Исследователи из Университета Пенсильвании обнаружили, что тихоокеанская рыба-гардемарин может непрерывно мычать до часа, чтобы привлечь потенциальных партнеров. Исследование, опубликованное на обложке журнала Journal of General Physiology за январь 2018 года, объясняет, как мышечные волокна, окружающие плавательный пузырь рыб, могут сокращаться с высокой скоростью - до 100 раз в секунду, - которые необходимы для производства характерный зов животного.
В темных и облачных водах океана может быть трудно найти себе пару, поэтому самцы некоторых видов рыб развили способность издавать громкие крики, которые могут привлечь потенциальных самок в свое гнездо. Эти брачные крики генерируются сверхбыстрыми мышечными волокнами, которые окружают плавательный пузырь рыб и подвергаются быстрым циклам сокращения и расслабления, чтобы заставить эти наполненные газом органы вибрировать.
Самцы атлантической жабы, например, сокращают и расслабляют мышцы плавательного пузыря до 100-200 раз в секунду, издавая короткие повторяющиеся крики «лодочный свисток», перемежающиеся относительно длительными периодами молчания. Самцы тихоокеанского гардемарина (Porichthys notatus) типа I еще более примечательны, издавая непрерывный брачный гул в течение часа). Таким образом, при скорости 100 сокращений и расслаблений в секунду мышца плавательного пузыря гардемарина может сокращаться до 360 000 раз в течение часового вызова. «Мышца плавательного пузыря гардемарина производит больше сокращений в час, чем любая другая известная мышца позвоночных, - объясняет Лоуренс С. Рим, профессор биологии Пенсильванского университета.
Мышечные сокращения вызываются ионами кальция, которые высвобождаются из мест внутриклеточного хранения в цитоплазму мышечных волокон в ответ на нервные импульсы. Как правило, эти ионы кальция затем перекачиваются обратно в хранилище, позволяя мышце расслабиться до того, как она получит какие-либо дальнейшие нервные импульсы, но мышцы плавательного пузыря рыб сокращаются слишком быстро, чтобы эта фаза накачки завершилась до начала следующего сокращения.
Атлантическая рыба-жаба частично решает эту проблему, вырабатывая большое количество белка, называемого парвальбумином, который может вымывать избыток кальция из мышечной цитоплазмы. Затем эти ионы кальция можно медленно закачивать обратно в хранилище во время периодов молчания, которыми перемежаются крики рыбы-жабы.
Тихоокеанский мичман не вырабатывает столько парвальбумина, а даже если бы и вырабатывал, непрерывный зов рыбы вскоре превзошел бы способность белка связывать кальций. «Тогда остается вопрос: как мичман справляется со своим кальцием во время своих непрерывных вызовов?» - спрашивает Рим.
Поэтому Рим и его коллеги измерили количество кальция, высвобождаемого и перекачиваемого мышцами плавательного пузыря гардемаринов, когда они многократно сокращаются и расслабляются. Исследователи обнаружили, что, как и у атлантической жабы, мышцы гардемарина сокращаются только один раз за нервный импульс. Это контрастирует с наиболее экстремальным случаем повторяющихся мышечных движений в природе, с высокочастотными летательными мышцами пчел и других насекомых, которые многократно сокращаются в ответ на один импульс..
Важно, однако, что мышцы гардемарина выделяют примерно в восемь раз меньше кальция, чем мышцы жабы, в ответ на одиночные нервные импульсы. Таким образом, чтобы выдержать часовой брачный зов, мышца гардемарина высвобождает, а затем перекачивает только в два раза больше кальция, чем рыба-жаба использует для прерывистого крика за тот же период времени..
«Небольшое количество кальция, высвобождаемого при каждом стимуле, является ключевым элементом, который позволяет кальциевым насосам в мышцах плавательного пузыря гардемарина работать в течение длительных периодов высокочастотной стимуляции», - объясняет Рим. Более того, поскольку накачка кальция требует энергии, низкие уровни высвобождения кальция также снижают метаболические потребности в непрерывном часовом брачном призыве.
Рим и его коллеги также обнаружили, что в среднем белки, которые выкачивают кальций из цитоплазмы в хранилище, работают быстрее в мышцах гардемарина, чем их эквиваленты в жабах. «Сочетание быстрой перекачки кальция и небольшого выделения кальция позволяет гардемарину поддерживать правильный баланс ионов кальция во время продолжительного брачного зова», - говорит Рим. Однако, добавляет он, еще предстоит выяснить, как такой низкий уровень кальция заставляет мышцу плавательного пузыря сокращаться с достаточной силой, чтобы издавать характерный гул гардемарина.