У некоторых морских животных, особенно обитающих на большой глубине, нет ни жабр, ни легких. Кислород в организм поступает через щупальца, кожу и даже ноги. РИА Новости рассказывает о самых невероятных органах дыхания, сформированных эволюцией.

Голые землекопы, "бессмертные" африканские грызуны, могут переживать до 20 минут полного лишения кислорода благодаря способности их клеток использовать чистую фруктозу для обеспечения себя энергией, что роднит их с растениями, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Голый землекоп"Нам первыми удалось показать, что, по крайней мере, одно млекопитающее может переключаться с глюкозного метаболизма на фруктозу при недостатке кислорода. Наш мозг и другие органы необратимо повреждаются через пару минут после остановки сердца или инсульта. Так как ДНК мышей и голых землекопов на 94% идентична, вполне возможно, что мы сможем "позаимствовать" этот необычный метаболизм в будущем", — заявил Гэри Левин (Gary Lewin) из Центра молекулярной медицины в Берлине (Германия).

Голый землекоп (Heterocephalus glaber) — уникальное млекопитающее, обладающее множеством удивительных свойств. Этот безволосый подземный грызун размером с мышь и весом 30-50 грамм обитает в восточной Африке. В 1970-е годы ученые обнаружили, что эти существа живут необычайно долго для своего размера и не подвержены раковым заболеваниям. Кроме того, землекопы практически не чувствуют боли и не реагируют на раздражение кожи кислотами.

Землекопы образуют подземные колонии из нескольких десятков особей, которые возглавляет самка — "царица", единственная особь, производящая потомство в колонии. Все остальные члены колонии остаются на положении рабочих и не участвуют в размножении, так как их половые органы не способны производить потомство. Такая социальная структура — обычное дело у пчел и муравьев, но редчайший случай у млекопитающих.

Как рассказывает Левин, у землекопов есть еще одна "суперспособность" – они спокойно переносят недостаток кислорода и выживают даже в тех случаях, когда их полностью лишают доступа к кислороду на протяжении 18-20 минут. По словам биолога, даже по прошествии этого времени землекопы не испытывают никаких проблем со здоровьем и в их организме не происходит массовой гибели клеток.

То, зачем им нужно такое умение, не является тайной – землекопы живут в узких и "перенаселенных" тоннелях и лабиринтах, где концентрация кислорода всегда ниже нормы. С другой стороны, то, как именно им удается выживать в таких условиях, не было известно и оставалось предметом споров среди ученых.

Левин и его коллеги решили раскрыть эту тайну, поместив нескольких землекопов из берлинской колонии этих грызунов в специальные клетки, где концентрацией кислорода можно было гибко управлять, и проследили за тем, как менялась работа их организма при понижении доли О₂ в воздухе до нуля и ее возвращении к нормальным значениям.

Оказалось, что землекопы используют несколько приемов для защиты от недостатка кислорода. Во-первых, скорость их метаболизма понижается при нехватке О₂, и со временем, примерно через пять часов после его падения до смертельных для человека значений, эти грызуны впадают в анабиоз.

Во-вторых, землекопы в очередной раз оказались самыми уникальными животными на Земле. Как выяснили ученые, в клетках из мозга и всех остальных органов этих грызунов присутствует особый набор ферментов, позволяющий им питаться не глюкозой, а фруктозой. Разложение фруктозы, в отличие от глюкозы, не требует кислорода, что позволяет клеткам выживать более часа, переключаясь на альтернативный источник пищи.

Что интересно, у других млекопитающих только клетки печени и кишечника могут поглощать глюкозу, а другие органы и ткани не имеют такой способности. В этом отношении голые землекопы гораздо ближе к растениям, чем к животным, так как разложение фруктозы является одним из главных способов извлечения энергии из питательных веществ для представителей флоры. Соответственно, можно говорить, что землекоп временно превращается в "растение", пытаясь выжить при недостатке кислорода.

Источник: РИА Новости

Ученые из Гарвардского университета (США), под руководством докторанта Закари Льюиса (Zachary R. Lewis) выяснили, что безлегочным саламандрам (семейство Plethodontidae) помогает дышать кожей дополнительная копия «дыхательного» гена. Их выступление на эту тему, сделанное на состоявшейся 6 января 2016 года ежегодной встрече Общества интегративной и сравнительной биологии, пересказывает сайт журнала Science.

Безлегочная саламандраПодавляющее большинство наземных позвоночных (включая и нас с вами) дышат легкими, однако семейство безлегочных саламандр составляет уникальное исключение. Легкие у них так и не развиваются, а дыхание происходит через кожу. Генетические основы такого необычного приспособления до сих пор были неизвестны науке — и вот теперь Льюису с коллегами удалось пролить на них свет.

Оказалось, что в ДНК Plethodontidae содержится дополнительная, вторая копия особого «дыхательного» гена. Этот ген кодирует синтез специального белка, который позволяет клеточным мембранам эффективнее пропускать газы, причем в обе стороны — поглощая из воздуха кислород и отдавая в обмен углекислый газ.

Гарвардские биологи выяснили, что если у всех остальных позвоночных этот ген активируется в легких, то у безлегочных саламандр это происходит в клетках кожных покровов и во рту. Благодаря этому Plethodontidae и могут дышать кожей (и немного еще ртом).

Причем этот механизм, позволяющий обходиться без легких, оказался на удивление эффективным. Безлегочных саламандр насчитывается больше видов (по разным данным, от 380 до 440), чем всех остальных хвостатых амфибий, вместе взятых. Распространены они в основном в Новом Свете, от Канады до Бразилии, но несколько видов живут в Южной Европе и еще один — в Корее.

Источник: Научная Россия

При длительных подводных погружениях пингвины не тратят весь запасённый кислород. Вместо этого они переводят мускулатуру на особый, молочнокислый способ получения энергии, поэтому находящийся в крови и лёгких кислород достаётся другим органам и тканям.

Семья императорских пингвинов (фото Exodus Travels - Reset your compass)Охотясь за рыбой, пингвины могут провести под водой двадцать минут. Но, как оказалось, эти птицы очень экономно расходуют запасённый кислород. Начиная с шестой минуты мышцы пингвина переходят в особый тип получения энергии — анаэробный, когда кислород не нужен. Как это происходит, выясняли исследователи из Института океанографии Скриппса (США).

Анаэробный метаболизм пингвин использует в его молочнокислом виде, когда конечным продуктом расщепления глюкозы является лактат, или молочная кислота. Это менее эффективный способ добычи энергии, нежели сжигание питательных веществ кислородом, но в случае нехватки этого самого кислорода такой тип энергетического обмена приходится весьма кстати. Молочнокислое брожение вообще включается в мышцах при перегрузке, и образующийся в результате лактат отвечает за симптомы усталости и мышечного утомления. Пингвин, готовясь к нырку, глубоко дышит, запасая кислород в крови, лёгких и мышцах. Через какое-то время в крови птицы обнаруживается молочная кислота. Но при этом, как показали исследования, у вынырнувших пингвинов в лёгких и крови остаётся некий резерв кислорода.

То есть на анаэробный способ получения энергии у пингвинов переключаются именно мышцы. Мускулатура оказывается изолированной от прочих систем организма, она выбрасывает в кровь молочную кислоту, но при этом не забирает кислород.

Учёные вживляли в грудные мышцы императорских пингвинов, живущих в Антарктике, особый спектрофотометрический датчик, который оценивал уровень кислорода в мышцах. Кроме того, пингвинов снабжали таймером, который определял время, проведённое под водой, после чего птиц отпускали на волю. Через один–два дня датчики у пингвинов отбирали и анализировали полученные данные. Из 50 погружений, которые зарегистрировал таймер, около 30 длились дольше пяти с половиной минут, то есть того рубежа, когда у птиц включается анаэробный тип метаболизма. В этом случае уровень кислорода в мышцах плавно падал до нуля как раз ко времени включения молочнокислого брожения.

Но, как оказалось, пингвины могут использовать и другой способ, что делает их похожими на обычных ныряльщиков: они не перекрывают доступ кислорода к мышцам, и в этом случае он, снизившись в начале погружения, держится более или менее на плато, окончательно падая к моменту выныривания на поверхность. Запас кислорода в мускулатуре пополняется из лёгочных и кровяных резервов.

По словам одного из авторов работы, Кассондры Уильямс, расход кислорода во время подводной охоты у пингвинов небольшой и оценивается в одну десятую от объёма кислорода, который тратится при плавании на поверхности воды, когда птица может свободно дышать. Такой экономичности способствует их «умная» система переключения метаболизма с кислородного на бескислородный путь, а кроме того, удачные гидродинамические характеристики пингвинов, которые позволяют им хорошо плавать при минимуме физических усилий.

Статья с результатами исследований опубликована в издании Journal of Experimental Biology.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Насекомые имеют фиксированную систему дыхательных трубочек — трахей, поэтому, когда гусеница растёт, она начинает испытывать недостаток кислорода. Это служит сигналом к началу линьки, во время которой дыхательная система личинки пополняется новыми «воздуховодами».

Гусеница каролинского бражника (фото jeffk42)Прежде чем превратиться во взрослую бабочку, гусеница интенсивно питается и растёт, время от времени претерпевая линьку. Всего таких линек перед главным метаморфозом бывает 4–5. Линьки и окукливание гусеницы контролируются сложно организованной гормональной системой. Но что именно даёт насекомому сигнал к линьке?

Исследователи из Университета Дьюка (США) утверждают, что решающим фактором в данном случае оказывается дыхательная система гусеницы. Она у насекомых представлена системой трубочек — трахей, которые пронизывают всё тело и открываются на поверхности; грубо говоря, газообмен происходит с помощью пассивной вентиляции. Второй особенностью системы трахей является то, что на стадии личинки она не растёт вместе с телом между линьками. Каждая стадия личинки-гусеницы имеет строго фиксированную по размерам дыхательную систему. Сама гусеница интенсивно растёт, её шкурка до какой-то степени эластична, но образовывать новые трахеи она не позволяет. И вот, когда имеющаяся дыхательная система уже не может обеспечивать ткани кислородом, происходит линька, во время которой образуются новые трахеи, открывающиеся на поверхности тела.

Эксперименты проводились с гусеницами каролинского бражника Manduca sexta. Учёные отметили, что каждая следующая линька начинается тогда, когда масса гусеницы увеличивается в 4,8 раза по сравнению с предыдущим показателем.

Масса и размер тела, безусловно, зависят друг от друга, и для того, чтобы проверить гипотезу о взаимосвязи линьки и размера дыхательной системы, исследователи искусственно создавали для гусениц недостаток кислорода. В результате подопытные начинали линять, не достигнув размера тела, который обычно запускал линьку. Значит, не размер сам по себе, а его соотношение с фиксированной дыхательной системой подавало сигнал к началу процесса: трахеи не могли снабжать выросшее тело достаточным количеством кислорода.

Что любопытно, даже с отрезанной головой гусеницы реагировали линькой на снижение количества кислорода в воздухе. Вероятно, пишут авторы в журнале PNAS, гормоны экдизоны, управляющие у насекомых линькой и метаморфозом, образуются не только в голове, но и в брюшке. В то же время переключение на линьку (и сам этот процесс) происходит слишком медленно, если подчиняется лишь тому гормону, который вырабатывается в туловище. Насекомые имеют фиксированную систему дыхательных трубочек — трахей, поэтому, когда гусеница растёт, она начинает испытывать недостаток кислорода. Это служит сигналом к началу линьки, во время которой дыхательная система личинки пополняется новыми «воздуховодами».

Прежде чем превратиться во взрослую бабочку, гусеница интенсивно питается и растёт, время от времени претерпевая линьку. Всего таких линек перед главным метаморфозом бывает 4–5. Линьки и окукливание гусеницы контролируются сложно организованной гормональной системой. Но что именно даёт насекомому сигнал к линьке?

Исследователи из Университета Дьюка (США) утверждают, что решающим фактором в данном случае оказывается дыхательная система гусеницы. Она у насекомых представлена системой трубочек — трахей, которые пронизывают всё тело и открываются на поверхности; грубо говоря, газообмен происходит с помощью пассивной вентиляции. Второй особенностью системы трахей является то, что на стадии личинки она не растёт вместе с телом между линьками. Каждая стадия личинки-гусеницы имеет строго фиксированную по размерам дыхательную систему. Сама гусеница интенсивно растёт, её шкурка до какой-то степени эластична, но образовывать новые трахеи она не позволяет. И вот, когда имеющаяся дыхательная система уже не может обеспечивать ткани кислородом, происходит линька, во время которой образуются новые трахеи, открывающиеся на поверхности тела.

Эксперименты проводились с гусеницами каролинского бражника Manduca sexta. Учёные отметили, что каждая следующая линька начинается тогда, когда масса гусеницы увеличивается в 4,8 раза по сравнению с предыдущим показателем.

Масса и размер тела, безусловно, зависят друг от друга, и для того, чтобы проверить гипотезу о взаимосвязи линьки и размера дыхательной системы, исследователи искусственно создавали для гусениц недостаток кислорода. В результате подопытные начинали линять, не достигнув размера тела, который обычно запускал линьку. Значит, не размер сам по себе, а его соотношение с фиксированной дыхательной системой подавало сигнал к началу процесса: трахеи не могли снабжать выросшее тело достаточным количеством кислорода.

Что любопытно, даже с отрезанной головой гусеницы реагировали линькой на снижение количества кислорода в воздухе. Вероятно, пишут авторы в журнале PNAS, гормоны экдизоны, управляющие у насекомых линькой и метаморфозом, образуются не только в голове, но и в брюшке. В то же время переключение на линьку (и сам этот процесс) происходит слишком медленно, если подчиняется лишь тому гормону, который вырабатывается в туловище.

Источник:  КОМПЬЮЛЕНТА