Двоякодышащие рыбы схожи в дыхании с млекопитающими

Млекопитающие демонстрируют увеличение частоты сердечных сокращений при вдыхании и уменьшении во время выдоха — кардиореспираторный процесс, известный как дыхательная синусовая аритмия (RSA). Этот процесс и его основные механизмы контроля были рассмотрены многими учеными исключительно у млекопитающих, но новое исследование ставит под сомнение это предположение.

Ученые из Великобритании и Бразилии изучили южноамериканскую рыбу Lepidosiren paradoxa (американский чешуйчатник) и обнаружили, что системы, позволяющие этому примитивному позвоночному контролировать кровоток во время дыхания, имеют близкое сходство с теми, которые идентифицированы у млекопитающих.

Двоякодышащие являются членами древней группы лепестко-оребренных рыб (класс Dipnoi), имеющих непрерывную летопись окаменелостей, происходящих в девонском периоде около 400 миллионов лет назад. Это было время, когда первые позвоночные вышли на землю, чтобы образовать земноводных, а также рептилий, птиц и млекопитающих через многие тысячелетия.

С его прото-легкими и прото-лимбами, чешуйчатник (лепидосирен) представляет собой самую раннюю стадию эволюции дышащих воздухом позвоночных. Они обитают в тропических, пресноводных бассейнах и медленных реках, которые часто содержат очень низкий уровень растворенного кислорода и могут исчезать в течение сухого сезона.

Двоякодышащие разделяют периодический характер дыхания с наземными позвоночными, регулярно поднимаясь к поверхности воды, чтобы проветрить свой воздушно-дыхательный орган, подобный легкому, и они зависят исключительно от этих легких для поглощения кислорода во время засухи.

Под руководством экспертов из Бирмингемского университета и Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar) в Сан-Паулу международная команда ученых опубликовала свои выводы в Science Advances.

Профессор Тед Тейлор из Бирмингемского университета сказал: «Когда воздушный пузырь на поверхности воды получает кислород, их сердечный ритм мгновенно увеличивается, сигнализируя о поступлении крови в легкие существа».

«Это возможно, потому что животное имеет нераздельное сердце, позволяя варьировать пропорцию крови, отводимой на легкие, в отличие от млекопитающих, поскольку у них есть полностью разделенное сердце с равными объемами крови, накачиваемой отдельно в легкие и тело с каждым биением сердца».

«Наше исследование установило четкую функцию у двоякодышащих для увеличения частоты сердечных сокращений в максимальном поглощении кислорода во время каждого вдоха воздуха, которое не было окончательно продемонстрировано для RSA у млекопитающих. Это может быть реликтом их связи с древними предками-амфибиями».

Профессор Тейлор добавил, что «у двоякодышащей рыбы есть относительно сложная система контроля, которая генерирует эти изменения, связанные с дыханием, в зависимости от дыхания, с характеристиками, которые ожидают для млекопитающих.

«Мы обнаружили, что они включают в себя несколько мест для нервных клеток в стволе мозга, которые иннервируют сердце с изолированными волокнами, которые проводят быстрые импульсы, вызывая мгновенную сердечную реакцию на каждое дыхание».

Древняя система, контролирующая вариации частоты сердечных сокращений, свидетельствует о том, что эволюция этих рыб была обязательно связана с появлением воздушного дыхания у примитивных позвоночных, а не к более позднему появлению его у млекопитающих.

Это понимание ставит под сомнение предположения о первенстве млекопитающих, сделанные некоторыми биомедицинскими физиологами и биологами, демонстрируя, что «примитивные» механизмы, хотя и ранние, не обязательно простые.

Больше информации: Diana A. Monteiro, Edwin W. Taylor, Marina R. Sartori, André L. Cruz, Francisco T. Rantin, Cleo A. C. Leite. Cardiorespiratory interactions previously identified as mammalian are present in the primitive lungfish. Science Advances, 2018; 4 (2): eaaq0800 DOI: 10.1126/sciadv.aaq0800