Международная группа медиков и биологов нашла у голого землекопа (Heterocephalus glaber) новую «сверхспособность». Эти млекопитающие способны без вреда для себя выживать значительное время без кислорода вообще: они выдержали 18 минут в атмосфере, содержащей чистый азот. Как выяснили ученые, в условиях кислородного голодания животные научились управлять метаболизмом. В качестве углеводов, обеспечивающих клетки необходимой им энергией, землекопы использовали не глюкозу, расщепление которой замедляется при недостатке или отсутствии кислорода, а фруктозу. Исследование опубликовано в Science.
Голые землекопы обитают в Африке и, подобно кротам, большую часть жизни проводят в поисках пищи, прокапывая подземные ходы и норы. Социальная организация этих животных необычна для млекопитающих, а больше характерна для общественных насекомых (муравьев, пчел, ос). Голые землекопы живут колониями, насчитывающими до 280 особей и состоящими из королевы, нескольких «принцев-консортов» и рабочих особей. Помимо необычного уклада жизни, у землекопов есть несколько уникальных особенностей, которые превращают этих грызунов в настоящих «супергероев». Землекопы холоднокровны, как рептилии или земноводные, у них пониженная болевая чувствительность к термическим и химическим ожогам, они очень редко болеют раком и у них практически не проявляются признаки старения. Кроме того, землекопы — рекордсмены по долголетию среди грызунов, в неволе они доживали до 32 лет.
Недавно ученые показали, что содержание углекислого газа в норах землекопов может достигать 10 процентов, а содержание кислорода — падать до 5-6 процентов (для сравнения, в обычном воздухе содержится не больше 0,04 процентов углекислого газа, и более 20 процентов кислорода). Но животные в такой атмосфере, по-видимому, чувствовали себя неплохо, они не пытались убежать и не показывали признаков гипервентиляции. В новом исследовании биологи хотели изучить молекулярный механизм, который позволяет грызунам выживать в условиях кислородного голодания. По мнению исследователей, понимание этого механизма может помочь восстановиться людям, которые перенесли инфаркт или инсульт и пострадали от гипоксии.
В нормальных условиях в клетках аэробных организмов (млекопитающих, в частности) происходит ряд биохимических реакций, клеточное дыхание. В результате, из углеводов или жирных кислот образуется «энергетическая валюта», молекулы АТФ, необходимые для нормальной жизнедеятельности клеток, и углекислый газ и вода, которые выводятся из организма. Если в каскаде реакций происходит сбой, например, из-за недостатка или отсутствия кислорода, образование молекул АТФ замедляется или прекращается совсем. В результате клетки могут погибнуть, а в тканях — начаться необратимые изменения. Наиболее чувствительны к недостатку кислорода жизненно важные органы — печень, почки и сердце, а также центральная нервная система.
Во многих тканях клеточное дыхание начинается с «подготовительной» стадии — гликолиза (расщепления глюкозы). Получившиеся после расщепления продукты участвуют в последующих реакциях клеточного дыхания. И хотя для гликолиза, как такового, кислород не нужен, в дальнейших реакциях клеточного дыхания при недостатке или отсутствии кислорода накапливается большое количество органических кислот, которые критически замедляют процесс гликолиза. Замена глюкозы на фруктозу позволяет избежать влияния органических кислот, и получить вещества, участвующие в дальнейшем цикле клеточного дыхания. То есть, при переключении на фруктозу, организм, даже при низком уровне или отсутствии кислорода, может просуществовать какое-то время без вреда для себя.
Чтобы исследовать поведение голых землекопов при недостатке кислорода, ученые сначала поместили голых землекопов и референтных животных — мышей (Mus musculus) — в атмосферу, содержащую пять процентов кислорода. Землекопы провели в ней пять часов без видимого вреда для здоровья. Мыши задохнулись менее чем через 15 минут. Затем эксперимент повторили, но при этом исследователи наполнили герметичную камеру уже чистым азотом, не содержащим кислорода вовсе. Все мыши погибли примерно через минуту после того, как оказались в таких условиях, а землекопы продержались не менее 18 минут. При этом их сердечный ритм упал с 200 ударов в минуту до 50 и стабилизировался на этой отметке. После того, как землекопов вытащили на воздух, они через несколько секунд начали дышать и позднее полностью восстановились. Точно такой же эксперимент, но продленный до 30 минут, привел к тому, что экспериментальные животные все-таки погибли.
В последующих экспериментах авторы работы исследовали, что происходит в тканях (печени, сердце, почках, мышцах и мозге) и крови землекопов и мышей во время такой полной гипоксии (точнее, аноксии). Оказалось, что в тканях и крови у землекопов резко возрастает содержание фруктозы. У мышей ничего подобного не наблюдалось. Также ученые выяснили, что у землекопов во всех тканях вырабатывалось большое количество белка-транспортера GLUT5, доставляющего фруктозу в клетки и фермента кетогексокиназы, который модифицирует молекулу фруктозы так, что она может принять участие в гликолизе. «Вместе эти результаты могут свидетельствовать о том, что голые землекопы в отсутствие кислорода используют в качестве «топлива» не глюкозу, а фруктозу», — говорит ведущий автор исследования, Гэри Льюин (Gary Lewin) из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Берлине. Однако, по словам физиолога из университета Осло, Горана Эрика Нильссона (Göran Erik Nilsson), непонятно, насколько для выживания землекопов важны другие факторы адаптации. Учитывая то, что у землекопов очень низкая по сравнению с другими млекопитающими температура тела (30 градусов Цельсия), замедление метаболизма тоже может играть роль в обеспечении жизни в условии недостатка кислорода.
Землекопы, судя по всему, являются единственным видом млекопитающих, способных выживать в условиях экстремальной гипоксии. Однако некоторые другие виды млекопитающих тоже смогли приспособиться к постоянному, хоть и не такому сильному недостатку воздуха. Так, тибетские мастифы и жители Тибета, живущие на высоте свыше четырех тысяч метров, в условиях постоянной гипоксии приобрели мутацию в гене белка, связанного с уровнями гемоглобина, эритроцитов и насыщения эритроцитов гемоглобином.
Екатерина Русакова