Пламенный насос. Естественная история сердца - Билл Шутт

Интересно, что это свойство побудило европейскую пищевую компанию запатентовать штамм дрожжей, генетически модифицированный для производства тех же самых белков, предотвращающих замерзание, какие содержатся в крови ледяной рыбы35. Забавный поворот – сейчас компания использует этот материал для предотвращения образования кристаллов в мороженом. Более конкретно, съедобный антифриз избавляет любителей замороженных десертов от необходимости иметь дело с хрустящим льдом, который может образоваться, когда крошечные кристаллы мороженого тают, а затем снова замерзают в более крупные, менее вкусные кристаллы. Белки, препятствующие замерзанию, действуют, прикрепляясь к поверхности более мелких кристаллов и мешая им склеиваться в крупные куски36.

Правда, мой основной интерес к крови ледяной рыбы не имел ничего общего с улучшением вкусовых впечатлений любителей мороженого. Вместо этого я хотел узнать, каким образом ледяная рыба смогла развить такой странный биологический выверт и все же получать достаточно кислорода для жизни. По словам эксперта по ледяным рыбам из Университета Аляски в Фэрбенксе Кристин О’Брайан, объяснение кроется в их среде обитания и связанной с ней причудой физики, а также в анатомии и поведении.

Ледяные рыбы обитают в глубоких водах, омывающих берега Антарктики. Там обитает относительно мало видов рыб и еще меньше хищников (в основном тюлени и пингвины). Поэтому ледяные рыбы практически не сталкиваются с конкуренцией за криль, мелкую рыбу и крабов, которыми они питаются. Кроме того, они хищники, которые охотятся из засады, что означает – они двигаются короткими, быстрыми и редкими рывками. Без особой физической активности их организму требуется меньше кислорода.

Холодная вода сама по себе дает ледяной рыбе, не имеющей гемоглобина, дополнительное преимущество: она содержит больше кислорода, чем теплая. Это происходит потому, что молекулы в холодной воде движутся медленнее, чем в теплой. Когда молекулы движутся быстрее, кислороду легче высвободиться из молекулы H2O и вырваться наружу. В результате холодная вода в конечном итоге удерживает больше кислорода, что полезно для организмов, которым он необходим.

Исследования показывают, что самые первые предки ледяных рыб без гемоглобина были результатом ошибки – генетической мутации, которая произошла где-то около пяти миллионов лет назад. К счастью, из-за богатой кислородом окружающей среды эта мутация не сразу обрекла древних рыб на вымирание. По словам О’Брайан, эта мутация на самом деле вызвала масштабную реконструкцию сердечно-сосудистой системы ледяной рыбы. Это эволюционное изменение привело к тому, что у рыбы в четыре раза увеличился объем крови и в три раза – диаметр кровеносных сосудов по сравнению с краснокровной рыбой аналогичного размера, а сердце более чем в пять раз крупнее, чем можно было бы ожидать. Это означает, что, хотя кровяное давление и частота сердечных сокращений у ледяной рыбы низкие, объем крови, выходящей из сердца с каждым сокращением, высок. Кроме того, когда кровь достигает мышц и внутренних органов, чрезвычайно плотные капиллярные русла помогают повысить эффективность газообмена. Наконец, благодаря одному инновационному эволюционному повороту у ледяных рыб нет чешуи, покрывающей тело, и поэтому поглощение кислорода происходит не только через жабры, но и непосредственно через кожу.

Так что – да, изначально, возможно, предкам ледяных рыб повезло, что они жили там, где жили. Теперь они успешно компенсировали недостаток гемоглобина – жизненно важного носителя кислорода, содержащегося в крови практически всех других существующих позвоночных.

В то время как ледяные рыбы способны полностью исключить риск замерзания, вырабатывая препятствующие этому белки, другие виды выживают, позволяя себе замерзнуть. Когда температура резко падает, сердца лягушек, например североамериканской лесной лягушки (Rana sylvatica), могут остановиться на несколько недель. Это происходит потому, что они заморожены полностью, как и другие жизненно важные органы, например печень. Затем, когда приближается весна и начинает расти температура, лягушки и их сердца оттаивают, и предварительно замороженная пульсация восстанавливается.

Я поговорил с биологом из Университета Майами (Огайо) Джоном Костанцо, экспертом по этому феномену. Он сказал, что, хотя широкая общественность живо интересуется темой переносимости замораживания, сейчас ей посвящено лишь несколько исследований. По словам Костанцо, эта тема достигла пика популярности в 1990-х годах, сосредоточившись вокруг криоконсервации органов и тканей человека, но с тех пор исследования практически зашли в тупик.

Я живо припомнил сплетню, которую слышал в детстве: тело Уолта Диснея было заморожено после его смерти в 1966 году. Поговаривали, что оно оставалось в состоянии криогенной консервации на сверхсекретном объекте, расположенном в Диснейленде под аттракционом «Пираты Карибского моря». Помню свое разочарование, когда я узнал, что, по словам членов семьи, дядюшку Уолта на самом деле кремировали через два дня после смерти от рака легких.

Но почему лесные лягушки могут переносить заморозку, а лесорубы – нет? Я задал этот вопрос знатоку замороженных лягушек, который ответил, что ткани большинства живых существ не могут разморозиться целыми – их слишком сильно повреждают формирующиеся кристаллы льда. «Вообразите острые ледышки, растущие между тканями, между клетками и внутри их, – говорит Костанцо. – Они разорвут все в клочья». То есть накопление внеклеточного льда может быть проблемой, но, когда лед появляется внутри самих клеток – это, в общем, смертельно.

Кроме того, что кристаллизация льда вызывает структурные повреждения, замораживание приводит к чрезмерному усыханию клеток из-за потери жидкости, разрушает мембраны и их структурные компоненты, истощает запасы молекул, богатых энергией, и затрудняет выведение из клеток отходов, которые могут накопиться до токсичных уровней.

Так как же лесная лягушка справляется с роковыми факторами замораживания?

– Когда лесная лягушка застывает, она охлаждается до температуры ниже точки замерзания, – сказал мне Костанцо. – Они живут в лесу, поэтому к тому моменту они уже устроились под подстилкой из листьев на лесной почве. Конечно, вокруг холодает и повсюду кристаллы льда, и эти кристаллы в конце концов пропитывают влажную кожу лягушки.

Он напомнил, что переход воды из жидкой фазы в твердую – реакция экзотермическая, то есть при этом выделяется тепло. В результате температура тела лягушки на самом деле резко повышается в первые часы замораживания. Учащается и ее сердцебиение, почти вдвое, при этом сердце перегоняет в тело криопротекторы. Это вещества, которые предотвращают замораживание тканей (как белок-антифриз в крови ледяной рыбы) и защищают клетки от повреждения, когда они все же замерзают.

Одно из таких веществ на самом деле очень распространенное – глюкоза, содержащая большое количество энергии, то есть сахар, который высвобождается в кровоток из печени. Когда тело лягушки застывает, ее печень начинает расщеплять запасы крахмалистого гликогена[62] в глюкозу. Это происходит с огромной скоростью, в кровь поступает в 80 раз больше сахара, чем обычно. Такой скачок уровня глюкозы предотвращает формирование льда внутри клеток, способствуя выведению из них воды под влиянием осмоса – еще одной версии нашей давней подруги диффузии. Вода движется из области более высокой ее концентрации – клеток – к более низкой, в насыщенное сахаром клеточное окружение[63]. Это предотвращает набухание и разрыв клеток при замерзании. Об этом движении воды мы узнаем побольше чуть позже.