本文最初发表于 Knowable Magazine。
每个人都喜欢看蜂鸟——它们是微小、色彩鲜艳的模糊影像，在花朵间穿梭、悬停，并势利地捍卫着自己对喂食器所有权的归属。
但对于研究它们的人类科学家来说，蜂鸟提供的不仅仅是引人入胜的景象。它们微小的体型和炽热的新陈代谢意味着它们过着刀尖上的生活，有时甚至需要几乎完全关闭身体机能，才能节省足够的能量来度过夜晚——或迁徙数千英里，有时甚至横跨开阔的海洋。
它们富含花蜜的饮食导致血糖水平之高，足以使人类陷入昏迷。而它们疾驰、飞腾的飞行有时会产生足以让战斗机飞行员晕厥的过载。研究人员看得越多，就越惊叹于这些鸟类世界中最小的生灵体内隐藏着更多的惊喜。
“它们是世界上唯一能够倒飞和后退飞行的鸟类，”怀俄明大学的保护生态学家Holly Ernest说。“它们饮用纯糖，却不会死于糖尿病。”
Ernest 是少数研究蜂鸟如何应对其极端生活方式所带来巨大压力的研究人员之一。以下是科学家们关于蜂鸟独特适应性的一些发现。
付出努力
多年来，大多数研究人员一直认为蜂鸟每天只花大约 30% 的时间用于从一朵花飞到另一朵花并大口吞咽花蜜的高能耗活动，而其余大部分时间都在休息。但当生理生态学家Anusha Shankar仔细观察时，她发现它们的工作强度常常比这大得多。
Shankar，现任职于印度海得拉巴的塔塔基础研究所，试图弄清楚亚利桑那州南部宽嘴蜂鸟是如何度过它们的日子的。她利用多种实验方法，测量了鸟类在各种活动中的新陈代谢率，并估算了它们每天的总能量消耗。结合之前的已发表数据，Shankar 能够计算出每分钟栖息、飞行和悬停的能量成本——这基本上是鸟类度过时间的三种选择。
然后，她推断出鸟类一天中必须花多少时间用于觅食与栖息。
“我们最终发现，这变数非常大，”Shankar 说。她发现，在夏季初期花朵充裕时，鸟类只需几个小时的觅食就能满足其日常能量需求，而可以将高达 70% 的时间用于栖息。但是，当夏季季风雨过后花朵变得稀少时，一个地点的鸟类栖息时间仅占 20%，其余时间都用于觅食。
“那可是每天 13 个小时！”Shankar 说。“我不可能每天花 13 个小时跑步。我不知道它们是怎么做到的。”
非常冷静
蜂鸟有一种能帮助它们节省能量储备的绝招：当一只鸟面临能量耗尽的危险时，它可能会在夜间进入迟滞状态，将体温降低到接近周围空气的温度——有时仅比冰点高几度。在迟滞状态下，鸟类几乎处于昏迷状态，无法对刺激做出快速反应，呼吸也断断续续。Shankar 计算得出，这种策略可以在寒冷的夜晚节省高达 95% 的每小时新陈代谢成本。当一只鸟比平时进食少时，例如雷暴过后，这一点至关重要。它还有助于鸟类在迁徙前储存脂肪以节省能量。
Shankar 目前正在研究蜂鸟在迟滞状态下优先考虑身体的哪些部分，通过观察哪些基因产物是它们不可或缺的。“如果你是一只新陈代谢率只有正常水平 10% 的蜂鸟，那么维持你生命的 10% 是什么？”她问道。
鸟类似乎没有触动的一组基因是那些负责其生物钟的基因。“在迟滞状态下，它们按时做事的时机很重要，”Shankar 说。例如，为了准备迎接新的一天，鸟类会在日出前大约一个小时开始从迟滞状态中苏醒，远远早于可见的光线信号。
应对糖分
为了支撑其高得离谱的新陈代谢率，蜂鸟每天要吸食相当于其体重 80% 的花蜜。这相当于一个 150 磅的人每天要喝近一百罐 20 盎司的可乐——而且花蜜的甜度通常比苏打水高得多。
多伦多大学斯卡伯勒分校的比较生理学家Ken Welch说，人类的肠道无法如此快速地吸收糖分，这也是摄入过多的苏打水或万圣节糖果会引起胃部不适的原因之一。蜂鸟通过“渗漏”的肠道来应对糖分的冲击，这样糖分就可以在肠道细胞之间进入血液，而不是仅仅通过它们。这使得糖分能够快速离开肠道，以免引起不适。Welch 说，这种快速运输，以及可能其他的适应性，使得蜂鸟的血糖水平能够达到人类的六倍之高。
血液中过多的糖分会导致人类出现严重的生理问题。它会导致更多的糖分子附着在身体蛋白质上，这个过程被称为糖基化；长期而言，过度的糖基化会导致糖尿病的许多并发症，如神经损伤。Welch 说，目前还不清楚蜂鸟是如何避免糖基化问题的，但线索已开始显现。例如，一项研究发现，鸟类蛋白质中容易发生糖基化的氨基酸比哺乳动物蛋白质少，而且残留的氨基酸通常深埋在蛋白质内部，暴露在循环糖中的机会更少。
尽管生物学家们对蜂鸟的生理活动有了更多的了解，但在美洲各地，蜂鸟的数量却在持续下降。（在北美西部常见的安娜蜂鸟是一个例外。）“所有的研究人员都非常、非常担心，”怀俄明大学的保护生态学家Holly Ernest说，她合作撰写了 2024 年《动物生物科学年鉴》中关于蜂鸟保护状况的文章。“五到十年前他们就很担心了，而最近这几年，他们非常非常担心。”
为了支持蜂鸟种群，Ernest 鼓励人们种植对蜂鸟友好的花卉，谨慎使用杀虫剂，并采取预防措施防止蜂鸟撞上窗户。
—Bob Holmes
图片来源：TOM SIEGFRIED
其他尚未为人所知的应对高血糖的策略，未来可能为人类糖尿病管理带来实际益处。“蜂鸟的基因组中可能隐藏着一座金矿，”Welch 说。
进行新陈代谢的“翻转”
经过一夜的禁食，一只蜂鸟的糖储备几乎耗尽——这带来了一个相反的新陈代谢挑战。“它如何醒来并飞行？”Welch 问道。“这时只有脂肪可供燃烧。”
他发现，蜂鸟已经进化得非常敏捷，能够快速地将新陈代谢从燃烧糖转向燃烧脂肪。“这需要参与其中的生化途径发生巨大的转变，”Welch 说——而且这个过程只需要几分钟，比其他生物能做到的快得多。“如果我们能那样控制我们的燃料使用，我们会非常乐意。”
节约用水——或者不节约
糖分并不是花蜜饮食带来的唯一挑战。毕竟，花蜜主要是水——而摄入如此多液体的鸟类必须排出大部分，同时又不损失电解质。因此，蜂鸟的肾脏经过高度适应，在排泄前能回收电解质。“它们排出的几乎是蒸馏水，”怀俄明大学退休的生态生理学家Carlos Martinez del Rio说。
但这带来了进一步的问题：如果一只蜂鸟整夜都在产生稀释的尿液，它会在早晨到来之前因脱水而死亡。为了避免这种情况，蜂鸟每晚都会关闭它们的肾脏。“它们进入了一种在人类看来会被认为是急性肾衰竭的状态，”Martinez del Rio 说。“蜂鸟必须这样做，否则它们就会因‘尿崩’而死。”
高飞——循序渐进
蜂鸟在新陈代谢上的需求即使在海平面上也已经非常严苛。但许多物种生活在高海拔地区，那里的空气稀薄，氧气含量较低，而且在悬停时提供的阻力也较小。以巨蜂鸟为例，它是世界上最大的蜂鸟，生活在安第斯山脉海拔 14,000 英尺以上的地方——比许多直升机能飞的高度还高。康奈尔大学的鸟类学家Jessie Williamson说，为了适应这些条件，它们进化出了富含血红蛋白的血液。
但 Williamson 的研究发现，一些鸟类面临着更严峻的挑战。巨蜂鸟足够大，研究人员可以给它们安装卫星追踪器以及更小的地理定位器。于是，Williamson 和她的同事决定给这些鸟安装追踪器。在花费了数千小时尝试用网捕获这些鸟类后，研究人员用定制的弹性珠宝线绳制成的挽具成功地给 57 只鸟安装了追踪器。
图片来源：J.L. WILLIAMSON ET AL / PNAS 2024
尽管他们只从八只鸟身上恢复了追踪数据，但即使是这么小的样本也带来了巨大的惊喜：一些鸟全年都生活在高安第斯山脉，而另一些——后来发现是一个新的、以前未被识别的物种——则每年从智利海岸的繁殖地迁徙到安第斯山脉。这意味着它们不仅要面对长途迁徙带来的明显挑战——往返近 5,000 英里——还必须适应旅途中稀薄的空气。
它们的秘诀是什么？循序渐进。“这看起来很像人类登山者征服珠穆朗玛峰的方式，即爆发式攀登，然后暂停以适应，”Williamson 说。“旅程需要几个月。”
随着追踪技术的轻量化和成本的降低，Williamson 等研究人员希望也能追踪体型更小的蜂鸟种类。这，连同其他研究技术的进步，可能会给这些微小而惊人的鸟类生物学带来许多新的惊喜。
本文最初发布于 Knowable Magazine，这是一个来自《年鉴评论》的独立新闻项目。订阅通讯。
