Она может нестись со скоростью 50 с лишним миль в час, прыгая на 30 с лишним футов в один прыжок. Но этот атлетизм с платиновой медалью уходит на второй план на берегу реки к югу от Сахары, источника жизни и смерти для пугливой импалы, замирающей в 100-градусной жаре, чтобы попить.

Нильский крокодил молча крестится в этой же грязной реке вот уже час. Когда невидимый хищник выныривает из воды, чтобы схватить импалу, его знаменитые зубы вцепляются в заднюю четверть, челюсти сжимаются с силой в 5 000 фунтов. Однако убийство совершает сама вода: глубоко дышащая рептилия тащит свою жертву на глубину, чтобы утопить.

Успех засады крокодила заключается в наноскопических резервуарах для акваланга - гемоглобинах, которые проходят через его кровеносную систему, перекачивая кислород из легких в ткани с медленной, но стабильной скоростью, что позволяет ему часами обходиться без воздуха. Сверхэффективность этого специализированного гемоглобина заставила некоторых биологов задуматься о том, почему из всех челюстных позвоночных в мире крокодилы оказались единственной группой, которой удалось найти такое оптимальное решение, позволяющее максимально эффективно использовать дыхание.

Статистически реконструировав и экспериментально воскресив гемоглобин архозавра, 240-миллионнолетнего предка всех крокодилов и птиц, Джей Сторц и его коллеги из Университета Небраски-Линкольна получили новые сведения об этой причине. Уникальные свойства крокодильего гемоглобина не требовали нескольких ключевых мутаций, как предполагалось ранее, а были обусловлены 21 взаимосвязанной мутацией, которые засоряют этот сложный компонент красных кровяных телец.

Эта сложность и многочисленные последствия, которые может вызвать любая мутация в гемоглобине, могли создать настолько лабиринтный эволюционный путь, что природа не смогла проследить его даже за десятки миллионов лет, считают исследователи.

"Если бы это был такой простой трюк - если бы это было так легко сделать, просто внеся несколько изменений - все бы этим занимались", - сказал Шторц, старший автор исследования и профессор биологических наук Уилла Катер в Небраске.

Весь гемоглобин связывается с кислородом в легких перед тем, как попасть в кровоток и в конечном итоге отдать кислород тканям, которые от него зависят. У большинства позвоночных сродство гемоглобина к захвату и удержанию кислорода диктуется в основном молекулами, известными как органические фосфаты, которые, присоединяясь к гемоглобину, могут заставить его отпустить свой драгоценный груз.

Но у крокодилов - крокодилов, аллигаторов и им подобных - роль органических фосфатов была вытеснена молекулой бикарбоната, которая образуется при расщеплении углекислого газа. Поскольку трудолюбивые ткани производят много углекислого газа, они также косвенно производят много бикарбоната, который, в свою очередь, побуждает гемоглобин направлять кислород к тканям, наиболее нуждающимся в нем.

"Это суперэффективная система, которая обеспечивает своего рода механизм медленного высвобождения, позволяющий крокодилам эффективно использовать свои бортовые запасы кислорода", - говорит Шторц. "Это одна из причин, по которой они могут оставаться под водой так долго".

Чандрасекхар Натараджан, Тони Синьор и Наим Баутиста, будучи постдокторантами в лаборатории Шторца, уже помогли расшифровать работу крокодильего гемоглобина. Вместе с коллегами из Дании, Канады, США и Японии команда Шторца решила приступить к междисциплинарному исследованию того, как появилось это чудо, переносящее кислород.

Предыдущие попытки понять его эволюцию включали в себя включение известных мутаций в человеческий гемоглобин и поиск любых функциональных изменений, которые обычно были скудными. Последние результаты, полученные в его собственной лаборатории, убедили Шторца в ошибочности такого подхода. В конце концов, между гемоглобином человека и гемоглобином древних рептилий, от которых произошли современные крокодилы, было много различий.

"Важно понять влияние мутаций на генетический фон, в котором они развивались, что означает проведение вертикальных сравнений между белками предков и потомков, а не горизонтальных сравнений между белками современных видов", - говорит Шторц. "Используя этот подход, можно выяснить, что произошло на самом деле".

Итак, с помощью биохимических принципов и статистических данных группа исследователей попыталась восстановить чертежи гемоглобина из трех источников: 240-миллионнолетнего предка архозавра, последнего общего предка всех птиц и 80-миллионнолетнего общего предка современных крокодилов. Испытав все три возрожденных гемоглобина в лаборатории, команда подтвердила, что только гемоглобин прямого предка крокодилов не имеет фосфатного связывания и обладает чувствительностью к бикарбонату.

Сравнение чертежей гемоглобина предков архозавра и крокодила также помогло выявить изменения в аминокислотах - по сути, соединениях гемоглобинового скелета, - которые могли оказаться важными. Чтобы проверить эти мутации, Шторц и его коллеги начали вводить определенные мутации, характерные для крокодилов, в гемоглобин предков архозавров. Выявив мутации, которые заставляли гемоглобин архозавра вести себя более похоже на гемоглобин современного крокодила, команда собрала воедино изменения, ответственные за эти уникальные, специфические для крокодилов свойства.

Вопреки общепринятому мнению, Шторц и его коллеги обнаружили, что эволюционные изменения в реакции гемоглобина на бикарбонат и фосфаты были вызваны разными наборами мутаций, так что приобретение одного механизма не зависело от потери другого. Их сравнение также показало, что, хотя для удаления фосфат-связывающих сайтов достаточно нескольких мутаций, для полного устранения чувствительности к фосфатам необходимо множество других. Точно так же две мутации, похоже, непосредственно способствовали появлению чувствительности к бикарбонату - но только в сочетании с другими, легко пропускаемыми мутациями в отдаленных областях гемоглобина или предшествуя им.

По словам Шторца, полученные результаты говорят о том, что комбинация мутаций может привести к функциональным изменениям, которые превосходят сумму их индивидуальных эффектов. Мутация, которая сама по себе не дает никакого функционального эффекта, может любым способом открыть путь для других мутаций с явными, прямыми последствиями. Точно так же, по его словам, эти последующие мутации могут мало на что повлиять без наличия предшественников, задавших соответствующий этап. И все эти факторы могут быть усилены или сбиты с пути средой, в которой они разворачиваются.

"Когда у вас есть такие сложные взаимодействия, это наводит на мысль, что определенные эволюционные решения доступны только с определенных исходных точек предков", - сказал Шторц. "Гемоглобин предка архозавра имеет генетический фон, позволяющий развивать уникальные свойства, которые мы наблюдаем в гемоглобине современных крокодилов. Напротив, если взять за отправную точку предка млекопитающих, то, возможно, существует какой-то способ эволюции того же свойства, но это должно происходить через совершенно другой молекулярный механизм, потому что вы работаете в совершенно другом структурном контексте".

К лучшему или худшему, сказал Шторц, это исследование также помогает объяснить сложность разработки человеческого гемоглобина, который мог бы имитировать и приближаться к показателям крокодилов.

Мы не можем просто сказать: "Хорошо, это в основном из-за этих пяти мутаций. Если мы возьмем человеческий гемоглобин и просто введем эти мутации, вуаля, у нас будет гемоглобин с такими же точно свойствами, и мы тоже сможем оставаться под водой в течение двух часов", - сказал Шторц. "Оказалось, что это не так.

"В древе жизни есть много проблем, которые не могут быть решены".