Когда кислорода становится мало, почти все животные используют один и тот же метод выживания: молниеносная сигнальная система, называемая HIF-путь. Путь HIF встречается во всем, от морских ежей до червей, и он настолько важен для здоровья человека, что его исследователи были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Но у самых первых животных, вероятно, не было этого. Исследование, опубликованное в прошлом году в журнале обнаружили, что ключевые компоненты пути отсутствуют в губках и гребешках, две группы, как полагают, сначала отошли от остальной линии животных. Более того, губки — и, возможно, древние предки всех животных — прекрасно справляются без использования HIF-пути, чтобы помочь им приспособиться к изменению уровня кислорода, даже когда эти уровни падают до крошечной доли от нормы.
Практически все животные используют кислород для преобразования пищи в энергию. Когда уровень кислорода падает, клетки животных меняют свое поведение, чтобы компенсировать это — например, они работают больше, чтобы захватить молекулы кислорода, и они переходят к менее эффективным методам производства энергии, которые не требуют кислорода.
Путь HIF запускает эти изменения, используя химические вещества, которые связываются с ДНК и контролируют, какие гены активны. Почти все животные обладают ключевыми компонентами, необходимыми для эффективного пути HIF. Но в новом исследовании исследователи обнаружили, что губкам и гребневикам не хватает важных частей системы, в том числе частей, которые делают ее чувствительной к кислороду.
Чтобы увидеть, как животные в этих группах обходятся без системы HIF, исследователи провели эксперименты с типом маленькой губки, которая выглядит как бледная липкая капля. Когда губки внезапно упали в воду без кислорода, они продемонстрировали всплеск измененной активности генов, что указывало на то, что они сразу же задохнулись. Но когда губки были запечатаны в мензурки и им позволяли постепенно расходовать кислород, они продолжали свои обычные пульсирующие движения, пока уровень кислорода не упал на 96%. После этого они перестали пульсировать, но их активность в генах почти не изменилась, даже несмотря на то, что уровень кислорода продолжал падать до 0,25% от того, что обычно содержится в современной, хорошо насыщенной кислородом воде. (Губки сидели в воде с низким содержанием кислорода только около часа перед тестированием, поэтому неясно, сколько времени они могли бы поддерживать его.)
«Мы обнаружили, что им на самом деле наплевать на кислород», — говорит Герт Вёрайде, эволюционный геобиолог из Мюнхенского университета им. Людвига Максимилиана в Германии и один из авторов исследования. «Они могут поддерживать обмен веществ вплоть до очень и очень низкого уровня кислорода.»
Это может быть потому, что простое тело губки не нуждается в таком количестве кислорода, как что-то вроде рыбы, которая должна питать энергозатратные органы, такие как мышцы и мозг, — сказал Верхайде. Также возможно, что у губок есть другие способы адаптации к низким уровням кислорода, о которых исследователи еще не знают.
В любом случае полученные данные открывают возможность того, что первые животные жили спокойно в бедных кислородом океанах, не затронутых тягой к кислороду, которая будет стимулировать последующую эволюцию. Исследователи давно предполагают, что повышение уровня кислорода в атмосфере и океане было важно для развития сложной многоклеточной жизни, но неясно, когда именно концентрация кислорода достигла определенных порогов или как реагировали разные организмы.
Повышение уровня кислорода могло все еще быть важно позже, когда эволюционировали сложные существа, такие как морские звезды и рыбы.
«Мы можем доказать, что у ранних животных не было этого пути HIF, и что, вероятно, рост кислорода имеет какое-то отношение к эволюции полностью функционального пути HIF, который мы видим у… более сложных животных», — сказал Верхайде.
Сложные животные развивались первыми в воде задолго до того, как их потомки поползли на землю. Вода не может содержать почти столько же кислорода, сколько может воздух, и уровни кислорода в озерах и океанах сильно варьируются в зависимости от таких факторов, как глубина и турбулентность, сказал Ритконен. Таким образом, поскольку животные развивали тела с более высокими потребностями в кислороде, им, возможно, также требовалась гибкая система, такая как путь HIF, для адаптации к изменяющимся уровням кислорода в их водянистых домах.
Все, кто брал интервью для этой статьи, подчеркивали, что такие идеи носят умозрительный характер, и никто не знает, как животные жили сотни миллионов лет назад. Более того, даже после того, как путь HIF эволюционировал, он, возможно, не всегда выполнял одну и ту же функцию, отметил Элли Грэм, биолог-эволюционист из Университета штата Орегон в Корваллисе, который не принимал участия в исследовании.
По словам Грэхема, большинство исследований HIF проводилось на людях и других позвоночных, но этот путь мог бы работать по-разному у древних существ или даже у современных беспозвоночных. Действительно, Грэхем недавно обнаружил, что тип маленького ракообразного потерял свой путь HIF и все еще каким-то образом способен выжить, когда кислорода мало.
Путь HIF явно был важен в течение сотен миллионов лет, иначе он не был бы найден в таком большом количестве различных животных сегодня, сказал Грэм. Но точно, как он возник и почему он был сохранен — это тайны, которые наука только начинает исследовать.
