Gdy tlen cię zabija, czyli kilka słów o golcach piaskowych

Golce piaskowe albo kretoszczury to gryzonie z rodziny Heterocephalidae. Te osobliwe małe stworzenia zamieszkują tereny wschodniej Afryki – Somalię, Etiopię, Kenię czy Dżibuti. Są całkowicie ślepe i pozbawione owłosienia. Niemal całe życie spędzają pod ziemią, gdzie budują rozległe tunele. Z tego powodu posiadają nietypowy zestaw cech fizjologicznych, który umożliwia im rozwój w tym niesprzyjającym środowisku. 

Od lat są przedmiotem badań naukowców z całego świata, którzy za każdym razem odkrywają u nich nowe, niezwykłe cechy. W czerwcu zeszłego roku wykazano na przykład, że golce mogą żyć nawet 28 lat – niezwykle długo jak na gryzonie, a wyjątkowe warunki panujące w ich organizmach zapobiegają namnażaniu komórek rakowych, sprawiając że zwierzęta te są odporne na nowotwory.

Ale jak temat golców piaskowych łączy się z motywem przewodnim naszego projektu?

Długoletnia praca naukowców niejednokrotnie wskazywała na bardzo specyficzne preferencje golców dotyczące środowiska, w którym żyją. Golce zamieszkują zamknięte podziemne nory charakteryzujące się słabą cyrkulacją powietrza. W tych warunkach łatwo o znaczne obniżenie poziomu tlenu oraz podwyższenie poziomu CO2. Ewolucja w takim środowisku wyposażyła golce w szereg adaptacji umożliwiających uniknięcie negatywnych skutków hipoksji i hiperkapnii.

Czym są hipoksja i hiperkapnia?

W skrócie – hipoksja to niedobór tlenu w tkankach, natomiast hiperkapnia to zwiększony poziom dwutlenku węgla we krwi. Oba stany organizmu u większości zwierząt powodują niedotlenienie, jednak golcom wcale nie przeszkadzają – dlaczego?

Podziemny tryb życia nie jest jedynym powodem, dla którego golce są szczególnie narażone na hipoksję i hiperkapnię. Były one też prawdopodobnie pierwszymi ssakami, które rozwinęły eusocjalność (czyli zdolność do tworzenia trwałych kolonii, w której występują co najmniej dwa pokolenia zdolne do wykonywania pracy na rzecz gromady – taką cechę posiadają między innymi pszczoły). W ich gniazdach kopalnych przebywa naraz bardzo wiele osobników. Golce wymagały zatem adaptacji, która pozwoliła im oszczędzać energię i tolerować niski poziom tlenu i wysoki poziom dwutlenku węgla.

Jest kilka cech, które umożliwiają przetrwanie golców w tak nieprzyjaznym środowisku. Hemoglobina w ich krwi ma większe powinowactwo do tlenu niż ta występująca u innych ssaków, a narządy w ich organizmach są przystosowane do hipoksji i hiperkapnii.

Co sprawia, że organizmy golców tolerują brak świeżego powietrza?

Ewolucja wyposażyła te zwierzęta w szereg przystosowań. Ich nerwy obwodowe są niewrażliwe na acydemię (czyli stan zwiększonej kwasowości krwi) spowodowaną przebywaniem w środowisku bogatym w CO2.

Ponadto, tempo metabolizmu golców piaskowych jest o około jedną trzecią mniejsze niż u innych gryzoni, natomiast ich komórki w porównaniu z komórkami innych gryzoni są znacznie mniej wrażliwe na bodźce proapoptotyczne, na przykład na reaktywne formy tlenu produkowane przez mitochondria w odpowiedzi na hipoksję. 

Są też dowody, że u golców piaskowych występuje specyficzne zahamowanie rozwoju mózgu. Mózg golców charakteryzuje się występowaniem wyższego niż u innych ssaków poziomu podjednostek GluN2D receptorów NMDA. Związek GluN2D z podwyższoną tolerancją hipoksji w mózgu występuje też u mysich i szczurzych noworodków, u których występuje naturalna odporność na niskie stężenie tlenu. Kanały zawierające tę podjednostkę wykazują zmniejszoną przepuszczalność w warunkach hipoksji. U szczurów i myszy GluN2D podczas dorastania jest zastępowany przez inne typy podjednostek, więc dorosłe osobniki tracą odporność na hipoksję. Jednak u golców piaskowych wysoki poziom tego związku utrzymuje się przez całe życie.

W kwietniu 2020 roku grupa naukowców ze Stanów Zjednoczonych i Finlandii opublikowała pracę naukową, w której korzystając z monitorowania behawioralnego całej kolonii golców w norze z wysokim poziomem CO2 analizowała genom tych zwierząt. Analiza materiału genetycznego golca piaskowego ujawniła unikalną wśród ssaków wysoką zmienność punktów histydynowych w neuronalnym transporterze chlorków KCC2. W kwietniowym badaniu wykazano także, że te zwierzęta mają mutację zmiany sensu w genie, który koduje KCC2. 

KCC2 to transporter chlorków. Elektrochemiczny gradient jonów chlorkowych ustalony przez aktywność KCC2 ma kluczowe znaczenie dla klasycznego hamowania czynności komórki postsynaptycznej. Połączenie neuroprzekaźnika hamującego z receptorem w błonie komórki postsynaptycznej wywołuje hiperpolaryzację błony komórkowej i wygenerowanie postsynaptycznego potencjału hamującego. Zmniejsza to prawdopodobieństwo pojawienia się potencjału czynnościowego w błonie komórki postsynaptycznej. Do najważniejszych neuroprzekaźników hamujących zalicza się kwas γ‑aminomasłowy (GABA) i glicynę. GABA i glicyna są ważne nie tylko dla komórek układu nerwowego, ale i dla wielu innych struktur w organizmie. Wspomina się o wpływie tego neuroprzekaźnika na włókna mięśniowe – otóż prowadzi on do ich relaksacji. Utrata aktywności KCC2 skutkuje utratą regulacji hamującej i rozwojem nadpobudliwości neuronalnej, spastyczności motorycznej i aktywności drgawkowej. Badanie z 2019 roku wykazało też powiązanie między rozwojem epilepsji u ludzi a występowaniem mutacji w genie kodującym KCC2.

Co z tego wynika?

Innymi słowy, kretoszczury nie tylko tolerują wysoki poziom dwutlenku węgla w swoich zatłoczonych gniazdach, ale wydaje się, że faktycznie tego potrzebują.  Kiedy przebywają na świeżym powietrzu poza gniazdem, występują u nich drgawki. W opublikowanym badaniu naukowcy odkryli, że to dziwne zapotrzebowanie na dwutlenek węgla można wyjaśnić obecnością mutacji zmiany sensu w genie, który koduje główny neuronalny transporter chlorków, znany jako KCC2.

Badania nad lepszym poznaniem fizjologii tego stworzenia nadal trwają, więc być może w następnych latach dowiemy się jeszcze wielu ciekawych i niezwykłych rzeczy i golcach piaskowych.

Nie ulega wątpliwości, że golce to wspaniałe stworzenia. Wykształciły wiele przystosowań, które pozwoliły im żyć w środowisku pozbawionym tlenu i bogatym w CO2. 

Ale pamiętajcie, otwierajcie okna, ponieważ nie jesteśmy golcami, mimo że bardzo byśmy tego chcieli…

Bibliografia:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/cp-nmn042320.php

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30478-4

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Chloride_potassium_symporter_5

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnmol.2019.00173/full

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7016893/

https://www.cam.ac.uk/research/news/secrets-of-naked-mole-rat-cancer-resistance-unearthed

https://przystaneknauka.us.edu.pl/artykul/golec-piaskowy-czyli-gryzon-ktory-lamie-biologiczne-prawo-starzenia-sie

https://zoo.gda.pl/zwierzeta/golec-piaskowy/

Portret golca pochodzi ze strony garmaonhealth.com.