Млекопитающие делятся механизмами контроля сердца с рыбой возрастом 400 миллионов лет

Примитивные двоякодышащие рыбы, прямые предки которых впервые появились около 400 миллионов лет назад, демонстрируют механизмы контроля работы сердца, которые ранее считались характерными только для млекопитающих.

У млекопитающих наблюдается увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС) на вдохе и уменьшение на выдохе — кардиореспираторный процесс, известный как дыхательная синусовая аритмия (RSA). Многие учёные считали этот процесс и его базовые механизмы контроля исключительно млекопитающими, но настоящее исследование ставит это предположение под сомнение.

Учёные из Великобритании и Бразилии изучили южноамериканского чешуйчатника (Lepidosiren paradoxa) и обнаружили, что системы, позволяющие этому примитивному позвоночному контролировать кровоток во время эпизодов воздушного дыхания, имеют близкое сходство с системами, идентифицированными у млекопитающих.

Чешуйчатники относятся к древней группе лопастепёрых рыб (класс Dipnoi), чья непрерывная летопись окаменелостей начинается в девонском периоде около 400 миллионов лет назад. Это было время, когда первые позвоночные выползли на сушу, дав начало амфибиям, а в последующие тысячелетия — рептилиям, птицам и млекопитающим.

Со своими протолёгкими и протоконечностями чешуйчатники представляют собой самую раннюю стадию эволюции воздуходышащих позвоночных. Они обитают в тропических пресноводных водоёмах и медленных реках, которые часто содержат очень низкий уровень растворённого кислорода и могут исчезать в сухой сезон.

Чешуйчатник разделяет периодический паттерн дыхания с наземными позвоночными, регулярно поднимаясь к поверхности воды для вентиляции своего лёгкоподобного органа воздушного дыхания и полагаясь исключительно на эти лёгкие для поглощения кислорода во время засухи.

Международная команда под руководством экспертов из Бирмингемского университета и Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar) опубликовала свои выводы в журнале Science Advances.

Профессор Тед Тейлор из Бирмингемского университета заявил: «Когда чешуйчатник заглатывает воздух на поверхности воды, его ЧСС мгновенно увеличивается — это сигнализирует о перенаправлении крови к лёгким существа.

Это возможно потому, что у животного неразделённое сердце, что позволяет варьировать долю крови, направляемую в лёгкие; в отличие от млекопитающих, у которых сердце полностью разделено и равные объёмы крови перекачиваются отдельно к лёгким и телу с каждым ударом.

Наше исследование установило чёткую функцию этих увеличений ЧСС у чешуйчатника в максимизации поглощения кислорода во время каждого вдоха воздуха, которая не была окончательно продемонстрирована для RSA у млекопитающих. Это позволяет предположить, что она может быть реликтом их связи с древними земноводными предками».

Профессор Тейлор добавил, что «Чешуйчатник обладает относительно сложной системой контроля, которая генерирует эти связанные с дыханием изменения ЧСС, со свойствами, предвосхищающими описанные для млекопитающих.

Мы обнаружили, что они включают несколько локализаций нервных клеток в стволе мозга, которые иннервируют сердце изолированными волокнами, проводящими быстрые импульсы, что вызывает мгновенную сердечную реакцию на каждый вдох воздуха».

Эта иллюстрация высокоразвитой системы контроля вариаций ЧСС у рыбы с доказанной древней родословной позволяет предположить, что её эволюция была обязательно связана с появлением воздушного дыхания через примитивные лёгкие позвоночных, а не с гораздо более поздним появлением млекопитающих.

Это понимание ставит под сомнение предположения о первичности млекопитающих, сделанные некоторыми биомедицинскими физиологами и многими психобиологами, демонстрируя, что «примитивные» механизмы, хотя и ранние, не обязательно просты.