Новости

31 августа, 2022 11:53

Российские ученые изучают механизмы устойчивости амфибий к гипоксии

Источник: Поиск
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.
Остромордая лягушка Rana arvalis. Источник: Wikimedia Commons, Korall
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.
«В 2021 году мы получили грант Российского научного фонда для исследования устойчивости сибирской лягушки к гипоксии, но расширили тематику, изучая и другие виды земноводных, переносящих замораживание и гипоксию. Проблема заморозки в том, что вода может кристаллизоваться внутри клеток и разорвать их, это приведет к гибели животного. Задача организма — создать физико-химические условия, при которых лед образуется в минимальных количествах и во внеклеточном пространстве», — рассказывает руководитель проекта по гранту, старший научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Сергей Викторович Шеховцов.
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, (при норме более 10 мг/л) 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.
«Замораживание и гипоксия — серьезный стресс для организма земноводного. Благодаря особенностям метаболизма и криопротекторам амфибиям достаточно запаса прочности для того, чтобы ожить весной. В рамках гранта мы планируем изучить эти механизмы», — отмечает Сергей Шеховцов.
Исследования выполняются при поддержке Российского научного фонда, их результаты опубликованы в журнале Animals.
6 октября, 2022
В России научились очищать синтетические алмазы от дефектов при помощи лазеров
Российские ученые разработали подход, позволяющий использовать лазеры для очистки искусственных алма...
6 октября, 2022
Миниатюрные постоянные магниты можно будет печатать на 3D-принтере
Ученые УрФУ и УрО РАН определяют оптимальные условия 3D-печати постоянных магнитов из магнитотвердых...