Verdsett det ikke-reduserbare, komplekse designet til lakse osmose regulering
David Coppedge, 11. januar 2023 Oversatt herfra{kursiv og understreket ved oversetter.}

Bilde 1. Stillehavslaks

stillehavs-laksI Illustra Media-dokumentaren Living Waters: Intelligent Design in the Oceans of the Earth, handlet en av historiene produsenten Lad Allen ville fortelle, om en viktig overgang i livet til hver stillehavslaks: ordet for det er osmose-regulering. Det vil si kontrollen av kroppsvæsker og ioner under overgangen fra ferskvann til saltvann og tilbake igjen.
Allens mannskap forsket på dette fascinerende emnet, men i det siste klippet hadde de bare tid til å nevne det kort, og sa: "For å forberede seg til tiden på havet, må disse små ferskvannsfiskene tilpasse biologien sin for å overleve i saltvann, og deretter gå inn i et hav de aldri har sett." Hvordan fungerer det egentlig?
Tre hovedting må skje for at laksen, kalt smolt, skal forberede seg på livet i det salte havet. Først må den begynne å drikke mye vann. For det andre må nyrene redusere urinproduksjonen dramatisk. For det tredje, og svært viktig, må molekylære pumper i gjellenes celler skifte til revers, og pumpe natrium ut i stedet for inn. Alle disse fysiologiske endringene må endres tilbake når den modne fisken kommer inn i ferskvannselven igjen på vei for å gyte. Fisken vil tilbringe noen dager i tidevanns-sonen da disse endringene gjøres automatisk.

Laks og intelligent design
NKA-pumpeFra et designperspektiv er den tredje endringen veldig interessant. Gjellene inneholder spesialiserte pumpeceller kalt kloridceller. Membranene til disse cellene inneholder molekylære maskiner med det klumpete navnet Na+/K+ ATPase. Vi kaller dem for kort NKA. Som navnet tilsier bruker maskinen ATP for å operere på natrium (Na) og kalium (K) ioner. Denne maskinen er viktig i alle dyreceller. Faktisk er de på jobb i hjernen din akkurat nå. Nobelprisen ble tildelt Jens Christian Skou i 1997 for hans oppdagelse av NKA tilbake på 1950-tallet. Wikipedia -lenke, har noen forenklede diagrammer av pumpen.
NKA er avgjørende for en rekke funksjoner. Det hjelper med å kontrollere cellevolumet. Det bidrar til cellesignalering. Og den regulerer cellens 'hvilepotensiale' (eller hvilespenning), dens standard elektriske ladning som modulasjoner indikerer aktivitet fra, for eksempel toppene i nevroner (se denne korte Neurotech-videooversikten -lenke og Wikipedia-diskusjonen om kompleksiteten ved denne operasjonen) . Her er et interessant faktum: de fleste dyreceller bruker en femtedel av energien sin på disse pumpene. Nerveceller, bruker to tredjedeler av energibudsjettet på å drive NKA-pumpene sine, fordi de er avhengige av ioniske ladninger for å overføre signaler.

Bilde 2. NKA-pumpe (eng. Wikipedia)


For alle disse funksjonene må NKA regulere mengden natrium og kalium inne i cellemembranen. Fordi ferskvann har lite natrium, trenger laks gjellecellene sine for å pumpe det inn mens de svømmer nedstrøms. Men når de kommer ut i havet, er natrium altfor rikelig, noe som krever at de pumper det ut. Laksen må også pumpe kloridionene (Cl-) som oppstår fra oppløst havsalt, -ut.
Det hadde vært morsomt i Living Waters å få Illustras talentfulle animatør, Joseph Condeelis, til å produsere nok en animert sekvens som viser hvordan NKA fungerer. Heldigvis er det noen animasjoner på nettet som, selv om de er av dårligere kvalitet, viser denne viktige funksjonen for dyr generelt. Alt dette viser er at tre natriumioner pumpes ut, for to kaliumioner som pumpes inn, begge ioner går mot konsentrasjonsgradienten. Maskinen tilbakestilles automatisk, og bruker én ATP for hver syklus. Som med de fleste molekylære maskiner, er detaljene selvfølgelig mye mer kompliserte.


Hvis du kan tilgi den lamme produksjonen og den kjedelige fortellingen, er en animasjon fra pittbiostudents YouTube-kanal informativ, som viser formen på proteinmaskinen og de detaljerte konformasjonsendringene den gjennomgår under overføring av natrium- og kaliumioner. Du kan bla gjennom den 9 minutter lange videoen etter din smak; virkningsmekanismen begynner på 4:00.

Den grunnleggende operasjonen
Nå som du har den grunnleggende operasjonen i tankene, husk at disse maskinene fungerer ekstremt raskt på en koordinert måte. Hos laks er spesielle kloridceller koblet sammen med tilbehørsceller i "en mosaikk av sammenlåste celleprosesser, bundet sammen av et utvidet, grunt apikalt kryss" (PubMed). Forskere har identifisert to distinkte former for kloridceller i laks, en for ferskvann og en annen for saltvann (Journal of Experimental Biology).


En kort artikkel av E. Toolson ved University of New Mexico -lenke; forklarer hvordan laks regulerer væsker og ioner til tross for radikale endringer i miljøet. Det er et skremmende problem:
-Som nesten alle virveldyr, er laksen en utmerket osmose-regulator. Men som så å si alle osmoregulatorer er laksen aldri i ekte likevekt med omgivelsene. Som du kan se fra rad #1 i den medfølgende tabellen, i havet, bades laksen i en væske som er omtrent tre ganger så konsentrert som dens kroppsvæsker, noe som betyr at den har en tendens til å miste vann til omgivelsene hele tid. Og fordi sammensetningen av kroppsvæskene er så forskjellig fra havvannet, vil laksen bli møtt med alle slags gradienter som driver utvekslinger som kontinuerlig vil ha en tendens til å drive kroppsvæskenes konsentrasjon og sammensetning utover homeostatiske grenser. Spesielt vil den svært høye konsentrasjonen av NaCl i havvannet i forhold til konsentrasjonen i laksens kroppsvæsker (se rad #2 i tabellen ovenfor) resultere i en konstant diffusjon av NaCl inn i laksens kropp. Med mindre den håndteres effektivt, kan denne NaCl-tilstrømningen drepe laksen på kort tid. I sum står en laks i havet overfor de samtidige problemene med dehydrering (omtrent som et landdyr, som deg selv) og saltlasting.
Men hvis ferskvann, er problemet i utgangspunktet reversert. Her bades laksen i et medium som er nesten uten ioner, spesielt NaCl, og mye mer fortynnet enn kroppsvæskene. Derfor er problemene en laks må håndtere i ferskvannsmiljøer salttap og vannbelastning.


Revers-osmoseToolson diskuterer kort hvordan laksen drikker mer vann og konsentrerer urinen når den kommer ut i havet, men bruker deretter sin beste ros på å beskrive NKA-pumpene. Disse molekylære maskinene jobber overtid for å holde fisken "ute av likevekt┬╗ med miljøet, slik at den kan overleve:
-Den siste tilpasningen som vi skal diskutere er en bemerkelsesverdig en som laksen bruker for å håndtere NaCl-fluksene drevet av gradientene mellom laksen og dens omgivelser. I gjelleepitel-cellene har laks et spesielt enzym som hydrolyserer ATP og bruker den frigjorte energien til aktivt å transportere både Na+ og C- mot deres konsentrasjonsgradienter. I havet 'pumper' disse Na+-C-ATPase-molekylene Na+ og C- ut av laksens blod inn i saltvannet som strømmer over gjellene, og fører dermed til at NaCl går tapt til vannet og oppveier den kontinuerlige tilstrømningen av NaCl. I ferskvann 'pumper' de samme Na+-C-ATPase-molekylene Na+ og C- ut av vannet som strømmer over gjellene og inn i laksens blod, og oppveier dermed det kontinuerlige diffusjonsdrevne tapet av NaCl som laksen er utsatt for i ferskvannshabitater med sine forsvinnende lave NaCl-konsentrasjoner.

Bilde 3. Mennesker har, likesom laksen, klart å rense salt fra vann

Et fullstendig regnskap som kommer
For å legge til all den kompleksiteten, må fisken på forhånd ha atferdsinstinktene som hindrer den i å lade ut i havet før kroppen er klar. Gjennom det hele holdes fiskens kroppsvæsker og ionekonsentrasjoner innenfor stramme spesifikasjoner, slik at dens muskler, nerver, sanser og alle andre systemer fungerer som de skal.
Jeg håper denne korte undersøkelsen av osmose-regulering i stillehavslaks øker din forståelse av deres mange designfunksjoner. Legg dette til deres livssyklus, navigasjon og bemerkelsesverdige luktesans. Selv da har et fullstendig regnskap av laksens design bare begynt.


David Coppedge
David CoppedgeDavid Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å ha delt materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte mot ham uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Bilde 4. David Coppedge


Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund