Тюлени научились контролировать уровень кислорода в крови, чтобы не утонуть

У наземных млекопитающих, включая человека, ключевым триггером для возобновления дыхания служит повышение уровня углекислого газа в крови. Специальные хеморецепторы — каротидные тельца, расположенные в сонных артериях — реагируют на рост CO₂, вызывая ощущение удушья и паники.

Этот механизм защищает организм от гиперкапнии (избыток CO₂), но не спасает от гипоксии (нехватка кислорода). Например, у ныряльщиков-фридайверов гипервентиляция перед погружением снижает уровень CO₂, что позволяет задержать дыхание дольше, но повышает риск потери сознания из-за кислородного голодания.

Для морских млекопитающих, таких как тюлени, киты и дельфины, длительные погружения — часть повседневной жизни. Серые тюлени, например, могут оставаться под водой до 30 минут, опускаясь на глубину более 100 метров. До сих пор считалось, что они, как и другие млекопитающие, полагаются на чувствительность к CO₂. Однако это создавало парадокс: во время погружений CO₂ накапливается в крови постепенно, тогда как кислород расходуется быстро. Если бы тюлени реагировали только на CO₂, они не успевали бы вовремя всплыть, рискуя утонуть.

Ученые также обращали внимание на анатомические особенности тюленей. Их каротидные тельца содержат в три-пять раз больше чувствительных клеток типа I, чем у наземных животных. Эти клетки реагируют на гипоксию, но ранее считалось, что их роль ограничивается рефлекторными реакциями, такими как замедление сердцебиения. Новые данные, опубликованные в журнале Science, показали, что сигналы от этих рецепторов могут достигать высших отделов мозга, влияя на сознательные решения.

Во время экспериментов зоологи поместили шесть диких серых тюленей в бассейн в искусственную среду для погружений. Животные свободно плавали между дыхательной камерой и кормовой станцией, преодолевая 60 метров под водой. В камере исследователи меняли состав воздуха: повышали кислород до 50%, снижали до 11% или увеличивали концентрацию углекислого газа в 200 раз. Каждое погружение фиксировали на видео, а кровь животных анализировали по завершении испытаний.

При вдыхании воздуха с 50% кислорода тюлени оставались под водой в среднем 260 секунд — на 6% дольше, чем в стандартных условиях. Когда уровень кислорода снижали до 11%, время погружения сокращалось на 10%, до 219 секунд. При этом даже экстремально высокая концентрация CO₂ не влияла на длительность ныряния. Она составляла 229 секунд — разница с контрольной группой оказалась статистически незначимой.

Анализ крови подтвердил, что pH и уровень углекислого газа не коррелировали с изменениями в поведении. Например, после испытаний при повышенном уровне углекислого газа pH крови снизился на 0,1 единицы, но это не заставило тюленей сократить время под водой. Зато при дефиците кислорода животные начинали всплывать раньше, даже если CO₂ оставался в норме.

В итоге ученые выяснили, что сигналы о концентрации кислорода поступают в мозг через увеличенные каротидные тельца. Это позволяет животным не только рефлекторно замедлять сердцебиение во время погружений, но и осознанно регулировать длительность ныряния, избегая гипоксии.

Открытие меняет понимание эволюции морских млекопитающих. Способность напрямую отслеживать кислород, а не полагаться на CO₂, вероятно, стала критической адаптацией, позволившей тюленям, китам и другим видам колонизировать глубины океана. Это объясняет, почему даже при экстремальных нагрузках — например, при многократных погружениях за добычей — они избегают фатальной гипоксии.

Ученые планируют выяснить, насколько этот механизм распространен у других ныряющих животных. Предварительные данные по моржам и каланам показали сходные паттерны поведения, что указывает на конвергентную эволюцию.

Кроме того, исследование может помочь в разработке методов профилактики гипоксии у людей — например, у пилотов истребителей или пациентов с дыхательными нарушениями.