Гемоглобин пингвинов эволюционировал, чтобы удовлетворить потребность в кислороде при нырянии
Перепончатые лапы, похожие на ласты крылья и уникальные перья - все это помогло пингвинам адаптироваться к к подводным путешествиям. Но новое исследование Университета Небраски в Линкольне показало, что эволюция ныряния также находится в их крови, что позволило улучшить, оптимизировать захват и высвобождение кислорода, чтобы пингвины не тратили зря своё дыхание, задерживая его.
Более 50 миллионов лет назад милые птицы начали оставлять своих птичьих сородичей на берегу, переваливаясь к кромке воды и ныряя в поисках морепродуктов.
По сравнению с наземными птицами, кровь пингвинов, как известно, содержит больше гемоглобина: белок, который забирает кислород из легких и переносит его через кровоток, прежде чем попадает в различные ткани. Это изобилие может частично объяснить подводные навыки, скажем, императорского пингвина, который ныряет глубже, чем любая птица, и было зарегистрировано, что он задерживает дыхание более чем на 30 минут во время охоты на криль, рыбу и кальмаров.
Тем не менее, особенности их гемоглобина - и насколько он фактически изменился, чтобы помочь пингвинам стать поедающими рыбу торпедами, которые проводят до половины своей жизни под водой, - оставались открытыми вопросами. Поэтому биологи из Небраски Джей Сторц и Энтони Синьор, которые часто изучают гемоглобин птиц, которые выживают на высоте нескольких миль над уровнем моря, решили исследовать птиц, наиболее искусно ныряющих под ним.
«Было просто не так много сравнительных исследований по переносу кислорода в крови, поскольку это связано с физиологией ныряния у пингвинов и их родственников, не занимающихся нырянием», - сказал Синьор, научный сотрудник лаборатории Сторца.
Ответить на эти вопросы означало нарисовать генетические схемы двух древних гемоглобинов. Один из них принадлежал общему предку всех видов пингвинов, которые начали разветвляться от этого предка около 20 миллионов лет назад. Другой, датируемый примерно 60 миллионами лет, принадлежал общему предку пингвинов и их ближайших не ныряющих родственников - альбатросов, буревестников и других летающих морских птиц. Идея была проста: поскольку один гемоглобин возник до появления ныряльщиков в этой линии, а другой - после, любые существенные различия между ними будут указывать на их важность для эволюции ныряния у пингвинов.
На самом деле сравнивать их было не так просто. Для начала исследователи буквально воскресили оба белка, полагаясь на модели, которые учитывали последовательности генов современных гемоглобинов, чтобы оценить последовательности их двух древних аналогов. Синьор соединил полученные последовательности с бактериями E. coli, которые образовали два древних белка. Затем исследователи провели эксперименты, чтобы оценить эффективность каждого из них.
Они обнаружили, что гемоглобин от общего предка пингвинов захватывает кислород с большей готовностью, чем версия, присутствующая в крови более старого, не ныряющего предка. Это более сильное сродство к кислороду означало бы меньше шансов оставить следы в легких, что особенно важно для полуводных птиц, которым нужно максимально использовать один вдох во время охоты или путешествий под водой.
К сожалению, сама сила этого сродства может создавать трудности, когда гемоглобин достигает тканей, которым не хватает кислорода, который он несет.
«Наличие большего сродства гемоглобина и кислорода действует как более сильный магнит, вытягивая больше кислорода из легких», - сказал Синьор.
Другими словами, любые преимущества задержки дыхания, полученные от сбора лишнего кислорода, могут быть отменены, если гемоглобин изо всех сил пытается ослабить свою железную хватку и освободить свой ценный груз. Вероятность того, что это произойдет, отчасти продиктована кислотностью и углекислым газом в крови. Более высокий уровень любого из них повышает вероятность ослабления гемоглобинов.
Как и ожидали Сторц и Синьор, гемоглобин недавнего предка пингвинов был более чувствителен к окружающему pH, а его биохимический контроль над кислородом в большей степени ослаблялся в ответ на повышенную кислотность. И это, по словам Синьора, сделало гемоглобин более биохимически приспособленным к нагрузке и потребностям в кислороде тканей, которые он обслуживает.
«Это действительно прекрасная система, потому что напряженные ткани становятся кислыми», - сказал он. «Им нужно больше кислорода, и сродство гемоглобина к кислороду может изменяться в ответ на эту кислотность, чтобы обеспечить больше кислорода.
«Если pH упадет, скажем, на 0,2 единицы, сродство к кислороду гемоглобина пингвинов уменьшится больше, чем гемоглобин их родственников, не занимающихся нырянием».
В совокупности результаты показывают, что по мере того, как пингвины выходили в море, их гемоглобин эволюционировал, чтобы максимально увеличить как поглощение, так и выделение доступного кислорода, особенно когда его последний раз вдыхали на пять, 10 или даже 20 минут раньше. Они также демонстрируют ценность воскрешения белков, которые в последний раз существовали 20, 40 или даже 60 миллионов лет назад.
«Эти результаты демонстрируют, как экспериментальный анализ предковых белков может выявить механизмы биохимической адаптации, - сказал Сторц, - а также пролить свет на то, как физиология организма развивалась в ответ на новые проблемы окружающей среды».
Источник:
https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210323103854.htm