Кровь и лед: как антарктические рыбы утеряли гемоглобин, но смогли выжить

в 14:20, , рубрики: антарктика, белая рыба, Биотехнологии, ледяная рыба, Научно-популярное, физика, метки: ,

image

В 1928 году биолог по имени Дитлеф Рустед (Ditlef Rustad) поймал необычную рыбу на берегу Bouvet Island в Антарктике. У «белой рыбы-крокодила», как ее описал Рустед, были большие глаза, объемный рот, полный зубов и прозрачные плавники, похожие на длинные перья. Рыба была очень бледной, в некоторых местах ее тело было таким же белым, как снег, в то время, как другие части тела были практически прозрачными. Ещё норвежские китобои в XIX веке рассказывали, что в далёкой Антарктике, у острова Южная Георгия в юго-западной части Атлантического океана, водятся странные рыбы с бесцветной кровью, которых они и окрестили «бескровными» и «ледяными». И теперь эти рассказы, считавшиеся учеными вымыслом, оказались правдой.

Когда Рустад провел изучение рыбины, он понял, что ее кровь практически бесцветна — нигде не было ни капли красного. Ее жабры тоже были странными: окрашенные в белый цвет, они по консистенции напоминали йогурт, если можно привести такое сравнение. У той же трески жабры красные, как и у большинства других рыб. Все благодаря большому количеству кровеносных сосудов, которыми пронизан этот орган. У белокровных рыб сеть сосудов вообще гуще, чем у обычных рыб, в особенности, в жабрах.

Отсутствие эритроцитов в крови? Как это возможно?

В жабрах, как известно, кровь насыщается кислородом, после чего кислород разносится по всему телу. Поэтому какого бы цвета рыба бы ни была, ее жабры должны быть красными, или хотя бы темными — а не полностью белыми, как у странной рыбы из Антарктики.

Чуть позже Джоан Рууд (Johan Ruud) и другие исследователи объяснили, почему все обстоит именно таким образом. Дело в том, что эта рыба, которая получила название «ледяная рыба» (Champsocephalus gunnari), оказалась представителем рыб семейства Channichthyidae, практически все представители которого лишены гемоглобина и красных кровяных телец. Именно гемоглобину и эритроцитам мы обязаны тем, что наш организм получает кислород, захватывая его из атмосферного воздуха.

Кровь и лед: как антарктические рыбы утеряли гемоглобин, но смогли выжить - 2

Изначально ученые решили, что отсутствие гемоглобина — это адаптация к сверхнизким температурам и богатой кислородом переохлажденной воде в этом регионе. И действительно, кислорода в воде региона обитания рыбы очень много — он усваивается чуть ли не сам по себе. Зачем, спрашивается, рыбе эти кровяные тельца, когда кислород и так без проблем поступает в жабры? И специалисты пришли к выводу, что это все эволюционные изменения, позволившие рыбе приспособиться к экстремальным температурам.

Но оказалось, что все немного не так. Некоторое время спустя ученые выяснили, что утеря гемоглобина — вовсе не адаптационное приспособление. Это, скорее, генетическая мутация с не слишком положительными для вида или даже всего семейства изменениями. Поскольку кровь рыбы без гемоглобина способна переносить лишь 10% того кислорода, который обычно транспортируется эритроцитами крови тропических рыб, то «ледяной» рыбе пришлось полностью перекроить свое тело для того, чтобы выжить.

Этому виду удалось выжить несмотря ни на что благодаря ряду обстоятельств. Ледяная рыба живет в Южном Ледовитом океане, омывающем Антарктику. Течения блокируют регион от попадания сюда более теплой воды. По этой причине вода здесь всегда холодная. Ее температура составляет от 1,5 градусов Цельсия летом до — 1,8 градусов Цельсия зимой (как известно, морская и океаническая вода замерзают при температурах, значительно ниже нуля).

И рыбам пришлось выработать специальный белок-незамерзайку, который предохраняет животных от формирования ледяных кристаллов в их крови во время падения температуры воды ниже нуля. 16 видов рыб в Антарктике относятся к семейству Channichthyidae, которое, в свою очередь, является частью Notothenioidei. Причем среди всех прочих нототениевых, только у этой рыбы нет гемоглобина в крови. Кстати, ледяная рыба и нототениевые преобладают в Южном ледовитом океане — они составляют 35% от всех видов рыб и формируют 90% биомассы в регионе.

Генетики провели анализ ДНК ледяной рыбы с ДНК представителей видов рыб с красной кровью. Это исследование проводилось Уильямом Детрихом (William Detrich) из Северо-Восточного Университета. Детрих с коллегами обнаружили гены, которые и привели к специфическим мутациям. Фактически, один из генов, который отвечает за «сборку» молекулы гемоглобина, был утерян ледяными рыбами.

Наряду с гемоглобином, белокровки в ходе эволюции утеряли и миоглобин, который переносит кислород в мышцах скелета.

Как уже говорилось выше, до недавнего времени утеря гемоглобина и эритроцитов ледяной рыбой считалось адаптацией к холодной воде. Поскольку ни одно позвоночное в мире больше не теряло гемоглобин и красные кровяные тельца, ученые пришли к выводу, что утеря эритроцитов была ответом на изменяющуюся окружающую среду. Когда температура падает (имеется в виду долгосрочный процесс), преимущество получают животные с «жидкой кровью», которой легче циркулировать по сосудам. А поскольку эритроциты — достаточно крупные клетки, они в некотором смысле мешают этому процессу. У большинства видов рыб, которые живут в условиях холодного климата, в крови гораздо меньше красных кровяных телец, чем у их сородичей, живущих в теплых водах. Плюс ко всему, некоторые виды рыб могут снижать уровень эритроцитов в крови во время зимы для того, чтобы беречь энергию. Все это действительно так.

Но Кристин О'Брайен из Аляскинского университета в Фэрбенксе с коллегами решили проверить предположение об адаптационных изменениях ледяных рыб. В результатах исследования ученые указали, что у ледяной рыбы более крупное сердце и кровеносные сосуды, чем у других нототеноидных рыб. Несмотря на то, что кровь циркулирует по сосудам ледяной рыбы более активно, поскольку она лишена красных кровяных телец, рыбе приходится прокачивать огромные объемы крови, чтобы доставить достаточное количество кислорода ко всем тканям и органам.

В результате ледяная рыба, по подсчетам ученых, тратит в два раза больше энергии на процесс кровообращения, чем ее родственники. На работу сердца в состоянии покоя у обычной арктической рыбы уходит около 5% энергии, которое тратится всем организмом. У ледяной же рыбы этот показатель возрастает вплоть до 22%. Некоторые органы прозрачной рыбы пронизаны более густой сетью кровеносных сосудов, чем у других рыб. В частности, это касается глаз ледяной рыбы.

Как видим, это вряд ли можно назвать выгодным адаптационным приобретением, направленным на экономию энергии. Ее уходит, наоборот, больше, чем у видов рыб с красной кровью. Вот увеличение сердца и расширение сети кровеносных сосудов да, уже является следствием эволюционного процесса, позволившего этой странной рыбе выжить. Экономия энергии выполняется благодаря наличию других механизмов. Например, почечных телец у рыбы нет. Удаление ядовитых веществ у ледяной рыбы выполняют особые секреторные клетки почечных канальцев.

Кроме того, у ледяных рыб более высокий объем митохондрий при их аналогичном другим родственным видам рыб количестве. В митохондриальных мембранах белокровок более высокое соотношение липидов к белкам. Вероятно, это связано со специфическим белком регулятором биогенеза митохондрий PGC-1α*. PGC-1α является транскрипционным коактиватором и центральным звеном образования митохондрий в клетках. Недавно открыто, что PGC-1α регулирует состав и функции отдельных митохондрий и их окислительный метаболизм. Повышение окислительного метаболизма связано с повышенной работой PGC-1α, что сопровождается увеличением активных форм кислорода (АФК) в митохондриях. Но этот белок является и мощным регулятором удаления АФК, потому что высокий уровень PGC-1α запускает экспрессию многочисленных ферментов-антиоксидантов.

Большую часть времени белокровкам приходится проводить неподвижно. Кислород из воды эти рыбы могут усваивать и через кожу.

Лед в крови — и никаких проблем

Около 25 миллионов лет назад Южный ледовитый океан стал охлаждаться. Кстати, Южный ледовитый океан — условное название вод трёх океанов (Тихого, Атлантического и Индийского), окружающих Антарктиду и нередко выделяемых как «пятый океан», не имеющий, однако, чётко очерченной островами и континентами северной границы.

Так вот, при охлаждении вод океана в этом регионе погибло большое количество видов животных, которые не смогли приспособиться и выработать специальные белки-антифриз или же приспособиться к похолоданию каким-либо иным способом. Те виды, кто смог это сделать, выжили.

У той же ледяной рыбы в крови образуются кристаллы льда — это смертельно для многих других видов животных, но только не для этого вида. Дело в том, что специальный белок не дает уже появившимся льдинкам стать центром кристаллизации, что привело бы к полному замерзанию рыбы. Кровь и межклеточная жидкость остаются жидкими. Именно эта особенность позволяет ледяной рыбе хорошо себя чувствовать у Южного полюса.

Белок-антифриз носит название AFGP (antifreeze glycoprotein). Вероятно, он произошел от панкератической трипсиногеноподобной протеазы. Белок способен связываться с микроскопически малыми кристаллами льда, предотвращая их рост.

Белокровки (так еще называют ледяную рыбу) полностью замерзают лишь при — 6 градусах Цельсия.

Человек создает белокровкам проблемы

image

Глобальное потепление климата Земли приводит к тому, что воды Южного ледовитого океана становятся более теплыми и кислыми. Пищи для белых рыб (как правило, это детрит, появляющийся в воде во время таяния паковых льдов) становится меньше. Белокровки более чувствительны к изменениям климата, чем их родственники с красной кровью. Ихтиологи считают, что этот вид рыб может существовать только в холодной воде в полярных регионах и только при определенном диапазоне температур. В любых других регионах особенности ледяной рыбы приведут к ее быстрой гибели.

Если потепление продолжится — а это, скорее всего, так, то белокровкам придется либо снова приспосабливаться, вновь «изобретая» эритроциты, либо полностью вымереть, не оставив после себя ничего. Конечно, хотелось бы надеяться, что эта необычная и странная рыба сможет выжить даже в условиях снова меняющегося климата.

Автор: marks

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля