СО2 вместо О2: как голые землекопы предотвращают судорожные приступы

Планета Земля полна удивительными существами, каждый из которых обладает своей уникальной особенностью. Большинство этих отличительных черт нам известны уже достаточно давно, но есть и те, что становятся самыми настоящими открытиями, удивляющими даже самых опытных зоологов. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором ученые обнаружили, что голые землекопы не просто переносят высокий уровень углекислого газа в воздухе, а буквально нуждаются в этом. Чем обусловлена такая нестандартная потребность, какая в ней польза для землекопов, и как данное исследование может помочь современной медицине? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Несмотря на свой далекий от идеала красоты внешний вид, голые землекопы (Heterocephalus glaber) обладают рядом удивительных талантов, которым позавидовали бы многие другие млекопитающие.

Голые землекопы обитают на территории восточной Африки, а точнее в сухих саваннах и полупустынях Кении, Эфиопии и Сомали. Как понятно из названия, живут они под землей, питаясь подземными частями растений, т.е. корнями, луковицами, клубнями и т.д. Любопытно, что землекопы не пьют вообще, получая необходимую жидкость из пищи.


Лишняя, на первый взгляд, кожа на теле землекопа обеспечивает ему более комфортное передвижение в тесных туннелях колонии.

Подземные туннели землекопов образуют настоящие лабиринты, общая длина которых может достигать 5 км. Во время строительства землекопы формируют бригады из 5-6 особей: первая особь прорывает туннель, используя свои длинные резцы, и отгребает землю позади себя; земля передается от особи к особе для очистки туннеля от нее. Периодически роль экскаватора переходит другой особи в бригаде. За год землекопы могут выбросить на поверхность до 4 тонн земли. Это действительно много, учитывая, что диаметр туннеля обычно не превышает 5 см.

На этом социальные особенности не заканчиваются. У землекопов, как и у пчел, имеется своя королева — самка, производящая потомство, а также 2-3 самца, которые занимаются ее оплодотворением. Остальные особи не дают потомства, хотя физиологически на это способны. Основной их задачей является расширения колоний и защита своих сородичей. Разделение на строителей и солдат основано на габаритах особи (более крупные становятся солдатами).


Самка-королева в окружении потомства.

Внешний вид у голых землекопов достаточно необычен. Скажем так, потерять его в толпе будет проблематично. Однако это обусловлено образом жизни и местом обитания. Габариты землекопа достаточно скромные: длина тела до 10 см, хвоста до 4 см, а вес до 35 грамм. Самки весят больше — до 80 грамм. Шерсти у землекопов нет, помимо толстых волосков между пальцами лап, что помогает им копать. Учитывая, что копание туннелей является жизненно необходимым занятием, мышечная структура также адаптировалась — более 25% мышечной массы тела землекопа приходится именно на челюсти, которыми они и пользуются во время копания.

Опять же, учитывая место обитания, неудивительно, что землекопы крайне плохо видят, зато они отлично слышат, что активно используют в коммуникациях между особями, издавая более 18 различных звуковых сигналов.

Для ученых голые землекопы стали настоящей загадкой природы. Во-первых, они не болеют онкологическими заболеваниями (всего было зафиксировано лишь 2 случая). Во-вторых, живут они около 30 лет, что для грызунов невероятно долго (обычные мыши живут до 1.5 лет).

Проводя всю свою жизнь под землей, землекопы адаптировались к высокому содержанию СО₂ в воздухе. Ранее считалось, что на этом их особенности газообмена заканчиваются, однако это не так. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые установили, что землекопы буквально нуждаются в повышенном СО₂ в воздухе.

Основой всех вышеперечисленных особенностей данного вида можно назвать эусоциальность. Землекопы живут колониями, у них есть королева, они совместно ухаживают за потомством и т.д. Добавим сюда среду обитания и возникнет ряд проблем, которые необходимо было решить путем адаптации, в частности распределение пищи и повышенное содержание СО₂ в воздухе.


Видео, в котором рассказывается про особенности социальной жизни землекопов.

Землекопы холоднокровны, а потому температура окружающей среды для них крайне важный показатель. В их подземных колониях температура ниже (19–28 °С), чем их термонейтральность (31–34 °С). Когда особи скапливаются в одной области колонии при термонейтральной температуре, потребление O₂ и метаболическая потребность уменьшаются с увеличением численности особей. Это, вероятно, связано с отсутствием увеличения вентиляции (вызывается гиперкапнией, т.е. интоксикацией СО₂) у этого вида. Следовательно, скопление большого числа особей в малых пространствах колонии может быть крайне полезным для терморегуляции и для сохранения энергии.

Адаптация землекопов к повышенному СО₂ в воздухе проявляется длительной выживаемостью в условиях экстремальной гиперкапнии, отсутствием типичных в таких условиях поведенческих и респираторных реакций, снижением чувствительности нейронных щелевых контактов (межклеточные контакты) к СО₂, а также нечувствительностью к некоторым кислотам.

Совокупность вышеперечисленных адаптаций и факт наличия у взрослых особей более низкого, чем ожидалось, объема мозга и числа нейронов говорит о способности голых землекопов ограничивать потребление энергии мозгом. Место обитания данного вида только способствует экономии энергии ввиду повышенной гиперкапнии, снижающей активность нейронов. Дополнительным подтверждением того, что гиперкапния подавляет нервную возбудимость, является мощное противосудорожное действие CO₂ на грызунов и людей.

Основываясь на вышеописанных данных, ученые предположили, что поддержание мозга в хроническом гиперкапническом состоянии способствует отбору генов, которые экономят энергию, устраняя другие механизмы для поддержания ингибирующего тонуса.

Мозг млекопитающих работает близко к теоретическим пределам потребления энергии, причем большая часть его используется для поддержания ионных движущих сил, необходимых для передачи электрических сигналов. Таким образом, изменения в функциях и схемах экспрессии ионных каналов и переносчиков могли возникнуть у землекопов с целью защитить нейроны во время энергетического кризиса.

Важным энергозатратным процессом в мозге млекопитающих является экструзия интранейронального Cl катионно-хлоридным ко-транспортером KCC2 (белок). Как вторично-активный транспортер, KCC2 косвенно расходует АТФ* на экструдирование Cl– посредством энергии, запасенной в градиенте* K⁺, генерируемом Na⁺/K⁺-АТФ-азой*.

АТФ* (аденозинтрифосфат) — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов.

Электрохимический градиент* — совокупность градиента концентрации и мембранного потенциала, которая определяет направление движения ионов через мембрану.

Na⁺/K⁺-АТФ-азой* (натрий-калиевая аденозинтрифосфатаза) — фермент из группы транспортных аденозинтрифосфатаз, который переносит ионы К+ внутрь клетки, в то время как ионы Na+ выбрасываются во внешнюю среду.

KCC2, как правило, подавляется при энергетических кризисах [36], и ингибирование ко-транспорта катиона-хлорида усиливает восстановление АТФ после кислородно-глюкозной депривации.

У типичных млекопитающих способность ГАМК гиперполяризовать нейроны и ингибировать их активность зависит от позитивной регуляции развития KCC2, что приводит к снижению концентрации внутринейронального Cl.

Неправильная функция KCC2 может нарушать передачу сигналов ГАМК и может быть связана с приступами и нарушениями развития нервной системы, такими как эпилепсия, аутизм и шизофрения.

Во время данного исследования ученые наблюдали за колонией голых землекопов в контролируемых лабораторных условиях. Во время наблюдений было замечено, что каждый из членов колонии проводил много времени в гнезде (центральная часть колонии), где был повышенный уровень СО₂.

Примечательно и то, что землекопы продемонстрировали уязвимость к гипокапническому алкалозу*, который проявляется в виде судорожных приступов в средах, которые имитируют надземные условия.

Гипокапнический (дыхательный / респираторный) алкалоз* — увеличение pH крови, возникающее ввиду гипервентиляции легких, приводящей к избыточному выведению СО₂.

Анализ генома голых землекопов выявил видоспецифическую мутацию гистидиновой точки в экзоне 22 — высоко консервативной регуляторной области KCC2.

Любопытно, что подобные мутации были найдены и у людей с фебрильными судорогами, идиопатической генерализованной эпилепсией, расстройством аутистического спектра и шизофренией.

В соответствии со сниженной функцией KCC2 у голых землекопов наблюдается пониженная эффективность ингибирования ГАМК, что проявляется как запуск судорог у взрослых особей при комнатной температуре с помощью диазепама. Эти приступы блокируются или реверсируются в случае повышения уровня СО₂ до того, что наблюдается в гнезде колонии.

Результаты исследования

Далее мы рассмотрим данные, полученных в ходе практических опытов, наблюдений и расчетов.

Для подопытных землекопов была создана искусственная колония, оснащенная датчиками, в частности транспондерами RFID (радиочастотная идентификация). Датчики показали, что большая часть активности происходила в пределах одной камеры (гнездо), расположение которой периодически менялось. Другими словами, в колонии было несколько камер (гнезд), большая часть активности происходила в одной камеры, потому особи перемещались в другую (1А).


Изображение №1

Датчики также показали, что все особи пребывали в гнезде, прижимаясь друг к другу и лишь изредка покидая гнездо для посещения «туалетной» камеры.

Независимо от касты (королева, самцы-оплодотворители, строители, солдаты) или времени суток, все особи проводили большую часть времени в гнездах — 70% времени за 26 дней наблюдений. При этом, как и ожидалось, королева и ее самцы проводили в гнезде больше времени по сравнению с другими кастами (1В).


Активность подопытных в пределах искусственной колонии.

Измерения содержания CO₂ в 96 камерах в 5 различных колониях показали резкие перепады СО₂ в зависимости от назначения камеры. Так, туалетная камера показала минимальное значение увеличения СО₂ — 0.05% (от объема), а гнездовая камера показала 2.33 %.

Гнездовая камера каждой колонии постоянно показала самые высокие уровни СО₂ (1,15% ± 0,41%, n = 8), за ней следовала камера, в которую каждый день помещали пищу (0,49 ± 0,13%, n = 5). На изображении 1C показаны условия содержания колонии ТТ-2 со средними значениями CO₂, зарегистрированными для каждой камеры.

Из этих наблюдений следует вывод, что землекопы проводят большую часть времени в наиболее богатых на СО₂ камерах, несмотря на идентичные температуры и другие факторы.

Далее необходимо было определить, является ли такое поведение проявлением толерантности к СО₂ или все же землекопы осознанно отдают предпочтение помещениям, где его содержание выше. Для этого ученые провели тест, в котором в камеру, не являющуюся гнездом, подкачивали СО₂. После 24 часов в испытательную камеру вводили СО₂, сжатый комнатный воздух (содержащий 0,04% СО₂) или чистый газообразный азот (N₂). Дополнительно в двух других колониях было проведено еще два теста, но с более высоким содержанием СО₂ (2,5% или 11%).

Проверка активности датчиков у входа в испытательную камеру показала повышение посещения этой камеры, когда туда поступал дополнительный СО₂. При подкачке обычного воздуха или N₂ повышения посещаемости камеры не было (1D).

Подобный тест был проведено и с камерами, выступающими в роли потенциальных гнезд. Результаты показали, что большую часть времени подавляющее большинство особей находились именно в той камере, куда подавался СО₂. Когда подача углекислого газа была прекращена, землекопы дружно переместили свое гнездо во вторую по процентному содержанию СО₂ камеру.

Совокупность этих наблюдений четко говорит о том, что высокое содержание СО₂ (но не других газов, например N₂) увеличивает посещаемость соответствующего помещения. Доходило до того, что землекопы создавали гнездо там, где по логике они не должны этого делать, лишь по той причине, что в этом участке было больше СО₂. Они делали гнезда рядом с камерами, куда подавался газ, а после прекращения подачи сразу перемещались в саму камеру подачи.


Изображение №2

Как известно, землекопы не любят гулять под открытым небом, предпочитая проводить всю свою жизнь под землей. В ходе исследования было решено экспериментально проверить гипотезу о том, что землекопы не переносят теплую с низким содержанием СО₂ среду, напоминающую поверхностную.

Взрослых особей разместили в камеры со следующими условиями: гнездо — 2,5% CO₂ / 21% O₂ / 76.5% N₂ при 32 °C; комнатная среда: 0.04% CO₂ / 21% O₂ / 78.96% N₂ при 20 °C и моделированная среда с температурой воздуха 42 °C.

Измеряемая в данном тесте частота дыхания показала прямое влияние условий среды на состояние землекопов. Частота дыхания возросла вдвое у особей, пребывающих в моделируемой среде (2А).

Значения pH и парциального давления CO₂ в крови у землекопов варьировались от респираторного ацидоза* в условиях имитации гнезда до относительного гипокапнического алкалоза в условиях имитации условий на поверхности (2В).

Респираторный ацидоз* — смещение кислотно-щелочного баланса организма в сторону увеличения кислотности (уменьшению рН), вызванное гиповентиляцией или вдыхании воздуха с повышенным содержанием углекислого газа.

Гипервентиляция часто сопровождалась периодом повышенной двигательной активности в моделируемой поверхностной среде. Эта активность обычно стихала примерно через 10 минут. У 9 из 10 особей, подвергшихся воздействию условий поверхностной среды, признаки судорожной активности появились после прекращения гиперактивности, в среднем через 14.4 ± 1.2 минут после того, как температура в камере достигла 42 °С. При этом температура тела подопытных в среднем составляла 41.7 ± 0.6 °С.

На изображении 2C показана репрезентативная запись кортикальной электроэнцефалограммы (ЭЭГ) судорожной активности во время воздействия условий поверхностной среды (0.04% CO₂ / 21% O₂ / 78.96% N₂ при 42 °C).

Судорожная активность прекратилась (2D), когда в камеру с условиями окружающей среды начали закачивать воздух из камеры «гнездо» (2.5% СО₂ / 21% О2 / 76.5% N₂).

Повышенная частота дыхания и уровень pH в крови, измеренные у голых землекопов в условиях поверхностной среды (2А и 2В), указывают на то, что респираторный алкалоз является основной причиной приступа, похожего на судороги, наблюдаемые у детей и у крыс/мышей в подобных условиях.

У крыс и мышей подобная восприимчивость к приступам, вызванным алкалозом головного мозга, спадает к третьей неделе жизни. Это обусловлено повышением регуляции KCC2 и последующим созреванием передачи сигналов ГАМК.

У людей KCC2 кодируется геном SLC12A5. Недавно ученые установили, что мутация аргинина* и гистидина* в области 952 человеческого KCC2b, расположенного в высоко консервативной регуляторной области, кодируемой экзоном 22, связана с фебрильными судорогами.

Гистидин* — гетероциклическая альфа-аминокислота, являющаяся одной из двух условно-незаменимых аминокислот.

Аргинин* — алифатическая основная альфа-аминокислота, являющаяся одной из двух условно-незаменимых аминокислот.

Изучение генома голого землекопа выявило гистидин, как видоспецифичную мутацию в ортологичном гене*, кодирующем KCC2.

Ортологичные гены* — гены, которые у различных видов произошли от общего предшественника.

Изображение №3

Видоспецифическая точечный мутация KCC2, идентифицированная у голых землекопов, может иметь сильное влияние на физиологию нейронов. Исследования сверхэкспрессии человеческого KCC2-H952 в мышечных гиппокампальных и неокортикальных нейронах показали, что гистидин в этом положении снижает экспрессию KCC2 в нейрональной плазматической мембране. Это приводит к пониженной способности нейронов к экструзии Cl^-.

Чтобы исследовать способность кортикальных нейронов землекопов и мышей экструдировать Cl^-, был выполнен анализ рецептора ГАМКа методом локальной фиксации потенциала. Данный метод позволяет изучить свойства ионных каналов посредством изоляции фрагмента клеточной мембраны с помощью микропипетки. Это позволяет контролировать разность потенциалов между сторонами мембраны. Данные, полученные этим методом, позволяют оценить уровень внутриклеточной концентрации Cl^-.


Изображение №4

Анализ подтвердил, что у голых землекопов способность нейронов экструдировать Cl- значительно ниже, чем у мышей (4А).

Далее ученые решили проверить, сможет ли стандартный ГАМК-потенцирующий противосудорожный препарат (диазепам) блокировать вызванные гипертермией судороги у взрослых землекопов.

Удивительно, но диазепам не только не предотвратил судороги, но и фактически усугубил их. Инъекция 1 или 5 мг/кг диазепама (внутрибрюшинно) взрослым самцам и самкам землекопов (весом от 25 до 57 г, температура окружающей среды 20 или 32 °С) вызывала двигательные судороги у 10 из 10 животных. Время до начала судорог обычно составляло менее 5 минут после инъекции 5 мг/кг диазепама (n = 5) и более 20 минут после 1 мг/кг диазепама (n = 5).

ЭЭГ двух подопытных во время инъекций показало, что судороги действительно сопровождаются кортикальными приступами (4В). При введении 0.5 мг/кг диазепама судороги не наблюдались, вместо этого была повышенная активность.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном исследовании ученые установили, что голые землекопы, проживающие практически всю свою жизнь в условиях с повышенным содержанием СО₂, не только невосприимчивы к этому, но и фактически нуждаются в этом.

Секрет заключается в KCC2, который является транспортером хлорида, т.е. он контролирует количество хлорида внутри нейронов. Как правило, у млекопитающих хлорид в центральных нейронах поддерживается на низком уровне. Когда на связь с нейронов выходит ГАМК, последний забирает хлорид, чем блокирует активность нейрона.

Снижение активности нейронов крайне необходимо для организации их работы. Однако у землекопов и людей с мутацией КСС2 эффективность удаления хлорида из нейронов снижена. Следовательно, торможение активности происходит не так, как положено.

Землекопы справляются с этой проблемой весьма необычно, используя углекислый газ. Если содержание СО₂ в воздухе будет слишком низким, их мозг просто не сможет функционировать в нормальном ритме, что будет проявляться в виде судорог.

Данный труд не только позволяет лучше понять эволюцию столь уникального существа как голый землекоп, но также может помочь в работе с мутациями КСС2 у людей, вызывающими приступы и развитие идиопатической генерализованной эпилепсии, шизофрении и аутизма.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?