più un po’ di fattori ereditari.

Da più di un secolo la luce elettrica ha esteso i confini di quanto possiamo stare lontano dal letto. Aggiungete l’iper-connessione degli ultimi due decenni e niente ci ferma più dall’essere sempre pronti, agili, immediati. Ogni ora del giorno e della notte, 7 giorni su 7.

Ma millenni di evoluzione ci hanno plasmati per periodi di azione intensa alternati ad altrettante ore di ricarica e riposo per le pile. Quando cambiamo i nostri ritmi per tempi sufficientemente lunghi, a volte ci ammaliamo. Per esempio, le donne che fanno il turno di notte hanno spesso problemi di salute legati al metabolismo e sono a maggiore rischio di cancro al seno (anche se forse le cause sono indirette). C’è chi si sottopone a questi stress per diletto: ragazzi che vivono di “game streaming” possono stare online anche 18 ore di seguito, seduti, pur di non perdere la loro audience, a un prezzo che sembra alto per la salute.

Studiamo il metabolismo degli animali perché vorremmo essere più come i colibrì? (O più come le marmotte o i bradipi, a seconda dei gusti?). Arduo riuscirci. Il software, ovvero le vie metaboliche, per esempio del glucosio e del fruttosio, si sono affinate in parallelo all’hardware, ovvero alla struttura del cuore e dei capillari, e al tipo di nutrienti presenti nell’ambiente, creando configurazioni uniche per ciascuna specie.

Le biotecnologie potranno migliorare il metabolismo? È verosimile che possano migliorare le performance di singole singole molecole. Queste però si inseriscono in circuiti dove già lavorano altre molecole, in strutture anatomiche date, la cui plasticità ha necessariamente qualche limite.

Saperne di più sul metabolismo degli altri animali ci può però aiutare a capire di più il nostro metabolismo, quanto meno per differenza. E poi, chissà, dai colibrì potremmo imparare anche qualcosa sull’ingegneria: come fare in modo che un drone incaricato di recapitare l’ultimo modello di asciugacapelli sulla soglia della porta della signora Pina non si schianti prima dell’atterraggio.

Ops, la mia mente è volata fra le nuvole… Dimenticavo che i colibrì non sono animali sociali. Forse non possono proprio esserlo. Una chiacchera durante l’aperitivo al nettare, un grammo di zucchero di meno ingurgitato, bancarotta energetica, morte!

Ho scritto questo post dopo avere guardato il delizioso video di James Gorman, The Amazing Metabolism of Hummingbirds, New York Times (20/3/18). Ho anche consultato, sempre di James Gorman, The Hummingbird’s Tongue: How It Works, The New York Times (8/9/15); Arpat Ozgul et al., Coupled dynamics of body mass and population growth in response to environmental change, Nature (22/7/10); Nomura N. et al., Structure and mechanism of the mammalian fructose transporter GLUT5, Nature (15/20/15); Why has science seemingly changed its mind on night shifts and breast cancer? Cancer research UK; Taylor Clark, How to Get Rich Playing Video Games Online, The New Yorker (20/11/17). Il colibrì nell’immagine di apertura viene da Wikipedia.

 

Per la lezione

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