Учитесь у животных

 

 

Чтобы повысить эффективность газообмена, животные идут на разные хитрости, пишет К. Стасевич (compulenta.computerra.ru): киты модифицируют мышечный белок миоглобин, чтобы его молекулы не слипались друг с другом, рыбы заставляют свой гемоглобин полностью отдавать весь связанный кислород мышцам в условиях стресса...

Без кислорода жизни нет, и все организмы неустанно заботятся о том, чтобы эффективно снабжать свои органы и ткани этим газом. Все, что связано с газообменом, изучается довольно давно, и, казалось бы, белых пятен тут быть не может. Тем не менее, эти самые физиологические, генетические и молекулярно-биохимические уловки, повышающие эффективность газообмена, столь разнообразны, что до сих пор интригуют ученых. Интригуют настолько, что в журнале Science, например, вышло сразу три статьи, посвященные особенностям газообмена у разных групп животных.

Самыми изобретательными в смысле снабжения тканей кислородом считаются водные животные, особенно те, что начинали свою эволюцию на суше, но потом вернулись в водную стихию — как китообразные. В первой из статей как раз и говорится об особенностях газообмена у китов, точнее, об особенностях их миоглобина. Миоглобин — это мышечный белок, который запасает кислород и снабжает им мышцы; он же придает мышцам красный цвет. Очевидно, чем больше миоглобина, тем больше кислорода удастся запасти, и у животных, которые ныряют глубоко и надолго, миоглобина в мышцах так много, что они выглядят уже не красными, а черными.

Однако миоглобин в таких концентрациях должен слипаться и превращаться в бесполезные белковые скопления. Но, как пишут Майкл Беренбринк и его коллеги из Ливерпульского университета (Великобритания), у китов миоглобин имеет некоторые особенности: его молекулы несут избыточный положительный заряд, из-за которого они отталкиваются друг от друга — как одноименные полюса магнита. То есть «водный» миоглобин защищают от слипания электростатические силы.

Однако исследователи этим не ограничились — они попытались восстановить молекулы миоглобинов, которые были у предков современных китообразных. А по структуре миоглобина можно было прикинуть, сколько времени мог проводить под водой тот или иной ископаемый организм. Так ученым удалось показать, что древний наземный предок современных китообразных по имени пакицет, хоть и жил вблизи водоемов, мог проводить под водой не более 90 секунд. При этом по размерам тела пакицет не превосходил современного волка. Но уже спустя 15 млн лет 6-тонный базилозавр мог нырять на 17 минут. Ну а нынешние киты проводят под водой более часа.

Другая работа, выполненная международной командой ученых из Австралии, Франции, Италии и Канады, посвящена гемоглобину лучеперых рыб. Гемоглобин представлять не надо, это, наверное, самый известный из белков крови (и вообще — из белков). Однако у некоторых организмов гемоглобин имеет любопытные особенности. Например, гемоглобин рыб сверхчувствителен к кислотности и быстро избавляется от кислорода, если кислотность среды начинает расти. Если, скажем, в воде оказывается чуть больше углекислого газа, который повышает кислотность, то рыбий гемоглобин старается избавиться от кислорода («эффект Рута»).

Иными словами, в условиях повышенной кислотности ткани должны быстро насыщаться кислородом. Это действительно так в случае плавательного пузыря, когда гемоглобин интенсивно накачивает его кислородом, чтобы не дать рыбе задержаться на слишком большой глубине, в области высокого давления. То же самое исследователям удалось увидеть и в рыбьих мышцах: они вводили в мышцы сенсор, чувствующий уровень кислорода, и помещали рыб в воду, насыщенную CO2. Кислород в мышцах немедленно подскакивал на 65%. Видимо, в тяжелых условиях важно было насытить ткани кислородом, чтобы выдержать стресс. Ученые полагают, что, например, лосось может подниматься по реке, преодолевая препятствия, как раз благодаря такому свойству гемоглобина, насыщающему мышцы кислородом.

В третьем материале, написанном коллективом авторов из Университета Небраски в Линкольне (США) и Университета Орхуса (Дания), речь идет опять-таки о гемоглобине, но на примере совсем не водного животного — белоногого хомячка. Эти грызуны живут на разных высотах над уровнем моря, что и отражается на структуре их гемоглобина: у тех хомячков, что забрались высоко, гемоглобин лучше связывает кислород. То есть даже при пониженной его концентрации гемоглобин все равно выхватит кислород из воздуха и доставит куда надо. В этом нет ничего неожиданного, однако авторы работы обнаружили любопытное свойство у мутаций, которые отвечали за разницу в сродстве к гемоглобину. Этих мутаций было двенадцать, причем крайне важным был контекст. Если мутация оказывалась в определенной комбинации с другими, то эффект от нее был положительный. Если же благоприятного контекста не было, мутация вела к обратному эффекту — гемоглобин начинал хуже связывать кислород. То есть польза и вред от мутации (по крайней мере в случае гемоглобина у белоногих хомячков) — понятия относительные, а не абсолютные.

Все перечисленные работы посвящены главным газообменным белкам, однако, разумеется, модификациями в гемоглобинах и миоглобинах дыхательные усовершенствования не исчерпываются. Легко заметить, что во всех случаях адаптации в физиологии и молекулярной механике газообмена возникали, когда животным нужно было решить стрессовую проблему — например, выйти в новую среду обитания или преодолеть изменения в окружении. Если учесть, что прогресс человеческой цивилизации тоже подчас приводит к сильному недостатку кислорода (что в первую очередь касается жителей мегаполисов), то не пора ли и нам перенять что-то из газообменных изобретений китов? Или хотя бы белоногих хомячков?..

Подготовлено по материалам Ливерпульского университета, Университета Небраски в Линкольне и Nature News.

 

Схема молекулы миоглобина (иллюстрация giselaguarneros)

 

Скелет пакицета — древнейшего предка китов (фото Esteban Rivas)

 

Белоногие хомячки, обитающие в горах, пользуются особой версией гемоглобина (фото n.clark)