生活在寒冷环境中的动物面临许多挑战。随着体温下降，包括大脑和肌肉在内的器官功能会减慢。动物的体温主要取决于环境温度，但哺乳动物可以通过增加新陈代谢来使用更多能量来温暖身体。这使得它们能够在寒冷的地区生活，并在夜间或冬季温度下降时保持活跃。尽管科学家知道哺乳动物在寒冷中可以增加新陈代谢，但尚不清楚哪些器官或组织在使用这些额外能量来产生更多热量。
保持温暖对小型水生哺乳动物如海獭来说尤其具有挑战性，因此我们想知道它们是如何适应寒冷环境的。我们组建了一个研究团队，包括阿拉斯加东南大学的Heidi Pearson和蒙特利湾水族馆的Mike Murray，他们擅长于人类和海洋哺乳动物的新陈代谢研究。了解适应寒冷生活的动物的能量使用也可能为调控人类新陈代谢提供线索。
水生哺乳动物保持温暖尤其困难，因为水比空气更快地将热量从身体传导出去。大多数海洋哺乳动物拥有庞大的体型和厚厚的脂肪层或脂肪层以进行隔热。海獭是海洋哺乳动物中最小的，没有这种厚厚的脂肪层。相反，它们拥有所有哺乳动物中最密集的毛发，每平方英寸有多达一百万根毛发。
然而，这种毛发需要定期梳理，大约10%的海獭日常活动用于维护其毛发中捕获的空气隔热层。密集的毛发本身不足以让海獭保持温暖。为了产生足够的体热，它们在休息时的代谢率大约是大多数相似大小哺乳动物的三倍。这种高代谢率是有代价的。
为了获得足够的能量来满足高需求，海獭每天必须摄入超过其体重的20%的食物。相比之下，人类每天摄入大约2%的体重——对于一个155磅（70公斤）的人来说，大约是3磅（1.3公斤）的食物。当动物进食时，食物中的能量不能直接被细胞使用来工作。相反，食物被分解成简单的营养素，如脂肪和糖。这些营养素随后在血液中运输并被细胞吸收。
在细胞内，有称为线粒体的细胞器，营养素在其中被转化为ATP——一种高能分子，充当细胞的能量货币。将营养素转化为ATP的过程类似于水坝将储存的水转化为电能。当水从水坝流出时，它通过旋转连接到发电机的叶片产生电能——类似于风旋转风车叶片。如果水坝有漏洞，一些水或储存的能量会丢失，无法用于发电。
同样，有漏洞的线粒体在从营养素中制造ATP时效率较低。虽然线粒体中泄漏的能量不能用于工作，但它会产生热量来温暖海獭的身体。体内所有组织都使用能量并产生热量，但有些组织比其他组织更大、更活跃。肌肉占大多数哺乳动物体重的30%。当活跃时，肌肉消耗大量能量并产生大量热量。您无疑经历过这一点，无论是在锻炼时发热还是在寒冷时颤抖。
为了找出肌肉代谢是否有助于保持海獭温暖，我们研究了从新生幼崽到成年海獭的各种大小和年龄的小肌肉样本。我们将肌肉样本放置在设计用于监测氧气消耗的小型室内——这是能量使用量的衡量标准。通过添加不同的溶液来刺激或抑制各种代谢过程，我们确定了线粒体可以用来制造ATP的能量——以及可以进入产热泄漏的能量。
我们发现海獭肌肉中的线粒体可能非常容易泄漏，允许海獭在没有任何身体活动或颤抖的情况下提高肌肉热量。事实证明，海獭肌肉在变得低效方面很擅长。在将营养素转化为运动时作为热量“丢失”的能量使它们能够在寒冷中生存。
值得注意的是，我们发现新生幼崽具有与成年海獭相同的代谢能力，尽管它们的肌肉尚未成熟以进行游泳和潜水。我们的研究表明，肌肉对于运动之外的其他功能也很重要。由于肌肉占体重的很大一部分，即使肌肉代谢的小幅增加也可以显著增加动物使用的能量。
这对人类健康有重要影响。如果科学家发现安全且可逆地增加静息时骨骼肌代谢的方法，医生可能可以将此作为工具来降低肥胖率，通过增加患者可以燃烧的卡路里量。相反，减少骨骼肌代谢可以在患有癌症或其他消耗性疾病的患者中节省能量，并可以减少支持长期太空飞行的宇航员所需的食物和资源。