Что может пережить тихоходка
Тихоходка — животное, способное пережить апокалипсис
Исследователи уверены, что даже самые экстремальные условия на нашей планете не смогли бы уничтожить этих удивительных представителей животного царства. Тихоходка впервые была описана как «маленький водяной медведь» в 1773 году немецким зоологом Иоганном Августом Гёце. Позднее им присвоили латинское название «il tardigrado» (Tardigrada), что в переводе означает «тихоходка». Выбранное название не случайно — при своих размерах в 0,1—1,5 миллиметров тихоходки передвигаются действительно медленно — со скоростью около 2 миллиметров в минуту. Из-за своих крошечных размеров и способности переносить неблагоприятные условия, они распространены во всех областях нашей планеты: от Гималаев, высочайшей горной системы Земли, до морских глубин.
Уже первые исследователи тихоходок обратили внимание на их поразительную выносливость. Итальянский учёный Ладзаро Спалланцани, присвоивший этим животным латинское название, установил, что при неблагоприятных условиях тихоходки могут впадать на долгие годы в анабиоз, а при благоприятных условиях — быстро оживать. При анабиозе тело тихоходки высушивается, теряет объёмы и покрывается восковой оболочкой, которая препятствует испарению.
• Тихоходки могут находится долгое время в атмосфере сероводорода, углекислого газа.
• Тихоходки выдерживают чрезвычайно низкие температуры (-272 ° C) и чрезвычайно высокие (150 ° C).
• Проведённые японскими учёными эксперименты доказали, что эти животные выживают в условиях экстремально высокого давления — при 600 МПа (около 6000 атмосфер). В условиях Мирового океана на каждые 10 метров глубины давление увеличивается на одну атмосферу, поэтому простые подсчёты покажут, что эти животные выдерживают давление, которое почти в 6 раз выше давления в самом глубоком месте на Земле — Марианской впадине.
• Шведские учёные ставили эксперименты над тихоходками в условиях открытого космоса. В течение 10 дней разные группы тихоходок, находящихся в анабиозе, подвергались космической радиации и жёсткому облучению ультрафиолетом. По возвращению на космический аппарат часть этих животных вернулась в нормальное состояние, и, более того, оказалась способна к воспроизводству.
Ученые выяснили секрет «бессмертия» тихоходок
Крошечные, микроскопические живые организмы под названием тихоходки широко известны в биологии за счет своей удивительной живучести. Они способны выживать в таких условиях, где не выживет ни один другой живой организм на планете Земля. Исследователи из Японии решили, наконец, разобраться в этом секрете живучести и создали самую точную на сегодняшний день картину генома тихоходок, который позволил им узнать несколько секретов, наделяющих этих крошечных существ способностью выживать практически где угодно.
Но применить его на людях пока не получится
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, генетик Такеказу Куниеда и его коллеги из Токийского университета поделились деталями генетического анализа Ramazzottius variornatus – самого живучего вида среди всех семейств тихоходок. Результаты анализа показывают, что тихоходки смогли развить уникальный арсенал стратегий, помогающих им выдерживать самые суровые условия. Кроме того, ученые узнали, что одним из важнейших компонентов «живучести» этих микроорганизмов является особый белок, защищающий их ДНК от деструктивного воздействия радиации.
Почему тихоходки такие живучие?
Когда ученые трансплантировали этот белок внутрь взращенных человеческих клеток, эти клетки получили ту же самую защиту от радиации. Полученный результат открывает потенциальные возможности для новых методов сохранения клеточных связей, новых методов генной терапии, а также новые возможности в трансгенетике.
Как уже было указано выше, тихоходки, подпадающие под классификацию «экстремофилов», способны переживать заморозку, полную дегидратацию, воздействие радиации и даже вакуум космоса. Ученые считают, что этот вид появился на Земле около 600 миллионов лет назад и за это время смог развить в себе уникальные возможности адаптации к любым окружающим условиям.
Тихоходка «улыбается» в камеру микроскопа
Ранее в этом году ученые успешно вернули к жизни тихоходку, находившуюся в полностью замороженном состоянии в течение последних трех десятилетий, что является абсолютным рекордом для этого вида. Поэтому неудивительно, что ученых очень интересуют эти микроскопические животные. Секреты «бессмертия» этих древних существ могут не только рассказать о возможности существования живых организмов на других планетах, но и имеют огромный потенциал открытия новых возможностей в медицине и генетике.
Откуда появились тихоходки
Стоит отметить, что это не первый раз, когда ученые составляют геном тихоходок. В прошлом году генетики Университета Северной Каролины (США) проводили аналогичные исследования и выяснили, что генетическая структура этих живых существ обладает по-настоящему удивительной особенностью. Исследование показало, что 17,5 процента генома тихоходок берет свое начало у других организмов: растений, грибов, бактерий и даже вирусов. Было сделано предположение, что удивительные способности тихоходок не являются исключительно результатом их собственной эволюции, а скорее являются результатом процесса горизонтального переноса генов, когда один организм передает свой генетический материл другому организму, не являющемуся его потомком.
Однако новое исследование Токийского университета ставит под сомнение это предположение и говорит о том, что особенности тихоходок являются уникальными и совсем не являются следствием горизонтального переноса генов.
Новое исследование в некоторой степени отличается от предыдущих. Во-первых, для своих наблюдений японские ученые использовали самый живучий вид тихоходок R. Varieornatus, в то время как в предыдущих исследованиях ученые вели наблюдение за видом Hypsibius dujardini, который является наименее живучим среди этих организмов.
Во-вторых, ученые успешно исключили возможность воздействия на эти организмы других видов бактерий (вы не поверите, но наряду с другими средствами для этого использовались коммерчески доступные отбеливатели), что позволило просканировать геном тихоходок без воздействия каких-либо внешних раздражителей. Этот пункт оказался особенно важным, так как авторы предыдущих исследований заявляли о наличии большого объема бактериальных генов, включенных в геном тихоходок.
В-третьих, ученые смогли секвенировать геном тихоходок на гораздо более высоком уровне точности, создав генетический профиль, в 100 раз менее фрагментированный, чем в рамках предыдущих попыток.
Наблюдая за секвенированным геномом, ученые отметили, что соотношение «инородных генов» составляет 1,2 процента, что, конечно же, гораздо ниже тех 17,5 процента, о которых мы говорили выше.
«Количественное соотношение на уровне 1,2 процента совсем не является чем-то уникальным для животного царства, и таким образом невозможно говорить о масштабном горизонтальном переносе генов, если таковой вообще имелся», — комментирует Куниеда.
«Отличительной чертой тихоходок является наличие уникальных генов, которые и позволяют этим организмам вырабатывать такой высокий уровень толерантности к суровым окружающим условиям».
Полностью обезвоженная тихоходка свернулась «калачиком»
Авторам нового исследования удалось выяснить, какие гены и биологические процессы наделяют тихоходок столь удивительными возможностями выживания. Например, в геноме тихоходок содержится больше, чем у любых других живых организмов, антиоксидантных ферментов и генов, восстанавливающих ДНК. Куниеда говорит, что эти особенности позволяют тихоходкам без проблем переживать полную дегидрацию их организма и эффективно восстанавливать поврежденные цепочки ДНК.
Кроме того, ученые обнаружили наличие особого белка, который встраивает себя в ДНК. Уникальный белок, получивший название Dsup, ведет себя как щит против радиации, не позволяя ДНК расщепляться. Это вполне может объяснять тот факт, что тихоходкам практически безразлично воздействие радиации и они вполне способны выживать даже в условиях вакуума космоса.
Можно ли перенять гены тихоходок?
Эта генетическая защита от радиации может быть адаптирована в клетках других животных. В рамках тестов с использованием культивированных клеток человека ученые продемонстрировали эффективность белка Dsup в противостоянии радиации и защите ДНК от повреждений, снизив их практически на 40 процентов. Другими словами, если этот особый белок можно будет поместить внутрь живых людей, то это повысит уровень нашей естественной защиты от радиации. Более того, биология тихоходок в той или иной степени может сделать человека более приспособленным к условиям космоса.
«Интеграция белка Dsup в человеческий организм может повысить нашу защиту к радиации. Но к настоящему моменту это можно сделать исключительно за счет методов генетического редактирования. С учетом нынешних законов в ближайшем будущем этого точно не случится», — комментирует Куниеда.
Кроме того, ученый отмечает, что Dsup неидеален и способен снижать повреждения ДНК, вызываемые радиацией, примерно в половину, что, «конечно же, существенно, но все же только вполовину». По мнению Куниеды тихоходки используют и другие средства (помимо белка Dsup), чтобы защитить себя от радиации.
Несмотря на большую значимость белка Dsup, Куниеда считает, что способности сверхзащиты тихоходок скрываются и в других особенностях их строения и генетики, которые все еще только предстоит открыть.
«Используя комбинаторный набор этих генов, мы могли бы повысить уровни выживаемости и у других животных», — говорит ученый.
«Особый интерес связан с поиском возможности передачи стойкости к дегидрации. Потому что в этом случае это, например, позволит нам найти более эффективные методы хранения самых разных биологических материалов, включая нашу еду: зерновые культуры, мясо, рыбу и так далее».
По мнению ученого, перед тем как мы сможем полностью понять особенность генома тихоходок, потребуется провести еще далеко не одно исследование.
Тихоходки считаются одними из самых живучих созданий на Земле
Об открытии ученых из Копенгагенского университета было рассказано в научном издании под названием Scientific Reports. Ученым уже было известно, что тихоходки отлично приспосабливаются к холодным условиям, но при этом менее устойчивы к сильной жаре. В ходе предыдущих исследований других групп ученых было выяснено, что при температуре от 60 до 65 градусов Цельсия эти существа живут на протяжении десяти часов, а при 150 градусах — всего полчаса. Исходя из этого исследователям стало интересно, как долго живут тихоходки при продолжительной жаре, которая наблюдается уже несколько летних сезонов подряд.
Из-за чего умирают тихоходки?
Удивительная живучесть тихоходок объясняется тем, что они способны погружаться в так называемое состояние ангидробиоза. Как правило, при попадании в экстремальные условия, тихоходки переходят в «высушенное» состояние, при котором втягивают свои конечности и принимают бочкообразную форму. В их организме остается минимальное количество влаги, за счет чего они уменьшаются в размерах и замедляют обмен веществ.
На изображении A показана тихоходка в активном состоянии, а на B — в состоянии ангидробиоза
В ходе научной работы ученые выяснили, как высокие температуры воздействуют на активных тихоходок и особей, которые находятся в ангидробиозе. В исследовании использовались тихоходки вида Ramazzottius varieornatus, которые в большом количестве обитают в водоемах Дании. Как оказалось, при температуре воды, равной 37,1 градусам Цельсия, половина популяции тихоходок погибают всего лишь спустя сутки. При этом особи, которые жили в воде с медленно повышающейся температурой, умирали при 37,6 градусах.
Тихоходка вида Ramazzottius varieornatus
Тихоходки в «высушенном» состоянии, в свою очередь, в течение суток погибали при температуре 82,7 градусов Цельсия. Но это только при условии, что тепловое воздействие длилось не более часа. Но если температура воды держалась высокой на протяжении суток, удивительные создания погибали даже при 63,1 градусах. Именно в этот момент ученые и обнаружили слабость тихоходок — они не могут выжить при постоянной жаре.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!
У многих может возникнуть вопрос — почему в ходе предыдущих исследований тихоходки выживали на протяжении 30 минут при 150 градусах Цельсия, а в этой научной работе внезапно начали умирать при 63 градусах? Вероятно, это связано с тем, что в исследованиях использовались разные виды этих существ. В этом, как и говорилось выше, испытания проводились на живущих в водоемах особях.
Подробнее о методах выживания тихоходок можно почитать в нашем специальном материале
По мнению исследователей, их открытие является еще одним доказательством того, что постепенное повышение температуры нашей планеты вредит всем живым организмам безо всяких исключений. Есть вероятность того, что некоторые животные все же смогут адаптироваться к новым условиям, но некоторым из них, причем даже самым живучим, это может не удастся.
Тихоходки раскрыли тайну происхождения жизни на Земле
Как тихоходки летают со скоростью пули
Тихоходки могут падать из космоса с метеоритами или астероидами и оставаться в живых. Это следует из опубликованных результатов недавнего эксперимента. Учёные попытались воспроизвести условия, при которых эти живые существа могли бы перелететь с одного небесного тела на другое. Первым делом подопытных заморозили на 48 часов в специальном нейлоновом «мешке». Для таких случаев у тихоходок есть мудрый план действий: впасть в спячку. Притом не просто в анабиоз, а в ангидробиоз. Они втягивают в себя все свои четыре пары ног вместе с головой, выталкивают из себя 99% воды и превращаются в сухое бесформенное нечто, иногда отдалённо напоминающее бочонок. Поэтому это называют «состоянием чана». Скорость обмена веществ при этом падает до одной сотой от нормы.
Экспериментально проверено, что в таком виде при температуре –20 градусов по Цельсию тихоходка может с успехом «проспать» 30 лет, а потом разморозиться и вернуться к обычной жизни. В жидком кислороде (–193 °C) она выдерживает чуть больше чем полтора года. И даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (напомним, абсолютный ноль — это –273 °C, то есть холоднее во Вселенной не бывает), часов восемь она вполне может продержаться.
До какой степени их охладили в данном случае, в статье, правда, не уточняется. Но сказано, что как следует промороженными тихоходками «зарядили» газовую пушку, а затем шесть раз подряд выстрелили в песок внутри вакуумной камеры. Таким образом воссоздали обстоятельства падения на планету астероида с живыми существами.
Отмечается, что в Солнечной системе такие удары происходят в среднем со скоростью чуть меньше километра в секунду, это 3240 километров в час. В среднем. Но примерно в 12% всех случаев скорость бывает менее 500 метров в секунду (1800 километров в час). Случается и особо редкая удача — 100 метров в секунду (360 километров в час). Это зависит от массы астероида и небесного тела, на которое он падает.
Так вот, пушка ударяла со скоростями от 556 метров в секунду до километра в секунду. При этом создавалось ударное давление — от 0,61 до 1,31 гигапаскаля, это около тысячи атмосфер.
Результаты следующие. При скорости до 730 метров в секунду — прекрасно выживают. Прекрасно — значит 100%. Выживают — значит вытягивают обратно ноги и начинают шевелиться и вообще жить спустя какое-то время, в основном через 24 часа. Максимум 36. Это, конечно, раза в четыре дольше, чем если просто заморозить, а потом разморозить, без удара. Но тем не менее. Абсолютной границей выживаемости оказалась скорость в районе 900 метров в секунду. В промежутке от 730 до 900 шансы оклематься резко падают до самого нуля.
Выводы: при среднестатистическом ударе метеорита о поверхность Земли тихоходки вряд ли выжили бы. А вот небесные тела полегче и поменьше (вроде спутников Юпитера и Сатурна) — другое дело. К слову, зонд «Кассини» зафиксировал, что из гейзеров Энцелада вместе с водой вырывается сложная органика.
Что мы знаем о тихоходках
Они обитают в целом повсеместно, но больше всего любят мхи и лишайники — прокалывают там растения своими колюще-режущими предметами в области рта и пьют соки. Хотя встречаются и кровожадные разновидности, которые охотятся на червей-нематод и даже друг на друга.
В 2007 году тихоходок отправили в космос на борту — точнее за бортом — аппарата FOTON-M3 Европейского космического агентства и подождали десять дней. Для сравнения одну часть установили так, чтобы она получила максимум радиации и ультрафиолета, а другой создали условия несколько получше. В итоге даже среди самых невезучих нашлись живые. Более того, они даже производили вполне нормальное потомство. Правда, через несколько дней после возвращения на Землю они всё-таки погибли, и всё же это поразительно, что они не умерли за 10 дней в открытом космосе. Эксперимент повторили в 2011 году, тогда тихоходки полетели на шаттле «Индевор».
— Первые результаты показали, что микрогравитация и космическая радиация не оказали значительного влияния на уровень выживаемости тихоходок, — говорится в опубликованной после этого научной статье.
Физики встроили тихоходку в кубит
K. S. Lee et al. / arXiv.org, 2021
Ученые из нескольких стран доложили о результатах эксперимента, в ходе которого они использовали тихоходку, чтобы изменить состояние трансмонного кубита, запутанного с другим кубитом в условиях очень низких температур и давлений. Тихоходка пережила этот эксперимент, обновив рекорд по экстремальности физических условий, которые она может выдержать. Препринт работы опубликован на сайте arxiv.org, а сама она пока не прошла рецензирование.
Квантовая суперпозиция — это феномен, возникающий в квантовой механике, который не имеет аналогов в классической картине мира. Он заключается в том, что квантовые состояния объектов могут быть представлены в виде суммы состояний, соответствующих различным значениям какой-либо физической наблюдаемой. Если в системе присутствует несколько взаимодействующих объектов, то их многочастичные состояния также могут оказаться суперпозиционными, реализуя квантовую запутанность — фундаментальную корреляцию, благодаря которой возможны квантовые вычисления и квантовая связь.
Строго говоря, любое взаимодействие чего-либо с объектом в состоянии квантовой суперпозиции должно приводить к квантовой запутанности. Если же это что-то достаточно большое по размеру и содержит в себе много степеней свободы (физики часто называют такие тела «теплыми и влажными»), то квантовая суперпозиция рассеивается, а объект переходит в одно из состояний с определенной наблюдаемой. Этот процесс называется декогеренцией.
Физики до сих пор спорят об интерпретации этого процесса. Одним из аргументов в этом споре стал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, который, будучи макроскопическим биологическим объектом, очевидно, подходит под определение теплого и влажного. Таким образом в физике сформировалась граница масштабов, за которыми квантовые эффекты исчезают очень быстро. Несмотря на это, ученые стараются сдвинуть ее как можно дальше в область больших объектов, в том числе и живых (подробнее об этом вы можете прочитать в материале «Власть частичного»). К недавним достижениям сформировавшейся таким образом квантовой биологии уже можно отнести квантовую суперпозицию биологической молекулы, состоящей из 15 аминокислот, и даже запутывание одиночной бактерии светом, которое, однако, было подтверждено лишь косвенно.
Ученые из пяти стран при участии Райнера Думке (Rainer Dumke) из Национального университета Сингапура пошли дальше и сообщили о том, что им удалось создать квантовую суперпозицию между двумя трансмонными кубитами, один из которых был связан с тихоходкой электростатическим взаимодействием. Как утверждают сами авторы, многоклеточный организм впервые был переведен ими в состояние квантовой суперпозиции. Кроме того, исследователи поставили рекорд по экстремальности условий, которые может выдержать сложная форма жизни.
В качестве объекта исследования физики выбрали особь датской популяции тихоходок вида Ramazzottius varieornatus, которой они дали имя Нил Вормстронг (Neil Wormstrong). Тихоходки известны своей живучестью, которая обусловлена состоянием ангидробиоза, то есть анабиоза, вызванного усыханием. Для выбранного авторами вида характерно усыхание до 100-150 микрометров при длине 200-450 микрометров в активном состоянии.
Сначала физики помещали спящую тихоходку на обкладки конденсатора в свехпроводящем трансмонном кубите при температуре 10 милликельвин и давлении 6 × 10 −6 миллибар, что приводило к смещению его резонансной частоты на восемь мегагерц. Они смоделировали этот эффект, представив тихоходку в виде диэлектрического куба с длиной ребра, равной 100 микрометров. Он воспроизводился для диэлектрической постоянной, равной примерно четырем, что соответствует нижней границе диэлектрический свойств белков. Затем исследователи построили микроскопическую модель взаимодействия кубита с тихоходкой, описав колебания зарядов в последней с помощью N гармонических осцилляторов. При этом они ограничивались лишь двумя возможными состояниями системы осцилляторов, по сути рассматривая тихоходку в качестве третьего кубита.
Во второй части эксперимента физики связывали систему «кубит+тихоходка» с другим кубитом и переводили их в суперпозиционное состояние с помощью CNOT-операции. Авторы проводили томографию квантовых состояний в четырехмерном подпространстве, базис которого включал два состояния нового кубита и два состояния системы «кубит+тихоходка». Сравнение построенной матрицы плотности с теоретическими предсказаниями показало степень совпадения (fidelity), равную 82 процентам.
Результат томографии квантовых состояний в виде элементов матрицы плотности