Биологи из Аляскинского университета в Фэрбенксе (США), кажется, подобрались к разгадке происхождения легочного дыхания позвоночных животных. О своем открытии они сообщили на 42-й ежегодной встрече Общества нейронаук (Society for Neuroscience) в Новом Орлеане.
«Чтобы дышать воздухом с помощью легких, нужно нечто большее, чем легкие: необходимо обладать нейронной сетью, чувствительной к углекислому газу, – говорит нейробиолог Майкл Харрис, ведущий автор исследования. – Именно нейронная сеть позволяет организмам, дышащим воздухом, забирать из него кислород, необходимый клеткам, чтобы превращать пищу в энергию, и удалять излишки углекислого газа, образующиеся в результате этого процесса. Нас интересовало, каким образом появилась чувствительная к двуокиси углерода нейронная сеть, называемая генератором ритма». Ученые предположили, что воздушное дыхание развилось у предковых форм, которые хоть и не обладали легкими, но имели соответствующий генератор ритма – особый участок в стволе головного мозга.
В качестве объекта для исследования была выбрана минога – примитивное позвоночное с чертами, похожими на те, которыми предположительно обладали предки позвоночных. У миноги нет легких, дышит она исключительно растворенным в воде кислородом при помощи жабр. Личинка миноги – пескоройка – живет зарытая в грунт, в своеобразной трубке, дышит и питается, прокачивая воду через свое тело. В такой среде эволюция может благоприятствовать особям, способным чувствовать и отвечать на повышение концентрации углекислого газа.
Когда трубкообразный домик пескоройки забивается илом, у нее наблюдается моторная реакция, которую можно охарактеризовать как «кашель», – таким образом личинка очищает свое жилье. Как было показано, центральный генератор ритма (ЦГР), который запускает эту реакцию, отличен от того, что отвечает за жаберное дыхание, и что самое интересное – он чувствителен к углекислому газу! Точно такой ЦГР необходим и для освоения воздушной среды.
«Легочное дыхание могло возникнуть в результате «перепрофилирования» чувствительной к двуокиси углерода реакции «кашля», имевшейся у безлегочных позвоночных наподобие миноги», – считает Харрис. У таких предков, вероятно, как и у миноги, было два генератора ритма, один из которых активировался через чувствительные к углекислому газу хеморецепторы – именно он впоследствии и эволюционировал в ЦГР для легочного дыхания у двоякодышащих рыб, амфибий и прочих наземных животных.