Ученые из Сингапура обнаружили удивительный способ выведения мочевины у одной из самых известных мягкотелых черепах — китайского трионикса. Оказалось, что мочевина выводится папиллами, которые расположены у черепахи во рту. Трионикс набирает воду в пасть и выплевывает ее, тем самым смывая мочевину. Одновременно он может и дышать, так как эти папиллы несут еще и дыхательную функцию.

Китайский трионикс, или Pelodiscus (Trionix) sinenesis, — одна из самых известных мягкотелых черепах, широко распространенная в Азии, в том числе на юге Дальнего Востока. Этот вид черепах нередко держат в акватеррариумах, так как содержать его легко и в то же время у него много необычных черт. Особенно примечательны длинная шея и вытянутое в длинный мягкий хоботок окончание морды, на конце которого открываются ноздри. Ротовые края челюстей прикрыты толстыми кожистыми складками — «губами». Китайский трионикс населяет реки и озера с медленным течением, в том числе солоноватые болота. Черепаха нередко вылезает на поверхность, но также может надолго зарываться в сырой песок или уходить под воду.

Тот факт, что черепаха может подолгу оставаться под водой, давно привлекал внимание биологов. Еще в конце XIX века на слизистой ротовой полости трионикса были открыты многочисленные пучки папилл, которым приписали функцию дополнительных органов дыхания. Позже было обнаружено, что эти папиллы пронизаны капиллярами и содержат клетки с большим количеством митохондрий, что подтверждало их дыхательную функцию. Долгое нахождение под водой приводит у трионикса к так называемому апноэ — остановке дыхательных движений. Вместо того чтобы дышать легкими, черепаха набирает воду в пасть и выплевывает ее обратно, таким образом омывая папиллы водой и извлекая из нее кислород.

В то же время некоторое поведение трионикса не находило объяснений. Например, было замечено, что черепахи часто опускают голову в лужи с водой, оставаясь при этом на суше, и производят вышеописанные ритмические глоточные движения. Если функция таких движений — дыхательная, зачем это делать на суше, если можно дышать обычным способом?

У трионикса азот выделяется на 70% в виде мочевины, и в этом смысле данная черепаха не сильно отличается от нас с вами. Но исследователей озадачивало, как трионикс справляется с выделением мочевины через почки, учитывая тот факт, что он часто населяет солоноватые водоемы. Чтобы выделять мочевину через почки, надо часто пить, а если пить соленую воду, возникают проблемы. Например, в этом случае сильно повышается концентрация ионов натрия и хлора в плазме крови, а почки трионикса не способны активно захватывать эти ионы против градиента концентрации и продуцировать гиперосмотическую (см. осмос) мочу.

Группа сингапурских исследователей из Национального университета Сингапура и Наньянского технологического университета недавно провела комплексное исследование на триониксах, в котором проверялась выделительная функция папилл ротовой полости. Работа состояла из нескольких этапов. На первом этапе у триониксов собирали мочу, прикрепляя специальный пластиковый мешок вокруг хвоста рядом с отверстием клоаки и погружая черепах в аквариум на 6 дней. Образцы жидкости собирали каждый день и из мешка и просто из аквариума, и проводили анализ концентрации аммиака и мочевины в собранной жидкости. Оказалось, что в моче было всего 6% экскретируемой мочевины, а аммиак преобладал. Напротив, в окружающей воде было гораздо больше мочевины, чем аммиака.

На следующем этапе черепах удерживали на суше, на специальной платформе, и ставили перед ними плошку с водой, куда черепахи могли погружать голову. Кроме того, под хвост ставили такую же плошку для сбора мочи. Анализ воды, в которую черепахи погружали голову, и анализ мочи проводился каждый день в течение 6 дней. Что же получилось? Экскреция мочевины через рот была достоверно выше, чем через клоаку. Напротив, экскреция аммиака через рот и через клоаку оказалась сравнима. Авторы утверждают, что черепахи погружали голову в воду на довольно длительные периоды — от 20 до 100 минут — и в это время они периодически захватывали воду ртом и выплевывали ее. Понятно, что погружение головы в воду на такой длительный период ведет к апноэ, и трионикс должен переходить в этот период к щечно-глоточному дыханию. Поэтому в плошке с водой измеряли концентрацию кислорода. Предполагалось, что когда трионикс выплевывает воду, концентрация кислорода должна снижаться, а концентрация мочевины — повышаться. Именно так и оказалось. На рис. 1 можно увидеть, что увеличение концентрации мочевины в воде происходит именно тогда, когда уменьшается концентрация кислорода.



Рис. 1. Когда трионикс погружает голову в воду, количество кислорода в этой воде падает (см. минимумы на графиках), и немедленно вслед за этим повышается уровень мочевины (измерено по уровню азота и отмечено над графиками стрелками). Измерения проводились на трех черепахах. Объем воды в каждом случае составлял 100 мл. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology

У тех черепах, которым кололи раствор поваренной соли, высокие концентрации мочевины были обнаружены в слюне, но не в плазме крови. Инъекция хлористого аммония не вызвала повышения концентрации мочевины в слюне, но инъекция мочевины привела к сильному повышению ее концентрации в слюне, и незначительному — в плазме крови. О чем это говорит? Это свидетельствует о том, что эпителий щечно-глоточной области способен к активному транспорту мочевины, к такому же, который описан для почечных канальцев. В этом процессе задействованы особые белки — переносчики мочевины (см. Urea transporter, сокращенно UT), которые помогают переносить молекулы мочевины через клеточную мембрану. У млекопитающих эти белки экспрессируются в почках, у других позвоночных — еще и в мочевом пузыре и (для обладателей жабр) в жабрах. Как правило, у каждого вида существует несколько разновидностей этого белка, каждая из которых представлена несколькими изоформами.Следующий этап работы заключался в анализе слюны трионикса. Залезть в рот живой черепахе довольно трудно по причине всем известной агрессивности этих существ. Поэтому животных усыпляли. За три часа до усыпления животным кололи разные вещества: одной группе делали инъекции хлорида аммония (нашатыря), другой — мочевины и третьей — физиологического раствора (0,9% водного раствора хлорида натрия, по-простому — поваренной соли). У анестезированных черепах брали мазки из разных областей ротовой полости — с верхней челюсти ближе к ноздрям, с верхней челюсти ближе к пищеводу и с нижней челюсти. Кроме того, у черепах брали анализ крови.

Авторы предположили, что транспортом мочевины в щечно-глоточном эпителии трионикса также занимается UT-белок. Им удалось выделить этот белок и сравнить его последовательность с последовательностями UT-белков (выделенных в основном из почечной ткани) у других животных. На филогенетическом дереве видно, что по этому белку трионикс ближе всего к красноухой пресноводной черепахе Trachemys scripta elegans; сходство же данного белка трионикса с человеческим и мышиным UT-белком составляет примерно 70% (рис. 2).


Рис. 2. Филогенетическое дерево, иллюстрирующее связь между аминокислотными последовательностями белков-переносчиков мочевины UT у разных животных. У трионикса, (обведенрамкой) белок выделен из эпителия ротовой полости. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology

Ответ на вопрос, какое преимущество такой способ выделения дает, достаточно очевиден, и мы его уже частично обсуждали. Такая система выделения не требует питья большого количества воды, поэтому триониксы приспособились к жизни в солоноватых водоемах и даже встречаются в море. Освоение водных пространств с повышенной соленостью дает возможность получить больше доступа к пищевым ресурсам и снизить конкуренцию в пресноводных водоемах, обильно населенных другими видами водных черепах.Итак, авторы достаточно убедительно продемонстрировали, что трионикс использует столь необычный для высших позвоночных способ выведения мочевины из организма.Наконец, авторы посмотрели уровень экспрессии РНК гена UT в разных тканях трионикса: в разных участках ротовой полости, пищевода, кишечника, почки и мочевого пузыря. Оказалось, что этот ген экспрессировался только в ротовой полости (рис. 3).


Рис. 3. Экспрессия РНК гена белка-переносчика мочевины UT в разных тканях трионикса. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology

Авторы усматривают сходство между щечно-глоточным выделением мочевины у трионикса и способностью некоторых млекопитающих, например летучих мышей или жвачных, секретировать мочевину в слюну. У жвачных мочевина облегчает процесс ферментации в первом отделе желудка, который называется «рубец». Таким образом, выделение мочевины в щечно-глоточной полости — не уникальное приобретение триониксов. Но какова была первичная функция у такого выделения мочевины, остается неясным. Авторы данной статьи считают, что у трионикса его ротовые папиллы исходно работали как органы выделения, а уж потом стали использоваться и для дыхания. Но это гипотеза, и ее еще надо проверять.

Источник: Yuen K. Ip, Ai M. Loong, Serene M. L. Lee, Jasmine L. Y. Ong, Wai P. Wong, Shit F. Chew. The Chinese soft-shelled turtle, Pelodiscus sinensis, excretes urea mainly through the mouth instead of the kidney // Journal of Experimental Biology. 2012. V. 215. P. 3723–3733.

Варвара Веденина

Источник: http://elementy.ru/news/431946