Как тихоходки пережили пять массовых вымираний и что они знают о смерти

Это существо видело, как рождались и исчезали горы, как океаны меняли свои берега, а континенты дрейфовали по лицу планеты. Оно пережило всё, что уничтожало динозавров, морских гигантов и 96% всей жизни на Земле. И при этом оно меньше миллиметра в длину. Это тихоходка, или «маленький водяной медведь». Она существует уже более 500 миллионов лет и считается почти неуязвимым. «Рамблер» разбирается, в чём же её тайна и что это крошечное создание знает о границе между жизнью и смертью.

Кто такие тихоходки

Тихоходки — это микроскопические беспозвоночные, чей размер колеблется от 0,05 до 1,2 мм. Чтобы их разглядеть, нужен микроскоп. Внешне они напоминают неуклюжих восьминогих медвежат с коготками на лапках, за что и получили своё прозвище «водяные медведи». Во рту у них пара острых стилетов, которыми они прокалывают клетки мхов, лишайников и водорослей, чтобы высосать их содержимое. Сегодня науке известно более 1000 видов тихоходок, не менее 120 из них обитают в России.

Их можно найти буквально везде: во мхе в лесу, в придорожной пыли, в горячих источниках, на вершинах Гималаев на высоте до 6 километров и на дне океана глубже 4 километров. Их активная жизнь коротка: от 3–4 месяцев до двух лет, в зависимости от вида. У них нет ни кровеносной, ни дыхательной системы — они дышат всей поверхностью тела. Впервые их описал в 1773 году немецкий пастор Иоганн Гёце, который и был поражён их «медвежьей» внешностью.

Учёные в шоке: неприметная рыба потрясла основы биологии

Пять апокалипсисов

История жизни на Земле — это история не только эволюции, но и катастроф. Предположительно, тихоходки или их предки появились в кембрии или ранее; молекулярные оценки расходятся, а самые древние ископаемые тихоходки в янтаре имеют возраст лишь около 78 миллионов лет. Если считать с кембрийского периода, то тихоходки как вид пережили пять крупных массовых вымираний:

• Ордовикско-силурийское вымирание (~443 миллиона лет назад): исчезло до 86% всех видов.
• Позднедевонское вымирание (~374 миллиона лет назад): погибло около 75% видов.
• Пермско-триасовое вымирание (~252 миллиона лет назад): крупнейшая катастрофа, уничтожившая 96% морских и 70% наземных видов.
• Триасово-юрское вымирание (~201 миллион лет назад): исчезло до 80% видов.
• Мел-палеогеновое вымирание (~66 миллионов лет назад): конец эпохи динозавров.

Пока астероиды падали, а супервулканы извергались, тихоходки просто «засыпали». Исследования показывают, что ключевая способность этих существ — криптобиоз — могла эволюционировать независимо в разных линиях как раз в периоды этих вымираний, между 430 и 175 миллионами лет назад. Они просто научились ждать, пока мир снова станет пригодным для жизни. При этом палеонтологическая летопись крайне скудна: на сегодняшний день описано лишь несколько ископаемых видов тихоходок в янтаре (Beorn leggi, Milnesium swolenskyi, Paradoryphoribius chronocaribbeus и др.).

© Wikimedia Commons

Гипотетическая реконструкция жизни тихоходок Beorn leggi (сверху) и Aerobius dactylus (снизу)

Криптобиоз: умереть, не умирая

Главный секрет выживания тихоходок — криптобиоз, что в переводе с греческого означает «скрытая жизнь». Это уникальное состояние, которое нельзя назвать ни жизнью, ни смертью. Когда условия становятся невыносимыми — засуха, холод, радиация, — тихоходка впадает в анабиоз. Самая изученная его форма — ангидробиоз, реакция на обезвоживание.

Процесс выглядит так: существо втягивает в себя лапки, сжимается и превращается в крошечный обезвоженный «бочонок», известный как «тун» (tun state). В этом виде оно теряет до 99% всей воды в организме, а его метаболизм замедляется до 0,01% от нормы — практически до полной остановки. Это состояние, близкое к смерти.

Но как им удаётся выжить? Долгое время считалось, что главный защитник — сахар трегалоза, который заменяет воду и создаёт стекловидную защитную матрицу вокруг клеточных структур. Однако выяснилось, что трегалоза есть не у всех видов. Настоящими героями оказались изначально разупорядоченные белки (IDP). Эти белки заполняют цитоплазму клеток и при высыхании образуют ту самую стекловидную субстанцию, которая физически защищает клеточные компоненты от разрушения. Когда появляется вода, «стекло» растворяется, и тихоходка «воскресает» порой всего за несколько минут. В высушенном состоянии они могут находиться десятилетиями — известен случай оживления особи после 30 лет «сна».

Что не может убить тихоходку

Список экстремальных условий, которые переносят тихоходки в состоянии криптобиоза, читается как сценарий научно-фантастического фильма. Они выживают при:

• Температурах: от +150 °C (в течение нескольких минут) до −271 °C (жидкий гелий).
• Радиации: смертельная доза для человека — 5 Зиверт. Тихоходки выдерживают до 5700 Зиверт — в 1140 раз больше. Они одни из самых радиорезистентных животных на планете.
• Давлении: до 6 тысяч атмосфер (около 0,6 ГПа), что примерно в шесть раз превышает давление на дне Марианской впадины.
• Вакууме: в 2007 году в рамках эксперимента FOTON-M3 тихоходок отправили в открытый космос на 10 суток. Они не только выжили, но и смогли дать здоровое потомство после возвращения на Землю.

© Wikimedia Commons

Капсула эксперимента FOTON-M3

Но они не всесильны. Уязвимость тихоходок — коротковолновое ультрафиолетовое излучение (116,5–280 нм), которое разрушает их ДНК и белки. Также эксперименты показали, что тихоходки плохо переносят длительное отсутствие геомагнитного поля. Так что их неуязвимость неабсолютна, но порог прочности несравним ни с чем в животном мире.

Белок, который защищает ДНК

Невероятная устойчивость к радиации объясняется не только физической защитой в состоянии «тун», но и уникальным генетическим механизмом. Изучение генома тихоходки вида Ramazzottius varieornatus привело к открытию уникального белка, который назвали Dsup (от англ. Damage suppressor — «подавитель повреждений»).

Этот белок буквально обволакивает молекулу ДНК, создавая физический щит от повреждений. Эксперимент, в ходе которого ген белка Dsup встроили в клетки человека, показал поразительные результаты: устойчивость человеческих клеток к повреждению рентгеновскими лучами выросла на 40%. Кроме того, Dsup защищает ДНК и от активных форм кислорода (свободных радикалов) — одной из главных причин старения.

Ранее считалось, что суперспособности тихоходок могут быть обусловлены горизонтальным переносом генов. Анализ генома показал, что до 17,5% генов тихоходки «позаимствовали» у других организмов — бактерий, архей, грибов и растений. Последующие исследования, однако, опровергли этот факт и показали, что у тихоходок горизонтально переносятся только 1–2% генов.

© Wikimedia Commons

Тихоходка Ramazzottius varieornatus

Философия выживания

Феномен криптобиоза ставит перед нами фундаментальный философский вопрос: если метаболизм остановлен, химические реакции не идут, а сознание (если оно есть) отсутствует — можно ли считать это жизнью? Ещё в XVIII веке учёный Ладзаро Спалланцани, впервые ожививший высохших коловраток, назвал это «воскрешением из мёртвых». Другие считали, что видят потомков погибших особей. Немецкий анатом Макс Шультце в 1834 году описал это как «близкое к смерти состояние».

Современная наука склоняется к тому, что криптобиоз — это третье состояние, не жизнь и не смерть. Тихоходки не побеждают смерть, они её обходят. Они не живут вечно в активном состоянии — их век короток. Но они научились ставить время на паузу и переживать тем самым неблагоприятные условия. Если смерть — это необратимая остановка биологических процессов, то тихоходки нашли способ сделать эту остановку обратимой. Они умирают каждый раз, когда засыпают, чтобы потом снова вернуться к жизни.

Зачем это нужно людям

Изучение суперспособностей тихоходок — это не просто удовлетворение научного любопытства. Это ключ к технологиям, которые могут изменить привычный мир. Вот лишь несколько фантастических технологий, которые в будущем может дать исследование биологии тихоходок:

• Вакцины без холодильника: белки, защищающие тихоходок при высыхании, можно использовать для стабилизации вакцин и других лекарств. Это решит проблему «холодовой цепи» и сделает препараты доступными в самых отдалённых уголках планеты.
• Борьба с раком и старением: белок Dsup может стать основой для новых методов генной терапии, защищающих ДНК здоровых клеток во время химиотерапии. А замедление молекулярных процессов, как показали японские учёные, может стать ключом к увеличению продолжительности жизни.
• Космические путешествия: изучение анабиоза тихоходок — прямой путь к созданию технологий гибернации для астронавтов, отправляющихся в многолетние полёты к другим звёздам.
• Трансплантология: технологии криосохранения на основе белков тихоходок позволят безопасно замораживать и хранить донорские органы.

Переживут ли тихоходки конец света?

В 2017 году физики из Гарварда и Оксфорда провели расчёты и пришли к выводу: ни падение гигантского астероида, ни взрыв сверхновой, ни гамма-всплеск не смогут полностью стерилизовать Землю и уничтожить тихоходок. Чтобы вскипятить океаны, где они живут, потребуется колоссальная энергия, которой не обладает ни одна из этих катастроф.

Вероятнее всего, эти микроскопические существа переживут человечество и станут последними живыми существами на планете, дождавшись момента, когда через миллиарды лет умирающее Солнце поглотит Землю. Они не бессмертны — они просто лучше всех умеют ждать.

В итоге

Тихоходка — это живой парадокс. Самое хрупкое на вид существо оказалось самым выносливым в истории планеты. Её секрет не в силе, а в умении вовремя «отключиться», превратившись в почти неживую частицу пыли, чтобы переждать апокалипсис. Изучая её механизмы — от криптобиоза до белка Dsup, — учёные не просто познают пределы жизни. Они открывают двери в медицину будущего, где старение можно замедлить, ДНК — защитить, а смерть — поставить на паузу.

Генные инженеры, отказавшиеся от эволюции: как осьминоги редактируют свою ДНК