Niesporczaki, znane również jako niedźwiadki wodne, przyciągnęły uwagę naukowców w ostatnich latach. Przede wszystkim ze względu na ich zdolność do przetrwania w ekstremalnych warunkach. Te mikroskopijne bezkręgowce skolonizowały każdy kontynent na Ziemi, w tym Antarktydę.

Niesporczaki żyją w środowiskach słodkowodnych, morskich i lądowych. Mogą tolerować wysokie dawki promieniowania, środowiska o niskiej zawartości tlenu, wysychanie oraz zarówno wysokie, jak i niskie temperatury. Wszystko to dzięki zdolności do wchodzenia w kryptobiozę. Stan ten przypomina hibernację – jest odwracalnym zatrzymaniem metabolizmu. Dzieje się tak np. po prawie całkowitym wysuszeniu. Ta odmiana kryptobiozy to anhydrobioza.

Jak niesporczaki wchodzą w ten stan? Do odpowiedzi na to pytanie przybliżają nas badania opublikowane w czasopiśmie naukowym „PLoS ONE”.

Jak niesporczaki wyczuwają zagrożenie

Przede wszystkim zwierzęta te muszą wiedzieć, kiedy wejść w stan kryptobiozy. Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Karoliny Północnej wykazały, że służy im do tego specyficzny molekularny czujnik. Naukowcy wystawili niesporczaki na działanie ujemnych temperatur (minus 80 st. C), wysokiego poziomu nadtlenku wodoru, soli lub cukru, aby wywołać kryptobiozę.

W odpowiedzi na te szkodliwe warunki komórki niesporczaków wytwarzały duże ilości tzw. wolnych rodników. To bardzo reaktywne związki chemiczne, które uszkadzają różne części komórki. U większości zwierząt zwiększają ryzyko chorób i przyśpieszają starzenie się.

U niesporczaków wolne rodniki wchodzą w reakcję z cząsteczką organiczną zawierającą aminokwas o nazwie cysteina. Utlenienie cysteiny to dla nich sygnał do wejścia w kryptobiozę. Oznacza to, że wielokrotnie spowalniają swoje procesy metaboliczne. Ich funkcje życiowe zostają ograniczone do absolutnego minimum. W takim stanie wolne rodniki nie wyrządzają szkód. Gdy ich poziom spadnie, niesporczaki wracają do aktywności.

Jak w toku ewolucji powstały geny odpowiedzialne za kryptobiozę? Tą kwestią zajęli się autorzy innych opublikowanych niedawno badań.

Badania genetyczne niesporczaków

Niesporczaki można podzielić na dwie lub trzy gromady: Eutardigrada, Heterotardigrada i monotypową Mesotardigrada. Ta ostatnia jest często pomijana, jako że należy do niej tylko jeden gatunek – Thermozodium esakii z gorących źródeł położonych w Japonii. Gatunek typowy zaginął, a źródło, z którego został pobrany – zniszczone przez trzęsienie ziemi.

– Wiele badań koncentrowało się na szlakach genetycznych związanych ze zdolnością do anhydrobiozy. Zidentyfikowano też wiele genów powiązanych z reakcją niesporczaków na warunki stresowe. Jednak historia tych genów jest niejasna – napisali autorzy badania opublikowanego na łamach czasopisma „Genome, Biology and Evolution”.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zidentyfikowali sekwencje genów z sześciu różnych rodzin u 13 gatunków niesporczaków głównych klas – Eutardigrada i Heterotardigrada. Pozwoliło to zbudować pierwsze drzewo ewolucyjne niesporczaków oparte na genach związanych z kryptobiozą.

Odporność na wysychanie

Anhydrobioza (czyli kryptobioza związana z odwodnieniem) jest bardziej przydatna dla niesporczaków lądowych niż dla ich krewnych żyjących w oceanach. Dlatego naukowcy spodziewali się znaleźć związek między duplikacjami genów w tych rodzinach a zmianami siedlisk wśród niesporczaków.

– Wydawało się, że historia duplikacji genów związanych z wysychaniem powinna zawierać pozostałości ekologicznej historii tych organizmów. W rzeczywistości okazało się to zbyt dużym uproszczeniem – mówi James Fleming, biolog z Keio University, jeden z autorów badania. – Jednak to, co odkryliśmy, jest o wiele bardziej ekscytujące. Mówię o złożonej sieci niezależnych zysków i strat, która niekoniecznie koreluje ze współczesną ekologią gatunków lądowych – twierdzi badacz.

Ewolucja niesporczaków

Opierając się na rozmieszczeniu podobnych genów w dwóch głównych gromadach niesporczaków, naukowcy uważają, że w historii niesporczaków istniały dwa oddzielne przejścia z siedlisk morskich do lądowych. Raz u przodka Eutardigrada, a raz wśród Heterotardigrada.

– Chociaż badania te pomogą nam poszerzyć wiedzę na temat historii anhydrobiozy u niesporczaków, wciąż jest wiele rzeczy, których nie rozumiemy. Brakuje jednoznacznych odpowiedzi. Częściowo z powodu braku danych dotyczących niektórych kluczowych linii niesporczaków – twierdzą naukowcy.

– Niestety, nie badaliśmy genów u przedstawicieli kilku ważnych rodzin, takich jak Isohypsibiidae. To uniemożliwia nam wyciągnięcie wniosków dla wszystkich niesporczaków – mówi Fleming. – Dzięki większej liczbie przebadanych gatunków słodkowodnych i morskich niesporczaków będziemy w stanie lepiej ocenić adaptacje gatunków lądowych. Mam nadzieję, że inicjatywy sekwencjonowania na dużą skalę w ramach Earth Biogenome Project będą stopniowo wypełniać tę lukę w naszym zrozumieniu. Jest to znaczący projekt, który z radością obserwuję – podsumowuje naukowiec.

Komentarz polskiego eksperta

– O tym, że niesporczaki wywodzą się od morskich Heterotardigrada, a następnie kilka gatunków Eutardigrada wróciło ponownie do morza mówi się już od pewnego czasu. Chociaż pierwszy raz zetknąłem się z badaniami które pokazują, że mogły wyjść z morza dwukrotnie, jednakże nigdy nie interesowałem się tym tematem bardzo dokładnie – komentuje prof. Łukasz Kaczmarek z Zakładu Taksonomii i Ekologii Zwierząt Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Profesor Kaczmarek jest jednym z najbardziej uznanych specjalistów badających niesporczaki. Jedna z jego prac jest także cytowana w omawianym artykule.

Polskie badania nad niesporczakami

– Ewidentną nowością przeprowadzonych badań jest stworzenie drzewa ewolucyjnego niesporczaków w oparciu o „geny kryptobiozy”. Kolejną rzeczą było pokazanie, jak dużo jest rodzin białek ochronnych u niesporczaków i jak dużo zmian jest w nich widocznych. Znacznie więcej zmian zaobserwowano w białkach ochronnych u Eutardigrada niż Heterotardigrada. Oznacza to, że do tych zmian w różnych liniach dochodziło często i niezależnie. A mimo to białka te dobrze działają w kryptobiozie – dodaje naukowiec.

Profesor Kaczmarek i jego zespół zajmują się m.in. badaniami tego, jak różne gatunki niesporczaków znoszą kryptobiozę. Z badań tych wynika, że różnice obserwowane są na poziomie międzygatunkowym, jak również wewnątrzgatunkowym (osobniki młodociane i dorosłe czy samce i samice). Wynika z tego, że niektóre niesporczaki są „zdolniejsze” od innych w radzeniu sobie z anhydrobiozą.

Źródła: PLoS ONE, Genome Biology and Evolution.