Een otter zwemt onder water in de Detroit, Michigan Zoo (Ellen Meiselman via Flickr/Creative Commons)
Speciale eigenschappen van een zuurstofbindend eiwit in de spieren van zeezoogdieren, zoals zeehonden, walvissen en dolfijnen, zijn de reden dat deze dieren hun adem onder water lange tijd kunnen inhouden, zo blijkt uit een nieuwe studie.
Veel van deze zoogdierduikers kunnen hun adem onder water meer dan een uur inhouden, terwijl zoogdieren op het land, zoals mensen, dit hooguit enkele minuten kunnen.
Wetenschappers van de Universiteit van Liverpool, die de studie leidden, waren in staat om een uniek moleculair kenmerk te identificeren van myoglobine, een ijzer- en zuurstofbindend eiwit dat wordt aangetroffen bij potvissen en andere duikende zoogdieren. Tot deze bevinding was zeer weinig bekend over hoe de molecule is aangepast in de duikende zeezoogdieren.
De onderzoekers, in samenwerking met de Universiteit van Manitoba en de Universiteit van Alaska, vonden een hoge concentratie van myoglobine, de stof die vlees rood doet lijken, in de spieren van de zoogdierduikers. De hoeveelheid was zelfs zo hoog dat de spieren er bijna zwart uitzagen.
Monachus schauinslandi (Hawaïaanse monniksrob) onder water bij Five Fathom Pinnacle, Hawaii. (Kent Backman via Wikimedia Commons)
Dankzij deze ontdekking konden de wetenschappers nagaan hoe de spieren van meer dan 100 soorten zoogdieren, met inbegrip van fossiele overblijfselen van hun oude voorgangers, in staat waren zuurstof op te slaan.
“We bestudeerden de elektrische lading op het oppervlak van myoglobine en ontdekten dat die toenam bij zoogdieren die langdurig onder water kunnen duiken,” zei Dr. Michael Berenbrink, van de Universiteit van Liverpool, die het internationale team van wetenschappers leidde. “We waren verrast toen we dezelfde moleculaire signatuur zagen bij walvissen en zeehonden, maar ook bij semi-aquatische bevers, muskusratten en zelfs waterspitsmuizen.”
Het in kaart brengen van de unieke moleculaire signatuur van myoglobine door de hele stamboom van zoogdieren stelde de wetenschappers in staat om de spierzuurstofvoorraden te reconstrueren die werden aangetroffen bij de uitgestorven voorouders van de duikende zoogdieren van vandaag de dag. Het team kon zo het eerste bewijs vinden van een gemeenschappelijke amfibische voorouder van moderne zeekoeien, hyraxen en olifanten, die 65 miljoen jaar geleden in ondiepe Afrikaanse wateren leefden.
Zoogdieren als zeehonden, dolfijnen en walvissen kunnen lange tijd onder water blijven, maar mensen kunnen dat maar een minuut of zo. (gadgetboy32 via Flickr/Creative Commons)
“Onze studie suggereert dat de verhoogde elektrische lading van myoglobine bij zoogdieren die hoge concentraties van dit eiwit hebben, elektro-repulsie veroorzaakt, zoals gelijke polen van twee magneten,” zei Dr. Scott Mirceta, een lid van het onderzoeksteam. “Dit zou moeten voorkomen dat de eiwitten aan elkaar kleven en veel hogere concentraties van de zuurstof-opslag myoglobine in de spieren van deze duikers mogelijk maken.”
De studies van de onderzoekers zouden inzicht kunnen verschaffen in een aantal menselijke ziekten zoals Alzheimer en diabetes, terwijl ze ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van kunstmatige bloedvervangers.
“Deze vondst illustreert de kracht van het combineren van moleculaire, fysiologische en evolutionaire benaderingen van biologische problemen en stelt ons voor het eerst in staat om ‘vlees’ op de botten van deze lang uitgestorven duikers te zetten,” zei Berenbrink.
Bekijk een video over deze ontdekking (University of Liverpool/BBSRC)