Моторошні істоти, що переживуть нас усіх: чого люди можуть в них навчитися

Запікайте їх, заморожуйте, стріляйте з гармати або відправляйте в космос: тихоходки можуть вижити майже в усьому. Деякі експерти навіть вважають, що ця восьминога мікротварина може пережити всі інші види на Землі, включно із людьми, і дожити аж до самої смерті Сонця.

Якби ви вирушили у відкритий космос без захисту, ви б загинули. Однак крихітна тварина завдовжки не більше 1 мм – розміром приблизно з головку шпильки – пережила це та навіть більше. Під мікроскопом тихоходки, також відомі як водяні ведмеді або мохові поросята, – це страшні на вигляд істоти. Їхні пухкі деформовані мордочки, люті кігті та зуби, схожі на кинджали, роблять їх більше схожими на монстра з "Доктора Хто", ніж на тварину.

Зараз вчені намагаються використати їхні надздібності для наших власних потреб – від захисту онкохворих від шкідливої ​​променевої терапії до збереження їжі та ліків під час тривалих досліджень у глибокому космосі.

Наразі вчені визначили близько 1500 видів тихоходок. Хоча вони тісно пов'язані з членистоногими, до яких належать комахи та ракоподібні, вчені ще не визначили, як класифікувати цих істот у тваринному світі.

Тихоходкам подобається ховатися у вологих середовищах, де багато моху, лишайників та листя. Ви можете знайти їх навіть у своєму саду. Але вони також відомі тим, що здатні виживати у вкрай негостинних місцях. Їх знаходили в Гімалаях, на дні океану, в Антарктиді та навіть у дуже кислих японських гарячих джерелах, хоча це відкриття ще не було підтверджено.

Тихоходки можуть жити не лише в суворих умовах на Землі. У 2007 році ці створіння стали першими відомими тваринами, які вижили після того, як їх відправили в космос.

Коли супутник, на якому вони летіли, повернувся на Землю, вчені виявили, що багато хто, хоч і не всі, вижили. Деякі самиці навіть відклали яйця в космосі, а їхні щойно вилуплені дитинчата були здоровими.

Тихоходки також були на борту ізраїльської місії 2019 року, яка намагалася висадитися на Місяць, хоча зонд з мікроскопічними пасажирами на борту розбився, і незрозуміло, чи вижили вони.

Вчені, які хочуть перевірити межі виживання цих крихітних істот, провели з ними низку випробувань. В результаті ми знаємо, що тихоходки можуть витримувати величезне радіаційне опромінення, яке до 1000 разів перевищує смертельну дозу для людини. Вони також можуть витримувати нагрівання до 150°C та заморожування до температури лише на 0,01°C вище абсолютного нуля.

У 2021 році вчені навіть стріляли кулями з тихоходками всередині, щоб перевірити, чи зможуть вони вижити після удару. Дослідження показало, що тихоходки можуть вижити при пострілі зі швидкістю до 900 м/с (3000 км/год), що швидше, ніж куля, випущена зі звичайного пістолета.

То як же цим, здавалося б, слабким істотам вдається виживати в таких екстремальних умовах, і як вони розвинули ці надздібності? Виявляється, тихоходки приховують у рукавах безліч хитрощів.

Життя на паузі

Одним із екстремальних станів, до яких еволюціонували тихоходки, є висихання (по суті, висушування). Для більшості тварин життя без води абсолютно неможливе. Коли клітини висихають, мембрани, які їх утримують разом, стискаються та втрачають об'єм.

"Все, що зазвичай міститься всередині клітини, зминається разом", — каже Томас Бутбі, доцент кафедри біохімії та механізмів екстремотолерантних організмів в Університеті Північної Кароліни в Чапел-Гілл, США.

"Потім білки починають злипатися. Вони стають нефункціональними і припиняють працювати".

Якимось чином тихоходки можуть уникнути цього, але як? Одна з підказок до цього питання з'явилася в 1922 році, після того, як німецький вчений виявив, що коли тихоходка висихає, вона втягує голову та вісім ніг, перш ніж увійти в глибокий стан анабіозу, який дуже нагадує смерть.

"Вони буквально упаковують свої органи, концентруючи їх у надзвичайно малому, замкнутому просторі", — каже Надя Меб'єрг, доцент кафедри клітинної біології та фізіології Копенгагенського університету.

У цьому стані метаболізм тихоходки сповільнюється до 0,01% від нормальної швидкості. Вона може залишатися в цьому стані десятиліттями, відновлюючись лише при контакті з водою.

Наприклад, у 1948 році італійська зоологиня Тіна Франческі взяла тихоходок, які понад 120 років збирали пил у музеї, та додала води, після чого в однієї з істот почала рухатися лапа. Хоча істота так і не ожила повністю, у 1995 році вченим вдалося повернути до життя тихоходок, всохлих за вісім років до того.

Стан анабіозу допомагає зберегти тривимірну структуру тварини. Однак самого цього недостатньо, щоб пояснити надзвичайні навички виживання тихоходок. І це ще не все.

У 2017 році Бутбі та його колеги спостерігали за активністю генів тихоходок, коли вони висихали та формували "діжку". Вони помітили сплеск генів, що кодують загадкові білки, пізніше названі "специфічними для тихоходок внутрішньо невпорядкованими білками" або скорочено TDP.

Коли команда заблокувала активність цих генів, тихоходки більше не могли пережити висихання. Коли вчені пересадили ці гени дріжджам та бактеріям, здатність цих організмів пережити висихання збільшилася в 100 разів.

У 2022 році Такеказу Кунієда, професор біології Токійського університету, та його колеги глибше дослідили механізм того, як тихоходки виживають, втрачаючи всю воду в своєму тілі.

Вони виявили, що за це відповідає різновид TDP, відомий як цитоплазматично багаті теплорозчинні білки (CAHS). Коли TDP оточені водою, вони мають желеподібну консистенцію і не складаються у тривимірні структури, як це відбувається зі звичайними білками. Але коли висихають, ці білки перетворюються на напівтвердий гель, який амортизує вміст клітини, утримуючи його на місці.

"Коли тихоходки починають висихати, вони починають виробляти ці білки у дуже, дуже високих кількостях, по суті заповнюючи внутрішню частину своїх клітин цими дивними, невпорядкованими, м'якими білками", — пояснює Бутбі.

"Білки спочатку плавають у рідині, але коли клітина висихає, вони фактично збираються разом і утворюють цю павутиноподібну мережу всередині клітини. Ми вважаємо, що ці волокна павутини можуть обмотуватися навколо чутливих білків і допомагати утримувати їх у "складеному" стані або запобігати їх агрегації".

Подібний трюк використовують такі тварини, як деревні жаби, нематоди та артемії, які виробляють цукор під назвою трегалоза, що утворює склоподібне укриття, що захищає клітини від руйнування.

Життя на екстримі

Формування стану "діжки" або виробництво TDP також може бути ключовим фактором здатності тихоходок витримувати екстремальні температури.

Ця здатність захоплювала вчених протягом століть. У 1842 році французький вчений Луї Мішель Франсуа Дуайєр показав, що тихоходка в стані "діжки" може вижити при нагріванні до температури 125°C протягом кількох хвилин. У 1920-х роках бенедиктинський чернець Гільберт Франц Рам повернув тихоходок до життя по тому, як нагрівав їх до 151°C протягом 15 хвилин. Однак тихоходки можуть робити це лише коли ховаються у "діжку".

"Багато видів тихоходок здатні виживати при температурі значно вище 100°C, але вони роблять це лише тоді, коли вони сухі, — каже Бутбі. - Якщо у вас є тихоходка в краплі води, і ви нагрієте цю воду до дуже високого рівня, тихоходка загине майже так само легко, як і будь-який інший організм".

Насправді, хоча тихоходки відомі своєю стійкістю в певних ситуаціях, вони, як правило, вразливі до високих температур, що свідчить про те, що навіть вони можуть страждати від наслідків зміни клімату. Дослідження Мьоб'єрга показало, що якщо вони не встигають увійти в стан інкубації, то гинуть за температури вище 37°C.

Хоча важко сказати, чи скорочується нині популяція тихоходок, таке скорочення може мати негативні наслідки для ґрунтових екосистем. Наприклад, деякі дослідження показали, що хижі тихоходки можуть покращувати стан ґрунтів, поїдаючи паразитичних нематод.

Про те, як тихоходки виживають в інших екстремальних умовах, відомо менше. Виявляється, що тихоходки можуть пережити замерзання, радіацію та умови з низьким вмістом кисню, не утворюючи "діжки" та не виробляючи TDP. Тому припускають, що вони повинні мати й інші механізми захисту.

У 2016 році команда вчених з Японії повернула до життя тихоходок, які перебували в замерзлому стані в Антарктиді протягом 30 років. Дві тихоходки у вибірці були названі SB-1 та SB-2 (SB розшифровується як спляча красуня) відповідно.

Заморожування особливо небезпечне для живих істот, оскільки за низьких температур клітинні мембрани втрачають свою гнучкість і стають більш крихкими. Найбільшу небезпеку, однак, становлять кристали льоду.

"Кристали — це справді шкідлива річ у клітинах, бо вони гострі, — каже Бутбі. - Вони можуть пробивати мембрани, розчавлювати білки або порушувати нуклеїнові кислоти, такі як ДНК — основу клітини".

Попри це, деякі тихоходки можуть переносити заморожування до температури трохи вище абсолютного нуля (−273,15 °C). Чому їм це потрібно, певною мірою загадка, оскільки найнижча температура, коли-небудь зареєстрована на Землі, становила "теплі" -89,2°C у центральній Антарктиді в 1983 році.

"Цікаво, що адаптації, які вони розвинули, виходять далеко за рамки того, що їм насправді потрібно. Я маю на увазі, що ви ніколи не охолонете до абсолютного нуля – ви не знайдете таких умов на Землі", – каже Меб'єрг.

Як саме тихоходки виживають після замерзання, невідомо, хоча було виявлено, що вони можуть переходити в стан анабіозу, який називається кріобіозом, коли вони уповільнюють або зупиняють свої метаболічні процеси.

З іншого боку, питання про те, як тихоходки виживають після опромінення, має кращу відповідь. У 2016 році Кунієда та його команда виявили білок, відомий як Dsup (білок, що пригнічує пошкодження), який огортає ДНК немов ковдра, захищаючи її від шкідливого впливу іонізуючого випромінювання. Більше того, дослідники синтезували людські клітини таким чином, щоб вони також могли виробляти Dsup. Потім вони опромінили ці клітини рентгенівськими променями та виявили, що Dsup запобігає розпаду людської ДНК.

"Радіація може пошкодити ДНК безпосередньо, але більшість біологічних пошкоджень відбувається опосередковано", — каже Кунієда. Наприклад, енергія випромінювання поглинається молекулами води, які розщеплюються та утворюють дуже токсичні молекули, відомі як активні форми кисню (АФК). Потім АФК атакує ДНК та руйнує її.

Попередні дослідження вже показали, що тихоходки виробляють ферменти, які знезаражують активні форми кисню. Але дослідження Кунієди показало, що Dsup пропонує додатковий захист.

"Наші дані свідчать про те, що Dsup зв'язується з ДНК і створює навколо неї фізичний щит, — каже він. - Він утворює захисну оболонку, яка запобігає розриву ДНК від активних форм кисню".

Оскільки тихоходки також виробляють активні форми кисню, коли стикаються з надзвичайно сухими або солоними умовами, то Dsup також може захищати ДНК і від цих стресів.

У 2020 році дослідники з Центру рослинної біотехнології та геноміки в Мадриді, Іспанія, змоделювали взаємодію Dsup з ДНК і виявили, що Dsup — це надзвичайно гнучкий білок, здатний налаштовувати свою структуру, щоб точно обгортатися навколо ДНК та відповідати її формі. Утримуючи ДНК як у корсеті, Dsup здатний запобігти її розпаду у відповідь на радіацію.

Тим часом у 2024 році окрема група дослідників у Франції виявила другий білок під назвою TDR1, який також, як виглядає, зв'язується з ДНК та захищає її від радіаційного пошкодження. Дослідження показало, що тихоходки також можуть відновлювати власну ДНК, що є ще одним зручним інструментом, який допомагає їм впоратися з опроміненням.

Уроки виживання для людей

Оскільки останніми роками ми дізналися більше про тихоходок, деякі дослідники почали замислюватися, як можна використовувати їхні незвичайні властивості, щоб допомогти людям. Деякі вчені, наприклад, сподіваються використати свої знання про тихоходок, щоб захистити людей з раком від шкідливого впливу променевої терапії.

Радіотерапія – це метод лікування, який використовує високоенергетичне випромінювання для знищення ракових клітин, але, на жаль, він також пошкоджує сусідні здорові тканини. У деяких випадках побічні ефекти настільки серйозні, що можуть призвести до того, що люди відкладають лікування або взагалі його припиняють.

Натхненні стійкістю тихоходок дослідники з Массачусетського технологічного інституту, лікарні Brigham and Women's у Бостоні та Університету Айови ввели матричну РНК, що кодує білок Dsup, у щоку та пряму кишку мишей. Як випливає з назви, матрична РНК діє як своєрідний кур'єр або посередник, розшифровуючи ДНК та використовуючи інформацію, що міститься в ній, для виробництва білків.

Дослідження показало, що після ін'єкції миші почали самі виробляти Dsup. Коли дослідники давали мишам дози опромінення, подібні до тих, що отримують хворі на рак, ракові клітини були знищені, але навколишні здорові тканини вижили.

Однак, необхідно провести більше досліджень, щоб зрозуміти, як імунна система ссавців реагує на такі білки, перш ніж лікування можна буде використовувати на людях, оскільки Dsup буде позначений імунною системою організму людини як порушник.

Вчені вважають, що можуть бути й інші способи використання суперздатності тихоходок, щоб допомогти людям. Наприклад, окрім захисту клітин тихоходок, TDP можуть допомогти зберегти вакцини або інші чутливі біологічні матеріали, які необхідно зберігати протягом тривалого часу.

Візьмемо, наприклад, гемофілію, рідкісне захворювання згортання крові. Люди з цим захворюванням можуть померти від кровотечі, якщо потраплять в автомобільну аварію або отримають травму.

Щоб зупинити це, їм вводять людський білок згортання крові Фактор VIII, який потрібно зберігати замороженим, що обмежує його використання в бідніших країнах або під час стихійних лих. Однак Бутбі нещодавно виявив, що якщо змішати Фактор VIII з TDP тихоходок, ліки залишаються стабільними при кімнатній температурі, що усуває потребу в холодильниках або морозильних камерах.

NASA також зацікавлена ​​в тому, щоб з'ясувати, як тихоходки виживають у негостинному середовищі космосу. У майбутньому воно може використовувати цю інформацію для захисту їжі та ліків від висихання або радіаційного впливу, що було б безцінним для тривалих місій з дослідження космосу.

Загадка залишається

Але чому тихоходки взагалі розвинули цей набір захисних механізмів?

"Тихоходки — це водні організми, тому їм потрібна плівка води, щоб бути активними, — каже Меб'єрг. - Одна з причин, чому вони повинні бути такими гнучкими і пристосовуватися до всього, полягає в тому, що їхня шкіра є проникною. Це не так, як у комах, у яких є восковий шар, який може запобігти втраті води шляхом випаровування".

За словами Бутбі, одна з теорій, яка може пояснити стійкість тихоходок, полягає в тому, що оскільки вони такі крихітні, то коли вони висихають, їх можуть підхопити пориви вітру та рознести по планеті.

"Якщо пил у піску з пустелі Сахара може бути перенесений вітром до Амазонки, то тихоходки майже напевно можуть пройти через таку ж циркуляцію в атмосфері", — каже Бутбі.

"Вони можуть осісти в місці, де умови є суворішими. Можливо, там холодно, можливо, спекотно, можливо, не йде дощ, або, можливо, дощ йде постійно. Можливо, вони перебуватимуть на вершині гори, де зазнають впливу більшої кількості ультрафіолетового випромінювання. Тож, можливо, тихоходки еволюціонували таким чином, щоб пережити всі ці стреси, тому що вони зазнали їхнього впливу".

Однак, хоча тихоходкам часто доводиться справлятися з висиханням, менш зрозуміло, чому їм потрібно виживати при високих температурах, охолодженні трохи вище абсолютного нуля або радіації, яка зустрічається лише в космосі.

У будь-якому разі, розшифровка таємниці дивовижних здібностей цих істот може допомогти не лише людям – чи то шляхом покращення зберігання вакцин, зменшення шкідливого впливу променевої терапії, чи то шляхом збереження їжі для далеких космічних польотів. Це також може допомогти захистити самих тихоходок від шкідливого впливу зміни клімату.