Ожили и размножаются.
Что российские ученые обнаружили в вечной мерзлоте
Крохотных червей, которые провели в вечной мерзлоте 46 тысяч лет, вернули к жизни. Это абсолютный рекорд для многоклеточных организмов. О том, как российские ученые добились столь сенсационного результата, — в репортаже РИА Новости.
Скрытая жизнь
Немногие животные могут выдержать длительные заморозки. Самые известные примеры: аляскинская лесная лягушка Rana sylvatica, обитающая в Канаде и на севере США, древесная лягушка Hyla japonica, которая живет в Японии, Китае и Корее. С наступлением холодов они впадают в состояние криптобиоза (с греческого kryptós — "скрытый" и bíos — "жизнь"), покрываются льдом, сердце у них останавливается, кровь перестает циркулировать, легкие не работают. А с приходом весны земноводные снова оживают.
Лесная лягушка Rana sylvatica
CC BY-SA 2.5 / The Cosmonaut /
При замораживании в клетках образуется лед, а ткани обезвоживаются, что представляет серьезную угрозу для жизни. Для противодействия этим рискам организм морозостойких лягушек вырабатывает особые вещества — криопротекторы, природные антифризы. Они не кристаллизуются при охлаждении, как водные растворы, а переходят в твердое аморфное состояние. Это называется витрификацией. Постепенно заменяя водные растворы, криопротекторы образуют с биомолекулами такие же, как вода, водородные связи, необходимые для правильного функционирования белков и ДНК. Это позволяет сохранить на какое-то время целостность ДНК и физиологическую структуру тканей.
Некоторым организмам удается возвращаться к жизни и после долгих лет заморозки: дрожжам, семенам растений, микробам. Эксперименты показали, что ряд беспозвоночных — нематоды (круглые черви), тихоходки, коловратки — способны при замерзании сохранять жизнеспособность на протяжении как минимум нескольких десятилетий.
Уникальная лаборатория
В лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения (ИФХиБПП) РАН в Пущино уже более сорока лет изучают палеобиоту вечной мерзлоты. Эти исследования инициировал в свое время профессор Д. А. Гиличинский. Из образцов, собранных в полярных регионах, ученые выделили и описали различные виды бактерий, архей, зеленых водорослей, инфузорий, амеб, гигантских вирусов, из семян возрастом 32 тысячи лет вырастили жизнеспособное цветочное растение (смолевку). Но мировую сенсацию произвели мелкие беспозвоночные.
Организатор и первый руководитель лаборатории криологии почв ИФХиБПП РАН Д. А. Гиличинский во время полевых работ
© А. Лупачев/ИФХиБПП РАН
Сначала в мерзлых породах бассейна реки Алазея на северо-востоке Якутии обнаружили бделлоидную коловратку — микроскопическое многоклеточное животное, обитающее в пресных водах. Организм извлекли из образца, взятого при бурении на глубине 3,5 метра. Радиоуглеродный анализ показал возраст 24 тысячи лет. Примечательно, что животное не только очнулось после размораживания, но и начало активно размножаться партеногенетическим путем (без оплодотворения).
Микрофото коловратки Adineta sp., извлеченной из вечной мерзлоты
© Lyubov Shmakova et. al./Current Biology, 2021
Абсолютный рекорд криптобиоза среди многоклеточных принадлежит нематодам: 46 тысяч лет. Крошечных червей размером меньше полумиллиметра обнаружила в вечной мерзлоте из обнажения Дуванный Яр в нижнем течении Колымы старший научный сотрудник лаборатории Анастасия Шатилович. Они тоже оказались самками, способными размножаться партеногенетически.
Это большая удача, поскольку в данном случае потомки одной особи — ее полные клоны. Исходных животных давно нет (срок жизни круглых червей — чуть больше месяца), а ученые продолжают генетические и другие исследования. За время, прошедшее после открытия, уже сменилось более ста поколений нематод.
1 / 3
Места находок древних многоклеточных в вечной мерзлоте
© Иллюстрация РИА Новости . CC BY-SA 4.0/Quentin Bernard
2 / 3
Обнажение Дуванный Яр, низовья Колымы: многолетнемерзлые отложения и ледяные жилы
© Фото : Илья Грабарник
3 / 3
Зачистка и геологическое исследование стенки обнажения Дуванный Яр
© Фото : Илья Грабарник
Доказательства древности
Нематоды есть везде — в воде, почве, плодах растений, внутри живых существ. Нужно было доказать, что найденные особи изначально находились в вечной мерзлоте, а не были занесены в пробы случайно.
Недавно пущинцы вместе с коллегами из МГУ имени М. В. Ломоносова и в научной коллаборации с учеными из Германии, Великобритании и Ирландии опубликовали итоговую статью, обобщив данные морфологических, генетических и биохимических исследований нематод. Филогенетический анализ позволил сделать вывод, что они принадлежат к неизвестному ранее виду рода Panagrolaimus, генетически отличающемуся от современных нематод. Ему дали имя Panagrolaimus kolymaensis в честь места находки на реке Колыма.
"Некоторые нематоды очень плохо различаются по внешним признакам, — говорит Анастасия Шатилович. — Сначала, основываясь на морфологии и результатах филогенетического анализа по гену 18s, мы с некоторой долей условности отнесли древних нематод к современному виду Panagrolaimus detritophagus. Но это оказалось ошибочным. Когда мы получили филогенетическое дерево по 60 генам, выяснилось, что это не просто другой вид: он находится в корне клады своего рода, то есть отличается от других известных видов Panagrolaimus, и это косвенно свидетельствует о его древности".
1 / 3
Анастасия Шатилович в хранилище образцов
© Владислав Стрекопытов
2 / 3
Сканирующий электронный снимок нематоды Panagrolaimus kolymaensis. Масштабная линейка — 20 микрометров
3 / 3
Пробуждение плейстоценовых нематод Panagrolaimus kolymaensis
© Фото : Анастасия Шатилович
Анастасия добавляет, что она и до этого не сомневалась в стерильности образцов. Методика отбора проб из мерзлых пород отрабатывалась годами. Материал для исследований берут только из центральной части ледяного керна, полученного колонковым бурением без каких-либо реагентов или промывочных жидкостей.
Для контроля на ложку буровой трубы наносят раствор с флуоресцентными микрочастицами или маркерные культуры, которые проявятся при диффузии в керн извне даже на нанометровом уровне. Для особо важных проб в качестве маркеров используют фрагменты ДНК, выявляемые методом ПЦР.
Ну и конечно, тщательно следят, чтобы ни на одном из этапов отбора и транспортировки проба не подвергалась разморозке.
"Все, что оттаяло, уже непригодно для изучения", — уточняет ученый.
"Гнездовой" метод
Есть у исследователей из ИФХиБПП РАН еще один прием, благодаря которому сделали множество находок.
"На первом этапе отбирали образцы разного возраста и состава, создавали в лаборатории универсальные условия культивирования и смотрели, кто вырастет, — рассказывает старший научный сотрудник Андрей Абрамов. — Была задача получить информацию о микроорганизмах для разных периодов мерзлоты — от десятков и сотен до нескольких миллионов лет".
Андрей Абрамов работает с биологическими образцами
© Владислав Стрекопытов
Толщи льда и мерзлого грунта сами по себе не очень богаты органикой, поэтому бурение вслепую не приносило успеха. Не хватало биоматериала и для датирования пород. Тогда сотрудник лаборатории доктор биологических наук Станислав Губин предложил отбирать пробы из погребенных почв и нор сусликов, которые сохранились в вечной мерзлоте нетронутыми с плейстоцена.
Странные объекты размером с футбольный мяч, представляющие собой смерзшийся ком шерсти, растительных остатков, семян, перьев и всего, что затащил к себе в гнездо суслик, делая запасы на зиму, периодически находили в обнажениях речных обрывов, но не придавали им особого значения. На деле оказалось, что норы — бесценный источник палеонтологической информации. К тому же их не так сложно обнаружить.
"Погребенные норы в основном сконцентрированы в довольно узком слое мерзлых отложений, относящихся к периоду позднеплейстоценового потепления, когда в Арктике гуляли мамонты, — объясняет Шатилович. — Зимой их содержимое замерзало и не всегда потом размораживалось. Что-то сравнительно быстро захоранивалось в вечной мерзлоте. Для криоконсервации это идеально. Дериваты гниющих растительных тканей содержат естественные криопротекторы, образующиеся при разложении органики. И микроорганизмов в таких местах значительно больше, чем в окружающем грунте. Нора — это просто подарок судьбы".
Образец с нематодами извлекли из такой норы на глубине 40 метров. Радиоуглеродная датировка показала, что они замерзли 45-47 тысяч лет назад.
1 / 3
Нора плейстоценового грызуна с травянистой подстилкой и семенами в отложениях вечной мерзлоты
2 / 3
Станислав Губин рядом с норой плейстоценовых грызунов в мерзлых отложениях
© Фото : Илья Грабарник
3 / 3
Бурение переносной буровой установкой УКБ 12/25
© Фото : Илья Грабарник
Биологические механизмы
Ученые из ИФХиБПП РАН совместно с немецкими коллегами из Института молекулярной клеточной биологии и генетики имени Макса Планка, Центра системной биологии Дрездена и Института зоологии Кельнского университета выяснили, что Panagrolaimus kolymaensis использует для выживания тот же молекулярный набор инструментов, что и современная почвенная нематода Caenorhabditis elegans — один из самых хорошо изученных биологами модельных организмов.
При недостатке пищи или экстремальном воздействии внешней среды C. elegans переходит в форму так называемой дауэровской личинки. В этом состоянии нематода может находиться до четырех месяцев и более, притом что средняя продолжительность жизни — около трех недель.
Большинство генов, активируемых у C. elegans при вхождении в криптобиоз, есть и у колымских нематод. Сходство выявили и на биохимическом уровне. При дегидратации, предшествующей замораживанию, у обоих видов усиливается биосинтез трегалозы — органического соединения из группы сахаров, укрепляющего и восстанавливающего стенки клеток при обезвоживании.
Нематоды приспосабливаются к замораживанию, заменяя воду на сахара. Но со временем происходит естественная деградация ДНК, накапливаются поломки, требующие репарации.
"Мы пока не знаем, как древние многоклеточные организмы переживают столь длительную паузу в метаболизме без непоправимых повреждений и когда происходит репарация ДНК — при оттаивании или постоянно в ходе криптобиоза, — признает Шатилович. — Есть косвенные доказательства, что бактерии, например, находясь в мерзлоте в состоянии покоя, продолжают поддерживать минимальный метаболизм, обеспечивающий репарацию ДНК. Но инструментально изучить физиологическую активность на столь низком уровне невозможно".
Ландшафты Якутии с борта самолета
© Фото : Илья Грабарник
В ожидании "древних монстров"
Из-за глобального потепления многолетняя мерзлота тает. В связи с этим нередко высказывают опасения, что в экосистемы вернутся древние вирусы, бактерии и даже многоклеточные организмы. Исследователи уверены: никакого риска нет.
"Во-первых, речь идет о слишком коротких промежутках времени с точки зрения биологической эволюции, — поясняет Абрамов. — Мы считаем, что 50 и даже сто тысяч лет назад видовой состав был примерно такой же, как сейчас. Во-вторых, мерзлые грунты ежегодно оттаивают в огромных количествах, размываются реками, из которых люди столетиями берут воду. Если бы в вечной мерзлоте было хоть что-то опасное, мы бы давно об этом знали. Намного большую тревогу вызывают мутации современных вирусов, а организмы из вечной мерзлоты и так давным-давно с нами".
В лаборатории криологии почв продолжат изучение палеобиоты мерзлых пород в поисках новых, возможно, еще более древних видов. Ученые надеются, что их открытия помогут полнее понять механизмы криптобиоза и позволят создать технологии долгосрочного хранения тканей и органов для практического применения в биологии и медицине.
Река Алазея
© Фото : Андрей Абрамов
08:00 17.08.2023
(обновлено: 15:54 17.08.2023)
