Наука в Сибири. Биологи раскрывают секреты амфибий
Ученые ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» совместно с сотрудниками Института биологических проблем Севера ДВО РАН изучают механизмы устойчивости амфибий к гипоксии — низкому содержанию кислорода в тканях. Результаты исследования помогут найти генные пути адаптации позвоночных к кислородному голоданию и разработать новые методы криоконсервации органов.
Земноводные — выходцы из южных краев, однако некоторые из них, приспособившиеся к жизни на Севере, обладают адаптациями для перенесения отрицательных температур. Одни выдерживают замораживание, другие уходят на зиму в незамерзающие водоемы. Амфибии до недавнего времени считались малоустойчивыми к гипоксии, однако в 2019 году магаданские биологи показали, что сибирская лягушка Rana amurensis до полугода выживает в воде с почти полным отсутствием кислорода и сохраняет способность двигаться. Остромордая лягушка Rana arvalis и саламандра Salamandrella keyserlingii (сибирский углозуб) остаются на суше в верхних 10—15 см почвы и при замерзании испытывают жесткую гипоксию из-за прекращения циркуляции крови, доставляющей кислород к тканям.
Земноводные, зимующие на суше, замерзают при небольших отрицательных значениях, но далее выдерживают весьма низкие температуры. Например, остромордая лягушка способна переносить охлаждение до -16 °C, сибирский углозуб — до -55 °C. Амфибии при этом накапливают криопротекторы — вещества, которые защищают организм от разрушающего действия холода. По словам исследователей, большинство земноводных либо выживают при охлаждении до -1—1,5 °C, либо погибают. Остромордая лягушка и сибирский углозуб адаптированы к жизни в экстремальных зимних условиях и весной оживают без какого-либо вреда для организма.
Сибирская лягушка имеет высокую устойчивость к гипоксии, но не переносит длительного охлаждения ниже -2,5 °C, поэтому не может зимовать на суше. В морозный период она выбирает непромерзающий водоем. Лягушка находится под водой практически без кислорода. В лабораторных условиях Rana amurensis смогла выжить в герметически закрытых емкостях в воде с минимальным содержанием кислорода, менее 0,2 мг/л О2, (при норме более 10 мг/л O2) в течение 97 дней, сохраняла активность и реагировала на внешние раздражители. Адаптация сибирской лягушки к длительной экстремальной гипоксии — первый известный случай в классе амфибий.
В лабораторных исследованиях биологи совместно с коллегами из Международного томографического центра СО РАН изучили метаболом (совокупность малых молекул в организме) всех трех амфибий. Животные к осени накапливают в печени гликоген — полисахарид, распадающийся зимой на глюкозу и глицерин. Эти соединения обеспечивают энергией клетки организма до замораживания, а затем выступают в качестве антифриза. Метаболомный анализ выявил накопление продуктов гликолиза: лактата и аланина. Это означает, что, пребывая в воде без кислорода или в процессе замораживания, животные переходят на анаэробный обмен. В состоянии гипоксии/замораживания у лягушек и углозуба ученые обнаружили этанол, который ранее никогда не отмечался в таком количестве у наземных позвоночных. Интересным показалось и обнаружение 2,3-бутандиола — молекулы, которая часто встречается в метаболомных исследованиях позвоночных, но функция ее остается неизвестной.
У всех видов в экспериментах обнаружили глицерин, который выступает криопротектором у многих морозоустойчивых животных. Его присутствие у остромордой лягушки неожиданно, так как считалось, что она использует в качестве антифриза глюкозу и мочевину. Содержание глицерина в организме сибирской лягушки исследователи считают еще более интересным — роль его неясна, потому что эта амфибия не переносит замораживания. Наличие в организмах животных-моделей множества, как казалось ранее, нетипичных для этих видов веществ позволяет ученым строить гипотезы об их устойчивости к экстремальным условиям.
Фото: Н. А. Булахова