Dit visje kan zonder zuurstof en maakt alcohol

Of je nu een marathonloper, wielrenner of bergbeklimmer bent, sta even stil bij het bestaan van deze vis. Hij ziet er misschien iets wat schrieltjes uit, maar dit kleine schepseltje uit de Death Valley in Californië zorgt er voor dat wij ons begrip over de fysiologie moeten herschrijven. Dit visje bewijst namelijk dat het voor dieren mogelijk is om aanzienlijke tijd zonder zuurstof te kunnen leven.

Het verbazingwekkende vermogen van de vis is de ontdekking van Frank van Breukelen en Stanley Hillyard van de Universiteit van Nevada in Las Vegas. Samen hebben zij jaren lang de slechts twee centimeter grote Cyprinodon macularius bestudeerd, die ik vanaf nu vanwege zowel het gemak als de schattigheidsfactor bij zijn Engelse naam noem: desert pupfish. Kortweg pupfish voor vrienden. Voor dierlijke normen is de fysiologie van de vis absurd: de vis kan wel zo'n vijf uur metaboliseren zonder zuurstof. Dit is vergelijkbaar met de stofwisseling van een bacterie.

Hillyard heeft deze week tijdens de American Phsysiological Society's Experimental Biology Meeting uitgelegd, dat dit vermogen van de vis waarschijnlijk een wanhopige poging tot evolutionaire overleving is geweest. Dat was nodig door de extreme veranderingen in de omgeving van de afgelopen 10.000 jaar.

De opkomst van zuurstof in de atmosfeer van de Aarde is een cruciale stap geweest richting de evolutie van complexe levensvormen. Hoewel bepaalde microben hun ademhaling baseren op andere chemicaliën zoals zwavel, ijzer en metaan, geeft zuurstof eigenlijk de meeste kans op het geslaagd genereren van cellulaire energie.

Als we kijken naar de hele evolutionaire geschiedenis, zie je dat veel dieren zich hebben aangepast door drastisch te besparen op hun zuurstofgebruik. Zo kan bijvoorbeeld een zeeolifant uren onder water blijven zonder adem te halen doordat hij zijn hartslag verlaagt. Ook heeft het dier speciale eiwitten die zuurstof langer binden. Andere zeezoogdieren en sommige watervogels hebben soortgelijke mechanismen waardoor ze minder O2 verbruiken. Alleen wanneer de zuurstof verbruikt is, moeten ze net als wij zo snel mogelijk ergens een hap adem vandaan halen.

Deze pupfish is anders. Hij wisselt tussen periodes van zuurstofgebaseerde en anaërobe (zuurstof-vrije) stofwisseling. Tijdens de zuurstofvrije cyclus moeten de cellen van de vis vijftien keer zo hard werken om voldoende energie te produceren zodat de vis in leven blijft. Het is een verbijsterende manier van leven, die waarschijnlijk door de snelle klimaatverandering de enige optie om te overleven is geweest.

"Het hele zuidwesten van de Verenigde Staten was veel natter in het recente verleden", zei van Breukelen in een verklaring. Slechts 10.000 jaar geleden werd Death Valley nog overspoeld door 100 meter hoog water: het Manley meer. Toen die wateren verdwenen, werden de pupfish geïsoleerd in hun huidige leefgebieden.

Dat wil zeggen dat een dier dat ooit geleefd heeft in gematigde meren, moest gaan overleven in een stoombad waar de temperaturen schommelden rond de 95 graden. Zijn leefomgeving werd steeds heter en daardoor werd de zuurstof ineens gevaarlijk.

Wanneer de temperatuur stijgt, produceert zuurstof meer vrije radicalen - chemische moleculen die cellen kunnen beschadigen - die het DNA eroderen. Een vis is niet in staat om zijn interne temperatuur te regelen, daardoor werd de pupfish geconfronteerd met een dramatische keuze: bezuinigen op zuurstof, of sterven.

"Onze gegevens suggereren dat de vissen hun mitochondriën afsluiten om de productie van vrije radicalen te voorkomen," aldus van Breukelen.

In plaats van het gebruik van de mitochondriën - de cellulaire krachtpatsers waar elektronen en zuurstof energie genereren - zal de pupfish door lange periodes van anaërobe ademhaling stand houden. Een bijproduct van het anaerobe metabolisme van suikers, wat vergelijkbaar is met de door gist aangedreven fermentatie, is ethanol. Dit draagt bij aan een lage zuurstofbehoefte van de vis.

"Ons werk benadrukt het idee dat er meerdere 'valuta' voor dieren zijn in het beschrijven het levensonderhoud in een bepaalde omgeving," zei van Breukelen. "Ondanks dat deze vissen in een grondstofarme omgeving leven, maken de vissen toch gebruik van de zeer inefficiënte anaërobe stofwisseling. Ze zijn hierdoor echter wel in staat om dodelijke celluaire schade te voorkomen."

Vreemd genoeg is deze 'evolutionaire zelfmoord' misschien juist een ingenieus plan, bij de juiste omstandigheden dan.