В темных и мутных водах океана может быть сложно найти себе пару, поэтому самцы нескольких видов рыб развили способность издавать громкие крики, которые могут привлечь потенциальных партнеров-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, чтобы издавать короткие повторяющиеся звуки «лодочного свистка», перемежающиеся с относительно долгими периодами молчания. Самцы тихоокеанского гардемарина I типа (Porichthys notatus) еще более примечательны, производя непрерывный брачный гул в течение часа).
Таким образом, со скоростью 100 сокращений и расслаблений в секунду мышца плавательного пузыря гардемарина может сокращаться до 360000 раз в течение часа. «Мичман плавательного пузыря производит больше сокращений в час, чем любая другая известная мышца позвоночных, – объясняет Лоуренс С. Рим, профессор биологии Пенсильванского университета.
Мышечные сокращения запускаются ионами кальция, которые высвобождаются из внутриклеточных хранилищ в цитоплазму мышечных волокон в ответ на нервные импульсы. Как правило, эти ионы кальция затем закачиваются обратно в хранилище, позволяя мышце расслабиться до того, как она получит какие-либо дополнительные нервные импульсы, но мышцы плавательного пузыря рыб сокращаются слишком быстро, чтобы эта фаза накачки была завершена до начала следующего сокращения.
Атлантическая жаба частично решает эту проблему за счет выработки большого количества белка, называемого парвальбумин, который может убирать избыток кальция из цитоплазмы мышц. Эти ионы кальция затем могут быть медленно закачаны обратно в хранилище во время периодов молчания, которые перемежаются с криками жабы.
Однако тихоокеанский гардемарин не производит столько парвальбумина, и даже если бы это было так, непрерывный крик рыбы вскоре превысил бы способность белка связывать кальций. "Тогда остается вопрос: как гардемарин управляет своим кальцием во время его непрерывных звонков?"?"Рим спрашивает.
Поэтому Рим и его коллеги измерили количество кальция, выделяемого и накачиваемого мышцами плавательного пузыря гардемарина, 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 в природе случаем повторяющихся действий мышц, высокочастотными мышцами полета пчел и других насекомых, которые многократно сокращаются в ответ на один импульс.
Однако важно, 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, мичман высвобождает, а затем перекачивает только в два раза больше кальция, чем жаба использует для периодических криков в течение того же периода времени.
«Небольшое количество кальция, высвобождаемое за один стимул, является ключевым элементом, позволяющим кальциевым насосам в мышце плавательного пузыря гардемарина не отставать в течение длительных периодов высокочастотной стимуляции», – объясняет Рим. Более того, поскольку перекачивание кальция требует энергии, низкие уровни высвобождения кальция также снижают метаболические требования, необходимые для непрерывного, продолжающегося час, спаривания.
Рим и его коллеги также обнаружили, что в среднем белки, которые перекачивают кальций из цитоплазмы в запасы, действуют в мышцах гардемарина быстрее, чем их эквиваленты в мичмане. «Комбинация быстрой перекачки кальция и небольшого высвобождения кальция позволяет гардемарину поддерживать правильный баланс ионов кальция во время длительного спаривания», – говорит Рим. Однако, добавляет он, еще предстоит увидеть, как такой низкий уровень кальция заставляет мышцу плавательного пузыря сокращаться с достаточной силой, чтобы генерировать характерный гул у гардемарина.