Под большим давлением: как обитатели глубин приспособились жить в холоде и кромешной тьме

Океанские глубины — одно из самых негостеприимных мест на Земле, однако там обитает немало удивительных существ. О том, как им удалось приспособиться к экстремальной среде и какую пользу науке приносит изучение глубоководных рыб, Vokrugsveta.ru рассказала руководитель биологического департамента, заместитель генерального директора Центра океанографии и морской биологии «Москвариум» Ирина Мейнцер.

Суровые условия

На больших глубинах царят условия, непригодные для большинства организмов. Давление растет на одну атмосферу на каждые десять метров глубины — уже на глубине в километр оно в сотню раз выше, чем на поверхности. Свет исчезает на рубеже примерно в 200 метров, оставляя подводных обитателей в вечной ночи. Температура воды здесь почти не меняется круглый год — около +4 °C, а пища поступает медленно и нерегулярно.

И все же здесь обитают тысячи видов организмов — от глубоководных креветок и гигантских изопод до знаменитых рыб-удильщиков и рыб-капель. Геном этих существ хранит инструкции, которые позволяют им функционировать там, где другие организмы погибли бы почти мгновенно. Многие из них еще даже не обнаружены: по оценкам ученых, значительная часть глубоководной фауны остается неизученной.

Основой питания большинства служит органический детрит — мельчайшие частицы остатков растений и животных, медленно опускающиеся на дно из верхних слоев водной толщи.

Впрочем, вблизи гидротермальных источников царит совсем иная обстановка: из трещин в морском дне бьют горячие струи, насыщенные химическими соединениями. Здесь жизнь кипит благодаря бактериям-хемосинтетикам, которые превращают энергию химических реакций в питательные вещества, создавая основу для целых сообществ, не зависящих от солнечного света.

Гибкость — основа выживания

В условиях высокого давления, холода и темноты организмам приходится экономить каждую крупицу энергии и защищать себя от механических повреждений. Кости у большинства глубоководных рыб мягкие и эластичные, часто хрящевые, с минимальным содержанием кальция. Это делает их гибкими и устойчивыми к сжатию. К сниженной минерализации костей привела утрата генов bglap, tmem251 и tmem263.

Многие ткани в теле этих рыб содержат до 95% воды, что повышает плавучесть и снижает затраты энергии на передвижение. Плавательные пузыри либо полностью отсутствуют, либо наполнены жиром или имеют желеобразные стенки.

Также для глубоководных рыб характерен замедленный метаболизм: низкие темпы роста, движения и репродукции помогают экономить энергию при дефиците питания и кислорода. Ключевым элементом в накоплении жировых запасов, необходимых в условиях дефицита пищи является ген cpt1.

Свои особенности строения есть и у элементарных единиц, из которых состоят эти организмы. Их клеточные мембраны содержат повышенное количество ненасыщенных жирных кислот, благодаря чему остаются подвижными даже в ледяной воде. Внутри клеток накапливаются осмолиты — молекулы, стабилизирующие белки, чтобы те не теряли форму при давлении в сотни атмосфер.

За повышенную способность синтезировать ненасыщенные жирные кислоты отвечает расширенный ген acaa1, а за стабилизацию белков — дублирование гена vbp1, участвующего в их сворачивании.

Свет как универсальный инструмент

Ни один солнечный луч не проникает на глубину свыше 200 метров, поэтому зрение у обитателей бездны устроено иначе. У многих видов глаза огромные, бочкообразные — чтобы улавливать каждую доступную частицу света. Цветного зрения у глубоководных существ нет, работают только палочковые фоторецепторы, чувствительные к слабому освещению.

У многих видов сохранен ген rh1, отвечающий за монохроматическое зрение. Это значит, что их глаза чувствительны к одному диапазону длин волн — преимущественно к синему свету, который проникает в воду глубже остальных.

Но многие обитатели глубин пошли дальше и освоили биолюминесценцию — сами научились излучать свет. Этот универсальный инструмент выживания помогает добывать пищу, привлекая ее свечением и служит языком общения, когда рыбы передают друг другу короткие световые сигналы.

Иногда свет становится маскировкой: светящиеся анчоусы подсвечивают брюшко так, чтобы их силуэт исчезал на фоне поверхности. А порой биолюминесценция превращается в оружие: ослепительная вспышка способна отпугнуть даже самого настойчивого хищника.

Рекордсмены глубин

Среди глубоководных существ есть свои рекордсмены. Каждый из них — пример уникальной адаптации. Так, удильщик Джонсона обитает на глубине до 4000 метров, где давление достигает примерно 400 атмосфер. Скелет этой рыбы почти полностью состоит из хрящей, что делает его гибким и устойчивым к сжатию. Череп содержит не срощенные участки, а зрение развито минимально — в такой темноте оно почти бесполезно.

Для ориентации в пространстве удильщик использует боковую линию — сложную сенсорную систему, способную уловить малейшие колебания воды. Его «удочка» с биолюминесцентным «фонариком» помогает удильщику охотиться: свет привлекает добычу, которая подплывает достаточно близко, чтобы стать обедом.

Еще глубже, почти на 11 километрах, обитает амфипод вида Hirondellea gigas — небольшое ракообразное, которое приспособилось к самым экстремальным условиям на планете. Его хитиновый панцирь покрыт слоем алюминиевого геля, что не только укрепляет экзоскелет, но и защищает его от износа при контакте с абразивным дном.

Бесценный вклад в науку

Изучение глубоководных рыб имеет большое значение для медицины. Особое внимание уделяется триметиламиноксиду (TMAO) — одному из осмолитов, который помогает клеткам рыб сохранять правильную форму и обеспечивает нормальную работу белков и мембран под высоким давлением.

Понимание роли TMAO способствует изучению заболеваний, связанных с неправильным сворачиванием белков, таких, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и системные амилоидозы. Кроме того, исследование метаболизма TMAO у глубоководных рыб помогает понять его влияние на развитие сердечно-сосудистых заболеваний у человека.

Исследование текучести мембран глубоководных организмов и их состава, богатого жирами и жироподобными веществами, также помогает понять фундаментальные принципы мембранной биологии, нарушение которых становится причиной некоторых патологий.