En utter simmar under vattnet i Detroit, Michigan Zoo (Ellen Meiselman via Flickr/Creative Commons)
Särskilda egenskaper hos ett syrebindande protein i musklerna hos marina däggdjur, som sälar, valar och delfiner, är anledningen till att dessa djur kan hålla andan under vattnet under långa perioder, enligt en ny studie.
Många av dessa däggdjursdykare kan hålla andan under vattnet i över en timme, medan landlevande däggdjur, till exempel människor, bara kan göra det i högst några minuter.
Forskare från Liverpools universitet, som ledde studien, kunde identifiera en unik molekylär egenskap hos myoglobin, ett järn- och syrebindande protein som finns hos kaskeloter och andra dykande däggdjur. Fram till detta fynd var mycket lite känt om hur molekylen är anpassad i de dykande marina däggdjuren.
Forskarna, i samarbete med University of Manitoba och University of Alaska, hittade en hög koncentration av myoglobin, det ämne som får kött att se rött ut, i musklerna hos däggdjursdykare. Faktum är att mängden var så hög i muskeln att den nästan såg svart ut.
Monachus schauinslandi (Hawaiian Monk Seal) under vattnet vid Five Fathom Pinnacle, Hawaii. (Kent Backman via Wikimedia Commons)
Denna upptäckt gjorde det möjligt för forskarna att spåra utvecklingen av hur musklerna hos mer än 100 däggdjursarter, inklusive fossila rester av deras gamla föregångare, kunde lagra syre.
”Vi studerade den elektriska laddningen på myoglobinets yta och fann att den ökade hos däggdjur som kan dyka under vatten under långa perioder”, säger Michael Berenbrink från Liverpools universitet, som ledde det internationella forskarlaget. ”Vi blev förvånade när vi såg samma molekylära signatur hos valar och sälar, men också hos halvt vattenlevande bävrar, bisamråttor och till och med vattenspovar.”
Att kartlägga den unika molekylära signaturen hos myoglobin i hela däggdjursfamiljeträdet gjorde det möjligt för forskarna att återskapa de syreförråd i musklerna som fanns hos de utdöda förfäderna till dagens dykande däggdjur. Teamet kunde sedan hitta de första bevisen på en gemensam amfibisk förfader till moderna sjökor, hyraxar och elefanter som levde för 65 miljoner år sedan i grunda afrikanska vatten.
Men medan marina däggdjur som sälar, delfiner och valar kan stanna under vattnet under långa perioder kan människor bara göra det i ungefär en minut eller så. (gadgetboy32 via Flickr/Creative Commons)
”Vår studie tyder på att den ökade elektriska laddningen av myoglobin hos däggdjur som har höga koncentrationer av det här proteinet orsakar elektro-repulsion, som likadana poler på två magneter”, säger Dr Scott Mirceta, en medlem av forskargruppen. ”Detta borde hindra proteinerna från att hålla ihop och möjliggöra mycket högre koncentrationer av det syrehållande myoglobinet i musklerna hos dessa dykare.”
Forskarnas studier skulle kunna ge insikt i ett antal mänskliga sjukdomar som Alzheimers och diabetes, samtidigt som de kan bidra till utvecklingen av konstgjorda blodsubstitut.
”Detta fynd illustrerar styrkan i att kombinera molekylära, fysiologiska och evolutionära metoder för att lösa biologiska problem och gör det möjligt för oss att för första gången sätta ”kött” på benen av dessa sedan länge utdöda dykare”, säger Berenbrink.
Se en video om denna upptäckt (University of Liverpool/BBSRC)