Более 50 миллионов лет назад милые птицы в смокингах начали покидать своих птичьих родственников на берегу, ковыляя к кромке воды и ныряя в погоне за морепродуктами.

Перепончатые лапы, похожие на ласты крылья и уникальные перья-все это помогало пингвинам адаптироваться к подводным прогулкам. Но новое исследование из Университета Небраски–Линкольна показало, что эволюция ныряния также находится в их крови, которая оптимизировала захват и высвобождение кислорода, чтобы пингвины не тратили впустую свое дыхание, удерживая его.

По сравнению с наземными птицами, кровь пингвинов, как известно, содержит больше гемоглобина: белка, который забирает кислород из легких и транспортирует его по кровотоку, прежде чем сбросить его в различные ткани. Это изобилие могло бы отчасти объяснить подводное мастерство, скажем, императорского пингвина, который ныряет глубже любой птицы и, как было задокументировано, задерживает дыхание более чем на 30 минут, охотясь на криль, рыбу и кальмаров.

Тем не менее, особенности их гемоглобина—и насколько он на самом деле эволюционировал, чтобы помочь пингвинам стать рыбоедными торпедами, которые проводят до половины своей жизни под водой-оставались открытыми вопросами. Поэтому биологи из Небраски Джей Сторз и Энтони Синьор, которые часто изучают гемоглобин птиц, которые выживают на много миль выше уровня моря, решили исследовать птиц, наиболее искусных в нырянии под ним.

"Просто не было много сравнительных работ по переносу кислорода в крови, поскольку это связано с физиологией ныряния у пингвинов и их не ныряющих родственников", - сказал Синьор, постдокторский исследователь в лаборатории Сторца.

Ответить на эти вопросы означало набросать генетические чертежи двух древних гемоглобинов. Один принадлежал общему предку всех видов пингвинов, который начал ветвиться от этого предка около 20 миллионов лет назад. Другая, датируемая примерно 60 миллионами лет, обитала в общем предке пингвинов и их ближайших не ныряющих родственников-альбатросов, буревестников и других летающих морских птиц. Мысль была проста: поскольку один гемоглобин возник до появления ныряния в линии, а другой-после, любые серьезные различия между ними подразумевали бы их важность для эволюции ныряния у пингвинов.

На самом деле сравнивать их было не так просто. Для начала исследователи буквально воскресили оба белка, опираясь на модели, которые учитывали последовательности генов современных гемоглобинов, чтобы оценить последовательности их двух древних аналогов. Синьор сращивал полученные последовательности с бактериями E. coli, которые вырабатывали два древних белка. Затем исследователи провели эксперименты, чтобы оценить эффективность каждого из них.

Они обнаружили, что гемоглобин от общего предка пингвинов захватывал кислород с большей готовностью, чем версия, присутствующая в крови более старого, не ныряющего предка. Это более сильное сродство к кислороду означало бы меньшую вероятность оставить следы в легких, что особенно важно для полуводных птиц, которым нужно максимально использовать один вдох во время охоты или путешествия под водой.

К сожалению, сама сила этого сродства может представлять трудности, когда гемоглобин поступает в ткани, голодающие по кислороду, который он несет.

-Наличие большего сродства гемоглобина к кислороду действует как более сильный магнит, вытягивающий больше кислорода из легких, - сказал Синьор. "Это здорово в этом контексте. Но потом вы теряетесь, когда приходит время отпустить."

Другими словами, любые преимущества, связанные с задержкой дыхания, полученные за счет дополнительного 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 диктуется кислотностью и углекислым газом в крови. Более высокие уровни любого из них делают гемоглобины более склонными к ослаблению.

Как и ожидали Сторц и Синьор, гемоглобин недавнего предка пингвинов был более чувствителен к окружающему его рН, а его биохимическая хватка на кислород ослаблялась больше в ответ на повышенную кислотность. И это, по словам синьора, делает гемоглобин более биохимически приспособленным к нагрузкам и потребностям в кислороде тканей, которым он служит.

"Это действительно прекрасная система, потому что ткани, которые усердно работают, становятся кислыми", - сказал он. - Они нуждаются в большем количестве кислорода, и сродство гемоглобина к кислороду может измениться в ответ на эту кислотность, чтобы обеспечить больше кислорода.

- Если рН упадет, скажем, на 0,2 единицы, кислородное сродство гемоглобина пингвинов уменьшится больше, чем гемоглобин их не ныряющих сородичей."

Вместе полученные результаты показывают, что по мере того, как пингвины выходили в море, их гемоглобин эволюционировал, чтобы максимально увеличить как прием, так и выброс доступного кислорода-особенно когда он в последний раз вдыхался пять, или 10, или даже 20 минут назад. Они также иллюстрируют ценность воскрешения белков, которые существовали 20, или 40, или даже 60 миллионов лет назад.

"Эти результаты демонстрируют, как экспериментальный анализ наследственных белков может выявить механизмы биохимической адаптации, - сказал Сторц, - а также пролить свет на то, как физиология организма развивалась в ответ на новые вызовы окружающей среды."

Команда подробно изложила свои выводы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

ИСТОЧНИК