Egyéb közös vonások felemlegetése mellett, a gerincesek általános jellemzésének egyik fontos pontja, hogy az ide tartozó állatoknak zárt keringési rendszerük van, amelyben vörösvérsejtekbe zárt hemoglobin szállítja az oxigént. Mint minden jó szabály alól, utóbbi esetében azért vannak kivételek. Az Antarktisz körül található vizekben elterjedt Notothenioidea alrendbe tartozó sügérek egyik családjába (Channichthyidae), az ún. jéghalak közé tartozó fajok esetében sem hemoglobinnal, sem vörösvérsejtekkel nem találkozunk. Annál szembeötlőbbek azonban azok az adaptációk, amelyek ezen hiány pótlását, illetve a hideg, sarki környezethez való alkalmazkodást teszik lehetővé ezen halak számára.
A jéghalakban azért nem keletkezik hemoglobin, mert a molekulát alkotó két globin fehérje közül az egyik (β-globin) génje teljesen degradálódott és a másik (α-globin) sem működőképes a felhalmozódott mutációk miatt.
Élettanilag egyszerűen megdöbbentő a hemoglobin hiánya, mert ezen fehérje nélkül a vér csak annyi oxigént tud a különböző szövetekbe szállítani, ami passzívan, fizikailag képes beoldódni a vérplazmába. Ez pedig lényegesen kevesebb mennyiség, olyannyira, hogy melegebb vizekben nem is lenne túlélhető a hemoglobin elvesztése. A jéghalak, szerencséjére azonban a víz hőmérséklete ill. oxigén-beoldó képessége fordítottan arányos, ezért az egyébként is jól keveredő sarki vizek oxigénben telítettek lesznek, ami lehetővé teszi, hogy a hal vérplazmájába is több oxigén kerülhessen. Ez azonban még mindig csak a környéken élő vörös vérű halak vér-oxigén tartalmának 10%-át éri el, szóval kevés.
Ezt valamivel kompenzálnia kell és a jéghalak vére a fent említett okok miatt nemcsak fehér színű (hiszen csak vérplazmát és fehérvérsejteket tartalmaz, a piros színt pedig a hemoglobin tartalom adja más esetben a vérnek), hanem térfogatában is többszöröse a vörös-vérű rokonaikénak. Ennek egészen racionális oka van: a jéghalakban lényegesen több vér-kapilláris biztosítja az egyes szövetek ellátását (ezzel kevesebb véroxigén-tartalom mellett sem kell oxigénhiánytól tartani – a mellékelt ábrán lásd a jéghal retinájának (B) erezettségét), és a nagyobb térfogatú vérér hálózat megtöltéséhez több vérre van szükség. Nameg egy nagyobb szívre, mert egy “normális” nagyságú nehezen bírná a megnövekedett térfogatot a szükséges ütemben pumpálni. Ja és több mitokondriumra, amelyek az oxigén sejten belüli diffúzióját segítik.
A legmeglepőbb talán az, hogy mindezen az adaptívnak tünő jegyek valószínűleg pont az adaptáció szükségességének okozójára: a hemoglobin elvesztésre vezethetőek vissza. A hemoglobin (az izomokban levő myoglobinnal egyetemben, ami számos jéghalban szintén működésképtelen) egyszerűbb globin molekulákból alakult ki az evolúció során. Utóbbiak funkciója pedig baktériumokban, fonálférgekben és gombákban a nitrogén-monoxid (NO) oxidációja. A NO fontos szignálmolekula is, amelynek szerepe van a vérérhálózat kialakulásában, a mitokondriumok számának szabályozásában, az izomméret kialakításában. Így aztán, ha nem oxidálódik (márpedig a hemoglobin és myoglobin hiányos halakban kevésbé oxidálódik), akkor pont azokat a folyamatokat segíti elő, amelyek a hemoglobin-hiányos helyzetet elviselhetővé teszik a hal számára.
Mindez azonban még nem elegendő ahhoz, hogy a hemoglobin hiányt igazán, “globálisan” adaptív tulajdonsággá emeljék. És ez egy kicsit még mindig megválaszolatlan kérdés: van-e adaptív előnye a vörösvérsejtek elvesztésének? Sokan sokféle válasszal próbáltak előállni: pl. a hidegben a vér viszkozitása megnő, így nehezebb pumpálni, ezért előnyös lehet a vér sejtes elemeinek csökkentése. De mivel ezzel párhuzamosan a vértérfogat is megnőtt, a jéghalak szíve koránt sem végez kevesebb munkát, sőt. És egyáltalán: ezeknek a halaknak az anyagcseréje kevésbé hatékony, mint a velük egy területen élő vörös-vérű sügéreké.
A jelek (és a jelenleg egyik legelfogadottabb nézet) szerint ezeknek a fajoknak a kialakulását az tette lehetővé, hogy jókor voltak jó helyen. Úgy 10-14 millió éve, az Antarktiszi-óceán lehűlésével párhuzamosan a helybeli halak többsége nem tudott elég gyorsan alkalmazkodni a változáshoz, ezért hatalmas halpopulációk omlottak össze. A Notothenioid-halak őse azonban megbarátkozott a hideggel, és szinte egyedül vehette birtokba a hatalmas víztömeget (a Notothenioid halak még ma is a halbiomassza 95%-át adják ezekben a vizekben!). A verseny hiányának luxusa aztán oda vezetett, hogy létrejöhettek lassan a jéghalak, amelyek egy kompetitívebb közegben nagyon hamar elvéreztek volna.
S, hogy mi volt az aminek köszönhetően a Notothenioid halak sikeresek lettek? Egy zseniális kis molekula, egy természetes fagyálló létrejöttének.
Az anktartiszi vizek hőmérséklete -1.9°C, ami a halak testnedveinek fagypontja (~-1.0°C) alatt van. Azaz ezen a hőmérsékleten már kialakulnak fagykristályok az erekben és a belekben és ha ezek szabadon nőhetnének, az rövid úton az élőlény halálát okozná. Azonban a “fagyállóként” működő glikoprotein (AFGP) ezt a növekedést meggátolja.
Az AFGP története pedig maga is egészen elbűvölő: egy, az emésztésben szerepet játszó enzim, a tripszinogén duplikációja révén jött létre. Ezt azért mondhtajuk nagy bizonyossággal, mert a triszpszinogén és AFGP génjeinek eleje és vége szinte tökéletesen megegyezik, még a sejtből való szekréciót biztosító ún. szignál-peptid is, csak pont a fehérje-kódoló a közepe más. De az nagyon: az AFGP-ben egy tripeptidet (Thr-Ala-Ala) kódoló DNS szekvencia ismétlődik nagyon sokszor (egy spacer szekvenciával egyetemben), ami maga a tripszinogén gén első intronának és második exonjának határán levő szekvenciából alakult ki. (A tripeptid Thr csoportjához kapcsolódó cukorláncok biztosítják a molekula különleges, fagyálló tulajdonságát.) Ez a pár nukleotidányi régió sokszorozódott meg vagy az ősi tripszinogén-duplikátum deléciója előtt, vagy az után (az ábrán utóbbi látszódik, bár szerintem az előbbi valószínűbb), létrehozva egy olyan molekulát, amelyet a hasnyálmirigy termel, majd a belekbe ürít (akárcsak a tripszinogént), ahonnan (és ez viszont nem szokványos!) képes a nem-megemésztődve a vérbe felszívódni.
Summa summarum, a biológusok szemét gyönyörködtető jószág ez a jéghal, de különlegessége napjainkban egyben gyengesége is: az óceánok felmelegedésével (és itt néhány tized fok is sokat számít) csökkenni fog az oxigénoldó képességük, ami könnyen a magas oxigén szaturációtól függő jéghalak halálát okozhatja…
(Bővebben errefele lehet olvasni a kis aranyosokról: Evolution: The triumph of an idea ill. The making of the fittest – melynek szóbanforgó első fejezete itt lelhető)
Sidell, BD, O’Brien, KM (2006) When bad things happen to good fish: the loss of hemoglobin and myoglobin expression in Antarctic icefishes. J Exp Biol 209: 1791-802. doi: 10.1242/jeb.02091
Chen, L, DeVries, AL, Cheng, CH (1997) Evolution of antifreeze glycoprotein gene from a trypsinogen gene in Antarctic notothenioid fish. PNAS 94: 3811-3816.
Wow! Ez igen… Hogy miket ki nem talál a természet…meg aztán a cikket olvasván mégiscsak volt értelme annak a molekuláris sejtbiosz szigorlatnak:D Vörösvértest, vagy vörösvérsejt? Gimiben sulykolták belénk h vörösvértest, az egyetemen meg folyton vörösvérsejt…és soha nem lehet tudni, hogy akkor most melyik a helyes…Fejlődéstanilag sejt, de az érett erithrocyta már nem az, mert nincs magja, de ez egy másik sztori…:D
Érdekes lenne megnézni, hogy az NO egyéb funkciói is felerősödtek-e. Gondolok itt az immunológiai, idegrendszeri funkciókra. Vagy egyéb kompenzálómechanizmusok léptek életbe?
Érdekes, de az evolúció bizonyitására is kitünő érv a kétkedők számára!
Az óceán felmelegedése csak akkor fogja veszélyeztetni őket, ha nem tudnak mélyebbre sülyedni táplálékhiány vagy nyomás problémák miatt. Lentebb marad a hideg…mindörökké.
Medikus: terminológiai probléma, a tudománynak is vannak sznobjai, akik értelmes dolgok helyett a formaiakkal foglalkoznak és azokról osztják az eszet. Pont mivel az osztódások során sejt volt és csak utána vesztette el a sejtmagját (mivel az élete determinált időtartamú és nem kell tovább osztódnia sem), nyilvánvaló, hogy vérsejt. Pláne, hogy a többi gerinces jórészénél még a sejtmag is megmarad (Pl.a madaraknál vérsejt, az embernél/emlősnél vértest ugyanaz?). A himcsirasejteknél meg kb. a forditottja történik (eltünik a plazma jórésze a sejtszervecskék többségével – pl. a mitochondriumok is – együtt). Melyiknél mire lesz szükség a későbbiekben.
Ahhoz képest hogy nem vagyok biológus, érdekes és jó cikk 🙂 “képes a nem-megemésztődve…” nem fölösleges az “a”?