Ryby bez hemoglobiny. Jak to możliwe?

Ewolucja prowadzi do powstawania wyjątkowych – z naszej, ludzkiej perspektywy – cech, które bywają fascynujące, urzekające, dziwne i dziwaczne, piękne, brzydkie, finezyjne lub nudne, przerażające albo zwyczajnie ciekawe. W tym tekście chciałbym pokazać Wam szczególną rodzinę ryb, które jako jedyne znane współczesnej nauce kręgowce nie posiadają hemoglobiny. Chodzi o białokrwiste, zwane także bielankowatymi, z rzędu okoniokształtnych.

Autor: Doug Allan/NPL

Z języka angielskiego białokrwiste nazywane są też crocodile icefish, czyli lodowe ryby krokodylowe. Gdyby zastanawiać się dlaczego, słuszne byłoby spojrzenie na nie z góry. Widok (poniżej) od razu budzi skojarzenie z krokodylem.

Do rodziny białokrwistych należą gatunki takie jak borel (Chaenocephalus aceratus), krokodylec (Channichthys rhinoceratus), georgianka (Pseudochaenichthys georgianus) czy wreszcie kergulena (Champsocephalus gunnari). O tej ostatniej zapewne kiedyś słyszeliście, a być może nawet ją jedliście, bo jest znana jako produkt spożywczy. Dane na rok 2006 pokazują, że łącznie rozpoznano 18 gatunków bielankowatych, natomiast nowsze informacje mówią o 25 gatunkach i 11 rodzajach.

Białokrwiste występują na obszarze Oceanu Południowego, dookoła Antarktydy. Ryby te są organizmami endemicznymi, czyli endemitami. Oznacza to, że bytują w danym zasięgu geograficznym wyjątkowo, są unikatowe i nie znajduje się ich w naturze nigdzie indziej. Istnienie takich gatunków wynika z wieloletniej izolacji na danym terenie i ewolucyjnym przystosowywaniu się do tych konkretnych warunków. Bardziej znanym przykładem endemitu jest żółw z Galapagos, dziobak czy kolczatka. W Polsce endemiczna jest skalnica tatrzańska, którą można spotkać w Karpatach Zachodnich.

Gatunki endemiczne stosunkowo często posiadają wyjątkowe cechy, ze względu na ewolucję na izolowanych od reszty świata obszarach i w szczególnych warunkach. Nie dziwi więc, że ryby białokrwiste zyskały tak wyjątkową właściwość, jak nie posiadanie hemoglobiny. Ale jak do tego mogło dojść? Co się stało? I jak zwierzęta te funkcjonują bez czerwonego barwnika transportującego tlen?

Zacznijmy od fundamentów, czyli genetyki. U większości gatunków ryb białokrwistych w toku ewolucji nastąpiło całkowite zagubienie genów podjednostki beta hemoglobiny, a geny podjednostki alfa uległy delecji częściowo. Same erytrocyty (czerwone krwinki) obserwowane są u tych ryb rzadko i opisuje się je jako delikatne, dojrzałe, stare i niefunkcjonalne. Nie tylko hemoglobina, jako białko z wysokim powinowactwem do tlenu, została utracona w toku ewolucji białokrwistych. Podobnie jest z mioglobiną, której obecność stwierdzono jedynie w tkance mięśnia sercowego niektórych gatunków.

Zwróćmy jeszcze uwagę na kolejne białko transportujące tlen, występujące w układzie nerwowym, czyli neuroglobinę. W tym przypadku nie tylko brak oznak procesu ewolucyjnej utraty sekwencji DNA i białka, ale także sugestie o ponadprzeciętnej jego wydajności.

www.valdosta.edu

Jak więc rozprowadzany jest tlen w organizmie białokrwistych, poza układem nerwowym? Poprzez osocze, w którym jest rozpuszczony i transportowany. Brak hemoglobiny jest rekompensowany u tych ryb przez kilka cech. Przede wszystkim mamy tutaj do czynienia z wolniejszą przemianą materii, większymi naczyniami krwionośnymi, stosunkowo większą objętością krwi, większym sercem i jego pojemnością minutową w porównaniu do innych ryb. Ponadto krew białokrwistych charakteryzuje się słabszą lepkością (czyli mniejszym tarciem wewnętrznym) za sprawą braku erytrocytów. Co więcej, bielankowate nie mają łusek, a to z kolei ułatwia wykorzystywanie tlenu przezskórnie. Nie ma to obecnie większego znaczenia, ale w przeszłości, zanim doszło do wyksztalcenia opisanych wyżej adaptacji, cecha ta prawdopodobnie była niezwykle istotna.

Jeszcze jedną ważną okolicznością sprawiającą, że rybom białokrwistym udaje się funkcjonować bez hemoglobiny jest właściwość gazów takich jak tlen, które lepiej rozpuszczają się w wodzie o niskich temperaturach.

Czy można powiedzieć, że utrata hemoglobiny była dla ryb białokrwistych korzystna z ewolucyjnego punktu widzenia czy raczej była przypadkiem, który w ówczesnych okolicznościach nie poprowadził do wymarcia populacji? Wygląda na to, że brak hemoglobiny nie ma szczególnie adaptacyjnych właściwości, nawet pomimo zmniejszenia lepkości krwi wynikającego z braku czerwonych krwinek. Z kolei porównania ryb z mioglobiną sercową i bez niej pokazały, że lepiej radzą sobie te drugie, co może sugerować właściwość adaptacyjną. 

Prowadzenie bloga naukowego wymaga ponoszenia kosztów. Merytoryczne przygotowanie do napisania artykułu to niejednokrotnie godziny czytania podręczników i publikacji. Zdecydowałem się więc stworzyć profil na Patronite, gdzie w prosty sposób możecie ustawić comiesięczne wpłaty na rozwój bloga. Dzięki temu może on funkcjonować i będzie lepiej się rozwijać. Pięć lub dziesięć złotych miesięcznie nie jest dla jednej osoby dużą kwotą, ale przy wsparciu wielu z Was staje się realnym, finansowym patronatem bloga, dzięki któremu mogę poświęcać więcej czasu na pisanie artykułów.

Literatura

Cocca, Ennio, et al. "Do the hemoglobinless icefishes have globin genes?." Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology (1997): 1027-1030.
Sidell, Bruce D., and Kristin M. O'Brien. "When bad things happen to good fish: the loss of hemoglobin and myoglobin expression in Antarctic icefishes." Journal of Experimental Biology (2006): 1791-1802.
Near, Thomas J., Sandra K. Parker, and H. William Detrich. "A genomic fossil reveals key steps in hemoglobin loss by the antarctic icefishes." Molecular Biology and Evolution (2006): 2008-2016.
http://www.fishbase.se/Summary/FamilySummary.php?ID=384
Barber, D. L., J. E. Mills Westermann, and M. G. White. "The blood cells of the Antarctic icefish Chaenocephalus aceratus Lönnberg: light and electron microscopic observations." Journal of Fish Biology (1981): 11-28.
Sidell, Bruce D., et al. "Variable expression of myoglobin among the hemoglobinless Antarctic icefishes." Proceedings of the National Academy of Sciences (1997): 3420-3424.
Tota, Bruno, Raffaele Acierno, and Claudio Agnisola. "Mechanical performance of the isolated and perfused heart of the haemoglobinless Antarctic icefish Chionodraco hamatus (Lönnberg): effects of loading conditions and temperature." Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (1991): 191-198.
Rankin, J. C., and H. Tuurala. "Gills of Antarctic fish." Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology (1998): 149-163.Giordano, Daniela, et al. "Biophysical characterisation of neuroglobin of the icefish, a natural knockout for hemoglobin and myoglobin. Comparison with human neuroglobin." PLoS One (2012): e44508.

Łukasz Sakowski. Czytaj więcej