Фото: Стів Гшмайснер/Бібліотека наукових фотографій
Випікайте 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, включаючи людей, і навіть дожити до смерті Сонця.
Якби ви вирушили у відкритий космос без захисту, ви б померли. Але ця крихітна істота, довжиною не більше 1 мм – розміром приблизно з головку шпильки – пережила це та навіть більше. Під мікроскопом тихоходки, також відомі як водяні ведмеді або мохові свині, – це жахливі на вигляд істоти. Їхні пухкі, деформовані морди, люті кігті та зуби, схожі на кинджали, роблять їх більше схожими на монстра з «Доктора Хто», ніж на тварину.
Зараз вчені намагаються використати свої надздібності для наших власних потреб – від захисту онкохворих від шкідливої променевої терапії до збереження їжі та ліків під час тривалих досліджень у глибокому космосі.
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.
Тихоходки люблять ховатися у вологому середовищі з великою кількістю моху, лишайників та листя. Ви навіть можете знайти їх у власному саду. Але вони також відомі тим, що здатні виживати у вкрай негостинних місцях. Їх знаходили в Гімалаях, на океанському дні, в Антарктиді та навіть у дуже кислих японських гарячих джерелах, хоча це відкриття ще не підтверджено.
Тихоходки не лише здатні виживати в суворих умовах на Землі. У 2007 році ці істоти стали першими відомими тваринами, які вижили після відправлення в космос.
Коли супутник, на якому вони перебували, повернувся на Землю, вчені виявили, що багато хто, хоча й не всі, вижив. Деякі самки навіть відклали яйця в космосі, і їхні щойно вилуплені дитинчата були здоровими.
Тардигради також були на борту ізраїльської місії у 2019 році, яка намагалася висадитися на Місяць, хоча зонд з мікроскопічними пасажирами на борту розбився, і незрозуміло, чи вижили вони.
Фото: НАСА
Підпис до зображення: Черви-мішені могли вижити, коли космічний корабель з мікроскопічними пасажирами розбився на Місяці
Вчені, які хочуть перевірити межі виживання цих крихітних істот, провели над ними серію тестів. В результаті ми знаємо, що тихоходки можуть витримувати величезне опромінення, яке до 1000 разів перевищує смертельну дозу для людини. Вони також можуть витримувати нагрівання до 150°C та замерзання 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 після пострілу зі швидкістю до 900 м/с (3000 км/год), що швидше, ніж куля, випущена зі звичайної рушниці.
То як же цим, здавалося б, слабким істотам вдається виживати в таких екстремальних умовах, і як вони розвинули ці надздібності? Виявляється, тихоходки мають багато хитрощів у рукаві.
Поставте життя на паузу
Одним із екстремальних умов, до яких пристосувалися тихоходки, є висихання (по суті, висихання). Для більшості тварин життя без води абсолютно неможливе. Коли клітини висихають, мембрани, що їх утримують разом, стискаються та втрачають об'єм.
«Все, що зазвичай знаходиться всередині клітини, злипається разом», — каже Томас Бутбі, доцент кафедри біохімії та механізмів екстремофільних організмів в Університеті Північної Кароліни в Чапел-Гілл, США.
«Потім білки починають злипатися. Вони стають дисфункціональними та перестають працювати».
Якимось чином тихоходки можуть цього уникнути, але як? Одна з підказок до відповіді на це 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, обмеженому просторі», — каже Надія 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 після контакту з водою.
Наприклад, у 1948 році італійська зоологіня Тіна Франчески взяла тихоходок, які понад 120 років збирали пил у музеї, і додала до них води, в результаті чого одна з істот почала рухати ногою. Хоча істота так і не ожила повністю, у 1995 році вченим вдалося повернути до життя тихоходок, які були в'ялі вісім років.
Стан анабіозу допомагає зберегти тривимірну структуру тварини. Однак, одного цього недостатньо, щоб пояснити надзвичайні навички виживання тихоходки. І це ще не все.
У 2017 році Бутбі та його колеги спостерігали за активністю генів тихоходок, коли вони висихали та формували «бочку». Вони помітили сплеск генів, що кодують загадкові білки, які пізніше назвали «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 в дріжджі та бактерії, здатність організмів пережити висихання збільшилася в 100 разів.
Фото: НАСА
Підпис до зображення: Цілі є екстремофілами та можуть виживати в сухому стані десятиліттями
У 2022 році Такеказу Кунієда, професор біології Токійського університету, та його колеги глибше занурилися в механізм того, як тихоходки виживають, втрачаючи всю воду зі своїх тіл.
Вони виявили, що за це відповідає тип TDP, відомий як цитоплазматично багаті теплорозчинні білки (CAHS). Коли TDP оточені водою, вони мають желеподібну консистенцію і не складаються в тривимірні структури, як звичайні білки. Але коли вони 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 великих кількостях, по суті заповнюючи внутрішню частину своїх клітин цими дивними, невпорядкованими, м’якими білками», – пояснює Бутбі.
«Спочатку білки плавають у рідині, але коли клітина висихає, вони фактично злипаються та утворюють цю павутиноподібну мережу всередині клітини. Ми вважаємо, що ці павутинні волокна можуть обгортатися навколо чутливих білків і допомагати утримувати їх у «згорнутому» стані або запобігати їх агрегації».
Подібний трюк використовують такі тварини, як деревні жаби, нематоди та артемії, які виробляють цукор під назвою трегалоза, що утворює склоподібну оболонку, що захищає клітини від руйнування.
Життя на межі
Формування стану “бочки”, 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 у стані «ванни» може вижити при нагріванні до 125°C протягом кількох хвилин. У 1920-х роках бенедиктинський чернець Гільберт Франц Рам повернув тихоходок до життя, нагріваючи їх до 151°C протягом 15 хвилин. Однак тихоходки можуть робити це лише тоді, коли знаходяться у «ванні».
«Багато видів тихоходок можуть виживати за температури 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».
Фактично, хоча тихоходки відомі своєю стійкістю в певних ситуаціях, вони загалом вразливі до високих температур, що свідчить про те, що навіть вони можуть постраждати від наслідків зміни клімату. Дослідження Меб'єрга показало, що якщо вони не встигають перейти в інкубаційний стан, вони гинуть за температури вище 37°C.
Хоча важко сказати, чи скорочується популяція тихоходок наразі, таке скорочення може мати негативні наслідки для ґрунтових екосистем. Наприклад, деякі дослідження показали, що хижі тихоходки можуть покращувати здоров'я ґрунту, поїдаючи паразитичних нематод.
Менше відомо про те, як тихоходки виживають в інших екстремальних умовах. Виявляється, що тихоходки можуть виживати при замерзанні, радіації та низькому вмісті кисню, не утворюючи «бочок» і не виробляючи TDP. Тому передбачається, що вони повинні мати інші захисні механізми.
У 2016 році команда вчених з Японії повернула до життя тихоходок, які були заморожені в Антарктиді протягом 30 років. Дві тихоходки у зразку отримали назви SB-1 та SB-2 (SB розшифровується як «спляча красуня») відповідно.
Замерзання особливо небезпечне для живих організмів, оскільки за низьких температур клітинні мембрани втрачають свою гнучкість і стають більш крихкими. Однак найбільшу небезпеку становлять кристали льоду.
«Кристали справді руйнівні для клітин, бо вони гострі», — каже Бутбі. «Вони можуть пробивати мембрани, руйнувати білки або порушувати нуклеїнові кислоти, такі як ДНК, будівельні блоки клітин».
Незважаючи на це, деякі тихоходки можуть переносити температури трохи вище абсолютного нуля (-273,15 °C). Чому їм це потрібно, залишається загадкою, 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 досягнете абсолютного нуля — таких умов ви не знайдете на Землі», — каже Меб’єрг.
Точно невідомо, як тихоходки переживають замерзання, хоча було виявлено, що вони можуть входити в стан анабіозу, який називається кріобіозом, де вони уповільнюють або зупиняють свої метаболічні процеси.
З іншого боку, питання про те, як тихоходки виживають після радіації, має кращу відповідь. У 2016 році Кунієда та його команда виявили білок, відомий як Dsup (білок-супресор пошкоджень), який огортає ДНК, немов ковдра, захищаючи її від шкідливого впливу іонізуючого випромінювання. Більше того, дослідники модифікували людські клітини так, щоб вони також виробляли 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 радіації поглинається молекулами води, які розщеплюються, утворюючи високотоксичні молекули, відомі як активні форми кисню (АФК). АФК потім атакують і руйнують ДНК.
Фото: НАСА
Астронавт на Міжнародній космічній станції вивчає тихоходок, щоб побачити, як вони справляються з суворими умовами мікрогравітації
Попередні дослідження показали, що тихоходки виробляють ферменти, які поглинають активні форми кисню, але дослідження Кунієди показує, 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 руйнуванню ДНК активними формами кисню».
Оскільки тихоходки також виробляють активні форми кисню під час впливу надзвичайно сухих або солоних умов, Dsup також може захищати ДНК 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 змінювати свою структуру, щоб точно обгортатися навколо ДНК та приймати її форму. Утримуючи ДНК в корсеті, Dsup здатний запобігти її руйнуванню у відповідь на радіацію.
Тим часом, у 2024 році, окрема група дослідників у Франції виявила другий білок під назвою TDR1, який також, здається, 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 справлятися з радіацією.
Уроки виживання для людей
Оскільки останніми роками ми дізналися більше про тихоходок, деякі дослідники почали замислюватися над тим, як їхні незвичайні властивості можна використовувати для допомоги 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 змусити людей відкласти або взагалі припинити лікування.
Натхненні стійкістю тихоходок, дослідники з Массачусетського технологічного інституту, лікарні Бригама та Жіночої лікарні в Бостоні та Університету Айови ввели в щоку та пряму кишку мишей матричну РНК, що кодує білок під назвою Dsup. Як випливає з назви, матрична РНК діє як своєрідний месенджер або посередник, розшифровуючи ДНК та використовуючи інформацію, яку вона містить, для створення білків.
Дослідження показало, що після ін'єкції миші почали виробляти власний Dsup. Коли дослідники давали мишам дози опромінення, подібні до тих, що дають онкохворим, ракові клітини були знищені, але навколишні здорові тканини вижили.
Однак, необхідні додаткові дослідження, щоб зрозуміти, як імунна система ссавців реагує на такі білки, перш ніж лікування можна буде використовувати на людях, оскільки Dsup буде позначено імунною системою людського організму як порушник.
Вчені вважають, що можуть бути й інші способи використання суперсили тихоходок для допомоги людям. Наприклад, окрім захисту клітин тихоходок, ТДП можуть допомогти зберегти вакцини або інші чутливі біологічні матеріали, які потребують тривалого зберігання.
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 необхідно зберігати замороженим, що обмежує його використання в бідніших країнах або під час стихійних лих. Однак Бутбі нещодавно виявив, що якщо Фактор VIII змішувати з тихохідним TDP, препарат залишається стабільним за кімнатної температури, що усуває потребу в холодильниках або морозильних камерах.
NASA також зацікавлене у вивченні того, як тихоходки виживають у негостинному середовищі космосу. У майбутньому воно могло б використовувати цю інформацію для захисту продуктів харчування 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?
«Талліподи — це водні організми, тому їм потрібна плівка води, щоб бути активними», — каже Меб’єрг. «Одна з причин, чому вони повинні бути такими гнучкими та адаптивними, полягає в тому, що їхня шкіра проникна. Це не так, як у комах, у яких восковий шар може запобігти втраті води через випаровування».
За словами Бутбі, одна з теорій, яка може пояснити стійкість тихоходок, полягає в тому, що оскільки вони такі крихітні, 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 оселитися в місці, де умови суворіші. Можливо, там холодно, можливо, спекотно, можливо, там не йде дощ, або, можливо, дощ йде постійно. Можливо, вони будуть на вершині гори, де піддаються впливу більшої кількості ультрафіолетового випромінювання. Тож, можливо, тихоходки еволюціонували, щоб пережити всі ці стреси, тому що вони зазнали їхнього впливу».
Однак, хоча тихоходкам часто доводиться стикатися з висиханням, менш зрозуміло, чому їм потрібно виживати за високих температур, охолодження трохи вище абсолютного нуля або радіації, яка зустрічається лише в космосі.
У будь-якому разі, розшифровка секретів дивовижних здібностей цих істот може допомогти не лише людям – чи то покращити зберігання вакцин, зменшити шкідливий вплив променевої терапії, чи зберегти їжу для далеких космічних польотів – це також може допомогти захистити самих тихоходок від шкідливого впливу зміни клімату.
