Как ныряющие млекопитающие развили выносливость под водой

Ученые из Ливерпульского университета выяснили, как ныряющие млекопитающие, такие как кашалот, эволюционировали для выживания под водой без дыхания в течение долгого времени.

Исследователи обнаружили уникальную молекулярную сигнатуру кислород-связывающего белка миоглобина у кашалота и других ныряющих млекопитающих. Это позволило проследить эволюцию запасов кислорода в мышцах у более чем 100 видов млекопитающих, включая их вымерших предков.

Миоглобин, придающий мясу красный цвет, присутствует в очень высоких концентрациях у лучших ныряльщиков среди млекопитающих — настолько высоких, что их мышцы почти черные. Однако до сих пор было мало известно о том, как эта молекула адаптирована у чемпионов по нырянию.

Белки склонны слипаться при высоких концентрациях, что нарушает их функцию. Поэтому было неясно, как миоглобин помогает организму хранить достаточно кислорода, чтобы киты и тюлени могли долго находиться под водой без дыхания. Лучшие ныряльщики могут задерживать дыхание более чем на час во время охоты в глубинах океана, в то время как наземные млекопитающие, такие как люди, — лишь на несколько минут.

Ключевое открытие: Изучив электрический заряд на поверхности миоглобина, ученые обнаружили, что он увеличивается у млекопитающих, способных надолго нырять. Эта же молекулярная сигнатура была найдена не только у китов и тюленей, но и у полуводных бобров, ондатр и даже водяных землероек.

Эволюционная реконструкция: Нанеся эту молекулярную сигнатуру на генеалогическое древо млекопитающих, ученые смогли реконструировать запасы кислорода в мышцах у вымерших предков современных ныряющих видов. Они также впервые получили свидетельство существования общего земноводного предка современных ламантинов, даманов и слонов, жившего на мелководьях Африки около 65 миллионов лет назад.

Механизм: Исследование предполагает, что повышенный электрический заряд миоглобина у млекопитающих с высокой концентрацией этого белка вызывает электростатическое отталкивание (как у одинаковых полюсов магнитов). Это предотвращает слипание белков и позволяет достичь гораздо более высоких концентраций кислород-запасающего миоглобина в мышцах ныряльщиков.

Значение:

• Позволяет связать анатомические изменения при переходе млекопитающих из воды на сушу с их реальной физиологической способностью к нырянию.
• Помогает понять, какой добычей питались вымершие животные и их роль в прошлых водных экосистемах.
• Может помочь в изучении человеческих болезней, связанных с агрегацией белков, таких как болезнь Альцгеймера и диабет, и в разработке искусственных заменителей крови.

Исследование, финансируемое BBSRC и опубликованное в журнале Science, проведено в сотрудничестве с Университетом Манитобы (Канада) и Университетом Аляски (США).