Варете ги, замразявайте ги, смачквайте ги, изсушавайте ги или ги взривявайте в космоса: тардиградите ще оцелеят и ще се върнат за още
Ако отидете в космоса без защита, ще умрете.
Липсата на натиск би принудила въздуха в дробовете ви да се втурне навън. Газовете, разтворени в телесните течности, биха се разширили, изтласквайки кожата и принуждавайки я да се надуе като балон. Тъпанчетата и капилярите ви ще се спукат и кръвта ви ще започне да мехурче и кипи. Дори и да сте оцелели след всичко това, йонизиращото лъчение ще разкъса ДНК в клетките ви. Към щастие, ще бъдете в безсъзнание след 15 секунди.
Как оцеляват тези на пръв поглед незначителни същества при такива екстремни условия?
Но една група животни могат да оцелеят това: мънички същества, наречени tardigrades с дължина около 1 mm. През 2007 г. хиляди тардигради бяха прикрепени към сателит и взривени в космоса. След като спътникът се върна на Земята, учените ги изследваха и установиха, че много от тях са оцелели. Някои от женските дори бяха снесли яйца в космоса и новоизлюпените малки бяха здрави.
Тардиградите могат да оцелеят не само в суровата околна среда на космоса. Малките същества изглеждат умели да живеят в някои от най-суровите райони на Земята. Те са открити на 5546 м (18 196 фута) нагоре в планина в Хималаите, в японски горещи извори, на дъното на океана и в Антарктида. Те могат да издържат на огромни количества радиация, като се нагряват до 150 ° C и са замръзнали почти до абсолютна нула.
Как тези привидно незначителни същества оцеляват в такива екстремни условия и защо са еволюирали тези суперсили? Оказва се, че тардиградите имат множество трикове в ръкавите си, които биха засрамили повечето организми.
Тардиградите на пръв поглед са плашещи. Те имат подгизнали лица с гънки от плът, малко като чудовище на Доктор Кой. Те имат осем крака, със свирепи нокти, наподобяващи тези на големи мечки. Устата им също е сериозно оръжие, с подобни на кама зъби, които могат да копират плячка.
Вкаменелостите на тардиградите са датирани от периода на Камбрия преди повече от 500 милиона години
Но няма нужда да се притеснявате. Тардиградите са едно от най-малките животни в природата. Те никога не са по-дълги от 1,5 мм и могат да се видят само с микроскоп. Те са известни като "водни мечки".
Известни са 900 вида. Повечето се хранят, като смучат соковете от мъх, лишеи и водорасли. Други са месоядни животни и дори могат да плячкат на други тардигради.
Те са наистина древни. Вкаменелостите на тардиградите са датирани от периода на Камбрия преди повече от 500 милиона години, когато се развиват първите сложни животни. И откакто са открити, е ясно, че те са специални.
Тардиградите са открити през 1773 г. от немски пастор на име Йохан Август Ефрем Гьозе. Три години по-късно италианският духовник и учен Лацаро Спаланцани открива, че имат суперсили.
Спаланцани добави вода към утайката от дъждовна канавка и погледна под микроскоп. Той откри стотици малки същества с форма на мечка, които плуваха наоколо. В книгата си „Opuscoli di Fisica Animale, e Vegetabile“, той ги нарече „il Tardigrado“, което означава „бавно стъпка“, защото те се движеха толкова бавно.
През 1995 г. изсушените тардигради бяха върнати към живот след 8 години
Всъщност това не беше за първи път. Още през 1702 г. холандският учен Антон ван Левенхук изпраща писмо до Кралското общество в Лондон, озаглавено „За някои животни, открити в утайката в улуците по покривите на къщите“. Взе сух, очевидно безжизнен прах от улука и добави вода. С помощта на собствения си микроскоп, Leeuwenhoek установява, че в рамките на един час много малки "животни" се активират и започват да плуват и пълзят наоколо.
Тези животни бяха въртеливи, малки водни същества, които изглеждат така, сякаш имат колела на главите си. Привидно биха могли да оцелеят месеци без вода.
Въпреки това, тардиградите могат да оцелеят без него в продължение на десетилетия. През 1948 г. италианският зоолог Тина Франчески заяви, че тардиградите, открити в изсушен мъх от музейни образци на възраст над 120 години, могат да бъдат реанимирани. След като рехидратира тардиграда, тя наблюдава как един от предните му крака се движи.
Тази констатация никога не е била повторена. Но не изглежда невъзможно. През 1995 г. изсушените тардигради бяха върнати към живот след 8 години.
За повечето животни животът без вода е напълно невъзможен.
„Когато една типична клетка изсъхне, нейните мембрани се разкъсват и изтичат, а протеините й се разгъват и агрегират заедно, правейки ги безполезни“, казва изследователят на екстремофилите Томас Бутби от Университета на Северна Каролина в Чапъл Хил. "ДНК също ще започне да се фрагментира, колкото по-дълго е суха."
Тардиградата се извива в суха обвивка
По някакъв начин тардиградите избягват всичко това. „Тъй като водните мечки могат да оцелеят при изсушаване, те трябва да имат трикове за предотвратяване или отстраняване на щетите, от които клетките като нашата биха умрели“, казва Бутби.
Как го правят? Едно от ключовите открития е направено през 1922 г. с любезното съдействие на немски учен на име Х. Бауман. Той открил, че когато изсъхне калдиграда, той прибира главата и осемте си крака. След това влиза в дълбоко състояние на спряна анимация, която много прилича на смъртта.
Изливайки почти цялата вода в тялото си, тардиградата се извива в суха обвивка. Бауман нарича това "Tönnchenform", но сега е широко известно като "tun". Метаболизмът му се забавя до 0,01% от нормалната скорост. Той може да остане в това състояние в продължение на десетилетия, само реанимиращ, когато влезе в контакт с вода.
Освен тардигради, някои нематодни червеи, дрожди и бактерии също могат да оцелеят при изсушаване. Те правят това, като правят много от определена захар, наречена трехалоза. Тази захар образува подобно на стъкло състояние в техните клетки, което стабилизира ключови компоненти, като протеини и мембрани, които иначе биха били унищожени.
Тардиградите могат да имат уникални трикове за оцеляване при изсъхване
Трехалозата може също така да се увие около всички останали водни молекули, като ги спира бързо да се разширява, ако температурата се повиши. Бързо разширяващите се водни молекули са опасни, защото могат да разрушат клетките, което може да бъде фатално.
Може да очаквате, че тардиградите ще използват този трик, за да оцелеят при сушенето, но според Boothby само някои видове изглежда произвеждат трехалоза. "Изглежда, че някои видове не съдържат трехалоза или я правят на толкова ниски нива, че захарта да не може да се открие", казва той.
"Това предполага, че тардиградите могат да имат уникални трикове за оцеляване при изсъхване", казва Бутби. "Знаем, че когато започват да изсъхват, тардиградите правят протектори, които им позволяват да оцелеят, ставайки напълно сухи. Но какви точно са тези протектори, все още е загадка."
Когато тардиградите започнат да изсъхват, те изглежда произвеждат много антиоксиданти. Това са химикали, като витамини С и Е, които попиват опасно реактивните химикали. Това може да изтрие вредните химикали в клетките на тардиградите.
Състоянието tun е ключово за способността на tardigrades да се справят с изсъхването
Tardigrades са изправени пред особена заплаха от "реактивни кислородни видове". Тези вещества се произвеждат като странични продукти от нормалната клетъчна функция, но могат да разградят основните компоненти на клетката, включително нейната ДНК. Животните, изложени на стрес от околната среда, често имат много от тях, които се носят наоколо.
Антиоксидантите могат да обяснят една от най-добрите способности на тардиградите. Ако тардиградът остане в сухо състояние в състояние на дълго време, неговата ДНК се поврежда. Но след като се събуди, той е в състояние бързо да го поправи.
Ясно е, че състоянието tun е ключово за способността на tardigrades да се справят с изсъхването. Но много преди Бауман да го открие, тардиградите бяха разкрили други суперсили.
Като за начало изглежда, че не ги интересува каква е температурата. През 1842 г. френски учен на име Doyère показа, че почва в неговото състояние може да оцелее, като се нагрява до температури от 125 ° C в продължение на няколко минути. През 20-те години на миналия век монарх-бенедиктинец на име Гилберт Франц Рам върна тардиградите към живот, след като ги нагрее до 151 ° C за 15 минути.
Рам също ги тества на студ. Той ги потапя в течен въздух при -200 ° C за 21 месеца, в течен азот при -253 ° C за 26 часа и в течен хелий при -272 ° C за 8 часа. Впоследствие тардиградите оживяват веднага щом влязат в контакт с вода.
Сега знаем, че някои таригради могат да понасят замразяване до -272,8 ° C, малко над абсолютната нула. За да се постави това в перспектива, най-ниската температура, регистрирана някога на Земята, беше спокойната -89,2 ° C в централна Антарктида през 1983 г. Тардиградите се справиха със силен студ, който не се среща естествено и трябва да бъде създаден в лабораторията, при която идват атомите до виртуално застой.
Най-голямата опасност от изпадане в студа е ледът. Ако в клетките им се образуват ледени кристали, те могат да разкъсат важни молекули като ДНК.
Тардиградите всъщност могат да понасят образуването на лед в клетките си
Някои животни, включително някои риби, произвеждат антифризни протеини, които понижават точката на замръзване на клетките си, като гарантират, че не се образува лед. Но тези протеини не са открити в тардигради.
Вместо това изглежда, че тардиградите всъщност могат да толерират образуването на лед в клетките си. Или те могат да се предпазят от щетите, причинени от ледени кристали, или могат да ги поправят.
Тардиградите могат да произвеждат химикали, наречени ледообразуващи агенти. Те насърчават ледените кристали да се образуват извън техните клетки, а не вътре, защитавайки жизненоважните молекули. Трехалозната захар може също да защити тези, които я произвеждат, тъй като предотвратява образуването на големи ледени кристали, които биха пробили клетъчните мембрани.
Но докато имаме известна представа за това как тардиградите се справят със студа, ние нямаме представа как се справят с топлината. При парещи температури като 150 ° C, протеините и клетъчните мембрани трябва да се разнищят и химическите реакции, които поддържат живота, престават да се случват.
Най-устойчивите на топлина организми са бактерии, които живеят около краищата на хидротермалните отвори в дълбоките води. Те все още могат да растат при 122 ° C. Ако трябва да се вярва на Рам, тардиградите могат да оцелеят дори при по-високи температури.
Много животни, които са еволюирали да живеят на горещи места, като горещи извори и изгарящи пустини, произвеждат химикали, наречени протеини от топлинен шок. Те действат като шаперони за протеини в клетките, като им помагат да запазят формата си. Те също така възстановяват увредените от топлината протеини.
Всичко това е добре и добре, но няма категорични доказателства, че тардиградите произвеждат тези химикали. Фактор за другите неща, които те могат да оцелеят, и картината става още по-объркваща.
През 1964 г. учените излагат тардиградите на смъртоносни дози рентгенови лъчи и установяват, че те могат да оцелеят. По-късни експерименти показаха, че могат да се справят и с прекомерно количество алфа, гама и ултравиолетово лъчение - дори и да не са в състояние на настройка.
Радиацията беше една от най-големите заплахи, изправени пред тарсиградите, изпратени в космоса през 2007 г. Изложените на по-високи нива на радиация се справяха по-зле от защитените, но смъртността не беше 100%.
Те също така могат да се справят с екстремен натиск, който би смачкал повечето животни, според проучване, публикувано през 1998 г. от Кунихиро Секи и Масато Тойошима от университета Канагава в Хирацука, Япония. Те откриха, че тардиградите в държавата tun могат да преживеят налягане от 600 мегапаскала (MPa).
При тези смазващи налягания протеините и ДНК се разкъсват
Това е извън всичко, което биха могли да срещнат в природата. Най-дълбоката част на морето е Challenger Deep в Марианската падина в Тихия океан, която слиза надолу с 10,994 m. Там налягането на водата е около 100 MPa. По някакъв начин тардиградите оцеляха шест пъти повече от това.
При тези смазващи налягания протеините и ДНК се разкъсват. Клетъчните мембрани, които са съставени от мазнини, стават твърди като масло в хладилник. Повечето микроорганизми спират да се метаболизират при 30 MPa и бактериите не могат да оцелеят много над 300 MPa.
Голямото разнообразие от стресови фактори, които тардиградите могат да оцелеят, е почти шеметно. Но може би обяснението е изненадващо просто.
Екстремната топлина и студ, радиацията и високото налягане имат едно общо нещо: те увреждат ДНК и други части от клетките на тардиградите. Топлината и студът карат протеините да се разгъват, да се слепват и да спират да работят. Радиацията разкъсва ДНК и други жизненоважни молекули. Високото налягане втвърдява мастните мембрани около клетките.
Така че, ако всички стресови фактори причиняват подобни проблеми, може би тардиградите се нуждаят само от шепа трикове, за да ги оцелеят. „Никой не знае със сигурност“, казва Бутби. Но „със сигурност има някои добри причини да мислим, че припокриващи се стратегии могат да бъдат използвани за справяне с някои от тези крайности“.
Замразяването на тардиграда и изсушаването му причиняват един и същ проблем
Например, изсушаването и излагането на радиация увреждат ДНК на тардиградите. „Така че би имало смисъл да се подобри реакцията на тези две състояния по подобен начин“, казва Бутби: като произвежда антиоксиданти и възстановява увредената ДНК.
Ако това е вярно, устойчивостта на радиацията на тарсиградите е щастлив инцидент: страничен ефект от тяхната адаптация към внезапна суша. По същия начин замразяването на тардиграда и изсушаването му причиняват един и същ проблем: няма достатъчно течна вода в клетките на животното.
Колкото и да е странно, състоянието tun, техният най-известен трик, е и най-малко гъвкавият. "Тардиградите могат да оцелеят при замръзване, радиация и условия с ниско съдържание на кислород, без да образуват тун", казва Бутби. "Така че състоянието на туна вероятно е специфична адаптация за справяне или забавяне на загубата на вода." Това обаче също им позволява да оцелеят при екстремен натиск.
Тази идея, че тардиградите използват само един или два трика за оцеляване, може да помогне да се обясни другият голям въпрос за тях: защо се притесняват?
Те са се развили, за да се справят с толкова екстремна среда, че дори не съществуват на Земята
За разлика от бактериите, които живеят в кипящи горещи извори или други екстремни места, повечето тардигради живеят на относително незабележими места. Те са склонни да живеят във или близо до вода и няма нищо, което да се харесва повече от един добър мъх и лишеи. Животът им дори не е толкова вълнуващ: докато повечето същества с техния размер се стрелят неистово, тардиградите са мудни.
И все пак въпреки доста отегчителния си начин на живот, те са се развили, за да се справят с толкова екстремна среда, че дори не съществуват на Земята.
Или по-скоро някои от тях имат. Най-старата и най-примитивна група тардигради, Arthrotardigrada, не може да оцелее в екстремни условия или да спре метаболизма си. Тези по-уязвими същества дават представа защо другите тардигради са станали толкова трудни.
Arthrotardigrada живеят само в океана. Единствено обитаващите сушата и сладководни видове притежават изключителни умения за оцеляване. Това предполага, че напускането на океана е ключът.
Днес те могат да бъдат намерени на някои от най-сухите места на Земята
„Една от причините, поради които морските тарсигради не са толкова добри в оцеляването на крайности, е, че те просто не трябва да бъдат“, казва Бутби. "Океаните са толкова големи, че не претърпяват бързи промени в температурата или солеността и със сигурност не изсъхват за една нощ."
За разлика от това земята е опасно променлива. Тардиградите се нуждаят от тънък слой вода около телата си, за да дишат, да ядат, да се чифтосват и да се движат. Но в много части на земята сушата е риск. "Тардиградите, които живеят по тези места, трябва да могат да се справят, когато средата им внезапно се промени", казва Бутби.
Така че има смисъл, че обитаващите земя тардигради ще развият начин за оцеляване, внезапно изсъхнали. Беше въпрос на оцеляване. Нещо повече, щом са го получили, земните тардигради могат да използват нови местообитания. Днес те могат да бъдат намерени на някои от най-сухите места на Земята, където други животни не могат да оцелеят.
Но тази идея просто повдига друг въпрос. Ако способността да оцелеят от изсъхването е толкова полезна за сухоземните животни, защо не го направят всички? Защо жабите, дъждовните червеи и хората не развиват същите способности?
По същия начин, защо другите животни не могат да преживеят топлината, студа и радиацията, които могат да се забавят? Може би въпросът не е защо тардиградите са толкова трудни, а защо другите животни са толкова уязвими.
Влизането в държавата tun е рисковано решение
„Вероятно има няколко причини, поради които повече животни и растения не са развили способностите на тардиградите“, казва Бутби. "Много животни вероятно просто не се нуждаят. Те или не живеят в среда, която може бързо да изсъхне, или могат да разработят начини да избегнат изсъхването, като камилата."
Но освен това със сигурност има разходи за способностите на тардиградите - разходи, които другите животни са избягвали да плащат. По-конкретно влизането в държавата tun е рисковано решение.
„Когато тардиградът напълно изсъхне, той става неактивен и не може активно да избягва опасностите в заобикалящата го среда“, казва Бутби. Неактивен тардиград може да не умре от жажда, но може да се изяде. „Знаем, че много толерантни към изсушаване организми трябва да произвеждат ксенопротектори: молекули, които предпазват бактериите и гъбичките от тяхното основно ядене, докато са в неактивно състояние“.
Може да се окаже, че ставането на твърдост като изкачване не би се отплатило за други животни. Но им е проработило. Те са на 500 милиона години и живеят по цялата планета, така че няма да отидат никъде.