Lāču un ūdenslāču neticamās superspējas

informācija par dzīvniekiem » Kukaiņi » Lāču un ūdenslāču neticamās superspējas

Dzīvnieki savā bioloģijā slēpj autentiskus noslēpumus apbrīnojamas superspējas ko zinātne tikai sāk atšifrēt. Dažiem zīdītājiem vēzis attīstās tik tikko, citi iztur brutālas radiācijas devas, un ir sugas, kas spēj pavadīt mēnešus nekustīgas, bez ēdiena vai ūdens, un atgriezties pie aktivitātes, it kā nekas nebūtu noticis. Vispārsteidzošākais ir tas, ka daudzi no šiem ekstremālajiem varoņdarbiem nav maģija: tie ir ierakstīti viņu DNS.

Starp tiem visiem neapstrīdamas zvaigznes ir lāči un tā sauktie ūdenslāči jeb tardigradi. Pirmie ir ievērojami ar savu ar ziemas guļu un vielmaiņu saistītās spējasLai gan pēdējie ir nopelnījuši planētas izturīgāko dzīvnieku titulu, izdzīvojot apstākļos, kas iznīcinātu gandrīz jebkuru citu dzīvības formu, izprast, kā viņiem tas izdodas, nav tikai ziņkārības jautājums: tas varētu mainīt cilvēku medicīnu turpmākajās desmitgadēs.

Dzīvnieku superspējas: kad evolūcija kļūst radoša

Ilgi pirms mēs runājām par komiksu supervaroņiem, daba jau bija izplatījusies neparastas spējas dzīvnieku vidūPiemēram, ziloņiem ir pārsteidzoši zems vēža sastopamības biežums, neskatoties uz to, ka to dzīves ilgums ir līdzīgs cilvēku dzīves ilgumam un to ķermenī ir daudz vairāk šūnu, kas teorētiski nozīmētu lielākas iespējas, ka kaut kas noiet greizi.

Jūtas Universitātes pētnieki atklāja, ka ziloņiem ir desmitiem papildu gēna kopiju, kas kodē p53 proteīnu. Galvenā molekula audzēja nomākšanāŠis proteīns darbojas kā sava veida sargs, atklājot DNS bojājumus un liekot šūnai tikt atjaunotai vai iznīcinātai, ja vēža transformācijas risks ir augsts. Ziloņiem ir ne tikai vairāk šī gēna kopiju, bet arī daudz efektīvāka sistēma bīstamo šūnu izvadīšanai no asinsrites.

Delfīni ir vēl viens aizraujošs piemērs. Šiem vaļveidīgajiem piemīt īpaša aizsardzība pret asins recekļiemŠī problēma cilvēkiem ir saistīta ar sirdslēkmēm, insultiem un citām nopietnām sirds un asinsvadu slimībām. Lai gan konkrētie mehānismi joprojām tiek pētīti, to fizioloģija, pielāgojoties dziļai niršanai un pēkšņām spiediena izmaiņām, ir novedusi pie tā, ka asinis ir mazāk pakļautas nāvējošu asins recekļu veidošanās procesam.

Kopumā šie dzīvnieki pierāda, ka evolūcija ir pilnveidojusi ļoti atšķirīgus risinājumus tādiem izplatītiem draudiem kā vēzis vai sirds un asinsvadu slimības. Atslēga slēpjas tā genomāUn te talkā nāk vairāku zinātnieku komandu darbs, kuras ir nolēmušas izsekot šīm ģenētiskajām īpatnībām ar palielināmo stiklu.

Lāči un ziemas guļa: veselīgas aptaukošanās meistari

Viena no lielākajām bioloģijas mīklām ir tā, kā daži dzīvnieki var pārziemot mēnešiem ilgi, nesabojājot savu ķermeniprocess, kas atšķiras pat no lielu zīdītāju, piemēram, miega Kā nīlzirgi guļLāči ir labākais piemērs: pirms ziemas tie uzkrāj milzīgas tauku rezerves, gandrīz pilnībā pārstāj kustēties, neēd un nedzer, un tikpat kā neurinē vai neveic vēdera izeju. Tomēr, pamostoties, tie nerada nopietnas komplikācijas, ar kurām līdzīgos apstākļos ciestu cilvēks.

Cilvēkiem ievērojams svara pieaugums īsā laikā un ilgstoša neaktivitātes perioda saglabāšana būtu ideāla recepte patoloģiskas aptaukošanās, insulīna rezistences, 2. tipa diabēta, hipertensijas, asins recekļu, muskuļu atrofijas un virknes citu problēmu attīstībai. Tomēr lāčiem šis process ir atgriezeniska un kontrolētaViņi nonāk un iziet no funkcionālās aptaukošanās stāvokļa, neatstājot hroniskas slimības pēdas.

Lai labāk izprastu šo spēju, zinātnieki Kristofers Gregs un Eliots Feriss, arī no Jūtas Universitātes, analizēja vairāku ziemas guļā esošu zīdītāju, ne tikai lāču, genomus. Viņu mērķis bija atrast DNS sekvences, kas ļauj šiem dzīvniekiem, tā teikt, "diezgan viegli" aptaukoties un pēc tam atgriezties normālā vielmaiņas stāvoklī bez ilgstošiem bojājumiem.

Savā pētījumā, kas publicēts žurnālā “Cell Reports”, viņi iekļāva četras sugas, kas ilgstoši piedzīvo bezsamaņas periodus: mazo ezīšu tenreku (Echinops telfairi), trīspadsmitjoslu zemes vāveri (Ictidomys tridecemlineatus), pelēko peļu lemuru (Microcebus murinus) un mazo brūno sikspārni (Myotis lucifugus). Visi šie dzīvnieki samazina savas dzīvības funkcijas līdz minimumam. ziemas miega laikā.

Vāveres gadījums ir īpaši pārsteidzošs: tās sirdsdarbības ātrums var samazināties no aptuveni 200 sitieniem minūtē līdz tikai pieciem, un elpošana, kas parasti pārsniedz simts ieelpas minūtē, samazinās līdz vienai ieelpai ik pēc dažām minūtēm. Neskatoties uz šo kraso palēnināšanos, organisms nesabrūkŠūnas pielāgojas, un dzīvnieks izdzīvo vairākus mēnešus gandrīz bez barības uzņemšanas vai atkritumu rašanās.

Ziemas miega ģenētika: slēptie slēdži DNS

Lai noskaidrotu, kas padara šos ziemas guļas dzīvniekus tik īpašus, pētnieki salīdzināja viņu DNS ar veselu cilvēku DNS, kā arī ar slimības skarto cilvēku DNS. Pradera-Vilija sindromsĢenētiska slimība, kam raksturīga neapslāpējama apetīte un ārkārtēja aptaukošanās. Ideja bija identificēt kopīgus genoma reģionus, kas dažādās sugās uzvedas ļoti atšķirīgi.

Šis salīdzinājums deva simtiem secību karti, kas saistītas ar svara kontroli un vielmaiņu. Konkrēti, viņi atrada 364 ģenētiskos elementus, kas, šķiet, darbojas kā Galvenie hibernācijas un aptaukošanās regulatoriŠie reģioni nav klasiski proteīnus kodējoši gēni, bet gan DNS fragmenti, kas darbojas kā slēdži, ieslēdzot vai izslēdzot blakus esošos gēnus atbilstoši dzīvnieka vajadzībām.

Daudzas no šīm zonām atrodas gēnu tuvumā, kas ir saistīti ar cilvēku aptaukošanos. Šķiet, ka ziemas guļas dzīvnieki ir iemācījušies izmantot šo pašu ģenētisko materiālu citādā veidā: Tiek aktivizētas "drošas" aptaukošanās programmas kad tiem jāuzglabā tauki un pēc tam tie jādeaktivizē, izvairoties no bojājumiem, kas mūsu sugā ir saistīti ar šādām pēkšņām izmaiņām.

Tikmēr citi žurnālā “Science” publicēti pētījumi ir koncentrējušies uz gēnu kopumu, kas pazīstams kā FTO lokuss (“tauku masa un aptaukošanās”). Cilvēkiem šis reģions ir viens no Galvenie ģenētiskie aptaukošanās riska faktoriBet ziemojošiem dzīvniekiem tas, šķiet, ir pārstrādāts, lai pildītu labvēlīgu funkciju.

Jūtas Universitātes Veselības departamenta komanda novēroja, ka šiem zīdītājiem ap FTO ir specifiskas DNS sekvences, kas ļoti precīzi regulē tuvumā esošo gēnu aktivitāti. Šīs sekvences darbojas kā molekulārā orķestra diriģentsTie palielina vai samazina vairāku gēnu, kas iesaistīti tauku uzkrāšanā un izmantošanā, "apjomu", ļaujot dzīvniekiem pirms ziemas nobaroties un pēc tam ziemas miega laikā lēnām patērēt savas rezerves.

No meža līdz klīnikai: ko mums var iemācīt ziemojošie dzīvnieki

Patiesi intriģējoši ir tas, ka arī cilvēkiem tas piemīt FTO lokuss un daudzi līdzīgi ģenētiskie reģioniAtšķirība ir tāda, ka visas mūsu evolūcijas gaitā šie slēdži ir konfigurēti atšķirīgi, tāpēc tie tagad veicina aptaukošanos un vielmaiņas traucējumus, nevis palīdz mums pārziemot vai tikt galā ar lielām svara svārstībām bez sekām.

Krisa Grega un viņa kolēģu vadītais darbs liecina, ka tie paši DNS elementi, kas nodrošina vielmaiņas elastību ziemas guļas organismiem, ir kļuvuši par Ahilleja papēdi mūsos. Tomēr tie arī paver durvis uz ļoti intriģējošu ideju: iespējams, Potenciāls aktivizēt noteiktas "metabolisma superspējas" joprojām var būt paslēpts mūsu genomā.un viss, kas nepieciešams, ir atrast veidu, kā pārregulēt šos slēdžus.

Lai pārbaudītu šīs hipotēzes, zinātnieki ir izmantojuši peļu modeļus, kontrolēti modificējot dažus specifiskus ziemojošu dzīvnieku regulējošos reģionus. Kad tie maina vienu DNS fragmentu, ietekme sniedzas tālu ārpus FTO gēna, ietekmējot daudzu savstarpēji saistītu gēnu funkciju, kā skaidro tādas autores kā Sjūzena Steinvanda. Nelielām izmaiņām var būt plašas un koordinētas sekas vielmaiņā.

Šāda veida atklājums ir veicinājis augstas precizitātes epigenomiskās rediģēšanas metožu izstrādi. Grega laboratorija sadarbojas ar pētnieku Džeisonu Gercu, lai izstrādātu uz CRISPR balstītu tehnoloģiju, kas ļautu modificēt noteiktu reģionu epigenetisko "konfigurāciju" cilvēka genoma. Nākotnes mērķis būtu personalizēti pielāgot vielmaiņas aktivitāti vai ārstēt aptaukošanos, tieši iedarbojoties uz šiem regulējošajiem slēdžiem.

Lai gan pagaidām tas var izklausīties pēc zinātniskās fantastikas, priekšnoteikums ir skaidrs: ja mēs varam saprast, kā ziemojoši dzīvnieki ilgstoši miera periodos izvairās no diabēta, muskuļu zuduma, neirodeģenerācijas vai paātrinātas novecošanās, mēs varētu smelties iedvesmu no šiem mehānismiem, lai izstrādāt terapijas pret 2. tipa diabētu, smadzeņu bojājumiem insulta dēļ vai ar vecumu saistītu pasliktināšanosTas nebūtu par cilvēku ziemošanu, bet gan par šūnu aizsardzības triku kopēšanu, kas jau darbojas citās sugās.

Ūdenslāči: planētas mikroskopiskie supervaroņi

Ja lāči un citi ziemas guļā esoši zīdītāji pārstāv dzīvnieku superspēju vielmaiņas pusi, tad tardigrādi iemieso... Ekstrēma pretestība tās tīrākajā formāŠie sīkie bezmugurkaulnieki, kuru izmērs ir mazāks par milimetru, ir pazīstami arī kā ūdenslāči vai sūnu sivēni, un tie izskatās kā no zinātniskās fantastikas filmas.

No pirmā acu uzmetiena to apaļīgie ķermeņi un astoņas nagainās ķepas piešķir tiem pievilcīgu, gandrīz komisku izskatu. Taču aiz šī labsirdīgā izskata slēpjas radība, kas spēj izturēt temperatūra svārstās no 150°C svelmes līdz gandrīz absolūtai nulleiTie ir tik izturīgi, ka pēc sasalšanas var atkust un turpināt staigāt, it kā nekas nebūtu noticis.

To tolerance sniedzas daudz tālāk par temperatūru. Tardigrādi var izturēt spiedienu, kas simtiem reižu pārsniedz Zemes atmosfēras spiedienu, un letālas starojuma devas – gan rentgenstarus, gan ultravioleto starojumu. Tie ir pat izdzīvojuši kosmosa vakuumā: 2007. gadā tūkstošiem šo sīko radību devās kosmosa misijā un bija tieši pakļautas kosmosa videi aptuveni 270 km augstumā. Pēc atgriešanās lielākā daļa joprojām bija dzīvi un vairojās bez problēmām..

Šī termiskās, mehāniskās un radioloģiskās izturības kombinācija gadiem ilgi ir mulsinājusi zinātniekus. Nebūtu pārspīlēti teikt, ka tardigrādi, cik mums zināms, ir visilgāk pastāvošās dzīvības formas uz ZemesTo spēja nonākt stāvokļos, kas ir tuvu "acīmredzamai nāvei", un pēc tam atkārtoti aktivizēties daudziem padara tos par ideāliem kandidātiem ekstremāliem scenārijiem, tostarp kosmosā.

Patiesībā ir ļoti iespējams, ka uz Mēness virsmas atpūšas lācenīši. Izraēlas kosmosa zonde, kas avarēja, nesa "Mēness bibliotēku" ar miljoniem lappušu informācijas un cilvēka DNS paraugi, kā arī dehidrēti tardigrādiDaži ir iekonservēti mākslīgā dzintarā, bet citi ir piestiprināti pie lentēm. Tās līdzdibinātāja Nova Spivaka ir pārliecināta, ka daudzi no šiem ūdenslāčiem joprojām atrodas tur, apturētā dzīvības stāvoklī, gaidot, kad tos atlaiž atpakaļ ūdenī.

Tardigrātu apturētā animācija: dzīvošana 0,01% līmenī

Tardigrāžu galvenais triks ir to spēja nonākt stāvoklī ekstremāla apturēta animācijatehniski pazīstama kā kriptobioze. Kad vide kļūst nelabvēlīga — ūdens trūkums, ekstremālas temperatūras, radiācija —, dzīvnieks saraujas, ievelk galvu un kājas un pārvēršas par sava veida sausu kapsulu, ko sauc par "tūnu".

Šajā stāvoklī tie izvada gandrīz visu ūdeni no sava ķermeņa, saglabājot tikai aptuveni 1% no ierastā tilpuma. To vielmaiņa palēninās līdz niecīgai daļai, aptuveni 0,01% no normālas aktivitātes. No ārpuses tie burtiski izskatās miruši: tie neēd, tie nekustas, Viņi praktiski neizrāda nekādas dzīvības pazīmes.Tomēr tie saglabā spēju atkārtoti aktivizēties, kad atgriežas labvēlīgi apstākļi.

Neticami, ka šī miera fāze var ilgt gadiem vai pat gadu desmitiem. Ir dokumentēti gadījumi, kad tardigrādes pēc ilgstošas ​​izkalšanas ir atgriezušās dzīvē, vienkārši rehidratējoties. Vienkārši pievienojiet ūdeni, lai aktivizētu "barošanas pogu". un dzīvnieks atgūst visas savas funkcijas, it kā kāds būtu nospiedis ļoti ilgu pauzes pogu.

Šī spēja nav tikai kuriozs triks, bet gan neticami spēcīgs izdzīvošanas instruments. Pateicoties tai, lācenīši ir kolonizējuši gandrīz katru planētas dzīvotni: no peļķēm un sūnām līdz augsnei, tuksnešiem, okeāna dibenam un tagad, iespējams, arī Mēness virsmai. Viņu bioloģija pierāda, ka dzīvība var pastāvēt izturēt apstākļus, kas šķita nesavienojami ar sarežģītu organismu nepārtrauktību.

Kriptobioze apvienojumā ar to strukturālo stabilitāti padarīja tos par ideāliem kandidātiem tādiem projektiem kā Arch Mission Foundation Mēness bibliotēka. Tur papildus viņu DNS ceļoja plašs arhīvs ar vairāk nekā 30 miljoniem lappušu informācijas par cilvēci, kas sakārtota kā savdabīgs B plāns iespējamu globālu katastrofu gadījumāLai gan tardigrādi diez vai varētu atdzīvoties uz Mēness, teorētiski tos varētu atgūt un atgriezt uz Zemes, lai pētītu, kā šī ekstremālā vide tos ir ietekmējusi.

Radiācijas aizsardzība: ūdenslāča brīnumproteīns

Papildus kriptobiozei tardigrādiem ir vēl viens noslēpums: olbaltumviela, kas spēj lai aizsargātu DNS no rentgenstaru radītiem bojājumiemKioto Universitātes pētnieki Takekazu Kunieda vadībā sekvencēja šo dzīvnieku genomu un atrada specifisku olbaltumvielu, kas sastopama tikai tardigrādēs un tiek aktivizēta, kad organisms tiek apstarots.

Analizējot tā funkciju, viņi atklāja, ka šis proteīns darbojas kā īsts molekulārais vairogs. Kad tas laboratorijā tiek ekspresēts cilvēka šūnās, DNS bojājumu apjoms pēc starojuma iedarbības samazinās aptuveni uz pusi. Citiem vārdiem sakot, Viens gēns no tardigrade ir pietiekams, lai būtiski uzlabotu cilvēka šūnu izturību pret radiāciju..

Šis rezultāts atstāja pētniekus bez vārdiem, jo ​​tas parāda, ka noteiktas ekstremālas iezīmes var būt vismaz daļēji pārnesamas starp sugām. Ja tas tiks apstiprināts un pilnveidots, šādam rīkam varētu būt milzīgs pielietojums: no lai aizsargātu veselos audus staru terapijas laikā lai uzlabotu starojumam pakļauto darbinieku vai pat astronautu drošību.

Taču pārsteigumi ar to nebeidzas. Kad lācenis gandrīz pilnībā izžūst, tā DNS sadalās vairākos mazos fragmentos. Normālos apstākļos šāds milzīgs bojājums būtu letāls jebkuram organismam, taču šiem dzīvniekiem ir ārkārtīgi efektīvi DNS atjaunošanas mehānismiRehidratācijas laikā tie bez būtiskām kļūdām pa gabaliņam atjauno savas hromosomas un atgūst iepriekšējo stāvokli.

Ja spēju paciest tik ārkārtēju izžūšanu un atjaunot šādu bojātu DNS varētu kaut daļēji pārnest uz citām dzīvnieku šūnām, tas varētu revolucionizēt tādas jomas kā audu, orgānu un pārtikas konservēšana. Daži zinātnieki iztēlojas nākotni, kurā tas būs iespējams. uzglabāt šūnas, kultūras, gaļu vai zivis sausā veidā gadiem ilgi nezaudējot bioloģisko kvalitāti, iedvesmojoties no šo ūdenslāču bioloģijas. Tomēr visi piekrīt, ka mēs vēl esam tālu no tā, lai kaut ko tādu darītu praktiski un ētiski ar cilvēkiem.

Vai mums ir arī slēptas superspējas?

Lielais jautājums, kas virmo pār visiem šiem pētījumiem, ir tas, vai cilvēki kaut kādā veidā saglabā ģenētiskais potenciāls aktivizēt līdzīgas spējas līdzīgi kā ziemojošu dzīvnieku vai tardigrādu atbildēm. Iegūtā atbilde nav pārliecinošs jā, bet arī nav absolūts nē: mums ir kopīga liela daļa ģenētiskās "aparatūras", lai gan mūsu epigenetiskā un regulējošā "konfigurācija" ir atšķirīga.

Pētījumi par FTO lokusu un saistītajiem regulējošajiem reģioniem liecina, ka var būt viena un tā pati genoma zona ļoti atšķirīgi efekti atkarībā no tā, kā ir organizēts jūsu komutācijas tīklsMūsu sugās noteikti modeļi palielina svara pieauguma un vielmaiņas sindroma attīstības risku. Ziemojošiem dzīvniekiem variācijas šajās pašās zonās ļauj uzkrāt taukus īslaicīgai lietošanai bez postošām sekām un aizsargāt jutīgus orgānus, piemēram, smadzenes un sirdi.

Tas liek dažiem pētniekiem ieteikt, ka, iespējams, mums nav jāimportē eksotiski gēni, lai uzlabotu savu veselību, bet... iemācīties labāk pārvaldīt tos, kas mums jau irCitiem vārdiem sakot, cilvēka genomā varētu būt slēpti risinājumi pret slimībām, kas saistītas ar vecumu, aptaukošanos vai neironu deģenerāciju un kuras pašlaik ir "izslēgtas" vai slikti regulētas.

Lai sasniegtu šo punktu, ir nepieciešamas arvien precīzākas kartes par to, kā šie regulējošie reģioni mijiedarbojas dažādās sugās. Salīdzinošā pieeja — cilvēku, lāču, vāveru, lemuru, sikspārņu un citu zīdītāju genomu pretstatīšana — ļauj mums identificēt saglabāšanas un izmaiņu modeļus, kas norāda uz patiesi kritiskie ģenētiskā tīkla mezgliKad tas ir atrasts, var pārbaudīt racionālākas un drošākas intervences stratēģijas.

Ir taisnība, ka pagaidām daudzi no šiem pielietojumiem ir nākotnes projekti un to ieviešana klīniskajā praksē prasīs laiku. Taču pamatā esošais vēstījums ir ļoti spēcīgs: Lāču, ziemas guļā guļošo dzīvnieku un tardigrādu "superspējas" nav neizskaidrojami brīnumibet gan ļoti specifisku gēnu un regulatoru kombināciju rezultāts. Šo kombināciju izpratne varētu mums palīdzēt izstrādāt jaunas ārstēšanas metodes, labāk novērtēt individuālo vielmaiņas slimību risku un personalizētākā veidā vadīt dzīvesveidu un terapijas.

Aplūkojot visu šo ainu, kļūst skaidrs, ka lāču, ziemas guļā dzīvojošu lāču un ūdenslāču superspējas pārstāv daudz vairāk nekā tikai bioloģiskas kuriozitātes. To genomos ir paslēptas norādes par Kā pretoties vēzim, modulēt vielmaiņu, palēnināt neirodeģenerāciju, izturēt radiāciju un izdzīvot ekstremālos apstākļosZinātne tikai sāk tulkot šo valodu, taču katrs jauns atklājums pastiprina domu, ka dažas no šīm spējām kaut kādā veidā varētu būt pieejamas mūsu pašu sugai.