Kurkime ateitį drauge!

 

ANHIDROBIOZĖ: SUSTABDYTAS GYVENIMAS CUKRAUS STIKLE

ARBA

VANDENS LAŠAS MIEGANČIAI STIKLO KARSTE GRAŽUOLEI PAŽADINTI

 

Prof. Vida Mildažienė, dr. Zita Naučienė

 

Ar yra tekę žiūrėti komediją apie užšalusį ir mūsų amžiuje atgijusį pirmykštį žmogų? Arba skaityti straipsnius apie turtuolius, kurie moka didžiules sumas, kad būtų užšaldyti ir galėtų išvysti tolimą ateitį? Kažkuris iš jų lyg ir tikėjosi tada būti išgydytas nuo šiuo metu neįveikiamos ligos… O pasaka apie stiklo karste miegančią gražuolę ir ją bučiniu prikėlusį princą girdėta?  Kiek moksliškai pagrįstos šios istorijos?

Žmogaus audinių šaldymas (kriopleginiai tirpalai) taikomas transplantacijos ir kitų chirurginių operacijų metu, nes esant mažesnei temperatūrai sulėtėja žalingos ląstelių struktūrų skaidymo reakcijos ir pavyksta ilgiau išsaugoti audinio gyvybingumą. Deja, labai abejotina, kad po šimtmečio galima būtų sėkmingai atgaivinti užšaldytą žmogų.

Tačiau gerai žinoma, kad tam tikri paprastesni gyvūnai turi fantastinių gebėjimų išlikti, ekstremaliai pakitus aplinkos sąlygoms – užsitęsus sausrai, virinant, šaldant vos ne iki absoliutaus nulio temperatūros, laikant vakuume ir švitinant jonizuojančia spinduliuote.  Atsakymas į tai, kaip tai įmanoma, labai intriguoja mokslininkus. Ir ne tik todėl, kad padėtų apibrėžti gyvybės egzistavimo visatoje ribas, gyvybės kilmės klausimus arba nežemiškų gyvybės formų galimybę (Schulze-Makuch ir Irwin, 2006; Horneck, 1995). Žinios apie tam tikrus išlikimo galimybes didinančius mechanizmus gali būti ir jau yra sėkmingai taikomos biotechnologijai. 

 Terminas ekstremofilai dažniausiai kelia asociacijas apie rūgščiuose, sūriuose ar verdančiuose šaltiniuose gyvenančias bakterijas. Mikroorganizmų gebėjimas prisitaikyti išties įspūdingas, tačiau tam tikra prasme jiems padeda jų paprastumas. Tačiau galinčių išgyventi labai nepalankiomis sąlygomis yra ir tarp daugialąsčių organizmų. Jie paplitę tiek augalų, tiek gyvūnų karalijose. Stuburinių ir aukštesniųjų bestuburių reakciją į ilgiau užsitęsusį stresą valdo jų nervų sistema, sukeldama ilgalaikio  miego būseną (hibernavimą), kurios metu gyvybiniai vyksmai stipriai sulėtėja. Organizmai, neturintys smegenų ir išvystytos nervų sistemos, tokiai apsaugai ir išlikimui turi visai kitus mechanizmus. Šie organizmai išvengia mirties, pereidami į kriptobiozės būseną – tai ramybės būsena, kuriai esant medžiagų apykaita grįžtamai sustoja, organizmai nekvėpuoja ir tampa atsparūs aplinkos poveikiui.

Kriptobiozės trukmė neįeina į ją pergyvenusio organizmo gyvenimo trukmę. Šios būsenos individai nesensta, todėl sakoma, kad jų biologinis laikrodis sustojęs. Gyvenimo trukmė priklauso tik amžiaus, kuriame pereita į kriptobiozę ir nuo laikotarpio po jos, tačiau visai nepriklauso nuo to, kiek laiko trūko kriptobiozė. Laikas, išgyventas nekriptobiozės būsenoje, nesiskiria nuo nebuvusių šioje būsenoje tos rūšies individų amžiaus. Taigi, jeigu kriptobiozę priskirti prie paslėptos, tačiau vis dėlto gyvenimo formos, bendroji organizmo gyvenimo trukmė iš ties didėja. Šis faktas tarsi patvirtina fantastinių romanų atitikimą tiesai (tačiau deja, tai galioja tik kriptobiozės gebėjimą turinčioms rūšims). Atsižvelgiant į kritinius aplinkos veiksnius, skiriamos įvairios kriptobiozės būsenos (Islam, Schulze-Makuch, 2007):

·   anhidrobiozė – būsena, kuriai esant organizmas atsparus vandens trūkumui;

·   termobiozė – atsparumas temperatūros kraštutinumams, įskaitant  kriobiozę (užšalimą);

·   anoksibiozė –  atsparumas deguonies nebuvimui;

·   osmobiozė – atsparumas aplinkos osmotiškumui (didelei druskų ar kitų medžiagų koncentracijai. 

 

Geriausiai ištirta yra anhidrobiozė. Šį terminą 1894 m. pasiūlė Giardas (Tunnacliffe ir Lapinski, 2003).  Jos metu organizmai gali netekti 95-99 proc. vandens. Anhidrobiozė nėra retas reiškinys. Kai perkame pakuotę mielinių blynų ruošinio, randame įdėtą mažą pokelį džiovintų mielių Saccharomyces cerevisiae – jos ir yra šios būsenos… Kiekvienas tokių blynų kepėjas užpylęs vandeniu, greitai priverčia mieles “atgyti”, aktyvina jų medžiagų apykaitą, kad po to galėtų valgyti gardžiai kvepiančius iškilusius blynelius, praturtintus B grupės vitaminais.

Anhidrobiozė būdinga trims gyvūnų rūšims: lėtūnams (tardigrada), verpetėms (rotifera) apvaliosioms kirmelėms (nematode); ji galima visoms jų vystymosi stadijoms, įskaitant suaugėlius. Apie lėtūnus daugiau skaitykite doc. I. Šatkauskienės straipsnelį “Vandens meškučiai” šiame tinklalapyje, taip pat www.museums.org.za/bio/tardigrades/index.htm. Taip pat galima vėžiagyvių (crustacea) cistų, mielių, grybelių anhidrobiozė. Kenijos ir Ugandos kalnuose gyvenenčio vabzdžio chironomida Polypedium vanderplanki (Diptera) lerva yra didžiausias daugialąstis gyvūnas, galintis išgyventi Afrikos sausrą ir karščius, nes pereina į anhidrobiozės būseną. Tarp augalų – maždaug 350 žydinčių augalų ir paparčių rūšių, tam tikriems dumbliams, kerpėms ir samanoms. Tik kai kurie iš aukštesniųjų augalų (Selaginella lepidophilla ir Craterostigma plantagineum) vegetacijos metu gali pereiti į anhidrobiozę, tačiau tik jeigu sąlygos keičiasi lėtai. Anhidrobiozė yra įprasta daugelio augalų sėkloms ir žiedadulkėms. Anhidrobiozės paplitimas tarp skirtingų karalijų atstovų galėjo būti svarbus veiksnys, efektyviai padėjęs apgyvendinti mažiau palankias išlikimui buveines.  Stuburiniams anhidrobiozė nebūdinga.

Pirmasis šį reiškinį aprašė 1702 metais smalsusis ir pastabusis olandų pirklys A. Van Levenhukas, kuriam priskiriama ne tik mikroskopinių gyvūnų pasaulio atradėjo garbė (Tunnacliffe ir Lapinski, 2003). Viename iš  laiškų jis aprašė savo stebėjimus, kurių metu švariu vandeniu užpylė nuo stogų ir nutekamųjų vamzdžių surinktas ir supiltas į stiklinį mėgintuvėlį sausas dulkes. Įdėmiai apžiūrėjęs padidinamuoju stiklu, Levenhukas nematė dulkėse jokių gyvų sutvėrimų. Tačiau praėjus vos valandai, mėgintuvėlyje atsirado mikroskopinių aktyviai judančių, plaukiojančių ir šliaužiančių stiklo paviršiumi permatomų būtybių. Reiškinys visada pasikartodavo, net jeigu surinktos dulkės mėgintuvėlyje prieš sudrėkinant buvo laikomos ne vieną mėnesį. Levenhuko laiške yra jo matytų mikroorganizmų piešiniai, iš kurių aišku, kad jis matė verpetes, vėliau pavadintas ratiniais gyvūnais arba rotiferais (ratų turėtojais) dėl ant galvos matomo tarsi nuolat besisukančio blakstienėlių rato. Jo piešiniuose pavaizduoti organizmai labiausiai panašūs į bdeloidines verpetes. Tai judrūs gyvūnai, paplitę gėlavandeniuose ir sūrokuose vandens telkiniuose, nutekamuose vandenyse, gyvenantys samanose ir kerpėse. Šių buveinių gyventojai dažnai gali patekti į sausros sąlygas. Įdomu tai, kad Levenhukas verpetes aprašė laiškuose Karališkajai draugijai dar 1867 metais. Jis buvo į siuntinį įdėjęs raidėmis pažymėtus išdžiovintų mėginių pavyzdžius. Laiškai buvo rasti tik 1981 m. Šių laikų mokslininkai nustatė juose buvus verpetes, tačiau nei vienas iš gyvūnų jau neatsigavo sudrėkinus po 300 metų praleistų išdžiovintoje būklėje (Ford, 1981).

Įsitikinta, kad bevandenės būklės organizmai gali išlikti gyvi tikrai ilgą laikotarpį – aprašyti atvejis, kai verpetės ištvėrė 9 metus bevandenio “sustabdyto” egzistavimo (Guidetti ir Jonsson, 2002). Buvo paskelbta, kad lėtūnai ir verpetės buvo “prikelti” iš 120 metų saugotos viename iš Italijos muziejų samanų kolekcijos pavyzdžių (Franceschi, 1948), tačiau kitiems tyrėjai tokių rezultatų nepatvirtino (Jönsson ir Bertolani, 2001). Lotoso sėklos sudygo po 1288 metų (Shen ir kt., 1995). Apvalioji kirmelė Tylenchus polyhypnus laboratorijoje anhidriobiozės sąlygomis išliko 39  metus (Steiner ir Albin, 1946), vabzdžiai – 17 metų, vežiagyviai – 16 metų. Kriobiozės patirtis dar įspūdingesnė – 250 mln metų senumo ledo gabale buvusios bakterijų sporos virto bakterijomis ir pradėjo daugintis (Vreeland, 2000). Polypedium vanderplanki (Diptera) lerva išgyvena temperatūros kitimus nuo -270oC iki +106oC ir gali atgyti po 17 metų anhidrobiozės.

Vanduo sudaro vidutiniškai nuo 70 iki 95 procentų gyvų organizmų masės. Anhidrobiozės būklėje esančių organizmų ląstelėse lieka tik apie 3-9 tūrio procentus vandens. Tiek vandens nepakanka hidratuoti ląstelės vidaus baltymus ir jie negali atlikti normalių funkcijų. Todėl medžiagų apykaita visai sustoja (Potts, 1994). Jeigu medžiagų apykaita būtų sustabdyta negrįžtamai, galima būtų teigti kad organizmas yra negyvas. Tačiau kriptobiozės pokyčiai yra grįžtami ir organizmas atgauna normalų aktyvumą, kai aplinkoje yra vandens.

Todėl teigiama (Cleg, 2001), kad yra tris biologinės organizacijos būviai: gyvasis, negyvasis ir kriptobiozė, arba laikinai sustabdytas (suspenduotas) gyvasis būvis. Žinoma ir tai, kad po anhidrobiozės praėjus pakankamos trukmės atsistatymo laikotarpiui, gyvūnai gali pakartotinai ištverti džiovinimą ir vėl “atgyti”.

Dar svarbiau yra tai, kad anhidrobiozės būsenos organizmai tampa atsparūs ne tik džiovinimui, bet ir kitiems stresams – giliam šaldymui (iki 0,05o K) (Becquerel, 1950), kaitinimui iki 151 oC (Rahm, 1923), dideliam slėgiui (6000 atm.) (Seki ir Toyoshima, 1998) jonizuojančiai spinduliuotei (Rahm, 1923; May ir kt. 1964), anoksijai (Orstan, 1998) ir net vakuumui (Tunnacliffe ir Lapinski, 2003), organiniams tirpikliams (Ramløv ir Westh, 2001). Krevetės Artemia cistos laikomos vakuume arba azoto atmosferoje geriau išlieka. Jos išgyvena ir sąlygomis artimomis esančioms atvirame kosmose (Gaubin ir kt., 1983).

Svarbu paminėti, kad į parėjimas į anhidrobiozės būseną turi būti nelabai staigus, ir organizmų gebėjimas į ją pereiti ją priklauso nuo jų rūšies. Pavydžiui, ne visos verpečių rūšys gali pereiti į anhidrobiozę, o iš galinčių geriausiai ją išgyvena P. rapidaM. quadricornifera pakenčia greitą džiovinimą, o P.roseola sėkmingai išgyvena tik jeigu džiovinimas lėtas.  

Šie atvejai tarsi prieštarauja visuotinai pripažintai fundamentaliai tiesai, kad gyvybė yra priklausoma nuo skysto vandens. Šiuolaikinis mokslas stengiasi paaiškinti šį tariamą prieštaravimą ir išaiškinti molekulinius mechanizmus, įgalinančius išlikti anhidrobiozės sąlygomis.

Kokie mechanizmai padeda šiems sutvėrimams ir kokių “gudrybių” jie gali išmokyti žmones?

 

KAIP ANHIDROBIONTAI TAI DARO? 

         Visi žinome, kad Žemės gyvybės formos “kilusios iš vandens” ir nuo jo priklauso. Paradoksalu, bet ypatingam atsparumui svarbus veiksnys yra būtent vandens nebuvimas. Didžioji dauguma biocheminių vyksmų, įskaitant negrįžtamus (mirtinus) pokyčius sukeliantį ląstelės struktūrų skaidymą, greitai vyksta vandens terpėje. Vandens tirpaluose baltymai yra labai jautrūs temperatūros, pH, joninės jėgos pokyčiams. Džiovintos būsenos baltymai yra daug atsparesni. Vanduo taip pat būtinas membranų dvisluoksnei struktūrai užtikrinti. Kai neturinčioje specialių apsauginių mechanizmų ląstelėje nepakanka pagrindinio tirpiklio – vandens, agreguoja ir denatūruojasi baltymai, pažeidžiamos membranos, suardomos organelės.

Šioje bevandenėje istorijoje yra keli itin svarbus personažai – taip vadinamieji neredukuojantieji disacharidai trehalozė ir sacharozė (1 pav.).

[Sucrose] [Trehalose]

(a)                                            (b)

1 pav. Krioprotektorių savybės būdingos neredukuojantiesiems disacharidams: iš Gliukozės ir fruktozės sudarytai sacharozei (a) ir iš dviejų gliukozės žiedų sudarytai trehalozei.

 

Apie 1960 metus buvo nustatyta, kad anhidrobiozės būsenos gyvūnai, grybai, bakterijos ir tam tikri augalai (Selaginella spp.) turi daug (2-15 proc. sauso svorio) trehalozės, o kiti augalai (C. Plantagineum) – sacharozės. Anhidrobiotinių melsvabakterių ląstelėse yra abiejų šių sacharidų. Jų atsiradimas ir koncentracijos didėjimas koreliuoja su atsparumo džiovinimui išsivystymu. Subrendusios augalų sėklos turi daug sacharozės ir yra atsparios džiovinimui.

Iškelta hipotezė, kad trūkstant vandens, organizmai į anhidrobiozę pereina trim etapais:

1.       Pradiniu dehidrinimo etapu citozolis netenka daug vandens, tačiau makromolekulės ir fosfolipidai dar lieka hidratuoti. Tirpios ląstelės medžiagos koncentruojasi, didėja klampumas ir kinta pH. Tai mažina baltymų stabilumą, nes sutrikdo vandenilines, Van der Vaalso jėgas ir hidrofobines sąveikas. Šios būsenos ląstelių medžiagų apykaita lėtėja, tačiau dar vyksta. Gyvūnų ląstelės, reaguodamos į tokį stresą, kaupia trehalozę, augalų ląstelės ir sėklos – sacharozę. Kokios šių sacharidų savybės savybės padeda organizmams išgyventi be vandens? Šie polihidroksiliai junginiai gerai tirpsta vandenyje, nesikristalizuoja, didelė jų koncentracija nėra nuodinga ląstelėms. Kol yra likusio vandens, jie veikia osmofobinio efekto principu (Bolen ir Baskakov, 2001) kaip termodinaminiai stabilizatoriai, nes makromolekulių sąveika su vandeniu yra termodinamiškai palankesnė nei su sacharidais. Todėl pirmuoju džiuvimo etapu sacharidai yra ištumiami iš makromolekulių hidratacinio sluoksnio ir padeda baltymams išlaikyti buvusią struktūrą.

2.        Ląstelei toliau netenkant vandens (iki 30-10 proc. sauso svorio), medžiagų apykaita nutrūksta (ametabolinė būsena). Vandens jau yra taip mažai, vandeninės terpės nelika, o makromolekulės netenka hidratacinio sluoksnio dalies. Nesant trehalozės ir sacharozės, baltymų struktūra būtų pažeista. Tačiau sacharidai pakeičia vandenį. Tokią hipotezę pasiūlė Clegg (Cleg, 1974) ir Crowe (Crowe ir Madin, 1974). Jų molekulių hidroksigrupės tiesiogiai sąveikauja su makromolekulėmis, ir vietoje vandens sudaro vandenilinius ryšius su membranų fosfolipidų polinėmis galvutėmis, nukleorūgščių ir baltymų paviršiaus grupėmis. Tokios sąveikos įrodymai gauti BMR metodu. Teigiama, kad perėjimas iš (1) būsenos, kai disacharidai išstumiami iš hidratacinio sluoksnio, į (2) būseną, kai jie tiesiogiai sąveikauja su makromolekulėmis, yra svarbiausiais perėjimo į anhidrobiozę reiškinys.

3.       Sausa anhidrobiozės būsena gali tęstis labai ilgai. Didelės disacharidų koncentracijos citoplazma tampa panaši į amorfinį organinį stiklą. Tai vadinama vitrifikacija (Sun ir Leopold, 1997; http://www.benbest.com/cryonics/vitrify.html). Sistemoje termodinamiškai įmanomi vyksmai, tačiau biopolimerų ir membranų kitimai vyksta labai lėtai. Molekulės sustingusios į cukrinį stiklą (štai kur toji gražuolė stiklo karste, gal toji pasaka apie nykštukus lėtūnus? J), difuzija nevyksta, todėl cheminės reakcijos nutrauktos.

Taikant matematinį modeliavimą, įvertinta, kad trehalozė gali pasaugoti membranų struktūrą anhidrobiozės metu (Pereira ir kt., 2004). Šiuo klausimu taip pat galima rasti daugiau informacijos  www.isis.rl.ac.uk/isis2004/highlights/Branca.htm.

Nors vidinė medžiagų apykaita nevyksta, šios būsenos ląstelėse biologinės struktūros gali būti pažeidžiamos dėl dvejopo pobūdžio aplinkos poveikio sukeltų reakcijų: (i)  tarp karbonilinių redukuojančiųjų sacharidų grupių ir baltymų bei nukleorūgščių amino grupių vyksta savaiminė glikinimo (Maillard, 1912 m.) reakcija, kurios produktai persitvarko į polimerinius pigmentinius darinius (rudinimas). Redukuojantieji sacharidai, pvz. gliukozė lėtai susidaro iš neredukuojančiųjų sacharidų trehalozės ir sacharozės; (ii) oksidacinės pažaidos. Nors sacharidai turi antioksidantų savybių, jos jiems būdingos tik vandeninėje terpėje. Dėl šių veiksnių anhidrobiozės trukmė nėra beribė.  

Hipotezė apie apsauginę disacharidų funkciją (kriptoprotektoriai) buvo pasiūlyta remiantis lėtūnų, mielių ir nematodų anhidrobiozės tyrimais. Anhidrobiozės būsenos lėtūnų ląstelės sukaupia apie 2 proc. (20 mM), o mielės – net iki 40 proc. (400 mM) trehalozės. Gali būti, kad laikas, reikalingas trehalozės sintazės genų raiškos indukcijai lemia apvaliosios kirmelės Aphelenchus avenae tam tikro laikotarpio atsparumui įgauti būtinybę (Goyal ir kt. 2005). Mielėms yra svarbi ne tik ląstelių viduje, bet ir išorėje esanti trehalozė. Buvo atlikti bandymai, siekiant patikrinti, ar trehalozė gali pasaugoti stuburinių ląsteles džiuvinimo sąlygomis. Sukėlus trehalozės sintezę žmogaus fibroblastuose geninės inžinerijos metodais, jos 3 dienas džiovinamos išlieka gyvybingos (Guo ir kt., 2000), nors sukaupia tik 10 mM trehalozės. Kitos žmogaus ląstelės tampa atsparios džiovinimui tik jeigu jų viduje yra apie 20 mM trehalozės, o pelės ląstelių neapsaugo net 100 mM šio disacharido.   

Hipotezė atrodo pakankamai įtikinama, nors yra gana prieštaringų duomenų, kurie leido manyti, kad disacharidai nėra vienintelis galimas apsauginis anhidrobiontų mechanizmas. Ypatingą staigmeną šioje istorijoje pateikė verpetės, organizmai, kurių gebėjimą atsigauti po ilgo bevandenio egzistavimo pirmasis aprašė van Leeuwenhoekas. 2003 metais paskelbti duomenis (Tunnacliffe ir Lapinski, 2003), kad anhidrobiozės būsenos verpečių Philodina roseola organizmuose dujų chromatografijos metodu nebuvo aptikta nei trehalozės, nei sacharozės, nors palyginimui tirtų nematodų kūnuose anhidrobiozės metu susidarė daug trehalozės. Mokslininkai nustatė, kad verpetės neturi trehalozės sintazės geno, be to, joms pereinant į anhidrobiozę, viduje ląstelių nedidėja metabolitų koncentracija. Taigi, verpečių apsauginis mechanizmas pagrįstas kitu molekuliniu mechanizmu, negu kitų eukariotų. Kokiu – iki šiol nepasisekė sužinoti.

Kita vertus, žinomi organizmai, kurie nepakelia sausros, nors jų ląstelėse yra daug trehalozės (Higa ir Womersley, 1993, Womersley ir kt. 1998). Tai reiškia, kad apsaugai, be trehalozės, reikia ir kitų molekulių.

Pastaruoju metu kaupiasi vis daugiau duomenų, kad molekuliniai šaperonai, daugiafunkciai apsauginiai baltymai (apie juos daugiau žr. Mildažienė, Jarmalaitė, Daugelavičius, 2004) yra svarbūs ląstelės apsaugai anhidrobiozės sąlygomis (Islam, Schulze-Makuch, 2007; Shill, Steinbruck ir Kohler, 2004). Ryžių sėklos sausros ir padidinto druskingumo sąlygomis sintetina Hsp90 šeimos baltymus (Pareek ir kt., 1997). Krevetės Artemia cistų atsparumas gali priklausyti nuo dviejų šaperonų: a–kristalinų šeimos baltymo mažojo Hsp p26 ir artemino (Collins ir Clegg, 2004). Manoma, kad Hsp p26 ir trehalozės veikimas yra sinergistinis. Streso metu p26 pereina į branduolį. Taip pat džiovinimui atsparių gyvūnų ir augalų organizmuose indukuojama baltymų hidrofilinų sintezė – tai hidrofiliški baltymai anhidrinas ir polipeptidas LEA-1 (angl. k. – Late-Embryogenesis-Abundant) (Browne ir kt., 2002,2004). Šie baltymai stabdo baltymų agregatų susidarymą, gali apsaugoti ir membranas. Augalų ir mielių LEA indukuoja sausra, šaltis ir didelė druskų koncentracija. Žinomos net 4 LEA baltymų grupės, kurios veikia kaip molekuliniai šaperonai. LEA-3 svarbus anhidrobiozės metu (Wise ir Tunnacliffe, 2004). Šie baltymai sąveikauja su trehaloze ir neleidžia agreguotis baltymams, taip pat anhidrobiontų citoplazmoje sudaro viduląstelinius skaidulų tinklus ir suteikia ląstelėms mechaninio atsparumo. Nustatyta, kad lėtūnams pereinant į kriptobiozę, 20 kartų pagreitėja  hsp70 izoformos 2 sintezė (Shill, Steinbruck ir Kohler, 2004).

Kitos svarbioa apsauginės anhidrobiontų organizme besikaupiančios molekulės yra antioksidantai (pavyzdžiui, glutationas) ir antioksidacinės apsaugos fermentai (Shirkey ir kt., 2000; Kranner ir Birtic, 2005).

 

Baigiant galima būtų apibendrinti, kad molekuliniai organizmų perėjimo į anhidrobiozę ir atsigavimo po jos mechanizmai iki šiol nėra iki galo išaiškinti. Akivaizdu, kad jie susiję su prisitaikomojo pobūdžio genų raiškos pokyčiais – kriptoprotekcinių disacharidų sintezės fermentų, molekulinių šaperonų, antioksidacinės sistemos, o gal ir kitų, kol kas nežinomų baltymų.

Sunkiau suprantama, kodėl anhidrobiozės gebėjimas nebūdingas didesniam organizmų skaičiui? Praėjus apie 300 metų po pirmųjų anhidrobiozės aprašymų, daugelis žmonių ir mokslininkų nustemba, sužinoję, kad kažkokie gyvūnai ir augalai gali išdžiūti nemirdami. Taip greičiausiai yra todėl, kad anhidrobiontai yra nesutinkami kasdieniame gyvenime, maži ir nepastebimi organizmai. Džiovinimui atsparūs gyvūnai neviršija 5 mm, o dauguma jų yra mikroskopiniai. Anhidrobiozės būsena susijusi ne tik su organizmą sudarančių ląstelių biocheminiais pasikeitimais, bet ir su adaptaciniais viso kūno anatominiais pokyčiais (Alpert P, 2006). Juk džiovinimo metu visų kūno ląstelių tūris mažėja, todėl ir visa jo struktūra turi persitvarkyti. Tokiomis sąlygomis mažų gyvūnų kūnai ir augalai gali stipriai keisti savo formą ir labai susitraukti (žr. Verpečių pasikeitimus: users.unimi.it/ricci/html/anhydro.htm). Didesni ir sudėtingesnės kūno struktūros (pvz., stuburiniai) organizmai taip persitvarkyti fiziškai negalėtų. 

Ypač įspūdingi yra lėtūnų kūno persitvarkymai, susiję su jų perėjimu į anhidrobiozę (2 pav. iš Bertolani ir kt., 2004). Lėtūnai gali būti aktyvūs tik jeigu jų kūną gaubia vandens plėvelė. Jos nelikus, šie gyvūnai susiriečia, stipriai įtraukia kojeles ir sudaro taip vadinamą statinaitę (angl. K. – tun), kurios kutikulos pralaidumas labai mažas.

 

 

2 pav. Elektroninės aktyvių ir anhidrobiozės būsenos lėtūnų nuotraukos. Ramazzottius oberhaeuseri: A - aktyvus lėtūnas ir B – statinaitė. Echiniscus trisetosus: C – aktyvus lėtūnas, D – statinaitės vaizdas iš viršaus ir E – statinaitės vaizdas iš šono. Žymens ilgis – 50 mm.  Nuotrauka iš Bertolani ir kt. straipsnio “Experiences with dormancy in tardigrades”  J. Limnol. 63 (S.1), 2004 panaudota, maloniai sutikus autoriams ir žurnalo redaktoriui.

 

Tai sulėtina transpiracijos  greitį ir suteikia gyvūnui daugiau laiko apsauginių molekulių sintezei. Tokios “kietos” statinaitės išgyvena sausrą, karščius, baisų šaltį, išlieka ilgą laiką laikant vakuume. Tai užtikrina mažulių lėtūnų išplitimą ir gebėjimą išlikti tokiomis sąlygomis, kuriomis visai neįmanomas daugelio kitų organizmų egzistavimas.  

 

 

        

 

            Literatūra:    

 

1.      Alpert P. J. Exp. Biol.2006;209,1575-1584.

2.      Becquerel P. Compt. Rend. Acad. Sci. 1950; 231, 261-263.

3.      Bertolani R, Guidetti R, Jonsson Ki et al. J. Limnol. 2004;63 (Suppl.1), 16-25.

4.      Bolen DW, Baskakov IV. J.Mol.Biol. 2001;310,955-963.

5.      Browne J, Tunnacliffe A, Burnell A. Nature, 2002;413, 38.

6.      Browne J, Dolan KM, Tyson T et.al. Eucaryot. Cell, 2004;3, 966-975.

7.      Clegg JS. Trans. Am. Microsc. Soc. 1974; 93, 481-490.

8.      Clegg JS. Comp. Biochem. Physiol. 2001; 128B, 613-624.

9.      Collins CH, Clegg JS. Cell Biol. Intern. 2004;28, 449-455.

10.  Crow JH, Madin KA. Trans. Am. Microsc. Soc. 1974; 93, 513-524.

11.  Franceschi T. Boll. Mus. Ist. Biol. Univ. Geneva. 1948, 22, 47-49.

12.  Ford BJ. Notes Rec. R. Soc. Lond. 1981; 36, 37-59.

13.  Gaubin Y., Planel H., Gasset G. Et al., Adv. Space Res. 1983; 3,135-140.

14.  Goyal K., Browne JA, Burnell AM ir kt. Biochemie, 2005;87,565-574.

15.  Guidetti R, Jonsson KI. J. Zool. 2002; 257, 181-187.

16.  Higa LM, Womersley CZ. J. Exp. Zool. 1993; 267,120-129.

17.  Horneck G.  Planet Space Sci. 1995 Jan-Feb;43(1-2):189-217.

18.  http://www.benbest.com/cryonics/vitrify.html

19.  Islam RM, Schulze-Makuch D. Int. J. Astrobiol. 2007; 6(3), 199-215.

20.  Jönsson ir Bertolani, J. Zool. 2001;255,121-123.

21.  Kranner I, Birtic S. Integr. Comp. Biol. 2005;45,734-740.

22.  May RM, Maria M, Guimard J. Bull. Biol. Fr. Belg. 1964; 98, 346-367.

23.  Mildažienė V, Jarmalaitė S, Daugelavičius R. Ląstelės biologija, 2004, VDU leidykla, Kaunas.

24.  Pareek A, Singla SL, et.al. Plant Sci. 1997;125, 221-230.

25.  Pereira CS, Lins RD, Chandrasekhar I. et al. Biophys. J. 2004;86,2273-2285.

26.  Potts M. Microbiol. Rev. 1994;58,755-805.

27.  Rahm PG. Z. Allg. Physiol. 1923;20,1-34.

28.  Ramløv H, Westh P, Zool. Anz.2001;240,517-523.

29.  Orstan A. Hydrobiologia 1998; 387/388,327-331.

30.  Seki K, Toyoshima M. Nature 1998;395,853-854.

31.  Shen MJ, Mudgett MB, Schopf JW, Clarke S, Berger R. Am. J. Bot. 1995;82, 1367-1380.

32.  Shill RO, Steinbruck GHB, Kohler HR. J. Exp. Biol. 2004;207,1607-1613.

33.  Shirkey B, Kovarcik DP. Et al. J. Bacteriol.2000;182,189-197.

34.  Schulze-Makuch D, Irwin LN. Naturwissenschaften. 2006;93(4):155-72.

35.  Sun WQ, Leopold AC. Comp. Biochem. Physiol. 1997; 117B, 327-333.

36.  Tunnacliffe, Lapinski J. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, 2003;358, 1755-1771.

37.  Vreeland RH. Nature, 2000;407,897-900.

38.  Wise J, Tunnacliffe A, Burnell A. Nature, 2002;413, 38.

39.  Womersley CZ, Wharton DA, Higa LM. The physiology and biochemistry of free-living and plant-parasitic nematodes, eds. Peryy RN and Wright DJ., 1998, pp.271-302, CABI Publishing, Wallingford.

40.  www.isis.rl.ac.uk/isis2004/highlights/Branca.htm

 

 

 

 

 

 


Naturales Scientiae Omnibus