Тихоходка: что это за жуть рядом с нами и как ее убить
Ответ: никак. Они поражают своей невероятной живучестью и очень интересуют ученых, которые без устали ставят над ними эксперименты.
Эту хтонь открыл в 1773 году немецкий пастор И. А. Гёце (да, пастор, не спрашивайте) и назвал ее «маленьким водяным медведем».
Из-за их просто потрясающей живучести ученым было донельзя интересно, как бы ее так замочить. Еще в XVIII веке итальянский учёный Ландаро Спалланцани проводил над ними эксперименты. Позже, когда их решили отправить в космос, то выяснилось, что они могут жить и в условиях космического вакуума. После 10 дней в открытом космосе они просто высохли, но не погибли. Потом ученые собрались и облучили тихоходку космической радиацией. Пара слабеньких вырожденцев погибли, но большая часть контрольной группы не только приветливо помахала ученым, но и оказалась способна к размножению. Именно поэтому ими так интересуется космическая биология, которая занимается вопросами выживания человека в космосе.
Когда тихоходки устают от этой жизни, то они укладываются спать, втянув в себя все конечности и уменьшаясь в размере. Метаболизм свой они замедляют примерно в 10 000 раз, но стоит им попасть в нормальные условия, где рядом не стоят пытливые ученые, желающие их уничтожить, то они возвращаются к жизни.
После того как тихоходка впадет в анабиоз она постепенно теряет запасы влаги в своем тельце, но все равно не умирает! Даже когда влаги остается до 1% от нормы. Как вы уже понимаете, такое недоступно ни одному живому существу.
А японские ученые решили попробовать выявить степень сопротивляемости тихоходок высокому давлению. Выяснилось, что когда в герметичный контейнер, где мирно спали анабиозе тихоходки, подавали давление до 6000 атмосфер, практически все из них выжили.
Где же можно повстречать тихоходку?
Например в Гималаях, на высоте 6000 м. А передвигаются они 2 мм в минуту, поэтому можно представить, насколько они были обижены на тех, кто их оттуда забрал, чтобы проводить эксперименты, ведь они просто задолбались туда подниматься. Они водятся подо льдами, на дне океана, в горячих источниках, лишайниках и лесу. Они перемещаются с помощью ветра, воды, на животных. Они буквально могут быть рядом с вами прямо сейчас. Как-то раз нашли мох, который высох 120 лет назад, вымочили его в воде и из него высунули головы живые тихоходки: «здравствуйте, что случилось, а то мы тут задремали. «
Есть шутка, что при конце света выживут только тараканы. Ложь. Тараканов унижают своим существованием тихоходки, которые просто медленно заполоняют собой этот мир, наступая армиями, поедая излишки друг друга.
Биологи из Токийского университета выяснили причину неуязвимости тихоходок
Крохотные живые организмы, которых называют «тихоходками» хорошо известны в научной среде своей нечувствительностью к внешним факторам. Высокая или низкая температура? Не проблема, тихоходки выживают в невероятно сложных условиях, когда погибают даже самые стойкие микроорганизмы.
Впервые тихоходку описал немецкий пастор И.А. Гёце, назвав ее «маленьким водяным медведем». Современное название эти существа получили в 1777 году благодаря итальянскому ученому Спалланцани.
Тихоходки очень малы, размер их тела составляет 0,1-1,5 мм. Тело у этих существ полупрозрачное, состоит из четырех сегментов и «головы». Каждый сегмент тела имеет пару коротких и толстых конечностей. Двигаются тихоходки со скоростью 2-3 мм в минуту. У них нет ни дыхательной, ни кровеносной системы.
Выдерживают тихоходки давление около 6000 атмосфер. Причем, неважно, в каких условиях находится тихоходка — воде, перфторуглероде или углекислом газе. На результатах выживаемости это не сказывается. Неплохо чувствуют себя тихоходки и в вакууме, выдерживая и космическое излучение, и облучение ультрафиолетом A и B (длина волны 280—400 нм).
Тихоходки выдерживают и экстремальное обезвоживание, с сохранением доли воды в 1-2% от массы тела. После того, как это существо попадает во влажную среду, они возвращаются к нормальной жизни.
Так почему тихоходки настолько выносливы?
Ни одно другое существо неспособно выдерживать нечто подобное без вреда для себя. Есть существа, которые устойчивы к холоду, есть организмы, не боящиеся жары или вакуума. Но выдерживать все внешние факторы вместе ни одно другое живое существо, кроме тихоходок, неспособно. Чем же обусловлена такая высокая степень выживаемости?
Ответ на этот вопрос попытались дать японские ученые, которые секвенировали ДНК тихоходок. Результаты расшифровки генетического материала этих существ дали ответ на часть вопросов, интересующих биологов в отношении тихоходок в течение многих десятков или даже сотен лет. Как оказалось, у тихоходок работает сразу несколько защитных механизмов, которые обусловлены наличием в их организме особых белков.
Японские исследователи показали, что при введении этих белков в клетки человека те становятся более устойчивыми к воздействию рентгеновского излучения. По мнению авторов исследования, цепочки ДНК клеток человека при введении одного из белков, которые обеспечивают устойчивость тихоходок к жесткому излучению, повреждается на 40% меньше. «Мы были очень удивлены», — говорит Такума Хашимото из Токийского университета.
Ученые изучали только один из видов тихоходок, Ramazzottius varieornatus, который является одним из наиболее устойчивых к внешним факторам видов. В организме тихоходок этого вида ученые обнаружили белок, обозначенный в работе, как Dsup (Damage suppressor), который снижает уровень негативного влияния внешних факторов на организм этих существ.
Dsup по словам исследователей это ДНК-ассоциированный белок, который осуществляет защиту цепей и улучшает сопротивляемость радиоактивному излучению в клетке. Лучше всего Dsup действует в отношении жесткого излучения. «Устойчивость к рентгеновскому излучению является побочным действием механизма приспособления тихоходок к экстремальному обезвоживанию», — говорит Такеказу Куниеда, еще одного участника команды исследователей.
Для получения Dsup в достаточных количествах соответствующий ген был пересажен в геном кишечной палочки. И уже потом белок был перенесен в культуры человеческих клеток.
Если бы Dsup можно было бы ввести в организм человека, а не просто культуры клеток, то, вероятно, это сделало бы нас более устойчивыми к радиации. В процессе «исхода» приходится сталкиваться с жестким космическим излучением, представляющего существенную опасность жизни и здоровья космонавтов, поэтому данная «модификация» важна для человеческой цивилизации в случае дальнейшей экспансии за пределы планеты Земля.
Результаты работы японцев заинтересовали ученых из других стран. Например, Ингемар Хёнссен [Ingemar Jönsson] из Университета Кристианстад (Швеция) считает исследование важным для медицины.
Исследование также подливает масла в огонь обсуждение большого количества сторонних генов в генотипе тихоходок. Ранее считалось, что процент таких генов, полученных тихоходками от сторонних видов около 20%. Японские ученые заявляют, что этот результат неверен, на самом деле число сторонних генов у тихоходок составляет примерно 2% от общего числа генов в генотипе этих существ. А полученный ранее результат — это ошибка, полученная из-за загрязнения пробы генетического материала.
1,2% — 2% сторонних генов — вполне обычный результат не только для тихоходок, но и для большинства других живых организмов. Часть защитных механизмов вида Ramazzottius varieornatus действительно получена от других существ. Но большая часть все же возникла в результате эволюции, все это «достижение» самих тихоходок.
Тот факт, что эти существа чрезвычайно устойчивы к негативным внешним факторам — не результат получения сторонних генов, а действительно эволюционные приобретения, как утверждают японцы. Результаты своего исследования они опубликовали в авторитетном издании Nature Communications.
Японские ученые утверждают, что у вида Ramazzottius varieornatus (и, возможно, у других видов тихоходок) просто нет генов, которые включают реакцию организма на стресс. Например, при нехватке воды у большинства живых существ запускается процесс отмирания клеток. Аналогичная ситуация наблюдается и при отсутствии необходимого количества питательных веществ или воздействии иных негативных факторов. У тихоходок ничего этого нет. Они просто «не понимают», что окружающая среда при наступлении неблагоприятных условий угрожает их существованию.
Тихоходки считаются одними из самых живучих созданий на Земле
Об открытии ученых из Копенгагенского университета было рассказано в научном издании под названием Scientific Reports. Ученым уже было известно, что тихоходки отлично приспосабливаются к холодным условиям, но при этом менее устойчивы к сильной жаре. В ходе предыдущих исследований других групп ученых было выяснено, что при температуре от 60 до 65 градусов Цельсия эти существа живут на протяжении десяти часов, а при 150 градусах — всего полчаса. Исходя из этого исследователям стало интересно, как долго живут тихоходки при продолжительной жаре, которая наблюдается уже несколько летних сезонов подряд.
Из-за чего умирают тихоходки?
Удивительная живучесть тихоходок объясняется тем, что они способны погружаться в так называемое состояние ангидробиоза. Как правило, при попадании в экстремальные условия, тихоходки переходят в «высушенное» состояние, при котором втягивают свои конечности и принимают бочкообразную форму. В их организме остается минимальное количество влаги, за счет чего они уменьшаются в размерах и замедляют обмен веществ.
На изображении A показана тихоходка в активном состоянии, а на B — в состоянии ангидробиоза
В ходе научной работы ученые выяснили, как высокие температуры воздействуют на активных тихоходок и особей, которые находятся в ангидробиозе. В исследовании использовались тихоходки вида Ramazzottius varieornatus, которые в большом количестве обитают в водоемах Дании. Как оказалось, при температуре воды, равной 37,1 градусам Цельсия, половина популяции тихоходок погибают всего лишь спустя сутки. При этом особи, которые жили в воде с медленно повышающейся температурой, умирали при 37,6 градусах.
Тихоходка вида Ramazzottius varieornatus
Тихоходки в «высушенном» состоянии, в свою очередь, в течение суток погибали при температуре 82,7 градусов Цельсия. Но это только при условии, что тепловое воздействие длилось не более часа. Но если температура воды держалась высокой на протяжении суток, удивительные создания погибали даже при 63,1 градусах. Именно в этот момент ученые и обнаружили слабость тихоходок — они не могут выжить при постоянной жаре.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!
У многих может возникнуть вопрос — почему в ходе предыдущих исследований тихоходки выживали на протяжении 30 минут при 150 градусах Цельсия, а в этой научной работе внезапно начали умирать при 63 градусах? Вероятно, это связано с тем, что в исследованиях использовались разные виды этих существ. В этом, как и говорилось выше, испытания проводились на живущих в водоемах особях.
Подробнее о методах выживания тихоходок можно почитать в нашем специальном материале
По мнению исследователей, их открытие является еще одним доказательством того, что постепенное повышение температуры нашей планеты вредит всем живым организмам безо всяких исключений. Есть вероятность того, что некоторые животные все же смогут адаптироваться к новым условиям, но некоторым из них, причем даже самым живучим, это может не удастся.
Что такое тихоходка? Существо, которое всех переживет
Тихоходка (по научному Tardigrada) более известна под термином «водяной медведь» или «мшистый поросенок», является настоящим лидером в гонке на выживание. Ее живучесть и невосприимчивость к различным экстремальным условиям просто поразительны!
В этой статье вы узнаете:
Читайте также:
Водяные медведи – это единственные существа, над которыми ставились опыты в безвоздушном космическом пространстве. Пробыв в открытом космосе 10 дней, тихоходки были практически обезвожены, но вернулись в прежнее состояние, когда их поместили обратно на космический корабль. Ученые выяснили, что это существо способно ожить после продолжительной спячки (анабиоза) длиной в 10 лет.
Строение и физиология, размер тихоходки
Водяной медведь – это восьминогое, обитающее в водной среде крошечное животное, по своему строению ближе к нематодам (круглым червям), чем к их двойникам, членистоногим (насекомым, многоножкам, паукообразным и ракообразным).
У тихоходки очень маленькое полупрозрачное тело, размер которого составляет всего 0,1..1,5 мм. Новорожденные водяные медведи могут быть меньше, чем 0,05 мм. Наиболее крупные особи размером в 1,5 мм можно разглядеть невооруженным глазом, без микроскопа.
Тело покрыто хитиновым панцирем, который регулярно обновляется при линьке, как у всех насекомых. Панцирь имеет разную окраску, цвет зависит от условий обитания. В природе встречаются:
Ноги тихоходки по сравнению с туловищем – коротенькие и толстенькие, с 4-8 коготками в виде щетинок. По форме они напоминают медвежьи лапы. Острыми коготками «водяные медведи» цепляются за мох или лишайник, так им легче передвигаться. Три пары ног направлены вперед, а четвертая – назад. Тихоходки очень медленно передвигаются – за 1 минуту они преодолевают 2-3 мм. Это равносильно тому, как если бы человек преодолевал расстояние 30-40 метров в минуту (учитывая размеры тела человека).
Тихоходка под микроскопом
У тихоходки нет кровеносной системы, и полностью отсутствуют дыхательные органы, а дышат они кожей. Ротовое отверстие снабжено острыми отростками, которые необходимы водяному медведю для прокалывания оболочек клеток мхов и водорослей, чтобы получить питательную жидкость. Нервная, пищеварительная система, так же как и система размножения, присутствуют.
Удивительно, что существует более 400 различных видов тихоходки, но при этом идентифицировано менее 10% видов этого животного.
Вы можете спросить: где они были все это время? Почему они не появились раньше, когда ученые были поглощены исследованием видов животных этой планеты? Почему широкая общественность узнала о них только теперь?
Все это время тихоходки были вокруг нас. На самом деле, они, вероятно, смотрят на вас прямо сейчас, призывая вас заметить их. И восхититься их способностью к выживанию и уникальной неприхотливостью.
Где обитает тихоходка
Тихоходки встречаются почти повсеместно, но в первую очередь их любимыми местами обитания является морская и пресная вода, а также молодой мох, украшающий речные камни. Этих животных можно в большом количестве найти во влажных регионах, таких как русла рек, ручьи и пруды.
Помимо водоемов, водяного медведя можно обнаружить в таких необычных для него местах, как:
Тихоходки живут скромной жизнью. Они не вызывают заболевания и не оказывают вредного воздействия на урожай. Это самые неприхотливые существа на планете Земля.
Что едят тихоходки?
Они питаются жидкостями клеток растений и мелких животных, проникая в их клеточные стенки и мембраны. Тихоходки делают это с помощью отростков, называемых стилетами, украшающих их ротовую полость. Основной источник питания – водоросли, мхи и лишайники.
Известно, что некоторые виды водных медведей поглощают целые живые организмы, такие как коловратки и нематоды. Тихоходки питаются даже своими, более мелкими, сородичами! Да, каннибализм очень распространен среди определенных видов тихоходки. Правда, когда у них достаточно еды и воды для поддержания функций организма, они так не поступают.
Интересный факт! Тихоходки могут обходиться без еды и питья на протяжении 30 лет.
Это, наверное, самые парадоксальные животные на нашей планете. Эти организмы невероятно милые и непритязательные; они как крошечные дирижабли, безобидно суетятся на своих коротеньких ножках. Но они также имеют легендарную репутацию самых неуничтожимых существ на Земле.
Крошечные, но живучие
Исследователи выяснили, что тихоходки выживают в горячих серных источниках среди вулканических гор; они выжили на вершине Гималаев, под слоями толстого льда, оставаясь невредимыми под действием огромного давления и чрезвычайно низких температур. Тихоходки способны пережить полное глобальное массовое вымирание и апокалипсис, вызванный астрофизическими событиями, такими как гамма-всплески и разрушительные удары метеоритов.
Тихоходки в Космосе
В 2007 году группа исследователей довела жизнеспособность этих необычных животных до предела в условиях, в которых невозможно было бы выжить ни одному из известных живых существ. Тихоходку поместили в открытый Космос на целых 10 дней.
Вакуум Космоса, который приводит к серьезному обезвоживанию и космическому излучению, не был проблемой для водных медведей. Когда те же самые образцы были возвращены на космический аппарат и подвергнуты регидратации (насыщению влагой), 68% тех, кто был защищен от радиации, выжили. Даже немного тихоходок, пребывавших в космическом вакууме без защиты от радиации, не только вернулись к жизни, но и произвели жизнеспособное потомство.
Как тихоходки выживают так долго?
Итак, мы выяснили, что крошечные тельца этих существ устойчивы к различным невзгодам и экстремальным условиям. Природные «сверхспособности» тихоходок помогают им противостоять условиям, которые привели бы к гибели других организмов. О чем идет речь, что за супер способности?
Тихоходка – существо, которое невозможно убить
При столкновении со стрессами окружающей среды, панцирь тихоходки будет линять, а кожа внутри него свернется в сухой, безжизненный шар, называемый тун. Это значительно снижает метаболическую активность организма, примерно до 0,01% от нормального уровня, но все же защищает его ДНК. Для этого организм тихоходки вырабатывает трегалозу, – природный защитный сахар, образующий гелеобразную среду, которая задерживает и сохраняет клеточные органеллы и мембраны.
В обезвоженном состоянии тихоходки могут выживать в течение десятилетия или более. После погружения в воду их тела возвращаются к нормальному метаболическому состоянию в течение нескольких часов.
По некоторым данным, в одном из таких случаев группа обезвоженных тихоходок была взята из музейного образца 100-летнего высушенного мха и возвращена к жизни путем простой регидратации. При этом, чем дольше особи остаются в обезвоженном состоянии, тем ниже их шансы на успешное восстановление.
Будь то крутой кипяток, сильное ультрафиолетовое излучение, ледяной холод подледных озер, или даже вакуум пространства, эти твердые маленькие существа легко переживут любую невзгоду.
Варите их в кипятке, делайте пюре, засовывайте их в тушеное мясо – они универсальны и, вероятно, они – самые стойкие существа на планете. Пережив пять великих массовых вымираний в течение полмиллиарда лет, тихоходки могли бы стать самым странным сочетанием умиления и ужаса, которое кто-либо когда-либо испытывал, глядя в микроскоп.
Экстремальные условия, которые пугают нас и наверняка убьют почти любую форму земной жизни, едва ли волнуют тихоходок. Эти крошечные малыши расширили понятие обитаемой среды, и понимание их неразрушимости будет иметь глубокие последствия, как для наземной жизни, так и для выживания в других мирах.
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Тихоходки — это микроскопические беспозвоночные животные размером 0,1–1,5 мм, напоминающие палку «Докторской» колбасы с ножками. Их можно встретить не только в фильмах или мультфильмах, но и возле вашего дома. У тихоходок есть несколько интересных способностей, привлекающих внимание ученых, а заодно сделавших этих беспозвоночных героями сетевых мемов: они могут пережить жидкий гелий, космический вакуум и многое другое. А что еще и, главное, как — читайте и смотрите в статье!
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Тихоходки — водяные медведи
Первый вопрос, который возникает у людей, когда они слышат слово «тихоходка»: «Кто это?». Тихоходки — очень мелкие беспозвоночные животные с четырьмя парами ног (рис. 1). Они относятся к отдельному типу тихоходок (Tardigrada). На сегодняшний день известно более 1200 видов тихоходок (рис. 2). Все они — водные животные, но некоторые живут в водоемах, а некоторые — в тонких пленках воды на суше: во мхах, лишайниках, листовой подстилке и даже в почве.
Рисунок 1. У тихоходок есть много разных названий: их называют тихоходами на украинском, водяными медведями на английском, маленькими водяными медведями на немецком, моховыми поросятами на польском, тихоходками на русском, кумамуши на японском.
рисунок автора статьи
Рисунок 2. Разнообразие тихоходок. Наземные виды тихоходок (I). Морские виды тихоходок (II–X) (видео 2).
Тихоходки были названы так неспроста. Визуально их походка напоминает неспешную походку медведя, который переваливается из стороны в сторону (видео 1). Это заметил итальянский священник и натуралист Ладзаро Спалланцани в 1777 году. Он назвал этих странных существ il tardigrado, что с латинского переводится как «медлительный». Однако на деле тихоходки не такие уж и медлительные. За час они могут «пройти» более тысячи длин своего тела — для человека это была бы скорость, равная 2 км/ч.
Видео 1. Походка тихоходки
Видео 2: Морская тихоходка рода Batillipes lusitanus. Ее особенностью является то, что вместо когтей у нее «пальцы» с присосками.
Каково быть маленьким?
Анатомия тихоходок
Необычных существ с восемью ногами в конце XVIII века увидел в каплях воды, священник Иоганн Август Эфраим Гезе. Ему эти животные напоминали маленьких неспешных медведей, и он назвал свою находку маленькими водяными медвежатами. Тихоходки и правда внешне похожи на инопланетных медведей. По бокам их бочковидного массивного тела расположены четыре пары конечностей с когтями, голова округлая, как у привычных всем медведей, а на ней располагается пара глаз. Однако видят они не так, как мы. Их глаза — это пара пигментных пятен, способных улавливать лишь свет.
Тихоходки очень маленькие, их размер составляет 0,1–1,5 мм. Их ротовые аппараты представляют собой трубку с двумя «стилетами» — ими тихоходки прокалывают клетки мхов, лишайников, тела других беспозвоночных.
Большинство тихоходок питаются клетками растений, чем-то напоминая травоядных животных и всеми любимых бамбуковых медведей (рис. 3). Но существуют и виды-хищники. Тихоходки довольно часто практикуют каннибализм: они как вампиры выпивают «сок» своих сородичей (видео 3).
Рисунок 3. Сравнительная анатомия панды и водяного медведя
Видео 3. Каннибализм у тихоходок
Узнать, что ест тихоходка, можно по форме ее ротового аппарата (рис. 4). У видов-«веганов» — длинная тонкая ротовая трубка с парой относительно небольших стилетов (видео 4). У хищных же все наоборот, их ротовая трубка широкая, с большими стилетами. Стилеты утрачиваются, когда тихоходка линяет, а новая пара генерируется специальными железами.
Рисунок 4. Устройство ротового аппарата тихоходок
Видео 4. Тихоходка-«веган»
Рот тихоходки соединяется с пищеводом, а потом уже с кишечником, который заканчивается прямой кишкой. Большинство видов тихоходок испражняются в окружающую среду (видео 5), однако существуют виды, которым привычней справлять нужду в период линьки в старую кутикулу. Линька у некоторых видов тихоходок связана не только со сменой кутикулы, но и с вынашиванием яиц.
Видео 5. Тихоходка какает
Спаривание тихоходок довольно изощренное. В 2016 году немецкие специалисты проанализировали половое поведение раздельнополой тихоходки Isohypsibius dastychi [3]. Самец этой тихоходки находит самку, когда она готова сменить кутикулу. Он медленно сворачивается вокруг ее головы, после чего самка начинает сокращать глоточные мышцы, покалывая самца в живот своими стилетами (рис. 5).
Рисунок 5. Спаривание Isohypsibius dastychi. Самка с овальными яйцами, самец свернут калачиком вокруг ее головы.
Такими действиями она стимулирует выделение сперматозоидов самцом. Выходя из кутикулы, самка оставляет небольшое отверстие, куда самец впрыскивает сперматозоиды. Самка в этот момент еще не полностью покинула кутикулу. Сперматозоиды достигают яиц, происходит оплодотворение. Только после того, как яйца будут оплодотворены, самка полностью покидает кутикулу (видео 6).
Видео 6. Самка покидает кутикулу
Некоторые виды тихоходок откладывают яйца очень необычной, причудливой формы, со множеством выростов и придатков (рис. 6). Такие яйца откладывают не в кутикулу, а в воду. А есть тихоходки, которые избавились от самцов вообще и размножаются исключительно партеногенезом.
Клетки тихоходок, так же как и сами тихоходки, очень маленькие, у взрослых в диаметре не превышают 3–5 мкм, а кариотип представлен крошечными хромосомами от 5 до 7 штук, не превышающими 1 мкм в длину (рис. 7) [6], [7]. Поэтому секвенировать тихоходок очень сложно. На сегодняшний день обнародовано лишь три генома тихоходок: Hypsibius dujardini [8], Ramazzottius varieornatus [9] и Milnesium tardigradum [10].
Рисунок 7. Клетки и хромосомы тихоходки Hypsibius exemplaris. Масштабные полосы — 1 мкм (на всех изображениях).
В 2017 году японские ученые провели анализ геномов двух видов тихоходок — Hypsibius dujardini и Ramazzottius varieornatus [12]. Частью работы стала попытка расположить тихоходок на филогенетическом древе. Хоть они и известны науке более двух столетий [13], точное филогенетическое положение тихоходок остается загадкой [14]. В XX веке их относили и к группе нематод — ашельминтов [15], и к членистоногим [16] (рис. 8). Ученые долго гадали, с кем в более тесном родстве состоят тихоходки, и в конце ХХ века был создан надтип под названием Panarthropoda, в который вошли «все членистоногие» и животные, которые их напоминают. Туда и определили тихоходок, но их точное положение в этой группе по-прежнему остается неизвестным [14]. Исследования 2017 года показывают, что по Hox-генам тихоходки более родственны нематодам, чем членистоногим (рис. 9) [12].
Рисунок 8. Филогения тихоходок
рисунок автора статьи
Тихоходка и ее Hox-гены
Тихоходки имеют бочковидное тело, в котором сложно выделить сегменты, составляющие грудь и брюшко. В отличие от них, у членистоногих эти сегменты, как правило, отличимы друг от друга рядом признаков. Сегментация тела зависит от древних, консервативных генов семейства Нох. Впервые они были найдены у плодовых мушек Drosophila melanogaster в лаборатории Томаса Ханта Моргана. У этого вида есть десять Hox-генов, сгруппированных в домены. Они расположены по длине хромосомы в том же порядке, в котором их эффекты проявляются вдоль тела. Подробнее об этом можно посмотреть в статье «Биомолекулы» [32]. Проведя анализ идентифицированных генов «усики в ноги», было показано, что гены кодируют белок, содержащий консервативный ДНК-связывающий домен. О том, как проходит синтез этого и других белков с гомеодоменами, «Биомолекула» тоже писала [33]. В каждом сегменте тела экспрессируются свои Нох-гены. Проведя анализ Caenorhabditis elegans было обнаружено всего шесть генов (рис. 9), что, как ясно, меньше, чем у плодовых мушек.
Рисунок 9. Hox-гены нематод и панартропод. Гены, принадлежащие к одной группе ортологов, окрашены одинаково. Прямоугольники с пунктирными линиями указывают на фрагменты Hox-гена, для которых недостаточно последовательности, чтобы однозначно отнести их к группе ортологов. Крестики указывают на отсутствие гена. Прямоугольники обозначают дупликацию определенного Hox-гена.
рисунок автора статьи
У нематод найден один ген «головы» (Hox1), два гена «туловища» (Hox4 и Hox6) и три гена «хвоста» (Hox9–13) (рис. 8). Возможно, это отражение приоритетов важности определенных частей тела. У нематоды важнее хвост и голова, чем туловище. Нематоды — это хорошо, но как обстоят дела с Hox-генами у тихоходок?
В отличие от нематод, у тихоходок с виду есть туловище, есть ноги. И этого немало, но у тихозодок отсутствуют некоторые Hox-гены. У них ось тела укорочена путем отсутствия пяти Нох-генов (Hox2, Hox5, Hox6–8), которые определяют наличие туловища. В 2017 году американские ученые выпустили статью, в которой сообщалось, что у тихоходок найдено семь Hox-генов [17]. Оказалось, что тихоходки — это «большая голова на ножках» (рис. 10).
Рисунок 10. Модели строения тела современных панартропод. Гомологичные сегменты показаны одним цветом. Схема раскраски сегментов по результатам, показанным в статьях [17] и [18].
Повторный анализ подтвердил гипотезу, но также стало известно, что у нематод и тихоходок отсутствует одинаковый набор генов (рис. 9). Как так получилось? У других панартропод туловище бывает в разы больше других частей, а тут его просто нет. Почему так, никто сказать не может [17]. Скорее всего, эти гены становятся не особенно жизненно важными в данных условиях, соответственно, в них начинают копиться замены. Затем гены превращаются в псевдогены и могут быть удалены, организм же продолжает дальше жить. Либо же произошла делеция генов, и тихоходка выжила, так как в условиях жизни тихоходки они оказались не нужны.
Несокрушимые мишки Тедди
Одной из самых известных особенностей тихоходок является их устойчивость к пересыханию. В 2012 году журнал Planetary and Space Science определил тихоходок как самых выносливых существ на Земле [19]. Из обычного состояния тихоходки переходят в «неразрушимое» состояние под названием «криптобиоз» — «скрытая жизнь». Криптобиоз бывает разным: ангидробиоз (жизнь без воды), криобиоз (жизнь в холоде), осмобиоз (выживание в растворах с повышенной концентрацией растворенных веществ) и множество других вариантов. Самым распространенным криптобиозом для тихоходок является ангидробиоз. Впервые состояние ангидробиоза заметил Антони ван Левенгук в 1702 году у анималькулей — «зверьков», куда, возможно, он относил и тихоходок. Переходя в состояние ангидробиоза, тело тихоходок сжимается, а конечности втягиваются (рис. 11).
Рисунок 11. Схема перехода тихоходки в состояние бочонка и выхода из него
рисунок автора статьи
Такое состояние у них называется состоянием бочонка, и, находясь в нем, тихоходки лишены способности питаться, размножаться и вообще мало подвержены воздействию внешних факторов. Они могут выжить несколько минут в кипящем спирте (150 °C) и жидком гелии (–273 °C), их можно подвергнуть воздействию давления, которое будет превышать 5000 атмосфер, или же выпустить в открытый космос [20]. Однако не все условия для тихоходок будут временными неудобствами. Согласно данным 2020 года, тихоходки Ramazzottius varieornatus в активном состоянии не любят высокие температуры [20]. Если неприспособленную к этим условиям тихоходку поместить в среду с температурой 37,1 °C, то она погибнет в течение 48 часов. Адаптированные активные представители выживают при более высокой температуре — 37,6 °C. В таких условиях человек более вынослив, чем тихоходка. Например, в состоянии бочонка часть водяных медведей смогла пережить температуру 82,7 °C в течение часа и 63,1 °C — в течение 24 часов [20].
Тихоходки — первое известное животное, выжившее в открытом космосе. В 2007 году благодаря миссии FOTON-M3 Европейского космического агентства (ESA) стало известно, что тихоходки способны выжить в космическом пространстве. Во время полета их разделили на три группы. Одна группа подвергалась действию космического вакуума, вторая — действию солнечной радиации, а третья — вакууму и солнечной радиации одновременно. В результате исследования тихоходки не только выжили, успешно вернулись на Землю, но и дали потомство [21]. В 2019 году Wired предположил, что тихоходки могли жить какое-то время на Луне после неудачной посадки израильского лунного модуля Beresheet.
Интересными для ученых тихоходки стали не только из-за невосприимчивости ко всем перечисленным факторам, но и из-за того, что в состоянии криптобиоза их биологические часы перестают тикать. Влияние ангидробиоза ученые иллюстрируют двумя моделями: «Спящая красавица» и «Портрет Дориана Грея». Тихоходки, подобно спящим красавицам, могут проснуться спустя 30 лет, но не от поцелуя любимого, а лишь от капли воды. И они остаются вечно молодыми в состоянии бочонка, подобно герою романа Оскара Уайльда «Портрет Дориана Грея».
Как проходит «жизнь без воды»
В результате действия радиации образуется большое количество активных форм кислорода (АФК), которые фактически разрывают все клеточные компоненты, что встречаются им на пути. Защиту от АФК можно обеспечить внедрением антиоксидантных (противоокислительных) механизмов (подробнее — в статье «Биомолекулы» [34]). Среди них очень глобально можно выделить две системы защиты. Первая, путем действия различных ферментов, напрямую перехватывает АФК до того момента, как они повредят ту или иную молекулу. Вторая восстанавливает уже последствия действия АФК различными системами репарации, но у нее есть один существенный минус: ее активность зависит от дозы радиации, то есть чем выше доза радиации, тем менее дееспособной такая система становится. Ключевая органелла, которая противодействует АФК, — пероксисома. Она не уникальна для тихоходок — есть у всех эукариот. Участвует пероксисома в большом количестве метаболических, сигнальных и онтогенетических процессов, активно взаимодействует с другими органеллами, особенно с митохондриями. У пероксисом хорошо развиты защитные механизмы, которые подавляют окислительный стресс и поддерживают окислительно-восстановительный баланс. Образуются пероксисомы либо путем роста, а также асимметричным делением уже существующих органелл, либо способны альтернативно образовываться de novo из эндоплазматического ретикулума [23].
Еще один из механизмов, который помогает переживать стрессовые условия у животных, — работа дисахарида трегалозы, упорядочивающего молекулы в период высыхания. Ученые предположили, что наличие трегалозы в больших количествах должно быть у тихоходок [24]. Ведь она есть у дрожжей, нематод, креветок и других животных, которые обладают устойчивостью к высыханию. Но оказалось, что у тихоходок в организме либо очень низкая концентрация трегалозы, или ее нет вовсе [25]. Исследовав тихоходку Hypsibius dujardini, ученые из США обнаружили группу генов, которые отвечают за производство «внутренне неупорядоченных» белков, которые заменяют всю свободную воду в организме тихоходок на биостекло [26].
Белки эти назвали TDP, расшифровываются они как «специфические для тихоходок и не имеющие четкой вторичной структуры». К ним относятся: цитоплазматические белки, устойчивые к термической денатурации (CAHS-белки), секреторные белки, устойчивые к термической денатурации (SAHS-белки) и митохондриальные белки, устойчивые к термической денатурации (MAHS-белки), которые производятся в стрессовых условиях. В момент, когда у тихоходки начинает исчезать вода, включается экспрессия генов, кодирующих TDP (рис. 12). Существует несколько гипотез, как работает биостекло в клетках. Согласно первой, все важные молекулы застревают в биостекле, подобно рыбе, что вмерзла в лед [26]. Согласно второй, биостекло замещает молекулы воды в клетках подобно трегалозе, а когда вода возвращается, то TDP растворяются [25].
Рисунок 12. Упорядочивание клеточных элементов в моменты стресса при помощи TDP (Tardigrade intrinsically Disordered Proteins)
рисунок автора статьи
Также у тихоходок были обнаружены белки теплового шока (heat shock proteins (HSPs)), которые работают подобно белкам шаперонам, реконструирующим правильную структуру белка. Нашлись у тихоходок и белки с доменом холодового шока, которые реагируют на холодовый стресс и участвуют в посттранскрипционной регуляции генов, способствуя адаптации к низким температурам.
Одним из важных механизмов защиты клеток от гибели является удаление поврежденных молекул. У тихоходок это происходит с помощью убиквитин-опосредованной деградации белка (рис. 13). Протеасома, в составе которой есть белок убиквитин, связывается с поврежденной молекулой белка и разрушает ее [27].
Рисунок 13. Схема убиквитин-опосредованной деградации белка. В первом случае работает протеасома 26S; убиквитинированные белки связываются с регуляторным фрагментом 19S (правая часть рисунка). Во втором случае белки расщепляются напрямую протеасомой 20S (слева).
рисунок автора статьи
В 2015 году мир был поражен исследованием ученых из Университета Северной Каролины (UNC), в котором секвенировали геном тихоходки и обнаружили, что шестая часть генов тихоходки (17,5%) представлена чужеродной ДНК [26]. Для сравнения, у большинства животных данный показатель составляет менее 1%. Исследования Томаса Бутби и Боба Голдштейна показали, что тихоходки получили приблизительно 6000 генов от других организмов, в основном от бактерий, растений, грибов, архей [26]. Но остается вопрос: «Как получили»? Известно, что гены могут передаваться от родителей детям посредством вертикального переноса генов, но это не единственный способ передачи генетической информации. Как утверждалось в работе американских ученых, тихоходки активно используют горизонтальный перенос генов — обмен генетическим материалом между видами. ДНК от других организмов попадает тихоходкам случайно, в момент криптобиоза. Предполагалось, что чужеродная ДНК распадается на части, а попадает в клетку в момент регидратации тихоходки, когда мембрана становится проницаемой. У тихоходок отличные репаративные процессы в клетках, и считалось, что, переходя в активное состояние, организм тихоходки может не только восстанавливать повреждения своей ДНК, но также и встраивать чужеродную ДНК [26].
Опровержения их работе не заставили себя долго ждать. Уже через несколько недель ученые из Эдинбургского университета и Университета Кэйо опубликовали анализ генома Hypsibius dujardin и Ramazzottius varieornatus, в котором опровергли заявление американских ученых об обширном горизонтальном переносе генов [28], [29] (рис. 14). Через некоторое время всех вновь взволновала тема генома Hypsibius dujardini. Сложность изучения этой тихоходки заключалась в том, что она крошечная. Ее тело состоит примерно из 1000 клеток, а размер 220–300 мкм. Была проделана колоссальная работа, и в итоге геном Hypsibius dujardini был получен [12]. Посмотреть сборку генома можно в браузере: ensembl.tardigrades.org. После тщательного анализа было установлено, что в реальной картине число чужеродных генов у тихоходок незначительно — от 0,6 до 1,8% от общего числа генов в геноме этих существ [12]. На этом истории «обширного горизонтального переноса генов» может быть положен конец.
Рисунок 14. «Тихоходка и ее сны»
рисунок автора статьи
Но у тихоходок всегда есть «туз в рукаве» — это доказали японские исследователи, обнаружив два семейства генов, что обычно встречаются у млекопитающих (SOD и MRE11) [30]. SOD кодирует фермент супероксиддисмутазу, отвечающую за детоксикацию и подавление действия свободных радикалов. MRE11 кодирует белок, участвующий в репарации ДНК. Интересной находкой стал белок Dsup (damage suppressor), название которого расшифровывается как «подавитель повреждений». В 2019 году команда американских ученых объяснила устройство белка Dsup [31]. Белок, подобно «теплому одеялу в холодный вечер», обволакивает молекулу ДНК, таким образом защищая ее от разрушительного действия активных форм кислорода, то есть не дает наследственному аппарату окислиться (рис. 15). В структуре белка Dsup были обнаружены интересные области, похожие на те, которые связываются с нуклеосомами HMGN, принимая таким образом участие в регуляции транскрипции, репликации, рекомбинации и репарации ДНК. Встречаются они у хордовых животных. Наличие таких областей в структуре белков беспозвоночных тихоходок — удивительный факт. Исследование белка Dsup важно не только для понимания его работы у тихоходок, он был включен в клетки человека, где тоже защищал ДНК от радиации [31]. Во время выхода в открытый космос организм человека сталкивается с космическим лучами, которые наносят вред здоровью космонавтов, поэтому такой апгрейд был бы, скорее всего, нужен для человеческой цивилизации в случае дальнейшего расселения за пределы планеты Земля.
Рисунок 15. Модель связывания Dsup с нуклеосомой для защиты ДНК от повреждающих агентов
рисунок автора статьи
Tardigradus popularicus spp. среди нас
Просматривая фильмы и мультфильмы, мы часто не задумываемся, кто стал прототипом пришельцев, монстров и многих других героев. Тихоходок можно встретить в фильмах Marvel «Человек-муравей» и «Человек-муравей и Оса», «Звездный путь: Дискавери». Еще, они встречаются в мультсериале «Южный парк», где им посвящен целый эпизод (№2108). В мультсериале «Гриффины» водяные медведи помогают одним из главных героев вернуться из «микромира» в обычный. Аниматоры активно берут тихоходок за основу своих героев, например Травяной медведь из серии «Время приключений», крупные гуманоиды с планеты Тауджир в мультсериале «Вольтрон: легендарный защитник», очень похожи на тихоходку (рис. 16). Также про них снимают научно-популярные фильмы, например во второй серии фильма Нила Деграсс Тайсона «Космос» можно встретить этого восьминогого медведя.
Рисунок 16. Кадры из фильмов и мультсериалов, где встречаются «тихоходки».1 — Мультсериал «Время приключений». 2 — Фильм «Звездный путь: Дискавери». 3 — Фильм «Человек-муравей и Оса». 4 — Мультсериал «Вольтрон: Легендарный защитник».
Рисунок 17а. Ara tardigrade module от Google и Midnight Commercial
Рисунок 17б. Тихоходки как объекты масскультуры:1 — татуировки с тихоходками; 2 — тихоходки-игрушки; 3 – немедицинская маска от benyuart; 4 – кулоны с наземной тихоходкой от производителя TaylorCustom.
Рисунок 18. Ответ службы поддержки PayPal Арчи Макфи и заблокированная продукция «Тихоходки», которую он продает
Нет сомнения, что тихоходки являются одними из самых устойчивых и обсуждаемых существ на планете Земля. Но на сегодняшний день совершенно непонятно, как происходит сохранение работоспособности отдельных органелл, как перезапускаются митохондрии или как в них может сохраняться энергия во время криптобиоза. Тут ученым надо еще разбираться.
