Un dopping naturale

La capacità di resistenza sulle lunghe distanze degli uccelli migratori ha affascinato biologi per secoli. Grazie alla tecnologia satellitare, gli scienziati hanno caratterizzato i modelli di migrazione delle specie acquatiche, come il pescecane e il tonno rosso. Il monitoraggio moderno ha permesso di dimostrare che certi uccelli marini tra andata e ritorno percorrono ogni anno più di 64.000. Sorprendentemente, questi eccezionali realizzazioni fisiche sono offuscati dalla scoperta di singoli voli non-stop superiore a 11 mila km, percorsi dalla Pittima minore (Limosa lapponica, L.), un trampoliere che migra tra l’Alaska e la Nuova Zelanda senza soste di rifornimento. I fisiologi sono affascinati dallo svelare i meccanismi che rendono possibili questi exploit: i migratori devono attuare complessi compromessi nell’utilizzare le risorse alimentari disponibili stagionalmente e i siti di riproduzione dell’energia sono fortemente influenzate per le spese di trasporto, o l’energia spesa per spostare l’unità di massa di un corpo per una unità di distanza.

Il comportamento migratorio è orchestrato esclusivamente per l’energetica per la locomozione, e seguendo questo ragionamento animali di grandi dimensioni, solo col nuoto avrebbero battuto tutti i record, perché il costo del trasporto diminuisce con le dimensioni del corpo ed è molto inferiore per il nuoto che per altri modi di locomozione (3-10 volte inferiore di quello per il volo). Questo semplice ragionamento spiega perché le più lunghe migrazioni di mammiferi terrestri a malapena raggiungono qualche migliaio di chilometri e può essere effettuata solo da specie di grandi dimensioni come gli gnu e i caribù. Tuttavia, non riesce a chiarire perché le migrazioni più estreme sono raggiunti dagli uccelli piuttosto che dai pesci. Il volo battente può ridurre significativamente il gap di energia tra il volare e il nuotare, ma questa strategia è limitata ai grandi uccelli e non può spiegare le lunghe migrazioni tra le piccole specie aviarie. Analisi teoriche suggeriscono che gli uccelli competono con i pesci perché volare è un utile compromesso tra l’esecuzione (con costi proibitivi di trasporto) e il nuoto (a bassa velocità massima). Il successo delle migrazioni dipende dalla gestione economica del tempo e della energia, e l’alta velocità è uno dei principali vantaggi che fornisce il volare. Viaggiare per lunghe distanze lentamente non offre alcun beneficio se non il lasciare il tempo necessario ad attività come l’alimentazione e la riproduzione. 
Nei migratori sono presenti strategie multiple per ridurre loro il costo di trasporto. I muscoli locomotori di alcune specie sembrano generare forza con efficienza insolitamente elevata, e questa caratteristica fisiologica potrebbe essere unica tra i migratori dalle lunghe distanze.

Tuttavia, questa osservazione deriva dal più basso del previsto tasso metabolico dell’intero organismo durante il volo, e la natura esatta di questo adattamento muscolare ipotetico non è mai stata caratterizzata. Per risparmiare energia, gli uccelli migratori si basano anche su caratteristiche morfologiche tali come ali a punta e basso carico alare, nonché a comportamenti biomeccanicamente vantaggiosi quali il viaggiare in formazioni a V. Gli animali migratori diminuiscono ulteriormente il costo del trasporto, riducendo al minimo la massa del corpo. Lo fanno selezionando grassi da immagazzinare come fonte di energia per far lavorare i muscoli e contemporaneamente atrofizzando organi non essenziali. Prima della migrazione le riserve lipidiche possono raggiungere il 50% della massa totale del corpo. L’esistenza di fluttuazioni estremamente rapidi e ampi nei depositi di grasso negli uccelli migratori rende un modello affascinante per la ricerca sull’obesità. Comprendere la regolazione di tali cambiamenti drastici e reversibili nei grassi di riserva è destinata a portare importanti informazioni nella medicina umana. 
I grassi forniscono il massimo rendimento per grammo nel fornire ATP (il nostro combustibile) perché sono depositati praticamente senza acqua e sono chimicamente più ridotti come volume. Per i migratori della terra, rischiando la disidratazione, i lipidi offrono un ulteriore vantaggio perché generano più acqua metabolica rispetto all’ossidazione di proteine o carboidrati. È stato anche dimostrato che il 5-15% dell’energia utilizzata dagli uccelli migratori deriva dalla ossidazione delle proteine. Le ragioni per le quali viene usato in modo così significativo questo combustibile pesante che aumenta il costo del trasporto non sono chiare. Tra le ipotesi proposte, le più convincenti sono: in primo luogo, l’uso di aminoacidi in percorsi di reazioni anaplerotiche, dove gli amminoacidi generati dalla scomposizione delle proteine generano metaboliti acidi intermedi per ricostituire le scorte del ciclo dell’acido citrico per garantire che il catabolismo dei lipidi può procedere e, in secondo luogo, il ridimensionamento del ‘motore’ (il muscolo per l’appunto) durante il volo quando il combustibile progressivamente si riduce durante tutta la migrazione e bisogna ridurre i carichi pesanti. Infine, gli uccelli sono noti per l’atrofia dei loro organi digestivi prima del decollo per ridurre la manutenzione e le spese di trasporto dei tessuti che non sono essenziali per la locomozione. 
Il tasso metabolico che gli uccelli mantengono durante la migrazione è da 10 a 15 volte superiore dello stato di riposo, o circa il doppio del massimo consumo di ossigeno di mammiferi di dimensioni simili. La maggior parte dell’energia è fornita ai muscoli da riserve adipose extra-muscolari, e si stima che gli uccelli migratori siano in grado di mobilitare, trasportare e ossidare grassi più di 10 volte i tassi massimi registrati nei mammiferi.  

L’ossidazione dei lipidi fornisce più dei due terzi dell’energia consumata dagli uccelli migratori. Anche a riposo e in condizioni normo termiche, un trampoliere dimostra la sua straordinaria capacità di mobilitare grassi, mantenendo un più alto tasso lipolitico di qualsiasi altro animale misurato fino ad oggi. Queste misure in vivo della cinetica dei lipidi negli uccelli migratori dimostra che, in condizione di riposo, si idrolizzano trigliceridi a ritmo impressionante di 55-60 μmoles per kg al minuto. Questi valori di base sono 2-3 volte superiori a quelli dei mammiferi di analoghe dimensioni (a riposo o dopo prolungato esercizio sub massimale). 
Gli uccelli mobilitano più rapidamente acidi grassi insaturi a più corta catena, mentre quelli saturi e quelli a più lunga catena richiederebbero più tempo per essere disponibili per l’ossidazione. Questo modello di selezione è stato osservato anche in mammiferi. La capacità di lipolisi non è stata determinata in pesci migratori che percorrono lunghe distanze come il salmone. Tuttavia, anche questi nuotatori sono probabilmente in grado di mobilitare gli acidi grassi rapidamente se gli elevati tassi lipolitici misurati nei loro parenti sedentari come le trote sono considerati un indice. Tutti gli Ectotermi (assumono temperatura corporea uguale a quella dell’ambiente in cui vivono) potrebbero avere questa alta capacità di fornire acidi grassi di diversa lunghezza di catena e livello di saturazione, consentendo loro un rapido adattamento omeo viscoso quando la temperatura corporea oscilla. La strategia classica nei mammiferi di fornire ai muscoli energia sotto forma di acidi grassi non esterificati legati all’albumina non soddisfa le esigenze di coprire le lunghe distanze dei migratori. Al contrario, si basa sulla circolazione di lipoproteine per raggiungere gli elevati tassi di approvvigionamento energetico necessari per la migrazione perché l’energia portata è molto più elevata per le lipoproteine che per gli acidi grassi. Questo modo alternativo per alimentare il lavoro muscolare sembra essere tipico di animali filogeneticamente distanti come pesci, uccelli e insetti. Nei pesci, le prove dell’uso di lipoproteine come una navetta per il trasporto dell’energia sono più forti per i salmonidi perché mostrano livelli di lipoproteine plasmatiche particolarmente elevati che rappresentano oltre il 90% del totale dei lipidi circolanti. Cosa più importante, le lipoproteine del salmone variano notevolmente nel corso della migrazione e in modo coerente con il loro utilizzo come combustibile. L’uso di questa fonte di energia è stata anche confermata dalla recente dimostrazione che il nuoto di resistenza attiva la lipoproteina lipasi nel muscolo rosso e che il tasso di turnover è maggiore nelle lipoproteine della trota che in ogni endotermico. La presenza di una navetta di lipoproteine per l’ approvvigionamento energetico dei muscoli era stata anche proposta alcuni anni fa per gli uccelli migratori, e questa idea è supportata da lavori più recenti sulla Sandpiper occidentale. Le lipoproteine di questa specie sono sottoposte ad importanti fluttuazioni durante la migrazione lungo la costa del Pacifico del Nord e dell’America Centrale. Come nella migrazione del salmone, i cambiamenti osservati nella concentrazione e composizione supportano fortemente l’idea che le lipoproteine sono utilizzati come principale carburante ossidativo per l’esercizio fisico prolungato. Ironia della sorte, il macchinario molecolare per la fornitura delle lipoproteine al lavoro muscolare è stato meglio caratterizzato negli insetti che in qualsiasi altro vertebrato. Con un po’ di più della massa specifica metabolica di qualsiasi organismo, i lepidotteri e gli insetti ortotteri migratori devono sostenere flussi lipidici fenomenali. Li raggiungono utilizzando un servizio navetta per il trasporto rapido di diacilglicerolo tra le riserve di carburante e i muscoli utilizzati per il volo.

Nel grasso del corpo, dalla lipophorin ad alta densità (HDLP) viene caricato diacilglicerolo e convertito in lipophorin a bassa densità (LDLp) che, a sua volta, fornisce diacilglicerolo ai muscoli. Lo scarico di diacilglicerolo ai muscoli del volo rigenera HDLP, che restituisce al grasso corporeo per ripetere il ciclo. In assenza di un trasportatore adeguato, la natura idrofoba degli acidi grassi precluderebbe il loro trasferimento efficiente in tutto il citosol. Pertanto, gli animali si basano su una famiglia di proteine (FABPs) che legano gli acidi grassi e che solubilizzano questi acidi grassi intracellulari e accelerano i loro movimenti. La fornitura di acidi grassi ai mitocondri del muscolo dipende dalla presenza di una specifica FABP muscolare (M-FABP) che è stato isolata nei pesci, negli uccelli e negli insetti. L’espressione di M-FABP nei muscoli dei migratori è stagionalmente modulata dallo svernamento a livelli molto più elevati durante la migrazione. Una recente ricerca rivela che alcuni uccelli migratori utilizzano componenti della loro dieta per migliorare le prestazioni come sostanze per ottenere un aumento della capacità aerobica poco prima della partenza. Questa forma di ‘doping naturale’ è stato scoperto nella piovanella semipalmata che si prepara per il più lungo volo non-stop del loro ciclo annuale: un viaggio transatlantico di 4500 km dal Canada orientale al Sud America, che richiede un volo di 3 giorni al 60 km/h; durante il rifornimento nella baia di Fundy (Nuova Brunswick, Canada), i piovanelli raddoppiano la loro massa corporea (da 20 a 40 g), nutrendosi di piccoli anfipodi scavatori, che contengono livelli molto alti di acidi grassi poliinsaturi omega-3 (PUFA n-3). Questo comportamento è degno di attenzione perché la composizione in acidi grassi di diete artificiali ha dimostrato influenzare la capacità di resistenza in una varietà di animali, tra cui topi, salmoni dell’Atlantico, e il rosso dagli occhi vireo, un uccello migratore. Nella dieta naturalmente consumata dalla piovanella semipalmata, l’acido eicosapentaenoico (EPA, n-3 20:5) e l’acido docosaesaenoico (DHA, n-3 22:6) rappresentano il 45% dei lipidi totali. Pertanto, questi uccelli migliorano la capacità aerobica dei loro muscoli del volo mangiando grandi quantità di PUFA omega-3 che sono noti avere un effetto farmacologico nelle cellule dei mammiferi. L’esatto meccanismo molecolare non è noto, ma il doping naturale sembra essere mediato da due processi: l’incorporazione dei dieta PUFA omega-3 nei fosfolipidi di membrana e la loro associazione ai recettori nucleari. L’incorporazione di PUFA provoca cambiamenti nella fluidità della membrana, nella permeabilità, nel rapporto n-3/n-6 e nell’ambiente molecolare che interessano le proteine di membrana. Tra gli altri, queste proteine includono carnitina palmitoil transferasi, Na+/K+-ATPasi, Ca2+/Mg2 +-ATPasi, i canali ionici e il recettore dell’insulina. Oltre ai loro effetti sulla membrana, EPA e DHA sono ligandi naturali per i perossisomi proliferatori attivati recettori (PPAR) che regolano l’espressione di geni che controllano aspetti fondamentali del metabolismo dei lipidi. I singoli membri della famiglia dei PPAR regolano geni differenti, e la loro distribuzione varia tra i tessuti. I geni regolati da PPARa sono per lo più interessati nel trasporto e nell’ossidazione degli acidi, mentre quelli disciplinati dal PPAR si occupano dell’ accumulo dei lipidi e della differenziazione degli adipociti. La piovanella semipalmata è il primo caso documentato di un migratore della lunga distanza che utilizza un doping naturale per innescare la sua resistenza per il lavoro dei muscoli. Nessun invertebrato marino diverso dal Corophium Volutator contiene grandi quantità PUFA omega-3, e, in Nord America, questo anfipode si trova solo nella Baia di Fundy e nel Golfo del Maine. Il livello del mare e l’aumento dell’ inquinamento causati dal riscaldamento mondiale si pensa siano responsabili del recente calo dell’abbondanza del Corophium che potrebbe minacciare il ciclo di migrazione della pivanella semipalmata. Questo esempio illustra la necessità di proteggere le aree di sosta cruciali quando si tenta di fornire un sano futuro per gli uccelli migratori.

Il segreto fisiologico delle lunghe migrazioni non dipende da una unica magia, ma dall’integrazione di molteplici aggiustamenti della morfologia, della biomeccanica, del comportamento, dell’alimentazione e del metabolismo. La capacità di elaborare rapidamente i grassi emerge come una componente fondamentale del fenotipo dei migratori. Flussi lipidici elevati sono resi possibili da navette di lipoproteine, da alte concentrazioni di FABP (piccole proteine citoplasmatiche) favorendo l’aumento del trasporto dei lipidi e l’aumento del meccanismo metabolico per la lipolisi negli adipociti e l’ossidazione dei lipidi nei mitocondri muscolari. In una specie di uccelli, la preparazione per il volo di lunga durata è eseguita da doping naturale attraverso PUFA omega-3 nella sua alimentazione, le prestazioni muscolari vengono migliorate dalla ristrutturazione dei fosfolipidi di membrana e dall’attivazione di geni essenziali del metabolismo lipidico attraverso PPAR (recettori nucleari proteine), nel mondo vegetale, la più alta concentrazione di omega-3 si ha nell’olio di lino. Queste possono avere importanti implicazioni per il trattamento dell’obesità e per migliorare le prestazioni degli atleti umani.