Африканский комар и жизнь без воды

Пятая история о фантастических тварях и о том, чему они могут нас научить

Они живут там, куда доползет не каждый дипломированный биолог. Ставят с ног на голову наши представления о том, как должен работать живой организм. Умеют то, о чем мы можем только мечтать. А мы? Отправляемся за ними в долины, глубины и трясины. Тратим лучшие годы жизни на поиски их секретов. И вот перед нами африканский комар-звонец и его дети-личинки, которым не страшны ни холод, ни жара, ни пребывание в космосе. Они научились тому, что так стремится освоить каждый йог, — «ставить себя на паузу», полностью останавливая жизненные процессы.

01.06.2018, 17:48

Самое опасное вещество

Возьмем человека (если человека жалко, можно взять мышь, лягушку, таракана или любого вымышленного зверя) и нагреем его до 50 градусов. Результат не заставит себя долго ждать: человек или животное погибнет. Почему?

Смерть наступает из-за столкновения молекул в клетках. При нагревании раствора они начинают двигаться быстрее. При этом молекулы воды врезаются в белки, отчего последние теряют форму, раскручиваются и перестают работать. Нет белков — нет жизни.

Теперь попробуем наш испытуемый организм заморозить. Итог снова окажется плачевным. Все дело опять же в движении молекул, но теперь уже замедленном. При температурах ниже нуля привычные химические реакции прекращаются, а вода замерзает, и кристаллики льда повреждают клеточные мембраны.

«Чердак» собрал уже целый бестиарий фантастических тварей! Среди них есть бессмертные голые землекопы, невидимые наножуки и страшный, заразный рак, истребляющий тасманийских дьяволов. Со всеми ними можно познакомиться в нашей специальной рубрике, которая продолжает пополняться.

А если мы подействуем на организм ионизирующим излучением, то и здесь перемещения молекул окажутся губительными. При облучении образуются химически активные вещества — ионы и свободные радикалы, которые движутся по клеткам и разрушают макромолекулы.

Вот так оказывается под угрозой привычный тезис «движение — жизнь». При воздействии большинства неблагоприятных факторов именно движение молекул приводит к гибели организма. А обеспечивает это движение растворитель, то есть вода. Получается, что именно вода виновата в том, что животные так плохо переносят резкие перепады температур и другие превратности судьбы. А значит, если от нее избавиться, то можно научиться выживать там, где гибнут все остальные. Проблема только в том, что это смертельно опасное вещество составляет около 70% нашего тела. Как избавиться от этих 70%, чтобы дать шанс выжить оставшимся 30%?

Мумифицированные дети

Разные группы животных независимо друг от друга уже изобрели ответ на этот вопрос. Самые отчаянные даже сделали обезвоживание обязательной частью своего жизненного цикла. Так поступил комар-звонец Polypedilum vanderplanki, обитающий в Африке к югу от Сахары. Его личинки выводятся во временных лужах на гранитных скалах. Но, чтобы успешно развиться в комара и потом размножиться за четыре благоприятных месяца дождей, личинке нужно продержаться восемь месяцев жестокой засухи. Поэтому комар снабдил своих детей способностью к ангидробиозу — полному высыханию, приводящему к остановке процессов жизнедеятельности. За пару дней личинки превращаются в мумии, и в таком состоянии им не страшны никакие беды. Они выдерживают температуры от -270 до 102 ?C, радиацию, воздействие многих токсических веществ. Даже после двух с половиной лет, проведенных в космосе, они благополучно оживают, когда вокруг появляется вода. И при необходимости могут повторить этот трюк, снова прикинувшись мертвыми.

Однако, если мы возьмем личинку любого другого комара, высушим ее, а затем снова намочим, нас ожидает фиаско. При потере воды возникают три неизбежные трудности. Во-первых, клеточные мембраны схлопываются и теряют свою целостность. Во-вторых, нарушается структура белков: они начинают друг с другом слипаться или, наоборот, раскручиваются. И, в-третьих, в обезвоженных клетках повышается концентрация веществ, которые могут оказаться токсичными, например ионов или кислот. Все эти клеточные происшествия неисправимы, «просто добавить воды» не получится. Поэтому хитрые африканские комары, избавляясь от воды, заменяют ее на менее опасные вещества.

Главным аналогом воды служит трегалоза — сахар, состоящий из двух молекул глюкозы. Они соединены таким образом, что не вступают в реакции с другими веществами, поэтому трегалозой можно заполнить клетки, не повреждая макромолекулы.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Трегалозу производит жировое тело — один из ключевых органов обмена веществ личинки, а затем с током гемолимфы (аналога крови) сахар разносится по организму и поступает в клетки. Трегалоза заполняет до 20% массы тела, не дает схлопываться мембранам и разбавляет собой токсичные вещества. При этом, так как она не образует раствора, структура получается твердой, как если бы личинка застыла в янтаре. Люди тоже освоили подобную технологию, она называется пластинацией — это метод фиксации тканей и органов человека, при котором жидкость замещается застывающим силиконовым полимером. С помощью этой методики, например, создавались экспонаты знаменитой выставки «Тайны тела». Результаты получаются впечатляющими, но, к сожалению, необратимыми.

Один из экспонатов выставки Bodyworlds. Фото: Franz Kohler / flickr / CC BY-SA 2.0

Помимо трегалозы клетки личинок производят специальные LEA-белки (late embryogenesis abundant, то есть преобладающие в конце зародышевого развития). Их функция состоит в том, чтобы защищать белки клетки от слипания и раскручивания. У человека этим занимаются шапероны, но деятельность LEA-белков гораздо масштабнее: они облепляют собой все клеточные белки. Поэтому их аминокислотный состав особенный, он не позволяет им скручиваться в устойчивые формы, и их структура остается гибкой.

Где взять суперсилу

Хитрые способности африканских комаров изучают в Лаборатории Экстремальной Биологии — совместном детище Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета (Россия) и RIKEN (Япония). Сотрудникам лаборатории удалось вывести линию клеток Pv11, полученных из эмбрионов комара. Клетки полностью воспроизводили свойства личинок — высыхали и оживали обратно. А вот обучить клетки млекопитающих этому трюку, вводя в них трегалозу и LEA-белки, не удалось. Это показывает, что африканская комариная «йога» устроена сложнее.

К счастью для ученых, у африканского комара есть близкий родственник — Polypedilum nubifer, тоже комар, но куда менее искушенный в выживании. Его дети не наделены суперспособностями, а значит, их можно рассматривать как «контрольную группу» в эксперименте, проводимом природой над африканским комаром. Можно сравнить геномы двух комаров и поискать гены, позволяющие переживать ангидробиоз. Различий в геноме нашлось совсем немного (и все они, что характерно, расположены на одной хромосоме). Так, у высыхающего вида есть ген LEA-белков, которым не могут похвастаться обычные комары. Полагают, что этот ген комары-йоги позаимствовали у термофильной бактерии Thiotrix flexiles — тут им, как и коловраткам, помог горизонтальный перенос генов. Остальные отличия от невысыхающих видов — это удвоение собственных генов. Например, у обычных комаров есть одна копия гена, отвечающего за починку поломок в белках. У высыхающих видов таких копий аж 14 штук. То же произошло и с другими генами, отвечающими за репарацию ДНК, борьбу со стрессом, транспорт трегалозы и воды. Все эти копии собраны на одной хромосоме и, по-видимому, запускаются одновременно под действием белков теплового шока.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Биолог Олег Гусев, изучающий Polypedilum vanderplanki, называет стратегию этих комаров «настоящим биохакингом». И действительно, это похоже на взлом программы: взяв всего один ген извне и поиграв с организацией своих, комары-звонцы научились полностью останавливать жизненные процессы и возвращать их обратно. Нам о таком еще мечтать и мечтать. Зато у нас есть множество объектов для изучения — кроме африканских комаров ангидробиоз освоили и другие организмы: некоторые круглые черви, рачки, уже упомянутые коловратки, тихоходки и даже некоторые растения. При этом механизмы высыхания могут отличаться: например, коловратки не используют трегалозу, а тихоходки используют уникальный белок для защиты ДНК. Это означает, что стратегий биохакинга существует несколько.

Спящая красавица или Дориан Грей?

Люди, хоть сами пока биохакинг в полной мере и не освоили, тоже вдохновились идеей ангидробиоза и принялись разрабатывать на его основе технологии. Например, из клеток африканского комара можно сделать биобанк — хранилище для биологических молекул. Ученым уже удалось ввести в культуру клеток комара чужеродный белок, который высыхал и «оживал» вместе с самими клетками. Если так пойдет и дальше, то скоро можно будет забыть про холодильники, которыми сейчас уставлена любая молекулярная лаборатория, — клетки комара могут оказаться более надежными хранилищами.

Но кроме технологических идей феномен ангидробиоза вызывает и фундаментальные вопросы. Например, что происходит с личинками в высохшем состоянии? Стареют ли они при этом? Некоторые авторы выражаются более образно, задаваясь вопросом: живут эти личинки, как Спящая Красавица, для которой время остановилось на сотню лет, или втайне стареют, как Дориан Грей? Точного ответа пока нет.

Но тот факт, что их можно высушивать и возвращать к жизни несколько раз подряд, позволяет предположить, что существенных повреждений ангидробиоз не вызывает. В состоянии ангидробиоза биополимеры не участвуют в химических реакциях и процессах обмена, а значит, не накапливают повреждений и не изнашиваются. К тому же они дополнительно защищены белками. Поэтому можно предположить, что, поставив «на паузу» жизненные процессы, действительно можно остановить время и отложить старение на потом. В этом звонцы чем-то напоминают даосов на пути недеяния. Ведь тот, кто действует, «не в состоянии овладеть Поднебесной».