Ученые обнаружили, что две далекие друг от друга группы рыб независимо утратили способность вырабатывать функциональные эритроциты. Это означает, что "белая кровь" у позвоночных возникала как минимум дважды в ходе эволюции. Открытие меняет представления о том, насколько разными путями природа может прийти к одному и тому же результату. Результаты опубликованы в журнале Current Biology.
Долгое время считалось, что отсутствие красных кровяных клеток характерно только для антарктических ледяных рыб. Ранее было показано, что у них исчезли целые блоки генов гемоглобина — белка, отвечающего за перенос кислорода. Без него кровь становится почти прозрачной, а транспорт кислорода обеспечивается за счет его растворения в плазме.
"Это означает, что антарктические ледяные рыбы могут полагаться на кислород, физически растворенный в их крови", — сказал Х. Уильям Детрич из Северо-восточного университета.
Холодные воды Южного океана богаты растворенным кислородом, что делает такую стратегию возможной. Однако неожиданностью стало открытие схожего состояния у тепловодных рыб-лапши, обитающих в Азии — ещё один пример того, как эволюция способна находить альтернативные решения, подобно тому как это происходило у древних микробных предков жизни.
Чтобы выяснить природу этого феномена, исследователи секвенировали геномы 11 видов рыб-лапши и сравнили их с данными по ледяным рыбам. Анализ показал, что путь к "белой крови" у этих групп был разным.
У ледяных рыб гены гемоглобина исчезли полностью. У рыб-лапши же гемоглобиновые гены не удалены, но повреждены мелкими мутациями, которые блокируют синтез функциональных белков. Кроме того, у всех изученных видов отсутствовал ген миоглобина, что указывает на его раннюю утрату у общего предка.
Таким образом, одинаковый физиологический результат — отсутствие красных клеток — был достигнут через разные генетические механизмы. Это классический пример конвергентной эволюции, когда сходные признаки возникают независимо.
Большинство рыб зависят от эритроцитов, поскольку гемоглобин эффективно захватывает кислород в жабрах и доставляет его в ткани. Потеря этого механизма требует серьезной перестройки организма.
У обеих групп наблюдаются компенсаторные изменения: увеличенный объем циркулирующей жидкости, усиленный ангиогенез и изменения в генах, отвечающих за развитие сердца. Ранее у антарктических ледяных рыб уже описывались увеличенные сердца и повышенный объем крови.
Рыбы-лапша пошли по иному пути адаптации. Они живут всего около года и сохраняют ювенильные черты во взрослом состоянии — явление, известное как неотения. На ранних стадиях развития кислород частично поступает через кожу, и сохранение этих особенностей снижает зависимость от красных клеток.
Похожие эволюционные компромиссы наблюдаются и в других группах организмов, где среда вынуждает менять базовые стратегии выживания, как это видно на примере изменения эволюционных траекторий видов.
"У них нет преимущества холодной и богатой кислородом среды, как в Южном океане", — сказал Детрич.
Тем не менее стройное тело длиной от 5 до 25 сантиметров уменьшает расстояние доставки кислорода к тканям, что частично компенсирует его дефицит.
Авторы отмечают, что генетические повреждения могли быть вызваны, например, транспозонами — подвижными участками ДНК, способными нарушать работу генов. После таких случайных событий естественный отбор закреплял только те варианты, которые позволяли организму выжить.
Это исследование расширяет представления о границах физиологической пластичности позвоночных. Оно также подсказывает, что в природе может существовать больше видов с нарушенными генами транспорта кислорода, чем предполагалось ранее.
"Оказывается, существует гораздо больше видов, чем мы думаем, которые не используют красные кровяные клетки для переноса кислорода", — сказал Детрич.
В дальнейшем ученым предстоит выяснить, какие компенсаторные механизмы наиболее эффективны и насколько устойчивы такие системы в изменяющихся условиях среды. Две линии рыб пришли к одной конечной точке — белой крови, — но сделали это разными путями. Этот пример показывает, что эволюция способна находить альтернативные решения даже для фундаментальных процессов, таких как перенос кислорода.