A Tardigrades visszatér a halálból

Forraljuk, mélyhűtjük, összetörjük, kiszárítjuk vagy az űrbe robbantjuk: a tardigrádok túl fogják élni az egészet, és visszajönnek még

halálból

Ha védelem nélkül mész a világűrbe, meghalsz.

A nyomás hiánya miatt a tüdejében lévő levegő kiszorulna. A testnedveiben oldott gázok kitágulnak, szétfeszítik a bőrt, és arra kényszerítik, hogy léggömbként felfújódjanak. A dobhártyád és a hajszálerek elszakadnak, a véred elkezdett buborékolni és forrni. Még ha mindezt túl is élte, az ionizáló sugárzás széthasítja a sejtjeiben lévő DNS-t. Irgalmas módon ön 15 perc múlva eszméletlen lenne.

Hogyan maradhatnak életben ezek a jelentéktelennek tűnő lények ilyen extrém körülmények között?

De az állatok egy csoportja túl tudja élni ezt: apró lények, amelyeket körülbelül 1 mm hosszú tardigrádnak neveznek. 2007-ben több tardigrádot csatoltak egy műholdhoz és robbantottak az űrbe. Miután a műhold visszatért a Földre, a tudósok megvizsgálták őket, és megállapították, hogy közülük sokan életben maradtak. A nőstények egy része még petét is rakott az űrbe, az újonnan kikelt fiatalok egészségesek voltak.

A tardigrádok nemcsak a világűr zord környezetében képesek túlélni. Úgy tűnik, hogy a kis fickók ügyesek a Föld néhány legkeményebb régiójában. 5546 méterrel (18,196 láb) fedezték fel őket a Himalájában egy hegyen, japán meleg forrásokban, az óceán fenekén és az Antarktiszon. Hatalmas sugárzást képesek ellenállni, 150 ° C-ra melegítve és szinte abszolút nulláig fagyva.

Hogyan tudnak túlélni ezek a jelentéktelennek tűnő lények ilyen szélsőséges körülmények között, és miért fejlesztették ezeket a nagyhatalmakat? Kiderült, hogy a tardigrádok számos trükköt hordoznak az ujjaikon, ami a legtöbb szervezetet megszégyenítené.

A tardigrádok első pillantásra félelmetesek. Dagadó arcuk van húsráncokkal, kicsit olyan, mint egy Doctor Who szörnyeteg. Nyolc lábuk van, fergeteges karmokkal, amelyek hasonlítanak a nagy medvékéhez. Szájuk szintén komoly fegyver, tőrszerű fogakkal, amelyek lándzsát teremthetnek.

A tardigrádok kövületei több mint 500 millió évvel ezelőtt keltek a kambriumi időszakra

De nem kell aggódni. A tardigrádok a természet egyik legkisebb állata. Soha nem hosszabbak 1,5 mm-nél, és csak mikroszkóppal láthatók. "Vízmedvéknek" nevezik őket.

900 ismert faj létezik. A legtöbben a moha, a zuzmó és az algák levének szívásával táplálkoznak. Mások húsevők, sőt más tardigrádokat is képesek zsákmányolni.

Valóban ősiek. A tardigrádok kövületei több mint 500 millió évvel ezelőtt a kambriumi időszakra datálódtak, amikor az első komplex állatok fejlődtek. Amióta felfedezték őket, egyértelmű, hogy különlegesek.

Tardigrade-eket fedezett fel 1773-ban egy Johann August Ephraim Goeze nevű német lelkész. Három évvel később az olasz lelkész és tudós, Lazzaro Spallanzani felfedezte, hogy szuperhatalmuk van.

Spallanzani vizet adott az esővízcsatornából származó üledékhez, és mikroszkóp alatt nézett. Több száz apró medve alakú lényt úszott körül. "Opuscoli di Fisica Animale, e Vegetabile" című könyvében "il Tardigrado" -nak, azaz "lassú léptetőnek" nevezte el őket, mert olyan lassan mozogtak.

1995-ben a szárított tardigrádákat 8 év után újra életre hívták

Igazság szerint ez nem volt első. Még 1702-ben Anton van Leeuwenhoek holland tudós levelet küldött a londoni Királyi Társaságnak "A ház tetején az ereszcsatornában lévő üledékben talált egyes állatkamrákról" címmel. Száraz, látszólag élettelen port vett le az ereszcsatornából, és vizet adott hozzá. Leeuwenhoek saját fejlesztésű mikroszkóppal azt találta, hogy egy órán belül sok kicsi "állatcula" aktivizálódott, úszni és mászkálni kezdett.

Ezek az állatok rotifersek voltak, apró vízi lények, amelyek úgy néznek ki, mintha kerekek lennének a fejükön. Látszólag hónapokig képesek túlélni víz nélkül.

A tardigrádok azonban évtizedekig képesek túlélni anélkül. 1948-ban Tina Franceschi olasz zoológus azt állította, hogy a 120 évesnél régebbi múzeumi mintákból szárított mohában talált tardigrádok újraéleszthetők. Miután egy tardigrádot hidratált, megfigyelte, hogy az egyik első lába mozog.

Ezt a megállapítást soha nem sikerült megismételni. De nem tűnik lehetetlennek. 1995-ben a szárított tardigrádákat 8 év után újra életre hívták.

A legtöbb állat számára a víz nélküli élet teljesen lehetetlen.

"Amikor egy tipikus sejt kiszárad, membránjai megrepednek és szivárognak, fehérjéi pedig kibontakoznak és aggregálódnak, haszontalanná téve őket" - mondja Thomas Boothby, az extrémofil kutató, az észak-karolinai egyetem Chapel Hill-ből. "A DNS is töredezni kezd, minél tovább száraz."

A tardigrade száraz héjra görbül

Valahogy a tardigrádok elkerülik mindezt. "Mivel a vízi medvék túlélhetik a száradást, trükkökkel kell rendelkezniük, hogy megakadályozzák vagy helyrehozzák azokat a károkat, amelyekbe a miénkhez hasonló sejtek elpusztulnak" - mondja Boothby.

Hogyan csinálják? Az egyik legfontosabb felfedezés 1922-ben történt, egy H. Baumann nevű német tudós jóvoltából. Megállapította, hogy amikor egy tardigrád kiszárad, visszahúzza a fejét és a nyolc lábát. Ezután a felfüggesztett animáció mély állapotába kerül, amely nagyon hasonlít a halálra.

A tardigrád a testében szinte az összes vizet kibocsátva száraz héjgá gömbölyödik. Baumann ezt "Tönnchenform" -nak nevezte, de ma már "tun" -nak hívják. Metabolizmusa a normál sebesség 0,01% -ára lelassul. Évtizedekig maradhat ebben az állapotban, csak akkor ébred újra, ha vízzel érintkezik.

A tardigrádok mellett néhány fonálféreg, élesztő és baktérium is képes túlélni a kiszáradást. Ezt úgy teszik, hogy sok különös cukrot állítanak elő, amelyet trehalóznak hívnak. Ez a cukor üvegszerű állapotot képez a sejtjeikben, amely stabilizálja a kulcsfontosságú komponenseket, például a fehérjéket és a membránokat, amelyek egyébként megsemmisülnének.

A Tardigrades-nek egyedi trükkjei lehetnek a kiszáradás túlélésére

A trehalóz a maradék vízmolekulák köré is tekerheti magát, megakadályozva azok gyors tágulását, ha a hőmérséklet emelkedik. A gyorsan táguló vízmolekulák veszélyesek, mert felszakíthatják a sejteket, ami végzetes lehet.

Arra számíthat, hogy a tardigrádok ezt a trükköt használják a szárítás túlélésére, de Boothby szerint úgy tűnik, hogy csak egyes fajok termelnek trehalózt. "Úgy tűnik, hogy egyes fajok nem tartalmaznak trehalózt, vagy olyan alacsony szintre teszik, hogy a cukor nem mutatható ki" - mondja.

"Ez arra utal, hogy a tardigrádoknak egyedülálló trükkök lehetnek a kiszáradás túlélésére" - mondja Boothby. "Tudjuk, hogy amint kiszáradni kezdenek, a tardigrádok olyan védőanyagokat hoznak létre, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy túléljék a teljes szárazságot. De hogy pontosan mik is ezek a védőanyagok, az még rejtély.

Amikor a tardigrádák kiszáradni kezdenek, úgy tűnik, sok antioxidánst termelnek. Ezek olyan vegyi anyagok, mint a C- és E-vitamin, amelyek veszedelmesen reaktív vegyi anyagokat szívnak fel. Ez káros vegyi anyagokat képes felmosni a tardigrades sejtjeiben.

A tun állapot kulcsfontosságú a tardigrádok képességében, hogy megbirkózzanak a kiszáradással

A tardigrádok különös veszélyt jelentenek a "reaktív oxigénfajok" miatt. Ezeket az anyagokat a normális sejtműködés melléktermékeiként állítják elő, de lebonthatják a sejt fő összetevőit, beleértve annak DNS-ét is. A környezeti stressznek kitett állatokban sokan lebegnek.

Az antioxidánsok megmagyarázhatják a tardigrádok egyik legszebb képességét. Ha egy tardigrád hosszú ideig száraz tuning állapotban marad, akkor a DNS károsodik. De miután újra felébred, képes gyorsan kijavítani.

Nyilvánvaló, hogy a tun állapot kulcsfontosságú a tardigrádok képességében, hogy megbirkózzanak a kiszáradással. De jóval azelőtt, hogy Baumann felfedezte volna, a tardigrádok más nagyhatalmakat tártak fel.

Kezdetnek úgy tűnik, hogy nem érdekli őket, hogy milyen hőmérsékletű. 1842-ben egy Doyère nevű francia tudós kimutatta, hogy a tardigrád tuning állapotában túlélheti, ha néhány percig 125 ° C hőmérsékletre melegítik. Az 1920-as években egy Gilbert Franz Rahm nevű bencés fráter életre hívta a tardigrádokat, miután 15 percig 151 ° C-ra hevítették őket.

Rahm a hidegben is tesztelte őket. 21 hónapig folyékony levegőben -200 ° C-on, folyékony nitrogénben -253 ° C-on 26 órán át, és folyékony héliumban -272 ° C-on 8 órán át merítette őket. Ezután a tardigrádok életre kelnek, amint vízzel érintkeznek.

Ma már tudjuk, hogy egyes tardigrádok elviselik, hogy -272,8 ° C-ra fagynak, éppen az abszolút nulla fölé. Ennek szemszögéből nézve a Földön valaha regisztrált legalacsonyabb hőmérséklet 1983-ban az Antarktisz középső részén egy -89,2 ° C volt. virtuális álló helyzetbe.

A hidegben a tardigrád legnagyobb veszélye a jég. Ha jégkristályok képződnek sejtjeik belsejében, szétszakíthatják a kulcsfontosságú molekulákat, mint a DNS.

A tardigrádok valóban elviselik a jégképződést sejtjeikben

Néhány állat, köztük néhány hal, fagyálló fehérjéket állít elő, amelyek csökkentik sejtjeik fagyáspontját, biztosítva, hogy jég ne képződjön. De ezeket a fehérjéket nem találták a tardigrádokban.

Ehelyett úgy tűnik, hogy a tardigrádok képesek elviselni a sejtekben a jég képződését. Vagy meg tudják védeni magukat a jégkristályok okozta károktól, vagy meg tudják javítani.

A Tardigrades jégmagképző anyagoknak nevezett vegyi anyagokat állíthat elő. Ezek arra ösztönzik a jégkristályokat, hogy sejtjeiken kívül képződjenek, nem pedig belül, védve a létfontosságú molekulákat. A trehalózcukor megvédheti azokat is, akik előállítják, mivel megakadályozza a jégkristályok képződését, amelyek átlyukasztják a sejtmembránokat.

De bár van némi elképzelésünk arról, hogy a tardigrádok miként képesek megbirkózni a hideggel, fogalmunk sincs, hogyan bírják a hőt. Olyan perzselő hőmérsékleten, mint 150 ° C, a fehérjéknek és a sejtmembránoknak meg kell oldódniuk, és az életet fenntartó kémiai reakciók megszűnnek.

Az ismert legtűrőbb organizmusok azok a baktériumok, amelyek a mélytengeri hidrotermikus szellőzőnyílások szélén élnek. 122 ° C-on még növekedhetnek. Ha Rahmnak hinni lehet, a tardigrádok még magasabb hőmérsékleteket is túlélhetnek.

Sok olyan állat, amely forró helyeken fejlődött, mint például a forró források és a perzselő sivatagok, hősokk-fehérjéknek nevezett vegyi anyagokat termel. Ezek a sejtek belsejében lévő fehérjék chaperonjaiként segítenek megőrizni alakjukat. Javítják a hő által károsított fehérjéket is.

Ez minden jó és jó, de nincs meggyőző bizonyíték arra, hogy a tardigrádok termelnék ezeket a vegyszereket. Tényez a többi dologban, amit túl tudnak élni, és a kép még zavaróbbá válik.

1964-ben a tudósok a tardigrádokat halálos dózisú röntgensugárzásnak tették ki, és megállapították, hogy életben maradhatnak. Későbbi kísérletek azt mutatták, hogy képesek megbirkózni a túlzott mennyiségű alfa-, gamma- és ultraibolya sugárzással - még akkor is, ha nincsenek hang állapotban.

A sugárzás jelentette az egyik legnagyobb fenyegetést a 2007-ben az űrbe küldött tardigrádokkal szemben. A magasabb sugárzásnak kitett személyek rosszabbul jártak, mint a védettek, de a halálozási arány nem.

Kunihiro Seki és Masato Toyoshima, a japán Hiratsuka Kanagawa Egyetem 1998-ban közzétett tanulmánya szerint képesek megbirkózni olyan extrém nyomásokkal is, amelyek a legtöbb állatot laposan összenyomják. Megállapították, hogy a tardigrádok a tun állapotban túlélhetik a 600 megapascál (MPa) nyomást.

Ezeknél a zúzási nyomásoknál a fehérjék és a DNS szétszakad

Ez meghaladja mindazt, amivel a természetben találkozhatnak. A tenger legmélyebb része a Csendes-óceánon található Mariana-árokban található Challenger-mélység, amely 10,994 m-rel megy le. Ott a víznyomás 100 MPa körül van. Valahogy a tardigrádok ennek hatszorosát élték túl.

Ezeknél a zúzási nyomásoknál a fehérjék és a DNS szétszakad. A zsírból álló sejtmembránok szilárdakká válnak, mint a vaj a hűtőszekrényben. A legtöbb mikroorganizmus 30 MPa-nál abbahagyja az anyagcserét, és a baktériumok nem tudnak túlélni 300 MPa-nál többet.

Az a sokféle stressz, amelyet a tardigrádok képesek túlélni, szinte szédítő. De lehet, hogy a magyarázat meglepően egyszerű.

A rendkívüli hőnek és hidegnek, sugárzásnak és nagy nyomásnak egy közös vonása van: károsítják a DNS-t és a tardigrád sejtjeinek más bitjeit. A hő és a hideg mind a fehérjék kibontakozását, összetapadását és működésének leállítását okozza. A sugárzás felszakítja a DNS-t és más fontos molekulákat. A magas nyomás megszilárdítja a sejtek körüli zsírmembránokat.

Tehát, ha az összes stresszor hasonló problémákat okoz, akkor a tardigrádoknak csak néhány trükkre van szükségük, hogy túléljék őket. "Senki sem tudja biztosan" - mondja Boothby. De "bizonyára van néhány jó ok arra a gondolatra, hogy átfedő stratégiák alkalmazhatók e szélsőségek némelyikének kezelésére".

A tardigrád fagyasztása és kiszárítása ugyanazt a problémát okozza

Például a kiszáradás és a sugárzásnak való kitettség egyaránt károsítja a tardigrádok DNS-ét. "Tehát lenne értelme, hogy a tardigrádok hasonló módon reagálnak erre a két állapotra" - mondja Boothby: antioxidánsok előállításával és a sérült DNS helyreállításával.

Ha ez igaz, a tardigrádok sugárzással szembeni ellenállása boldog baleset: a hirtelen szárazsághoz való alkalmazkodásuk mellékhatása. Hasonlóképpen a tardigrád fagyasztása és kiszárítása is ugyanazt a problémát okozza: nincs elegendő folyékony víz az állat sejtjeiben.

Furcsa módon a tun állapot, a leghíresebb trükkjük is a legkevésbé sokoldalú. "A tardigrádok túlélhetik a fagyást, a sugárzást és az alacsony oxigéntartalmú körülményeket anélkül, hogy tuningot képeznének" - mondja Boothby. "Tehát a tun állapot valószínűleg egy speciális adaptáció a vízveszteség kezelésére vagy lassítására." Ez azonban lehetővé teszi számukra a rendkívüli nyomás túlélését is.

Ez az ötlet, miszerint a tardigrádok csak egy vagy két túlélési trükköt alkalmaznak, segíthet megmagyarázni a velük kapcsolatos másik nagy kérdést: miért zavarják?

Úgy fejlődtek, hogy megbirkózzanak olyan szélsőséges környezetekkel, hogy a Földön nem is léteznek

A forrásban lévő forrásokban vagy más szélsőséges helyeken élő baktériumokkal ellentétben a legtöbb tardigrád viszonylag figyelemre méltó helyeken él. Hajlamosak a vízben vagy a víz közelében élni, és a tardigrádnak semmi sem tetszik jobban, mint egy jó darab moha és zuzmó. Életük nem is olyan izgalmas: míg a legtöbb teremtmény eszeveszetten döcög, a tardigrádok lassúak.

Mégis meglehetősen fárasztó életmódjuk ellenére úgy fejlődtek, hogy megbirkózzanak olyan szélsőséges környezettel, hogy a Földön még csak nem is.

Vagy inkább néhányuknak van. A tardigrádok legősibb és legprimitívebb csoportja, az Arthrotardigrada nem képes túlélni az extrém körülményeket, és nem függesztheti fel anyagcseréjüket. Ezek a kiszolgáltatottabb lények adnak utalást arra, hogy a többi tardigrád miért lett ilyen kemény.

Az Arthrotardigrada csak az óceánban él. Csak a szárazföldi és az édesvízi fajok rendelkeznek rendkívüli túlélési képességekkel. Ez arra utal, hogy az óceán elhagyása volt a kulcs.

Ma a Föld legszárazabb helyein találhatók

"Az egyik oka annak, hogy a tengeri tardigrádák nem olyan jól képesek túlélni a szélsőségeket, az, hogy egyszerűen nem kell" - mondja Boothby. "Az óceánok olyan nagyok, hogy nem mennek keresztül gyorsan a hőmérséklet vagy a sótartalom változásain, és bizony nem száradnak egyik napról a másikra."

Ezzel szemben a föld veszélyesen megváltoztatható. A tardigrádoknak vékony vízrétegre van szükségük testük körül, hogy lélegezhessenek, étkezhessenek, párosodjanak és mozoghassanak. De a föld számos részén az aszály veszélyt jelent. "Az ezeken a helyeken élő tardigrádoknak képesnek kell lenniük megbirkózni a környezetük hirtelen megváltozásával" - mondja Boothby.

Tehát van értelme, hogy a szárazföldi tardigrádok kifejlesztenék a túlélés módját, hirtelen kiszáradva. Ez a túlélés kérdése volt. Ráadásul, ha ez megvan, a szárazföldi tardigrádok új élőhelyeket használhatnak ki. Ma a Föld legszárazabb helyein találhatók, ahol más állatok nem tudnak életben maradni.

De ez az ötlet csak egy újabb kérdést vet fel. Ha a szárazföldön élő állatok számára hasznos a kiszáradás, miért nem teszik mindannyian? Miért nem alakult ki ugyanaz a képesség a békákban, a földigilisztákban és az emberekben?

Hasonlóképpen, miért nem tudják más állatok túlélni a hőséget, a hideget és a sugárzást, amelyet a tardigrádok képesek megélni? Talán nem az a kérdés, hogy miért ilyen kemények a tardigrádok, hanem az, hogy miért más állatok ilyen sebezhetőek.

A tun állapotba kerülés kockázatos döntés

"Valószínűleg számos oka van annak, hogy több állat és növény nem fejlesztette a tardigrád képességeit" - mondja Boothby. "Sok állatnak valószínűleg nincs rá szüksége. Vagy nem olyan környezetben él, amely gyorsan kiszáradhat, vagy kifejlesztheti a kiszáradás elkerülésének módjait, például a teve."

De ezen túl biztosan vannak költségei a tardigrád képességeinek - ezeket a költségeket más állatok elkerülik. Különösen a tun állapotba kerülés kockázatos döntés.

"Amikor a tardigrád teljesen kiszárad, inaktívvá válik, és képtelen aktívan elkerülni a környezetében rejlő veszélyeket" - mondja Boothby. Egy inaktív tardigrád nem halhat meg szomjúságban, de meg lehet enni. "Tudjuk, hogy sok kiszáradás-toleráns organizmusnak kell xenoprotektort készítenie: olyan molekulák, amelyek megakadályozzák, hogy a baktériumok és gombák inaktív állapotukban alapvetően ne egyék meg őket."

Előfordulhat, hogy ha olyan kemény lesz, mint egy tardigrade, az más állatok számára nem térül meg. De nekik bevált. 500 millió évesek és az egész bolygón élnek, így nem mennek sehova.