To zwierzę potrafi długo przeżyć bez oddychania. Naukowcy chcą wykorzystać jego sekret
Wale Cuviera potrafią nurkować niemal 3 km pod wodę i przeżyć bez tlenu przez prawie 4 godziny. Naukowcy badają, czy ich niezwykłe przystosowania mogą pomóc w opracowaniu nowych terapii udaru, raka i chorób neurodegeneracyjnych.
Spis treści: Rekordziści nurkowania wśród ssaków Sztuczki waleni, które oszczędzają tlen Wydajna gospodarka tlenem na poziomie komórkowym Więcej krwi i wolniejszy metabolizm Mózg ssaków morskich Co to oznacza dla medycyny człowieka Supermoce pod lupą Spotkania z waleniami nigdy nie są pewne, a z walami Cuviera szczególnie trudno się zetknąć, bo 90 procent czasu spędzają pod wodą. Dlatego gdy łódź Jillian Wisse i jej zespołu staje we właściwym miejscu, a zwierzęta wynurzają się, to sukces. Podczas wypraw u wybrzeży Karoliny Północnej czasem udaje się podpłynąć na tyle blisko, by pobrać próbki tkanek i przyjrzeć się zadrapaniom, które powstają w wyniku zalotów, zabaw i zachowań dominacyjnych. — Wyglądają jak buldogi angielskie w świecie waleni. Uwielbiam je oglądać — mówi Wisse, fizjolożka zachowania z Uniwersytetu Duke’a. Rekordziści nurkowania wśród ssaków Znane także jako zyfie gęsiogłowe, wale Cuviera nurkują głębiej niż jakikolwiek inny znany ssak i występują w większości oceanów świata. Te nieuchwytne zwierzęta regularnie schodzą na głębokość około 1 006 m i polują bez przerwy przez 20–40 minut. Ich najgłębsze zanurzenie w historii sięga 2 992 m, a najdłuższe znane nurkowanie trwało 222 minuty (około 3 godziny i 42 minut). Dla porównania, płetwale błękitne docierają zwykle do około 500 m i nurkują przez 10–20 minut, a najlepsi nurkowie głębinowi wśród ludzi kończą na rekordach około 253 m i 30 minut. Aby osiągać tak imponujące wyniki, ciała zyfii przystosowały się do przetrwania poziomów hipoksji, czyli niedotlenienia, które człowiekowi łatwo mogłyby zagrażać życiu. Wyprawy Wisse są częścią projektu Uniwersytetu Duke’a, którego celem jest zrozumienie tych głębokomorskich adaptacji u waleni i delfinów butlonosów. Hipoksja odgrywa rolę w chorobach od udaru po raka. Ostateczny cel badaczy to przełożenie odkryć z organizmów morskich na terapie, które pewnego dnia mogą pomóc ludziom. Sztuczki waleni, które oszczędzają tlen Projekt z Duke’a to jeden z wielu na świecie, w których walenie służą jako modele do badania chorób ludzi. Większość naszej wiedzy o tym, jak zwierzęta głęboko nurkujące radzą sobie z deficytem tlenu, pochodzi z badań nad osobnikami wyrzuconymi na brzeg oraz nad fokami, które częściej przebywają na powierzchni i są mniejsze oraz łatwiejsze do badania. Zespół z Duke koncentruje się jednak na próbkach od żywych waleni i delfinów, zwłaszcza ekstremalnych nurków takich jak wale Cuviera, by sprawdzić, co dzieje się w ich komórkach, że potrafią przeżyć w środowiskach skrajnie ubogich w tlen. Najpierw trzeba zdobyć tkanki waleni. — Trudno o dane od waleni — bardzo trudno się do nich zbliżyć — zauważa Nicola Quick, oceanografka i jedna z liderek projektu. – Najłatwiej dostępna u żywych zwierząt jest skóra, choć nie oddaje w pełni tego, co dzieje się wewnątrz ciała — dodaje Wisse, która współkieruje projektem Uniwersytetu Duke’a. Od żywych waleni naukowcy pobierają skórę za pomocą grota, który wycina krążek z grubego pasa tłuszczowego. — Wyobraź sobie, że bierzesz ołówek nr 2, wyjmujesz gumkę, przekłuwasz skórę i wyciągasz. Mniej więcej to się dzieje — wyjaśnia Wisse. Komórki skóry są następnie namnażane w laboratorium, wystawiane na bardzo niskie stężenia tlenu, jak podczas głębokich nurkowań, i badane. W przypadku zwierząt wyrzuconych na brzeg jest łatwiej — do laboratorium trafiają próbki nie tylko skóry, ale także serca, płuc, mięśni, a nawet mózgu. Wydajna gospodarka tlenem na poziomie komórkowym Projekt trwa, ale są już pierwsze wyniki z próbek skóry żywych i wyrzuconych na brzeg wali Cuviera z zachodniej części północnego Atlantyku. Nawet przy niskim poziomie tlenu komórki skóry zyfii utrzymują wysokie tempo zużycia tlenu, podczas gdy komórki skóry delfinów, krów i ludzi ograniczają jego zużycie, gdy tlenu brakuje. W porównaniu z ludźmi zyfie mają też różnice w genach regulujących sposób, w jaki mitochondria — „elektrownie” komórki — wytwarzają energię. Oznacza to, że u waleni istnieją wrodzone, zapisane w genach przystosowania pozwalające dalej produkować energię nawet przy skrajnym niedoborze tlenu. U ludzi — i prawdopodobnie innych ssaków lądowych — takich mechanizmów brakuje. – Te komórkowe odkrycia uzupełniają wcześniejszą wiedzę o fizjologicznych przystosowaniach waleni do gospodarowania tlenem podczas długich, głębokich nurkowań — podkreśla Wisse. Więcej krwi i wolniejszy metabolizm Badania fok i martwych waleni ujawniły już zmiany w funkcjonowaniu ich organizmów. Foki mają około dwukrotnie większą objętość krwi niż ludzie, a więc przenoszą znacznie więcej hemoglobiny — mówi Lars Folkow, fizjolog zwierząt z Uniwersytetu w Tromsø (Norwegia). — Z miejsca „wpadłyby” na dopingu krwi na igrzyskach — żartuje naukowiec, który bada mechanizmy ochrony przed hipoksją u gatunków nurkujących. Większa objętość krwi oznacza też więcej hemoglobiny — białka, które wiąże tlen i transportuje go do narządów. Dzięki temu foki i inne ssaki nurkujące mają bardzo dużą pojemność magazynowania tlenu. Potrafią wynurzyć się z tak niską zawartością tlenu we krwi, że u człowieka doszłoby do utraty przytomności — wyjaśnia Folkow. Szacunki dla wyrzuconych na brzeg kaszalotów sugerują, że krew stanowi ok. 20% ich masy ciała. U ludzi to zaledwie 7–8%. Walenie mają też wysokie stężenie mioglobiny — białka magazynującego tlen w mięśniach — co pomaga im wytrwać na dużych głębokościach przez długi czas. Wcześniejsze badania wykazały również, że walenie potrafią drastycznie spowalniać metabolizm podczas długich nurkowań. Ich zwykłe tętno 30–40 uderzeń na minutę przy powierzchni spada do poniżej 10 uderzeń na minutę w głębinach. Spadek tętna ogranicza przepływ krwi i dostarczanie tlenu do mniej krytycznych obszarów, takich jak układ pokarmowy, nerki czy mięśnie. — Nie ma potrzeby, by nerki pracowały na pełnych obrotach, ani by trawić ostatni posiłek, kiedy się nurkuje — mówi Folkow. Zamiast tego zwierzęta wybiórczo kierują więcej krwi i tlenu do kluczowych narządów, takich jak mózg. Mózg ssaków morskich Mózg ssaków jest wyjątkowo wrażliwy na niedobór tlenu. Zespół Wisse pracuje nad pozyskaniem próbek mózgów od wyrzuconych na brzeg wali Cuviera, by zrozumieć, jak działają neurony, gdy tlenu zaczyna brakować. Grupa Folkowa badała to u fok i płetwali karłowatych, analizując neuroglobinę — białko mózgowe, które podobnie jak hemoglobina i mioglobina przenosi tlen. Korzystając z tkanek mózgowych martwych zwierząt, zespół Folkowa zmierzył aktywność genów kodujących neuroglobinę i ustalił, że u waleni była ona 4–15 razy wyższa niż u bydła, czyli krewnych nieprowadzących nurkowego trybu życia. U fok aktywność nie była aż tak wysoka, co zaskoczyło badaczy. Folkow tłumaczy to możliwą rozbieżną ewolucją waleni i fok — zjawiskiem, w którym spokrewnione gatunki niezależnie rozwijają różne strategie radzenia sobie z tym samym wyzwaniem środowiskowym. Poza wiązaniem tlenu neuroglobina chroni przed stresem oksydacyjnym, który może uszkadzać komórki. – Każda z tych funkcji może pomagać waleniom — mówi Folkow. Trudno jednak wskazać tę kluczową bez eksperymentów na żywych tkankach mózgu, a do takich próbek niezwykle trudno jest uzyskać dostęp. Co to oznacza dla medycyny człowieka Mimo trudności eksperymentalnych badacze ssaków morskich mają nadzieję, że ich prace nad hipoksją pomogą ludziom w stanach, w których kluczowy jest tlen, jak udar, długotrwałe znieczulenie, COVID-19 czy nowotwory. — Interesuje nas m.in., jak ssaki morskie radzą sobie ze stanem zapalnym podczas tak ekstremalnych zanurzeń — mówi Jason Somarelli, onkolog z Uniwersytetu Duke’a i jeden z liderów projektu „waleniowego”. U ludzi stany niedotlenienia zwykle wiążą się ze stanem zapalnym, co ostatecznie prowadzi do uszkodzeń tkanek albo ich śmierci. Tymczasem ssaki głęboko nurkujące wykształciły wyrafinowane sposoby precyzyjnego kontrolowania reakcji zapalnych, m.in. przenosząc naturalne substancje przeciwzapalne we krwi. Naukowcy wciąż próbują w pełni zrozumieć, jak dokładnie działają te mechanizmy ochronne. Somarelli podejrzewa, że ssakom morskim udało się odłączyć sygnalizację niedotlenienia od reakcji zapalnej. – Jeśli to prawda, ustalenie, jak zwierzęta to osiągają, może naprowadzić na cząsteczki-cele dla leków, które u ludzi także „rozprzęgną” te dwie ścieżki — mówi badacz. Supermoce pod lupą Na razie leki inspirowane biologią waleni pozostają hipotezą. Hipoksja to jednak nie jedyny obszar zainteresowania. Inne zespoły badają odporność waleni grenlandzkich na choroby wieku podeszłego, w tym nowotwory, oraz ich wyjątkową długowieczność. Ich superwydajne systemy naprawy DNA mogą pewnego dnia posłużyć do opracowania terapii dla ludzi. Naukowcy analizują też zmiany przypominające demencję w mózgach waleni zębatych, by lepiej zrozumieć chorobę Alzheimera. Tymczasem Wisse dalej zdobywa biopsje skóry, by jeszcze głębiej zbadać szlaki komórkowe, które pomagają komórkom waleni radzić sobie z hipoksją. Odnalezienie wali Cuviera wciąż jest dla niej jak szukanie igły w stogu siana. Gdy walenie wynurzają się na około półtorej minuty, badaczka przyspiesza, ustawia łódź równolegle i wystrzeliwuje grot, który odcina krążek tłuszczu wielkości gumki od ołówka. Próbka odbija się, wypływa na powierzchnię, a zwierzę odpływa. — Ale mój ulubiony moment to ten, gdy zawracają i patrzą mi prosto w oczy — mówi Wisse. — Wiedzą, co się dzieje. Źródło: National Geographic