Голые землекопы рекордное время прожили без кислорода благодаря «растительной» биохимии мозга. О том, как им это удалось, рассказывает новое исследование, опубликованное в журнале Science.
Необычные грызуны, голые землекопы (Heterocephalus glaber), могут полностью обходиться без кислорода без видимых повреждений тканей тела рекордно долгое время — 18 минут. Это возможно из-за особенности их биохимии: клетки голых землекопов способны разлагать сахар фруктозу в процессе, не предполагающем участие кислорода. По всей видимости, благодаря такому необычному метаболическому пути эти грызуны и приспособились к жизни в скученности под землёй, где кислорода мало.
Животные с развитым головным мозгом очень плохо переносят аноксию — отсутствие кислорода во вдыхаемом воздухе, так как именно этот газ обеспечивает окисление глюкозы в клетках, а мозг служит основным потребителем энергии, полученной таким путём. В отсутствие притока кислорода с кровью окисление глюкозы в нервных клетках останавливается в течение нескольких секунд. После этого ещё одну-две минуты нейроны функционируют благодаря энергии аденозинтрифосфата (АТФ), однако и она быстро кончается. Когда это происходит, нервные клетки теряют способность поддерживать нормальную разность потенциалов на мембране и запускают механизмы «самоуничтожения». Поэтому практически ни одно млекопитающее не способно жить в условиях аноксии больше пары минут.
Однако тут нашлось исключение. Как выяснили биологи из Германии, США и Южной Африки, голые землекопы могут находиться в помещении с нулевым содержанием кислорода в воздухе до 18 минут, если по прошествии этого времени им дать подышать обычным воздухом, с 21% кислорода по объёму. Лабораторные мыши в аналогичных условиях погибали меньше чем через минуту, и возможность дышать воздухом нормального состава после этого срока уже не помогала вернуть их к жизни.
Как показали измерения физиологических параметров и биохимические анализы с использованием радиоактивных изотопов углерода, голые землекопы выдерживают аноксию так долго благодаря замедлению обмена веществ. В первые пять минут без кислорода частота сердцебиения у них снижалась с 200 до 50 ударов в минуту. Это позволяло зверькам экономить энергию АТФ. Что интереснее, при аноксии клетки голых землекопов начинали использовать фруктозу. Химический состав фруктозы совпадает с таковым для глюкозы. Однако молекула этого сахара по порядку соединения атомов немного отличается от глюкозы и в силу этой разницы практически никогда не служит для клеток животных главным источником энергии. У млекопитающих её метаболизм происходит в основном в печени. Тем не менее, у голых землекопов при аноксии фруктоза используется для получения энергии и клетками мозга.
В отсутствие кислорода нейроны голых землекопов переключаются на бескилородное разложение глюкозы — гликолиз. Но у этих животных в таких условиях данная цепь биохимических реакций начинается не с глюкозы, а с продуктов разложения фруктозы (они совпадают с продуктами разложения глюкозы в аналогичном процессе). Это позволяет обойти активность ферментов, подавляющих процессы гликолиза, в норме мало свойственные клеткам млекопитающих, и таким образом получить количество энергии, достаточное для поддержания жизни нейронов и других клеток тела. Интересно, что сходный механизм гликолиза характерен для растений.
Новые сведения о биохимических адаптациях голых землекопов к аноксии очень важны, так как эти грызуны — единственные млекопитающие, способные значительное время существовать в отсутствие кислорода. Кроме них, из позвоночных аноксию могут переносить только некоторые карпы и пресноводные черепахи. Однако они по строению дальше от человека, чем голые землекопы, и результаты экспериментов на рыбах и рептилиях сложнее переносить на человека, чем результаты опытов на грызунах.
