Mořské ryby mají se slanou vodou jen samé problémy. Narozdíl do sladkovodních musejí pít, vodu neustále zbavovat solí a pak ještě mají starosti s rozdílnými vlastnostmi vlastních tělních tekutin a okolního prostředí. Nejnovější výzkumy ukazují, jak se s tím dokáží vyrovnat.
Všichni strunatci potřebují pro hladký chod svých metabolických funkcí, aby se obsah soli (NaCl) v jejich tělních tekutinách pohyboval kolem 0,8 %. Proto se ze všech sil snaží takové koncentrace dosáhnout. Někdy stačí obyčejná pasivní difúze (pohyb částic) vody přes buněčnou membránu, jindy se do procesu musí zapojit aktivní mechanismy vyžadující zásobování energií z buněčných elektráren. Nejvíce úsilí na hospodaření s vodou vynakládají mořští živočichové. Žijí totiž v prostředí, které obsahuje téměř čtyřikrát více soli (přibližně 3 %) než jejich vlastní tělo. Zatímco tedy sladkovodní ryby nikdy nepijí, prostě nechávají vodu „vsakovat“ celým povrchem těla, mořské ryby pijí v podstatě neustále a vodu musejí odsolovat. Nadbytečnou sůl pak vylučují žábrami.
Problémy se studenou vodou
Pro živočichy z teplejších oblastí tímto krokem problémy s příliš slanou vodou končí. Nicméně i vody, kde teplota klesá pod 0 oC jsou plné života. Teplokrevní živočichové (např. kytovci nebo tuleni) si s bodem mrazu nemusejí dělat hlavu. Jejich těla si udržují teplotu nad 30 oC i za těch nejtužších mrazů, a tak jim tuhnutí vody v tkáních opravdu nehrozí. Ryby už to však mají horší.
Voda s obsahem soli kolem 3 % mrzne v důsledku změn v chemických vazbách až při – 1,9 oC. Sladká voda (nebo voda s menším obsahem NaCl) však tuhne již při hodnotách kolem 0 oC. Stunedokrevní živočichové, jako jsou například ryby, se tedy musejí vypořádat s nepříjemným problémem. Teplota jejich těla vlivem velmi chladného okolního prostředí klesá pod hranici, kdy jsou tělní tekutiny schopny existovat v kapalném stavu. Teoreticky by tedy měly začít mrznout, v jejich tkáních by se měly tvořit drobné krystalky s ostrými hranami a doslova trhat buněčné membrány na kusy. Nic takového se však kupodivu neděje. Teplota některých platýzů může dokonce klesnout až pod -2 oC, a ještě stále se nemusejí obávat, že by se z nich stal kus ledu.
Jak nezmrznout?
Člověk si při výrobě nemrznoucí tekutiny do chladičů automobilů může dovolit přidávat různé příměsi, které mění fyzikální vlastnosti vody. Fridex nikdo nepodezírá z toho, že by se měl pít či předepisovat k jinému druhu vnitřního použití. Pokud se však živočichové nechtějí otrávit, musejí k vytvoření vlastní nemrznoucí vody přistupovat s mnohem větší opatrností. Všechny fyzikální a chemické vlastnosti jejich tekutin musejí být zachovány a tvorbu krystalů lze tak kontrolovat jen velmi omezenými prostředky.
Ryby žijící ve velmi chladných oblastech se s tím dokáží vypořádat s patřičnou mazaností. Ledové krystalky klidně tvořit nechávají, ale dělají z nich neškodné hračky. Produkují totiž bílkovinu, jež krystaly obaluje a zabraňuje tak narušování tkání a zároveň narůstání a slučování krystalků do větších celků, které by mohly způsobit ztuhnutí celé tkáně v kus ledu.
O existenci této bílkoviny již fyziologové vědí několik desetiletí, nicméně její účinek musel doprovázet nějaký další efekt, kterému stále nemohli přijít na kloub. Při pokusech v laboratoři se totiž přišlo na to, že ochranné bílkovině nezačnou tvořící se krystalky přerůstat přes hlavu jen v teplotách nad –1,5 oC. Jak však již bylo řečeno, platýzům nevadí ani teploty pod –2 oC.
Padesátkrát účinnější než ostatní
Půlstupňová nesrovnalost vrtala vědcům v hlavách až do roku 2004, kdy konečně přišli na další látku, kterou několik let přehlíželi. A to i přesto, že ji měli neustále na dosah. Jejich pozornosti tak dlouho unikala hned z několika důvodů. Pro svou nestabilitu nedokázala ve vzorcích krve vydržet dostatečně dlouho, aby ji stihli při laboratorních testech nalézt. Ke ztížení jejího objevení pak přispěl i fakt, že je padesátkrát účinnější než ostatní antimrznoucí bílkoviny. Proto se také v rybí krvi vyskytuje v mnohem menší koncentraci, než s jakou fyziologové při jejím hledání počítali.
Vzhledem ke svým vlastnostem se nová bílkovina stala středem zájmu genetiků. Pokud by se totiž podařilo zvýšit její stabilitu, mohla by sloužit jako prostředek k ochraně veškerých buněk při zamrazování k dlouhodobému skladování (např. odběr pohlavních buněk či embryí v raných stádiích vývoje nebo buňky kostní dřeně). Další výzvou je nepochybně možnost vnést gen pro tento protein rybám, jejichž chov byl doposud omezen na teplejší oblasti. Rozšířit pole působnosti za polární kruh by tak mohli například chovatelé lososů.
Překvapivý objev
Také otázka, kde se vlastně ochranné bílkoviny vyrábějí, nebyla vědcům dlouho jasná. Celých 35 let se předpokládalo, že je ryby produkují v játrech, chemické laboratoři celého těla. Letos v létě ale bioložka Chi-Hing Christina C. Cheng Illionoiské univerzity /USA) prokázala, že s rybím fridexem nemají játra téměř nic společného. Testy založené na radioaktivním značení bílkoviny neprokázaly v játrech téměř nic. Zkoušení aktivity ribonukleových kyselin, fungujících jako převaděče informací zapsaných v DNA na skutečné bílkoviny, v nich neprokázaly nic víc, než velmi slabou produkci ochranných proteinů. Jenže takto nízká koncentrace neodpovídala tomu, jaká záplava se jich běžně v rybí krvi vyskytuje. Nezbylo tedy nic jiného, že pátrat po jiném zdroji.
Nakonec se ukázalo, že hlavním producentem je slinivka břišní (pankreas). Bílkoviny vylučuje přímo do střeva, kde zabraňují mrznutí přijímané potravy a již částečně odsolené vody, která tu má zhruba poloviční koncentraci NaCl než okolní moře a začíná proto mrznout již při –1 oC. Teprve ze střeva se ochranný protein vstřebává do krevního řečiště a může tak chránit všechny části těla.
Objev z Illioniské univerzity je prvním krokem pro umělou přípravu těchto bílkovin v laboratoři (např. za pomoci tkáňových kultur pankreatu) a jejich dalšího využití při mražení živých buněk a tkání.
Jak ochránit spermie
S rozvojem biotechnologií se vědci stále častěji setkávají s nutností mrazit různé živé buňky pro dlouhodobé uskladnění. Samotný proces zamrazování je však nebezpečným zabijákem. Vznikají při něm krystalky ledu s ostrými hranami, které narušují buněčné membrány. Tento fakt je také pro některé lidi hlavní překážkou pro to, aby se nechali v případě klinické smrti strčit do mrazícího boxu a přečkat v něm až do doby, kdy medicína dokáže jejich choroby léčit.
Existují však obory, kde se zamrazování živých buněk již běžně provádí několik desetiletí. Patří k nim zejména metody asistované reprodukce, a to jak v humánní medicíně, tak například v chovu hospodářských zvířat. Při využití zmrazeného spermatu příliš nevadí, že několik procent buněk konzervační zásah nepřežije, zatímco v lidském mozku by podobný výpadek znamenal nenapravitelné škody.
Pokud však má zamrazování přežít dostatečné množství spermií v odpovídající kvalitě, musejí se nejprve „naložit“ do speciálního roztoku, který zamezuje tvorbě krystalů a nechává vodu ztuhnout v amorfní kus ledu. Většinou se využívají látky jako etylenglykol a dimetylsulfoxid. Ty na jedné straně zvyšují koncentraci iontů v okolním roztoku, na což buňky reagují zbavováním se vody, aby vzniklý koncentrační spád vyrovnaly. Díky takovému „vysoušení“ se pak při zmrznutí nemusejí obávat, že by se do nich zmrzlá cytoplasma nevešla a potrhala jejich membránu. Na druhé straně část těchto látek vniká do buňky, kde změnou vlastností tekutiny přímo zabraňuje tvorbě nebezpečných krystalů.
