Могут ли животные жить без гемоглобина?

Даже людям без медицинского образования известно, что снижение уровня гемоглобина вызывает у человека недомогания. Многие знают, что норма гемоглобина составляет 130-160 граммов на литр крови для мужчин и 120-140 г/л — для женщин. Большинство людей уверены, что живой организм без гемоглобина существовать не может. Попробуем разобраться, так ли это.

Функции гемоглобина

Гемоглобин — это компонент эритроцитов (клеток крови, которые носят название красных кровяных телец). Он состоит из белка (глобина) и железосодержащей составляющей (гемма). Свободный гемоглобин (вне эритроцитов) в крови человека не удерживается, поскольку его молекулы выводятся, просачиваясь сквозь поры почек. По этой причине необходимы клетки, в которых гемоглобин транспортируется по сосудам как в контейнерах.

Гемоглобин переносит кислород из легких к органам и тканям, а также транспортирует углекислых газ из тканей в легкие. В капиллярах легких человека кислород соединяется с гемоглобином. Кровоток перемещает эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина с кислородом, к тканям и органам, которым он необходим для окислительных процессов. Соответственно, в обратном направлении гемоглобин транспортирует продукт этих процессов — углекислоту.

Сама кровь тоже способна переносить газы. Кислород растворяется в плазме крови, но довольно медленно и в недостаточных количествах. Благодаря содержанию атомов железа гемоглобин присоединяет кислород практически в 500 раз эффективнее. Именно содержание железа определяет красный цвет крови.

Снижение гемоглобина вызывает слабость, утомляемость, сонливость, головокружение. У человека может заболеть голова, снизиться артериальное давление, нарушиться сердечный ритм. При значительном снижении гемоглобина не исключена потеря сознания. Из этого можно сделать вывод, что для нормальной жизнедеятельности живых существ гемоглобин необходим. Выходит, что живой организм гибнет не только при полном отсутствии, но даже при значительном снижении гемоглобина. Это утверждение не всегда справедливо.

Снижение гемоглобина как способ приспособления к условиям обитания

Низкий уровень гемоглобина позволяет жителям высокогорных районов Тибета адаптироваться к сложным условиям – низкому атмосферному давлению и кислородному голоданию. Кислородное голодание не оказывает негативного влияния на дыхание, мыслительный процесс, сон жителей высокогорий. Организм жителя равнины на большой высоте повышает уровень гемоглобина, что приводит к увеличению вязкости крови. Тибетцы сохраняют сравнительно низкий уровень гемоглобина, и при этом хорошо себя чувствуют.

Было установлено, что жители горных районов Тибета являются носителями особого измененного гена, участвующего в регулировании уровня гемоглобина. В процессе эволюции именно носители этого гена более успешно приспосабливались к условиям обитания в высокогорных районах. Вероятность появления у них потомства была более высокой, соответственно, измененный ген передавался по наследству. К настоящему времени он стал общей чертой практически для всех жителей высокогорных районов Тибета.

Природа настолько многообразна, а способность организмов приспосабливаться настолько значительна, что некоторые виды обходятся вовсе без гемоглобина. У некоторых беспозвоночных — моллюсков, насекомых и прочих — эритроциты отсутствуют. Дыхательные пигменты этих беспозвоночных содержат не железо, а другие металлы (например, медь, марганец, ванадий), которые окрашивают кровь в разные цвета (фиолетовый, зеленый, оранжевый и др.). Дыхательные пигменты этих существ располагаются не в клетках, а прямо в крови.

Единственная и неповторимая

Ученые пока исследовали только одно беспозвоночное животное, которое обходится без гемоглобина. В крови белокровок нет ни гемоглобина, ни эритроцитов вообще. Не знали? А выглядят белокровки впечатляюще!

«Ледяная рыба»: существо без гемоглобина

Еще в XIX веке норвежцы, занимавшиеся китобойным промыслом в Антарктике, встречали в Атлантическом океане необычных рыб, чья кровь была бесцветной. Китобои называли их ледяными или бескровными. Это достаточно крупные рыбы, достигающие 60-70 см в длину. Тело многих из них практически прозрачно. Долгое время ученые не обращали внимания на эти сообщения, но в 1954 году начали исследовать загадочных рыб. Большая часть видов «ледяных рыб» обитает у берегов Антарктиды. У островов Кергелен и Южная Георгия живут еще несколько видов. За пределами Антарктики — у берегов Патагонии — обитает лишь один вид белокровок.

Рыбы белокровки в мировой фауне являются уникальным явлением. Их кровь не красная, а бесцветная, поскольку в ней полностью отсутствуют эритроциты и гемоглобин. Примечательно, что количество кислорода, растворенного в крови этих рыб, довольно низкое. Детальные исследования показали, что в крови белокровок все же содержится некоторое количество эритроцитов, но они являются незрелыми и не играют значительной роли в дыхании. Оно происходит благодаря диффузии (взаимному проникновению частиц одного вещества между частицами другого) кислорода воды через поверхностную капиллярную сеть и переносу кислорода плазмой крови.

В отличие от большинства рыб, основную роль в газообмене белокровок играют не жабры, а кожные покровы тела и плавников. Общая поверхность капиллярной сети этих покровов в 3 раза больше дыхательной поверхности жабр. Важно также то, что белокровки живут в холодных водах, которые насыщены кислородом.

Сердце «ледяных рыб» довольно крупное, сердечная мускулатура увеличена, что позволяет повысить темп кровообращения. Это компенсирует отсутствие гемоглобина и низкое насыщение крови белокровок кислородом. Например, масса сердца крокодиловой белокровки в три раза превышает массу сердца рыб родственного вида (нототениевых), имеющих красную кровь. Благодаря этому сердце белокровки может прокачивать гораздо больший объем крови, по сравнению с другими рыбами.

Сердечнососудистая система «ледяных рыб» имеет высокую пропускную способность. Процесс обмена веществ у этих рыб замедлен. При этом вода, в которой они обитают, богата кислородом. Сочетание трех перечисленных факторов позволяет обеспечивать ткани достаточных количеством кислорода.

Почему белокровки лишены гемоглобина?

В суровых условиях Антарктики способны выжить не многие рыбы. Температура воды здесь достигает -1.9°С (как известно, соленая морская вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная). Специальный антифриз (вещество, которое не замерзает при низкой температуре) предотвращает образование ледяных кристаллов в крови белокровок. Он связывается с кристаллами льда и предотвращает их рост.

Большую часть времени «ледяные рыбы» проводят практически без движения. Многие виды белокровок являются донными и обитают на глубине 200-700 м, а некоторых из них обнаруживают на глубине до 2 тыс. м. Белокровки поглощают кислород из воды через кожу именно потому, что при низких температурах обычная кровь (содержащая гемоглобин) сгущается. Это приводит к гибели организма.

Как показывают исследования, белокровки утратили гемоглобин достаточно давно. Утрата способности к синтезу гемоглобина привела к развитию компенсаторных изменений: увеличение объема крови и массы сердца. Утрата гемоглобина обеспечивала адаптацию белокровок к холоду: в холодной воде кислород растворяется лучше, следовательно, потребность в гемоглобине меньше. Кроме того, благодаря отсутствию эритроцитов вязкость крови снижается. Это важно для организмов, существующих в условиях низких температур.

Предком белокровок считается малоподвижный вид донных рыб. Из-за похолодания в третичном периоде в Южном океане произошел экологический кризис, из-за которого появились значительные пустующие экологические ниши. При отсутствии конкуренции рыбы-мутанты, не имеющие гемоглобина, смогли дать потомство, которое и заняло эти ниши. Постепенно у детенышей произошла компенсация мутаций.

Места обитания в изолированных фьордах заселили группы особей. Это привело к формированию нескольких видов «ледяных рыб», которые утратили гены гемоглобина независимо друг от друга.

Рассмотренные примеры являются подтверждением того, что гены, необходимые для жизни позвоночных, в определенных условиях способны мутировать для обеспечения выживания вида.