Кров і крига: як антарктичні риби втратили гемоглобін, але змогли вижити

У 1928 році біолог на ім'я Дітлеф Рустед (Ditlef Rustad) упіймав незвичайну рибу на березі Bouvet Island в Антарктиці. У «білої риби-крокодила», як її описав Рустед, були великі очі, об'ємний рот, сповнений зубів і прозорі плавці, схожі на довге пір'я. Риба була дуже блідою, в деяких місцях її тіло було таким самим білим, як сніг, тоді як інші частини тіла були практично прозорими. Ще норвезькі китобої в XIX столітті розповідали, що в далекій Антарктиці біля острова Південна Георгія в південно-західній частині Атлантичного океану водяться дивні риби з безбарвною кров'ю, яких вони й охрестили «безкровними» і «крижаними». І тепер ці розповіді, які вважалися вченими вигадкою, виявилися правдою.

Коли Рустед провів вивчення рибини, він зрозумів, що її кров практично безбарвна — ніде не було краплі червоного. Її зябра теж були дивними: забарвлені в білий колір, вони за консистенцією нагадували йогурт, якщо можна навести таке порівняння. У тієї ж тріски зябра червоні, як і більшість інших риб. Все завдяки великій кількості кровоносних судин, якими пронизаний цей орган. У білокровних риб мережа судин взагалі густіша, ніж у звичайних риб, особливо в зябрах.

Відсутність еритроцитів у крові? Як це можливо?

У зябрах, як відомо, кров насичується киснем, після чого кисень розноситься по всьому тілу. Тому якого б кольору риба не була, її зябра повинні бути червоними, або хоча б темними — а не повністю білими, як у дивної риби з Антарктики.

Трохи пізніше Джоан Рууд (Johan Ruud) та інші дослідники пояснили, чому все саме так.Справа в тому, що ця риба, яка отримала назву "крижана риба" (Champsocephalus gunnari), виявилася представником риб сімейства Channichthyidae, практично всі представники якого позбавлені гемоглобіну та червоних кров'яних тілець. Саме гемоглобіну та еритроцитам ми завдячуємо тим, що наш організм отримує кисень, захоплюючи його з атмосферного повітря.

Спочатку вчені вирішили, що відсутність гемоглобіну — це адаптація до наднизьких температур і багатої киснем переохолодженої води у цьому регіоні. І справді, кисню у воді регіону проживання риби дуже багато — він засвоюється мало не сам собою. Навіщо, питається, рибі ці кров'яні тільця, коли кисень і так без проблем надходить у зябра? І фахівці дійшли висновку, що це все еволюційні зміни, що дозволили рибі пристосуватися до екстремальних температур.

Але виявилось, що все трохи не так. Через деякий час вчені з'ясували, що втрата гемоглобіну — зовсім не адаптаційний пристрій. Це, скоріше, генетична мутація з не надто позитивними для виду або навіть всього сімейства змінами. Оскільки кров риби без гемоглобіну здатна переносити лише 10% того кисню, який зазвичай транспортується еритроцитами крові тропічних риб, то крижаній рибі довелося повністю перекроїти своє тіло для того, щоб вижити.

Цьому виду вдалося вижити незважаючи ні на що завдяки низці обставин. Крижана риба живе в Південному Льодовитому океані, що омиває Антарктику. Течії блокують регіон від попадання сюди теплішої води. Тому вода тут завжди холодна.Її температура становить від 1,5 градусів Цельсія влітку до - 1,8 градусів Цельсія взимку (як відомо, морська та океанічна вода замерзають при температурах значно нижче нуля).

І рибам довелося виробити спеціальний білок-незамерзайку, який оберігає тварин від формування крижаних кристалів у їхній крові під час падіння температури води нижче нуля. 16 видів риб в Антарктиці відносяться до сімейства Channichthyidae, яке, у свою чергу, є частиною Notothenioidei. Причому серед усіх інших нототенієвих, тільки ця риба не має гемоглобіну в крові. До речі, крижана риба та нототенієві переважають у Південному льодовитому океані — вони становлять 35% усіх видів риб і формують 90% біомаси в регіоні.

Генетики провели аналіз ДНК крижаної риби із ДНК представників видів риб із червоною кров'ю. Це дослідження проводилося Вільямом Детріх (William Detrich) з Північно-Східного Університету. Детріх із колегами виявили гени, які й призвели до специфічних мутацій. Фактично, один із генів, який відповідає за «складання» молекули гемоглобіну, був втрачений крижаними рибами.

Поряд із гемоглобіном, білокровки в ході еволюції втратили і міоглобін, який переносить кисень у м'язах скелета.

Як уже говорилося вище, донедавна втрата гемоглобіну та еритроцитів крижаною рибою вважалося адаптацією до холодної води. Оскільки жодне хребетне у світі більше не втрачало гемоглобін і червоні кров'яні тільця, вчені дійшли висновку, що втрата еритроцитів була відповіддю на навколишнє середовище, що змінюється. Коли температура падає (мається на увазі довгостроковий процес), перевагу отримують тварини з рідкою кров'ю, якою легше циркулювати по судинах.А оскільки еритроцити досить великі клітини, вони в деякому сенсі заважають цьому процесу. У більшості видів риб, що живуть в умовах холодного клімату, у крові набагато менше червоних кров'яних тілець, ніж у їхніх родичів, що живуть у теплих водах. Плюс до всього деякі види риб можуть знижувати рівень еритроцитів у крові під час зими для того, щоб берегти енергію. Все це справді так.

Але Крістін О'Брайєн з Аляскинського університету у Фербенксі з колегами вирішили перевірити припущення про адаптаційні зміни крижаних риб. У результатах дослідження вчені вказали, що у крижаної риби більше серце та кровоносні судини, ніж у інших нототеноїдних риб. Незважаючи на те, що кров циркулює по судинах крижаної риби активніше, оскільки вона позбавлена ​​червоних кров'яних тілець, рибі доводиться прокачувати величезні обсяги крові, щоб доставити достатню кількість кисню до всіх тканин та органів.

В результаті крижана риба, за підрахунками вчених, витрачає вдвічі більше енергії на кровообіг, ніж її родичі. На роботу серця у стані спокою у звичайної арктичної риби йде близько 5% енергії, що витрачається всім організмом. У крижаної риби цей показник зростає аж до 22%. Деякі органи прозорої риби пронизані густішою мережею кровоносних судин, ніж в інших риб. Зокрема, це стосується очей крижаної риби.

Як бачимо, це навряд можна назвати вигідним адаптаційним придбанням, спрямованим економію енергії. Її йде, навпаки, більше, ніж у видів риб із червоною кров'ю. Ось збільшення серця та розширення мережі кровоносних судин так, вже є наслідком еволюційного процесу, що дозволило цій дивній рибі вижити.Економія енергії виконується завдяки наявності інших механізмів. Наприклад, ниркових тілець риба не має. Видалення отруйних речовин у крижаної риби виконують спеціальні секреторні клітини ниркових канальців.

Крім того, у крижаних риб вищий обсяг мітохондрій при їх аналогічному іншим родинним видам риб кількості. У мітохондріальних мембранах білокровок більш високе співвідношення ліпідів до білків. Ймовірно, це пов'язано із специфічним білком регулятором біогенезу мітохондрій PGC-1α*. PGC-1α є транскрипційним коактиватором та центральною ланкою утворення мітохондрій у клітинах. Нещодавно відкрито, що PGC-1α регулює склад та функції окремих мітохондрій та їх окисний метаболізм. Підвищення окисного метаболізму пов'язане з підвищеною роботою PGC-1α, що супроводжується збільшенням активних форм кисню (АФК) у мітохондріях. Але цей білок є потужним регулятором видалення АФК, тому що високий рівень PGC-1α запускає експресію численних ферментів-антиоксидантів.

Більшість часу білокровкам доводиться проводити нерухомо. Кисень із води ці риби можуть засвоювати і через шкіру.

Лід у крові — і жодних проблем

Близько 25 мільйонів років тому Південний льодовитий океан став охолоджуватися. До речі, Південний льодовитий океан — умовна назва вод трьох океанів (Тихого, Атлантичного та Індійського), що оточують Антарктиду і нерідко виділяються як «п'ятий океан», однак не має чітко окресленої островами і континентами північного кордону.

Так ось, при охолодженні вод океану в цьому регіоні загинуло багато видів тварин, які не змогли пристосуватися і виробити спеціальні білки-антифриз або ж пристосуватися до похолодання будь-яким іншим способом.Ті види, хто зміг це зробити, вижили.

У тієї ж крижаної риби у крові утворюються кристали льоду — це смертельно багатьом інших видів тварин, але тільки цього виду. Справа в тому, що спеціальний білок не дає крижинкам, що вже з'явилися, стати центром кристалізації, що призвело б до повного замерзання риби. Кров та міжклітинна рідина залишаються рідкими. Саме ця особливість дозволяє крижаній рибі добре почуватися біля Південного полюса.

Білок-антифриз зветься AFGP (antifreeze glycoprotein). Ймовірно, він походить від панкератичної трипсиногеноподібної протеази. Білок здатний зв'язуватися з мікроскопічно малими кристалами льоду, запобігаючи їх росту.

Білокровки (так ще називають крижану рибу) повністю замерзають лише за - 6 градусів Цельсія.

Людина створює білокровкам проблеми

Глобальне потепління клімату Землі призводить до того, що води Південного льодовитого океану стають теплішими та кислішими. Їжі для білих риб (як правило, це детрит, що з'являється у воді під час танення льодів пакувань) стає менше. Білокровки більш чутливі до змін клімату, ніж їхні родичі із червоною кров'ю. Іхтіологи вважають, що цей вид риб може існувати тільки в холодній воді в полярних регіонах і лише за певного діапазону температур. У будь-яких інших регіонах особливості крижаної риби призведуть до її загибелі.

Якщо потепління продовжиться — а це, швидше за все, так, то білокровкам доведеться або знову пристосовуватися, знову винайдені еритроцити, або повністю вимерти, не залишивши після себе нічого. Звичайно, хотілося б сподіватися, що ця незвичайна і дивна риба зможе вижити навіть в умовах клімату, що знову змінюється.

Чому у риб холодна кров і чому так не може бути у людини?

Ну, коротше так.
Теплокровність та холоднокровність залежить від обміну речовин. У риб, земноводних і гадів обмін "уповільнений". У птахів та звірів – "високий". Звідси і теплота тіла (крові). Риба живе у воді. Тепловіддача у воду оч. велика, але риба холоднокровна тварина і тому легко переносить охолодження. А ось водяні звірі (кити, ластоногі) мають товстий шар жиру. Інакше переохолодження. Таким чином, якщо колись людині пересадять зябра, це буде китоподібний або моржоподібний монстр.
Якби людина була холоднокровною, всі процеси в організмі проходили б повільно. І, ніби добре, не відчували б холод і спеку, у воді сиділи б цілодобово і т. д. і т. п. АЛЕ! Взимку сплячка, оскільки холодно. Та й розумові процеси проходили б набагато повільніше. 2+2=4 вирішували б цілий день.

Тому що нам треба багато енергії і ми в теплих місцях живемо. А риби в холодній воді мало рухаються.

Чому у риб кров холодна, я не знаю, а ось те, що є люди з такою кров'ю - це точно. у переносному значенні слова звичайно.