что такое тихоходка и где она живет
Тихоходка
Тихоходка или водный медведь – это вид свободноживущих крошечных беспозвоночных, принадлежащих к типу членистоногих. Тихоходка годами сбивала с толку ученых своей способностью выживать во всем, что было до сих пор – даже в космосе. От дна океана до навесов тропического леса, от тундр Антарктиды до поверхности вулкана – везде можно встретить тихоходок.
Тихоходка — водяной медведь
Тихохо́дка (с лат. Tardigrada) — тип микроскопических беспозвоночных, близкий к членистоногим. Тихоходки обнаружены в 1773 году Иоганном Августом Эфраимом Гозе, немецким зоологом. Они представляют собой членистоногих микрометазоидов с четырьмя парами лап (лобопод). Известны своей способностью выживать в различных экстремальных условиях. Тихоходки считаются близкими родственниками членистоногих (например, насекомых, ракообразных).
Происхождение вида и описание
На сегодняшний день исследования определили три основных класса типов тихоходок. Каждый из трех классов состоит из нескольких порядков, которые, в свою очередь, состоят из нескольких семейств и родов.
Таким образом, тип тихоходок состоит из нескольких сотен (более 700) известных видов, которые были классифицированы по следующим категориям:
Класс Heterotardigrada
По сравнению с двумя другими, этот клас является самым разнообразным классом в типе тихоходок. Далее он разделен на два порядка (Arthrotardigrada и Echiniscoide) и далее на семейства, которые включают Batillipedidae, Oreellidae, Stygarctidae и Halechiniscidae среди нескольких других. Эти семьи делятся на более чем 50 родов.
Класс Mesotardigrada
По сравнению с другими классами, этот класс делится только на один порядок (Thermozodia), семейство (Thermozodidae) и один вид (Thermozodium esakii). Thermozodium esakii был обнаружен в термальном источнике в Японии, но ни один вид в классе не был идентифицирован.
Класс Eutardigrada
Делится на два порядка, которые включают Parachela и Apochela. Два порядка далее делятся на шесть семейств, в которые входят Mineslidae, Macrobiotidae, Hypsibidae, Calohypsibidae, Eohypsibidae и Eohypsibidae. Эти семейства далее делятся на более чем 35 родов с различными типами видов
Как выглядит тихоходка
Общие особенности тихоходки:
Тело тихоходки разделено на несколько частей: туловище, ноги, сегмент головы. Есть пищеварительная система, рот, нервная система, мышцы, глаза. И относительно хорошо развитый большой мозг!
Интересный факт: В 2007 году обезвоженные тихоходки были выведены на орбиту и подвергались воздействию вакуума и космического излучения в течение 10 дней. По возвращении на Землю более двух третей из них были успешно восстановлены. Многие умерли относительно скоро, но все же перед этим смогли размножиться.
Некоторые из особей, связанные с классом Heterotardigrada, включают гондукты, головные отростки и отдельные когти на ногах.
Характеристики класса Heterotardigrada:
Характеристики класса Mesotardigrada:
Характеристика класса Eutardigrada:
Где живут тихоходки?
Тихоходка является водным организмом, учитывая, что вода обеспечивает благоприятные условия для таких процессов, как газообмен, размножение и развитие. По этой причине чаще тихоходки обитают в морской и пресной воде, а также в наземных средах с небольшим количеством воды.
Но также тихоходки живут во многих других средах, включая песчаные дюны, почву, камни. Они могут выживать в пленках воды на лишайниках и мхах и, таким образом, часто встречаются в этих организмах.
Яйца, кисты и отростки тихоходок также легко распространяются ветром в различные среды, позволяя организмам колонизировать новые среды. Исследователи обнаруживали обитания тихоходок в различных отдаленных местах. Например на вулканических островах, это свидетельствует о том, что ветер и птицы широко рассеивают и распространяют эти организмы.
Тихоходки были описаны как полиэкстремофилы из-за их способности выживать в различных экстремальных факторах окружающей среды.
Теперь Вы знаете где водится и как выглядит тихоходка под микроскопом. Давайте теперь узнаем, что употребляет в пищу это существо.
Чем питается тихоходка?
Во рту у тихоходок есть стилеты, которые в основном представляют собой маленькие острые зубы, используемые для прокалывания растений или мелких беспозвоночных. При прокалывании они пропускают жидкости. Тихоходки питаются этими жидкостями, всасывая их, используя специализированные сосущие мышцы в их глотке.
Стилет тихоходки заменяется, когда она линяет.
В некоторых средах тихоходки могут быть первичным потребителем нематод, в значительной степени влияя на размеры их популяций. Некоторые виды могут переносить протозойные виды Pyxidium tardigradum. Многие виды тихоходок, обитающие в мшистых средах, переносят грибковых паразитов.
Интересный факт: Некоторые виды тихоходок могут обходиться без пищи более 30 лет. В этот момент они высыхают и становятся бездействующими. Если тихоходка обезвоживается и теряет до 99% содержания воды, ее жизненные процессы могут быть почти приостановлены на несколько лет, прежде чем она вернется к жизни.
Внутри клеток дегидратированных тихоходок тип белка, называемый «специфический для тихоходок белок с внутренним нарушением», заменяет воду. Это образует стеклообразное вещество, которое сохраняет структуры клеток нетронутыми.
Преимущества выживания тихоходок
Во время активности в благоприятных условиях, тихоходки приняли ряд стратегий, которые позволяют им выживать.
Эти преимущества — покой и криптобиоз и включают в себя:
Тихоходка — размножение
Размножение и жизненный цикл среди представителей тихоходок в значительной степени зависит от их среды обитания. Учитывая, что жизнь этих организмов в значительной степени характеризуется бездействием и периодической бездеятельностью, исследователи пришли к выводу. Для быстрого размножения важно, когда условия благоприятны.
В зависимости от окружающей среды, тихоходки могут размножаться бесполым путем (самооплодотворение) в процессе, известном как партеногенез, или половым путем, когда самцы оплодотворяют яйца (амфимиксис).
Половое размножение у тихоходок распространено среди двудомных видов (у самцов и самок с их соответствующими половыми органами). Большинство этих организмов встречаются в морской среде и, следовательно, размножаются в морской среде.
Хотя форма и размер (морфология) гонад тихоходок в значительной степени зависят от вида, пола, возраста и т. д. организмов, микроскопические исследования выявили следующие половые органы у самцов и самок:
Самка и гермафродит:
Во время полового размножения среди некоторых членов классов Heterotardigrada и Eutardigrada яйца самки оплодотворяются прямо или косвенно. А во время прямого полового оплодотворения самец тихоходки откладывает сперму в семенной сосуд самки. Это позволяет транспортировать сперму к яйцеклетке для оплодотворения.
Ну а во время непрямого оплодотворения самец откладывает сперму в кутикулу самки, когда самка линяет. Когда самка сбрасывает кутикулу, яйца уже оплодотворяются и со временем развиваются. Во время линьки самка сбрасывает кутикулу, а также некоторые другие структуры, такие как когти.
В зависимости от вида, яйца либо оплодотворяются внутри (например, у L. granulifer, где происходит яйцекладка). Либо снаружи (у большинства представителей Heterotardigrada). Или просто выпускаются наружу, где они развиваются без оплодотворения.
Хотя родительский уход за яйцами встречается редко, но всё же у некоторых видов он наблюдался. Их яйца остаются прикрепленными к хвостовой части самки. Таким образом гарантируя, что самка заботится о яйцах до того, как они вылупятся.
Естественные враги тихоходок
Хищниками для тихоходок можно считать нематод, тихоходок других видов, клещей, пауков, хвостиков и личинок насекомых. «Разрушители экосистем», такие как пресноводные ракообразные, дождевые черви и членистоногие, также устраняют популяции этих животных.
В свою очередь, тихоходки используют свой щёчный аппарат для питания детритом или различными организмами. В том числе бактериями, водорослями, простейшими и другой мейофауной.
Буккальный аппарат состоит из буккальной трубки, пары пронзительных стилетов и мускулистой сосущей глотки. Содержимое кишечника часто содержит хлоропласты или другие компоненты клеток водорослей, мхов или лишайников.
Множество видов наземной микробиоты пытались наживаться на простейших, нематодах, коловратках и мелких видах Eutardigrades (например, Diphascon и Hypsibius), даже всасывая весь организм. В челюстях этих хищных поздних тихоходок были обнаружены коловратки, когти тихоходок и их ротовые аппараты. Предполагается, что тип щёчного аппарата коррелирует с типом потребляемой пищи, однако, мало что известно о конкретных потребностях в питании морских или лимано-наземных видов.
Интересный факт: Несмотря на то, что тихоходки способны противостоять космическому вакууму, чрезвычайно низким температурам и огромной герметичной среде, живут они максимум около 2,5 лет.
Популяция водяных медведей
Изменения плотности популяции тихоходок коррелировали с различными условиями окружающей среды. Включая температуру и влажность, загрязнение воздуха и наличие продовольствия. Значительные различия как в плотности популяции, так и в видовом разнообразии происходят в смежных, казалось бы, идентичных микробитах. 
Приспосабливаясь к широкому диапазону внешних условий, появилось большое количество родов и видов тихоходок. При наступлении неблагоприятных условий они способны на годы впадать в состояние анабиоза. А при наступлении благоприятных условий — довольно быстро оживать. Выживают тихоходки в основном за счёт так называемого ангидробиоза, высушивания. При высыхании они втягивают в тело конечности, уменьшаются в объёме и принимают форму бочонка. Поверхность покрывается восковой оболочкой, препятствующей испарению. При анабиозе их метаболизм падает до 0,01 %, а содержание воды способно доходить до 1 % от нормального. В состоянии анабиоза тихоходки выносят невероятные нагрузки. Они могут выживать в виде бочёнков годами или даже десятилетиями.
Интересный факт: Тихоходки выживают в условиях, которые могут уничтожить большинство других организмов. Они делают это, удаляя воду из своих тел и генерируя восковое соединение, которое герметизирует и защищает структуру их клеток. Существа могут оставаться в этом так называемом состоянии тунца в течение нескольких месяцев и потом опять оживать в водной среде.
Есть данные, что загрязнение может отрицательно сказаться на популяциях тихоходки. Учёные говорят, что плохое качество воздуха, кислотные дожди и концентрации тяжелых металлов в местах их обитания приводят к снижению их популяций..
Интересные факты о тихоходках — водяных медведях
При сроке жизни 2,5-3 года — тихоходка может жить тысячи лет.
У водяных медведей есть нервная, половая и выделительная системы, но нет крови. Её функции выполняет другая биологически активная жидкость. Органы дыхания тоже отсутствуют, тихоходки поглощают кислород из воздуха или воды непосредственно через кожу.
Однажды в руки ученых попал кусок высушенного мха, пролежавший в пустыне не менее 120 лет. Не предпринимая никаких усилий, а лишь немного увлажнив его, они вернули к жизни целую колонию уснувших в нем более века назад водяных медведей.
Интересный факт: Яйца водяных медведей сказочно красивы. Они напоминают роскошные микроскопические абажуры. Правда, практической пользы в этом нет никакой. Возможно, матушка-природа просто решила, что негоже таким удивительным существам появляться на свет из заурядных горошин и комков?
Личная колония тихоходок
Водяные медведи необычайно просты в содержании. Некоторым любителям природы нравится наблюдать за их неторопливой возней с помощью микроскопа. Кстати, дорогостоящее оборудование для этого не понадобится, можно купить простейший детский аппарат с увеличением в 10-15 раз.
С большой долей вероятности можно обнаружить тихоходок медведей в кусочке мха. Размочите его в воде, затем слейте ее в прозрачную емкость и рассмотрите под микроскопом. Обычно даже уже первая попытка оказывается успешной.
Содержать малышей можно в чашке Петри или любой аналогичной емкости. Уложите туда кусочек мха и регулярно смачивайте его водой. Не забывайте менять мох почаще, чтобы в нем не завелась плесень. Наблюдение за тихоходками может стать очень интересной забавой для юных натуралистов.
Тихоходка – возможно самое удивительное животное на земле. Ни одно существо в мире не прошло столько испытаний, сколько прошла тихоходка. Достаточно не убиваемая для путешествий в открытом космосе и достаточно приспосабливаемая, чтобы пережить десятилетия в спячке, тихоходка может с легкостью пережить нас всех… Ведь ей не страшны — холод, жара, голод, радиация, вирусы — да неверно вообще ничто.
Всесильные водяные медведи — в чем их секрет?
Всесильные водяные медведи — в чем их секрет?
Автор
Редакторы
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.
Рисунок 6. Морфологическое разнообразие яиц тихоходок
Как тихоходка родственников искала
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.
Рисунок 19. Тихоходка и ее мысли о 2020-м