Život bez kyslíku

Většina teplokrevných živočichů – savců a ptáků – se bez molekulárního kyslíku neobejde. Mohou se nanejvýš přizpůsobit řidšímu vzduchu v značných nadmořských výškách a jsou i tací (například kytovci a ploutvonožci), kteří při potápění vystačí až hodinu se zásobou kyslíku v krevních či svalových barvivech a v tuku. Ve skutečnosti si přilepšují biochemickými energetickými procesy, kterých se kyslík neúčastní, podobně jako to dělá člověk při intenzivní svalové práci nebo v nadmořských výškách nad 7 tisíc metrů (viz též Vesmír 83, 386–389, 2004/7). V těchto případech jde o nedostatek kyslíku (hypoxii), na rozdíl od nepřítomnosti kyslíku (anoxie). O chemické anoxii mluvíme při stavu, v němž je některý z významných enzymů dýchacího řetězce zbaven aktivity chemickou látkou, například kyanidem nebo sulfanem (sirovodíkem), a tím je příjem kyslíku zablokován (viz též Vesmír 71, 438, 1992/8).

Život v tůních

V malých vodních tůních, které jsou časté v údolních nivách neregulovaných nebo nedávno regulovaných řek, se na podzim rozkládají vodní rostliny a napadané listí. Mikrobiální rozkladné procesy ve vodě nejen odčerpávají kyslík, ale také redukují sírany na sirovodík a dusičnany na amoniak. Nahromadí se oxid uhličitý. Po zámrzu tůně se rozpouštění atmosférického kyslíku zpomalí nebo zastaví a voda zůstane bez kyslíku někdy i několik měsíců. Vedle řady bezobratlých toto období úspěšně přežívá několik druhů nižších obratlovců, u nás zejména zakrslá forma karase obecného, v Severní Americe některé druhy želv. Poprvé byl tento jev pozorován koncem padesátých let minulého století v lesních tůních u Čelákovic. ¹⁾ Populace karasů představují v tůních skoro jediný druh ryb, dravci období bez kyslíku nepřežijí, a proto jimi karasové nejsou ohrožováni. Vytvářejí velmi husté populace, které pro nedostatek potravy rostou velmi pomalu. Karas v rybníku může ve věku tří až čtyř let dosáhnout až 0,5 kg váhy, kdežto stejně starý tůňkový karas je jen kolem 6 cm dlouhý a váží asi 20 g. Oba jsou přitom pohlavně dospělí, mohou mít a mívají potomstvo.

Američané mezi domácími druhy nenalezli ryby podobné karasům, a proto si pro své výzkumy vybrali vodní želvy, zejména poddruh Chrysemys picta belli. Za posledních padesát let se podařilo řadu věcí objasnit (život a látkovou přeměnu živočichů přežívajících v nepřítomnosti kyslíku studovali v Kanadě, USA, Finsku a Švédsku), ale také vyvstaly nové otázky.

Přežití za nepřítomnosti kyslíku je především energetický problém. Energii nezbytnou pro pohyb, udržování koncentračních gradientů na biologických membránách a syntézu součástí biomasy získávají organizmy v prvé části metabolické dráhy sacharidů – glykolýze. S tím jsou spojeny dva problémy:

• Nízká energetická výkonnost metabolizmu bez přítomnosti kyslíku – na jeden mol glukózové jednotky glykogenu se v metabolizmu nepotřebujícím k životu kyslík vytvoří nejvýše 3 moly adenozintrifosfátu, zatímco v metabolizmu závislém na kyslíku desetkrát více – kolem 34 molů.
• Tvorba redukované dehydrogenázy NADH, která se musí znovu oxidovat, aby látková přeměna mohla pokračovat. Při nedostatku kyslíku je v našich orgánech pyruvát (sloužící k přeměně na energii) redukován na kyselinu mléčnou. To není u ryb dlouhodobě možné, je to totiž poměrně silná kyselina a její nahromadění v tkáních by v organizmu rozvrátilo systémy udržující rovnováhu mezi kyselými a zásaditými látkami (pH by neúnosně kleslo). Jenom želvy dovedou neutralizovat kyselinu mléčnou, protože mají obrovské zásoby uhličitanu vápenatého v kostře a krunýři.

Ryby jsou na tom hůř než želvy

Ryby – vzhledem k tenké kostřičce – žádné pořádné zásoby uhličitanu vápenatého nemají, a proto jejich organizmus volí jednu ze dvou cest:

• Vytvoří produkt, někdy i toxický, který mohou z těla vyloučit, ovšem za cenu energetické ztráty. Bylo již prokázáno, že karasové v nepřítomnosti kyslíku produkují do okolní vody etanol.
• Nahromadí v tkáních produkt, který mohou ukládat ve vysokých koncentracích po dlouhou dobu, a teprve po obnovené dostupnosti kyslíku jej využijí v látkové přeměně.

Nadějným adeptem druhé cesty jsou lipidy, zejména mastné kyseliny s delším řetězcem, popřípadě jejich glyceridy. Čtenář znalý dietetických tabulek namítne: „Vždyť tuky mají vyšší energetickou hodnotu než sacharidy!“ To je sice pravda, ale z metabolických a biochemických úvah vyplývá, že k vytvoření jednoho gramu tuku je třeba 2,8 gramu cukru. V tomto procesu je totiž vydechován oxid uhličitý a celý je spojen s uvolněním energie. Při nízkých teplotách (nanejvýš 5 °C) produkuje karas v nepřítomnosti kyslíku za hodinu nanejvýš 20 mikrolitrů (tisícin krychlového milimetru – tedy necelý jeden mikromol) oxidu uhličitého na gram živé váhy.

Mastné kyseliny jsou v organizmech syntetizovány postupným napojováním dvouuhlíkatých jednotek třemi drahami: v cytoplazmě v endoplazmatickém retikulu a v mitochondriích. V prvých dvou drahách dochází ke karboxylaci (zpracování uhlíkatých jednotek), která vyžaduje energii ve formě adenozintrifosfátu. Za nepřítomnosti kyslíku je ale taková spotřeba energie krajně nežádoucí – mělo by se co nejvíc šetřit. Pouze třetí dráha, označovaná jako mitochondriální prodlužování mastných kyselin, nevyžaduje přidání adenozintrifosfátu, a tedy by mohla být funkční i při jeho snížené produkci za nepřítomnosti kyslíku. Alespoň část této dráhy byla již prokázána v mitochondriích úhořů žijících v bezkyslíkatém prostředí a také u karasů. ²⁾ Výhodou mitochondriálního prodlužování je, že koncovým produktem není etanol odcházející z těla ven, tudíž se cenná uhlíkatá živina neztrácí vyloučením do vody. To je významné zejména u populací limitovaných množstvím potravy, jako jsou karasi v malých tůních.

Spotřeba kyslíku

Nápadný je rozdíl mezi tím, jak karas snáší nepřítomnost kyslíku při nízkých teplotách (pod 5 °C) a při teplotách vyšších (nad 10 °C). Při nízkých teplotách vydrží podstatně déle. Stejnou tendenci za nedostatku kyslíku jeví produkce oxidu uhličitého (obrázek tab. I), která je asi nejuniverzálnější mírou metabolizmu bez kyslíku. Aerobní („dostatková“) spotřeba kyslíku má teplotní závislost daleko strmější. K hlubšímu poznání těchto jevů je však třeba podrobnější proměření, a hlavně odhalení mechanizmu rozdílu v teplotní závislosti mezi dostatkovým a nedostatkovým metabolizmem.

Čím se při nedostatku kyslíku šetří?

Je zřejmé, že v nepřítomnosti kyslíku drasticky klesne jak produkce využitelné energie, tak její spotřeba. Zpomalí se obrat bílkovin. Ať bílkovinné molekuly fungují jako enzymy nebo jsou součástí buněčných struktur, nevydrží v organizmu dlouho. Jakmile se opotřebují, jsou odbourány a nahrazeny. Proces obnovy bílkovin je ale energeticky náročný a zpomalením tohoto procesu lze značnou část energie ušetřit.

Mírou rozkladu bílkovin k získání energie je vylučování dusíkatých produktů metabolizmu. U karasů je produktem bezkyslíkového metabolizmu dusíku amoniak, přesněji amonné ionty. Za dostatku kyslíku vylučují ryby přebytečný či nepotřebný dusík většinou jako amoniak a močovinu. Vodní organizmy obsahují vysoký podíl bílkovin a podstatnou část (více než polovinu) energie získávají rozkladem bílkovin. Nepřítomnost kyslíku a klesající teplota způsobují pokles produkce amoniaku. Podle publikovaných dat by měl rozklad dusíkatých látek i v nepřítomnosti kyslíku představovat podstatnou část energetického metabolizmu. Lenka Edrová v naší laboratoři však zjistila u ryb, které byly na nepřítomnost kyslíku zvyklé, že rozklad dusíkatých látek představuje jen desetinu energetického metabolizmu. To odpovídá spíše představě o odstraňování poškozených bílkovin a o malém energetickém významu tohoto rozpadu. V nepřítomnosti kyslíku jsou vylučovány prakticky jen amonné ionty, vylučování močoviny (jejíž syntéza je energeticky náročná) není měřitelné.

Druhou cestou k uspoření energie v nepřítomnosti kyslíku je snížení buněčných potenciálů a uzavření iontových kanálů. Iontové kanály a iontové pumpy jsou bílkoviny v biologických membránách, které udržují koncentrační rozdíly mezi buňkou a okolím i mezi vnitřkem buňky a vnitřkem buněčných organel. Pro svou činnost potřebují energii ve formě adenozintrifosfátu a snížením jejich aktivity lze dosáhnout dalších energetických úspor. Důsledkem je například pomalejší vedení nervových vzruchů a snížení jejich frekvence. Zároveň poklesne asi na pětinu frekvence srdečních stahů.

Poměrně dobře prozkoumaným mechanizmem je pootevření draslíkových kanálů (viz Vesmír 75, 65, 1996/2), které reagují na pokles poměru adenozintrifosfátu ku adenzindifosfátu (vzniklému odštěpením jedné fosfátové skupiny „v době nouze“) tím, že se otevřou a rovněž se sníží potenciál na membráně. Tyto kanály nacházíme v membráně buněk srdečního svalu, ale bývají také v mitochondriích a hladké střevní svalovině. Jejich pootevřením v srdci se zkrátí srdeční akční potenciál, a tím se zpomalí tok krve a uspoří energie. Zkoumají se reakce těchto kanálů na nepřítomnost kyslíku u ryb adaptovaných i u ryb neadaptovaných na nedostatek kyslíku a porovnávají se s obdobnými reakcemi srdcí teplokrevných živočichů, která jsou na nepřítomnost kyslíku velmi citlivá. Toto studium by mělo přispět k hlubšímu poznání mechanizmů infarktů a jejich fatálních důsledků.

Dostupná data ukazují, že mezi adaptacemi na nízkou teplotu a na nepřítomnost kyslíku je těsný vztah. Během chladové adaptace se mění složení bílkovin v srdci, podíl aktivních bílkovin svalových vláken klesá a vzrůstá množství mimobuněčné elastické bílkoviny, což umožňuje lépe využít pružnost srdečních stěn pro plnění srdce krví při nižší tepové frekvenci, a tím opět uspořit energii.

Tajemství dlouhodobé odolnosti

Publikované údaje svědčí o velké proměnlivosti (mezidruhové i vnitrodruhové) mechanizmů sloužících k přizpůsobení na nepřítomnost kyslíku. Jedním z problémů většiny prací je přehlížení adaptační historie. Řada prací byla vykonána na akvarijních zlatých karasech, autoři ani neuvádějí, kterou formu „gold fish“ zkoumali (mohlo jít i o volně žijícího karase zlatého či karase stříbřitého). Jako zdroj pokusného materiálu bývá bohužel často uváděna blízká akvaristická prodejna. Sezonní proměnlivost odolnosti vůči nedostatku kyslíku je spojena se změnami v aktivitě enzymů. O řídícím adaptačním mechanizmu se zatím můžeme jen dohadovat. Smyslové orgány by měly nedostatek kyslíku signalizovat, lze si ale představit řadu adaptací, které jsou řízeny zpětnovazebními enzymatickými mechanizmy bez účasti centrální nervové soustavy.

Spotřeba energie v nepřítomnosti kyslíku je u nižších obratlovců menší než za situace, kdy je kyslíku dost. To naznačuje možnost úsporného přezimování, které lze předpokládat například u skokanů. Je třeba zmínit také patologické stavy, jež jsou spojeny s chronickým nedostatkem kyslíku a hromadí se při nich lipidy v játrech i v srdci. Tajemství dlouhodobé odolnosti vůči nedostatku kyslíku spočívá v omezení nároků na energii. Zároveň s tím klesá produkce adenozintrifosfátu, a proto jeho koncentrace zůstává i v dlouhodobé nepřítomnosti kyslíku na normální úrovni. To je prakticky opak Pasteurova efektu, jenž působí například u kvasinek – tam naopak v nedostatku či nepřítomnosti kyslíku vzrůstá spotřeba glukózy, a tím se alespoň částečně vyrovnává snížená produkce energie.

V důsledku tohoto bádání máme mimo jiné jasnější představu o využívání energie za plné dostupnosti kyslíku. Většina se jí spotřebuje na obnovu bílkovin a jen o něco méně k udržení koncentračních rozdílů na biologických membránách. U teplokrevných živočichů k tomu přistupuje ještě udržování stálé teploty.