Тихоходные экстремалы
Почему крошечные беспозвоночные имеют все шансы дожить до конца света
Тихоходки полностью оправдывают свое название. Эти крошечные создания, большинства из которых не увидишь без микроскопа или, в крайнем случае, увеличительного стекла, за минуту способны преодолеть не более 2-3 миллиметров. Однако они недаром живут по принципу «тише едешь — дальше будешь». Маленькие водяные медведи, как их еще называют, обладают феноменальной живучестью. Они не только выдерживают экстремальные температуры и высокий уровень радиации, но и без вреда для себя выходят в открытый космос.
Тихоходками (тип Tardigrada) называют микроскопических беспозвоночных, самые крупные экземпляры которых не превышают в длину 1,2 миллиметра, а большинство не дотягивают и до полумиллиметра. Предположительно, они родственны членистоногим и онихофорам (бархатным червям). Тихоходки существовали на планете еще в кембрийском периоде (541–485 миллионов лет назад) и пережили все пять крупных массовых вымираний.
Выглядят маленькие водяные медведи немного нелепо: голова, состоящее из сегментов туловище и четыре пары ног, оканчивающихся четырьмя или восемью коготками, или прикрепительными пластинками. Их ротовое отверстие похоже на присоску, а в нем — два острых стилета. С их помощью животные прокалывают стенки растительных клеток или покровы мелких беспозвоночных, которыми питаются. Тихоходки периодически линяют и во время линьки утрачивают не только внешнюю кутикулу, но и стилеты. Потом из специальных желез во рту у них вырастают новые. У тихоходок нет дыхательной и кровеносной систем, они дышат кожей, а кровь им в какой-то степени заменяют свободно перемещающиеся по телу клетки — гемоциты, которые запасают питательные вещества и, вероятно, защищают животных от вредных веществ.
На сегодняшний день ученые выделяют три класса тихоходок (Eutardigrada, Heterotardigrada, Mesotardigrada), которые различаются строением пищеварительной системы, ротового отверстия и конечностей (у некоторых из них есть пальцы с коготками, другие обходятся без них) и количеством головных придатков. К трем названным классам относятся более тысячи видов тихоходок, и это число постоянно растет. Новые виды находят довольно часто, иногда в довольно странных местах, например в придорожной пыли.
Маленькие водяные медведи встречаются также в почвах, лишайниках и мхах, соленой или пресной воде. Некоторые виды тихоходок размножаются партеногенезом, но большинство — половым путем. Спаривание происходит во время линьки. Самки откладывают яйца в сброшенную оболочку, а самец их оплодотворяет. Максимум через две недели из яиц вылупляются детеныши — маленькие копии взрослых тихоходок. Живут маленькие водяные медведи 3-4 месяца, некоторые виды — до двух лет, не считая неблагоприятных периодов пересыхания небольших водоемов или мхов. Некоторые виды тихоходок в таких условиях выживают, впадая в ангидриоз (обезвоживая самих себя). Животные подбирают голову и ноги, съеживаются, чтобы уменьшить поверхность тела, и становятся похожи на бочку. Проницаемость их кутикулы падает. В высушенном состоянии они способны существовать до 30 лет, а при повышении влажности — возвращаться в обычное состояние.
При ангидриозе тихоходки теряют до 98 процентов воды, а их метаболизм практически останавливается. По некоторым данным, предохранять клетки от разрушения при практически полном обезвоживании животным помогает углевод трегалоза. При высыхании трегалоза за несколько часов накапливается в организме животного и, предположительно, заменяет воду у поверхности клеточных мембран и в цитоплазме клеток, формируя водородные связи с крупными молекулами и стабилизируя их. Но трегалозу вырабатывают далеко не все тихоходки, и недавно американские исследователи выяснили, что у некоторых видов клетки во время ангидриоза защищают специфичные для тихоходок «изначально разупорядоченные белки». Они заполняют клеточную цитоплазму, образуя аморфную стекловидную субстанцию.
После нормализации окружающих условий животные возвращаются к активной жизни. Высыхание переносят далеко не все тихоходки. Некоторые, в том числе облигатные пресноводные и некоторые морские виды, не способны к ангидриозу в принципе. Другие переносят его, образуя цисту (наращивая несколько слоев кутикулы), которая не так устойчива к внешним воздействиям, как высохшая форма.
В высушенном состоянии тихоходки демонстрируют чудеса неуязвимости. Они выдерживали тридцатилетнее пребывание при минус 20 градусах Цельсия, а по выходе из него успешно размножались. Тихоходок помещали в жидкий гелий, и они несколько минут выживали при температуре, близкой к абсолютному нулю. Их кидали в жидкий азот (-195,7 градуса Цельсия), в воду, нагретую до 90 градусов, и купали в органических растворителях. Они выживали после 12 часов, проведенных при давлении в 7,5 гигапаскалей (это примерно в 74 тысячи раз выше стандартного атмосферного давления на поверхности Земли). Получив дозу облучения 500-1000 грей, они откладывали яйца, а медианная летальная доза для тихоходок составляла пять тысяч грей (гамма-излучение). Для сравнения, человек умирает через несколько суток после того, как получит дозу облучения 15 грей.
Пару лет назад исследователи отсеквенировали геном одного из самых стойких видов тихоходок, Ramazzottius varieornatus, и выяснили, что маленькие водяные медведи защищают свой геном от ионизирующего излучения с помощью специального белка, который образует с ДНК устойчивые комплексы. Во время опытов с человеческими клетками, которые подвергли рентгеновскому облучению, он уменьшил повреждение ДНК на 40 процентов. Кроме того, белок Dsup (сокращение от damage supressor — подавляющий повреждения), как назвали его ученые, предохраняет ДНК от сильных окислителей — активных форм кислорода.
В конце концов тихоходок отправили на низкую околоземную орбиту. И вот тут оказалось, что они все-таки не бессмертны. Сначала тихоходки благополучно пережили десятидневное пребывание в открытом космосе. Но открытый космос и облучение ультрафиолетовым светом средне- и длинноволнового диапазона (280–400 нанометров) пережили всего 70 процентов тихоходок. А добавление ультрафиолета коротковолнового диапазона (116,5–280 нанометров) погубило почти всех животных. Недавно оказалось, что отсутствие геомагнитного поля они тоже переносят плохо.
Тем не менее, тихоходки могут стать одними из немногих организмов, которые увидят конец света. Недавно физики посчитали вероятность, с которой космическая катастрофа, такая как падение астероида, гамма-всплеск или взрыв сверхновой, сможет полностью уничтожить жизнь на планете земного типа. Расчеты показали, что вероятность такого события пренебрежимо мала и, скорее всего, жизнь на Земле, включая тихоходок, будет уничтожена вместе с концом Солнечной системы.
Екатерина Русакова
Для этого растению понадобилось 15 минут
Японские ученые отследили механизм работы белков семейства LAZY, занимающих ключевое место в восприятии силы тяжести растениями. В покое белки экспонированы на поверхности статолитов — органелл, имеющих высокую плотность и лежащих из-за этого в нижних частях клетки. Но наклон ростков резуховидки Таля приводил к тому, что статолиты перемещались в новые нижние участки клетки, оставляя отпечаток из белков LAZY. Белки, перенесенные с мембраны статолитов на цитоплазматическую мембрану, маркируют новое направление роста и изгиба корня. Исследование опубликовано в журнале Science. У корней большинства высших растений выражен гравитропизм, то есть движение в сторону источника силы тяжести. За гравитропизм корней отвечают клетки-статоциты, входящие в состав корневого чехлика. В них находятся органеллы статолиты — родственники хлоропластов, заполненные крахмалом и лежащие в нижней части клетки из-за более высокой, чем у цитоплазмы, плотности. Статолиты маркируют направление изгиба и роста корня, поскольку клетка экспортирует фитогормон ауксин в ту сторону, куда указывают органеллы, а ауксин вызывает растяжение клеток (по такому принципу поворачиваются растения подсолнечника в течение дня) и стимулирует их деление. Все эти детали были известны еще 50 лет назад, но механизмы, связывающие оседание статолитов и направление транспорта ауксина, за прошедшее время так и не были расшифрованы. Впрочем, было установлено, что белки семейств LAZY и RLD имеют отношение в гравитропизму, ведь корни растений, у которых выключены эти гены, перестают расти вниз. Молекулярные биологи и физиологи растений из нескольких университетов США и Японии при участии Миё Тэрао Морита (Miyo Terao Morita) из Национального института фундаментальной биологии в Окадзаки сосредоточились на изучении работы двух белков семейства LAZY — LZY3 и LZY4 — в корневом чехлике резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Анализ аминокислотной последовательности LZY3 и LZY4 показал, что у белков нет трансмембранного домена для заякоривания в мембране, зато есть гидрофобные и положительно заряженные участки для взаимодействия с фосфолипидами внутреннего слоя мембраны. Точечные мутации в этих участках белков нарушали гравитропизм у ростков резуховидки. Поскольку белок с таким строением неспособен прочно фиксироваться в мембране, но при этом критически важен для гравитропизма, то, предположили биологи, он может слабо прикрепляться попеременно к плазматической мембраной и к гликолипидам внешней мембраны статолитов. И действительно, LZY3 и LZY4 были обнаружены на поверхности обеих мембран. Далее ученые при помощи конфокальной микроскопии отследили, как меняется распределение LZY4 в живой клетке после наклона ростков на 90-135 градусов. Уже спустя три минуты статолиты оказывались в нижней части клетки. Через 15 минут обнаружились метки LZY4 на прилежащем участке плазмалеммы, а первые признаки изменения формы корня появились через полчаса с начала эксперимента. Помимо воздействия гравитацией, ученые подвигали амилопласты внутри живых клеток при помощи оптического пинцета, чтобы исключить, что полярность клетки управляется какими-либо другими органеллами, имеющими высокую плотность. Как и в эксперименте с наклоном ростка, через несколько минут флуоресцентная метка, пришитая к LZY4, переходила с пластид на плазматическую мембрану. После оседания LZY на мембране с ним связывались белки семейства RLD, которые, в свою очередь, привлекают на мембрану белки-экспортеры ауксина. Таким образом, японские ученые описали еще один механизм механорецепции живыми организмами. По словам авторов статьи, принцип работы LAZY-зависимых сенсоров, чувствующих направление силы притяжения, но не ее величину, похож на работу «аналогового» инклинометра. Человеческие же проприорецепторы, полукружные канальцы и отолитовые органы работают как акселерометры, детектирующие линейное или угловое ускорение при движении головы, внутренних органов или мышц. Подробнее о принципе их работы можно прочитать в нашем материале «Премия за самочувствие». Градиент ауксина в корне влияет на только на его рост в физиологических условиях, но и, к примеру, на заживление ран.