Почему в Северном Ледовитом океане рыбы не замерзают?

Как антарктические рыбы умудряются не просто существовать, но и спокойно жить при температурах, близких к точке замерзания воды?

К зимовке в воде, температура которой близка к точке замерзания, некоторые арктические рыбы готовят­ся вполне современным способом: в их крови вырабаты­вается антифриз.

Рыбы подотряда Notothenioidei обитают в ледяных водах Южного океана и составляют почти 90% рыбной биомассы этого региона. Именно по этой причине генетики выбрали их в качестве подопытных. Температура здешних вод такова, что всё тело подводных обитателей должно было бы превратиться в лёд. Однако этого не происходит. Почему?

Тщательное изучение необычных способностей нототениевых по сути началось в пятидесятые годы прошлого века. В 1960-х профессор Артур Деврис (Arthur DeVries) из университета Иллинойса впервые изолировал и описал "белки-антифризы", которые связывают кристаллы льда в крови рыб, не давая ей застыть. Организм обитателей морских глубин производит их сам.

В подотряде Notothenioidei восемь семейств, пять из них обитают в Антарктике, спокойно проживая при низких температурах (-2–4 °C) и высоком содержании кислорода (который лучше растворяется в холодной воде и переходит в высокореакционные, вредные для тканей организма формы) .

Группа генетиков под руководством Кристины Чэн (Chi-Hing "Christina" Cheng), жены Девриса, решила выяснить генетические основы экстремальной выносливости.

Для начала учёные взяли под пристальный контроль характерного представителя нетотениевых —Dissostichus mawsoni. Кристина и её коллеги хотели выяснить, экспрессия каких генов происходит у арктического клыкача наиболее массово. Для этого они взяли четыре образца тканей: из мозга, яичников, печени и почки (основного кроветворного органа рыбы) .

"Мы обнаружили, что в подавляющем большинстве случаев работает конкретная группа генов, — говорит Чэн. — В каждой ткани экспрессируются все возможные гены, но та самая небольшая группа цитопротективных генов экспрессируется в большом количестве во всех тканях".

Далее учёные сравнили экспрессию генов D. mawsoni и неродственных ей рыб, обитающих в более тёплых водах Мирового океана, и выяснили, что большинство генов, нужных антарктической рыбе, почти не проявляют себя у других видов.

Среди последовательностей, отвечающих за выработку определённых белков в большом количестве (upregulated genes), было обнаружено много генов, кодирующих протеины, отвечающие за реакцию организма на негативное воздействие окружающей среды. Таких учёные насчитали аж 177 семейств.

В частности, было обнаружено множество шаперонов (белков, чья главная функция восстановление правильной третичной структуры повреждённых белков) и особенно "белков температурного шока" (heat shock protein), защищающих клетки от экстремальных температур. Также присутствовали убиквитины — белки, поддерживающие здоровье клеток и маркирующие другие протеины перед процессом деградации.

У обитающих в теплых водах рыб семейства нонотениевых гены-«антифризы» присутствуют в больших количества, чем у других семейств. Но в геноме их антарктических собратьев они встречаются на порядки (до 300 раз) чаще. «Таким образом, мы видим, что имеющееся у антарктического клыкача большее количество копий защитных генов, по сравнению с геномом его сородичей, никогда не «видевших» ледяной воды, является прямым доказательством того, что именно эта особенность организма помогает ему адаптироваться к холоду» , — отмечает автор исследования.

На данный момент учёные занимаются изучением влияния на антарктические виды рыб изменения климата (повышения температуры воды) . Им предстоит выяснить, сможет ли адаптироваться D. mawsoni к новым условиям. Ведь если вымрут антарктические клыкачи, пострадают все пищевые цепочки Южного океана.