Raziskovalci ugotovili, kako lahko krododili več ur zadržujejo dih

Krokodili se dolgo časa skrivajo pod vodno gladino. Ko njihov plen pride po požirek vode, se ta orjaški plazilec požene iz vode in plen ugrizne z močjo 5000 kilogramov. Vendar ni krokodil tisti, ki ubije svoj plen, ampak voda. Krokodil namreč svoj plen utopi. Raziskovalci so zdaj ugotovili, kaj je tisto, kar krokodilu omogoča zadrževanje diha.

Skrivnost krokodilov je v hemoglobinih

Uspeh krokodilove zasede je v nanoskopskih potapljaških rezervoarjih – hemoglobinih –, ki potekajo po njegovem krvnem obtoku in počasi, a enakomerno odvajajo kisik iz pljuč v tkiva, kar mu omogoča, da lahko brez zraka zdrži več ur. Nekateri biologi se zaradi izjemne učinkovitosti tega specializiranega hemoglobina sprašujejo, zakaj so med vsemi vretenčarji s čeljustmi na svetu prav krokodili edini, ki so našli tako optimalno rešitev, kako čim bolje izkoristiti vdih.

Jay Storz z Univerze Nebraska-Lincoln in njegovi sodelavci so s statistično rekonstrukcijo in eksperimentalno oživitvijo hemoglobina arhozavra, 240 milijonov let starega prednika vseh krokodilov in ptic, pridobili nov vpogled v to vprašanje. Namesto da bi bilo potrebnih le nekaj ključnih mutacij, kot so kazale prejšnje raziskave, so edinstvene lastnosti krokodiljega hemoglobina izhajale iz 21 medsebojno povezanih mutacij, ki so spremenile zapleteno sestavino rdečih krvničk.

Ta zapletenost in številni verižni učinki, ki jih v hemoglobinu lahko povzroči vsaka posamezna mutacija, so morda ustvarili tako labirintno evolucijsko pot, da je narava ni uspela izslediti niti v več deset milijonih let, so povedali raziskovalci.

»Če bi bil to tako enostaven trik – če bi bilo tako enostavno narediti nekaj sprememb – bi to počeli vsi,« je dejal Storz, glavni avtor študije in profesor bioloških znanosti.

Ves hemoglobin se v pljučih poveže s kisikom

Ves hemoglobin se v pljučih poveže s kisikom, nato pa preplava krvni obtok in ga sprosti v tkiva, ki so od njega odvisna. Pri večini vretenčarjev je afiniteta hemoglobina do zajemanja in zadrževanja kisika odvisna predvsem od molekul, znanih kot organski fosfati, ki se lahko z navezavo na hemoglobin prisilijo, da ta sprosti svoj dragoceni tovor.

Pri krokodilih – Tudi aligatorjih in njim podobnim – pa je vlogo organskih fosfatov zamenjala molekula bikarbonata, ki nastaja pri razgradnji ogljikovega dioksida. Ker tkiva, ki se trudijo, proizvajajo veliko ogljikovega dioksida, posredno proizvajajo tudi veliko bikarbonata, ki spodbuja hemoglobin, da razpošilja kisik v tkiva, ki ga najbolj potrebujejo.

»To je izjemno učinkovit sistem, ki zagotavlja nekakšen mehanizem počasnega sproščanja, ki krokodilom omogoča učinkovito izkoriščanje njihovih zalog kisika na krovu,« je dejal Storz. »To je eden od razlogov, zakaj lahko tako dolgo ostanejo pod vodo.«

Lotili so se študije o tem, kako je nastalo čudo, ki prenaša kisik

Chandrasekhar Natarajan, Tony Signore in Naim Bautista so kot podoktorski raziskovalci v Storzovem laboratoriju že pomagali razvozlati delovanje krokodiljega hemoglobina. Skupaj s kolegi iz Danske, Kanade, Združenih držav Amerike in Japonske se je Storzova ekipa odločila, da se bo lotila multidisciplinarne študije o tem, kako je nastalo čudo, ki prenaša kisik.

Predhodna prizadevanja za razumevanje njegove evolucije so vključevala vključitev znanih mutacij v človeški hemoglobin in iskanje morebitnih funkcionalnih sprememb, ki pa so bile običajno skromne. Nedavne ugotovitve iz njegovega laboratorija so Storza prepričale, da je bil ta pristop napačen. Med človeškim hemoglobinom in hemoglobinom starodavnih plazilcev, iz katerih so se razvili sodobni krokodili, je bilo namreč veliko razlik.

»Pomembno je razumeti učinke mutacij na genetsko ozadje, v katerem so se dejansko razvile, kar pomeni vertikalne primerjave med proteini prednikov in potomcev, ne pa horizontalne primerjave med proteini sodobnih vrst,« je dejal Storz. »S tem pristopom lahko ugotovimo, kaj se je dejansko zgodilo.«

Le hemoglobin neposrednega prednika krokodilov ni vezal fosfatov

Tako se je ekipa s pomočjo biokemijskih načel in statistike lotila rekonstrukcije hemoglobinskih načrtov iz treh virov:

• 240 milijonov let starega prednika arhozavra,
• zadnjega skupnega prednika vseh ptic in
• 80 milijonov let starega skupnega prednika sodobnih krokodilov.

Potem ko so v laboratoriju preizkusili vse tri obnovljene hemoglobine, so potrdili, da le hemoglobin neposrednega prednika krokodilov ni vezal fosfatov in se je ponašal z občutljivostjo na bikarbonat.

Primerjava načrtov hemoglobina prednikov arhozavrov in krokodilov je prav tako pomagala ugotoviti spremembe aminokislin – v bistvu sklepov hemoglobinskega skeleta –, ki so se lahko izkazale za pomembne. Da bi te mutacije preizkusili, so Storz in njegovi sodelavci v hemoglobin prednikov arhozavrov začeli vnašati določene mutacije, značilne za krokodile. Z identifikacijo mutacij, ki so povzročile, da se je hemoglobin arhozavrov obnašal bolj kot hemoglobin sodobnih krokodilov, je ekipa sestavila spremembe, odgovorne za te edinstvene, za krokodile specifične lastnosti.

Odkrili, zakaj so se zgodile spremebe v odzivnosti hemoglobina na bikarbonate in fosfate

Storz in njegovi sodelavci so v nasprotju z običajnim prepričanjem odkrili, da so se spremembe v odzivnosti hemoglobina na bikarbonate in fosfate zgodile zaradi različnih sklopov mutacij, tako da pridobitev enega mehanizma ni bila odvisna od izgube drugega. Njihova primerjava je pokazala tudi, da je za odstranitev mest za vezavo fosfatov zadostovalo nekaj mutacij, vendar je bilo za popolno odpravo občutljivosti na fosfate potrebnih več drugih mutacij. Na podoben način se je zdelo, da dve mutaciji neposredno vplivata na nastanek občutljivosti za bikarbonat – vendar le, če sta bili združeni z drugimi, zlahka spregledljivimi mutacijami v oddaljenih predelih hemoglobina ali če so se pojavile pred njimi.

Storz je dejal, da ugotovitve kažejo na dejstvo, da lahko kombinacija mutacij povzroči funkcionalne spremembe, ki presegajo vsoto njihovih posameznih učinkov. Mutacija, ki sama po sebi nima funkcionalnega učinka, lahko na različne načine odpre pot do drugih mutacij z jasnimi in neposrednimi posledicami. Prav tako je dejal, da te kasnejše mutacije lahko le malo vplivajo, če niso že prisotne predhodne mutacije, ki ustrezno določajo potek procesa. Vse te dejavnike pa lahko okolje, v katerem se odvijajo, pospeši ali onemogoči.

»Ko imamo te zapletene interakcije, to nakazuje, da so določene evolucijske rešitve dostopne le iz določenih izhodiščnih točk prednikov,« je dejal Storz. »Pri hemoglobinu prednikov arhozavrov imamo genetsko ozadje, ki omogoča razvoj edinstvenih lastnosti, ki jih vidimo v hemoglobinih sodobnih krokodilov. Nasprotno pa bi lahko pri predniku sesalcev kot izhodiščni točki na nek način razvili enako lastnost, vendar bi to moralo potekati s povsem drugačnim molekularnim mehanizmom, saj deluje v povsem drugačnem strukturnem kontekstu.«

Študija pojasnjuje tudi težave pri načrtovanju človeškega hemoglobina

Storz je dejal, da študija v dobrem in slabem pojasnjuje tudi težave pri načrtovanju človeškega hemoglobina, ki bi lahko posnemal in se približal delovanju krokodilov.

»Ne moremo preprosto reči: Dobro, to je posledica teh petih mutacij. Če vzamemo človeški hemoglobin in vnesemo samo te mutacije, bomo imeli hemoglobin z enakimi lastnostmi in bomo lahko ostali pod vodo tudi dve uri,« je dejal Storz. »Izkazalo se je, da temu ni tako.«

»V drevesu življenja je veliko problemov, ki jih ni mogoče rešiti,« je zaključil Storz.

Tilen Kemperle

Novinar