Informace

Kde v zimě najdu mikroby jako tardigrady?


Právě jsem si koupil mikroskop a chci vidět mikroby jako tardigrady. Kam se mám podívat? Našel jsem mnoho bakterií a to, co se zdá být nehybným jednobuněčným organismem. Chci vidět pohyb a krmení. Ps sníh na zemi a zmrzlá půda


Tardigrady nejlépe najdete namáčením mechu ve vodě. I v zimě, pod sněhem, je to nejlepší místo, kam se podívat. Nechte vodu z vodovodu přes noc odstát, než ji přidáte do mechu, aby vyšel chlor. A pak napněte vodu jemnou tkaninou, abyste zjistili, co je v mechu. Tardigrady bych ale nenazýval „mikroby“. I když „mikrobi“ nejsou vědecký termín, považuji mikroby za bakterie, zatímco tardigradi jsou mikroskopická zvířata.


Tardigrade v ledové díře: jak si extrémní život najde cestu v Arktidě

Tardigrades, přezdívaní vodní medvědi nebo mechová selata, jsou menší než 1 mm a mohou vstoupit do kryptobiózy, aby odolali extrémním podmínkám. Fotografie: Vědecká fotokniha - Steve Gchmeissner/Getty Images

Tardigrades, přezdívaní vodní medvědi nebo mechová selata, jsou menší než 1 mm a mohou vstoupit do kryptobiózy, aby odolali extrémním podmínkám. Fotografie: Vědecká fotokniha - Steve Gchmeissner/Getty Images

Drobné organismy přezdívané vodní medvědi nabízejí vodítka o možném mimozemském životě, ale měnící se klima znamená, že jejich stanoviště čelí nejisté budoucnosti

Naposledy změněno so 17. října 2020 16.07 BST

Rozhlížím se kolem sebe, když jsme se dostali přes grónské ledové příkrovy. Jsme obklopeni mnoha malými černými dírami, z nichž některé mají průměr jen několik centimetrů, jiné jsou široké až 10–20 cm. Jak postupujeme, všimneme si, že se kouzelně objevuje stále více děr a jejich okraje jsou stále výraznější. Říká se jim kryokonitové díry.

Tyto válcovité otvory tečkované po povrchu ledovcového ledu jsou oázou života, jediným místem, kde život roste na polárních ledovcích. Navzdory tomu, že vody obklopující Antarktidu jsou domovem hojných forem života, na samotné pevnině je velmi málo života-a mějte na paměti, že pokrývá obrovskou plochu, jeden a půlkrát větší než Spojené státy. Má největší sladkovodní rezervu na celé planetě (70% světové sladké vody), ale není nic jiného než pohostinná. Teploty mohou klesnout až na -89 ° C (-129 ° F), což je nejnižší hodnota na Zemi, a fouká vítr -„raketa“ může být přesnější -při rychlosti až 250 km/h. Grónsko se příliš neliší: veškerý život na ostrově je omezen na několik městských osad podél pobřeží.

Pozorujeme tyto ledovcové, geometrické struktury. Při pohledu přes vodu, která je naplňuje, vidíme na dně něco temného. Je to kryokonit, kal vyrobený z prachu, detritů, řas a bakterií, který se nachází nejen v Arktidě a Antarktidě, ale také v Kanadě, Tibetu a Himálaji. Shromažďuje se v těchto otvorech, protože detritus absorbuje sluneční záření, ohřívá led kolem a způsobuje jeho tání. Jednou z prvních a nejvíce fascinujících věcí, které je třeba na tomto detritu poznamenat, je, že nepochází pouze z planety Země: studie ukázaly, že každé 2 libry (asi 9 kg) kryokonitů obsahuje zhruba 0,35 oz (10 g) písku pozemského původu a asi 800 „Kosmické sféry“ (pocházející z komet, asteroidů nebo mezihvězdného prachu) a 200 částečně roztavených mikrometeoritů.

Meltpool s kryokonitem na ledovci Petermann. Tmavá suť - bláto, kameny, části meteoritů a lidské znečištění se hromadí na hromadách na ledu - protože jsou temné, přitahují teplo a nakonec roztaví úhledné díry v ledovci. Fotografie: Dave Walsh/VW Pics/Universal Images Group prostřednictvím Getty Images

Ještě velkolepější je skutečnost, že nikdo nevěděl, že existují, před stoletím a půl. Jako první je popsal Nils Adolf Erik Nordenskiöld, tentýž muž, který později vyplul z Göteborgu na palubu Vegy, dosáhl Beringova úžiny přes severní pobřeží Evropy a Asie a otevřel slavný Severovýchodní průchod. To bylo v roce 1870 a geolog (měl dvojí finskou a švédskou národnost) a arktický průzkumník jako první zveřejnil podrobný popis válcových děr taveniny, kterých byl svědkem v ledu.

Nakoukl jsem do díry nosem jen pár centimetrů od ní a přemýšlím o zarputilosti přírody a její schopnosti nás překvapit, od tučňáků, kteří překračují Antarktický poloostrov pouze k položení vajíček (když by za normálních okolností nikdy nenechali zásoby potravin na pobřeží) ) na mikroorganismy, jako jsou ty, na které bych narazil, a další se jmény, která zní přímo z Pána prstenů škrkavky nebo kmen Nematoda - jehož přežití závisí na jejich kopání do ledu. Schopnost některých obyvatel roztavených děr přizpůsobit se tomuto přirozenému prostředí a vyvíjet se v takových extrémních podmínkách z nich činí ideální kandidáty pro studium mimozemského života.

Počátkem roku 2016 se skupině japonských vědců ve skutečnosti podařilo „resuscitovat“ dvě mikroskopická zvířata, která byla více než 30 let v režimu hibernace ve vzorcích ledu shromážděných v Antarktidě. Ano, byli od zimního dne Ronalda Reagana (přesněji 6. listopadu 1983) v hibernaci a „probudili“ se z dlouhého spánku 7. května 2014 do světa chytrých telefonů a sociálních sítí. Dotyčná zvířata byla Acutuncus antarcticus, druh tardigrade - mikroskopický (asi 0,5 mm dlouhý) tvor s osmi nohami, čtyřmi až osmi drápy na každé noze a zvláštním vzhledem (jako drobný savec s odstraněnou srstí).

Tardigrades se také stali skutečnou internetovou senzací pozdních, přezdívaných vodních medvědů nebo mechových selat. Proč jsou tak populární? Protože tardigradi jsou trochu jako hrdinové videoher - můžete je zmrazit, zavařit, rozdrtit, vyhladovět a oni se stále vrací k životu. Neexistuje způsob, jak je zabít! Nemohl existovat lepší kandidát na kryokonitovou díru. Vodní medvědi jsou jedním z nejvíce fascinujících tvorů na světě, protože se dokážou přizpůsobit extrémním extrémním prostředím. Najdete je například v nejhlubších oceánských příkopech nebo nejžhavějších pouštích, na zamrzlých vrcholcích Himálaje a na Antarktidě. Dokázali přežít dinosaury a jsou tak vytrvalí, že kromě vroucích a mrazivých mohou přežít i v mimozemském prostředí.

Mikroskopická fotografie tardigradu. Fotografie: Thomas Boothby/AP

„Rozmrazená“ zvířata v japonském experimentu dokázala přežít díky kryptobióze, což je proces, který způsobí zpomalení jejich metabolismu na 0,01% normální funkce. (Představte si, že se váš srdeční tep pohybuje ze 60 úderů za minutu na pouze jeden každé dvě minuty!) Během kryptobiózy se uvolní veškerá voda v těle a zvíře se stočí do malé nezničitelné koule (voda v jejich tělech je někdy nahrazena s jakousi přírodní nemrznoucí směsí). Zbavit se vody je hlavní prioritou, protože je například chrání před poškozením buněk způsobeným zmrazením.

Japonští vědci popsali další, ještě překvapivější charakteristiku tardigradu. Jedno ze dvou zvířat (poté, co bylo „rozmrazeno“) se podařilo rozmnožit. Co se stalo: tato dvě zvířata-která výzkumný tým nazval Šípková Růženka 1 a Šípková Růženka 2 (SB-1 a SB-2)-byla umístěna do dvou oddělených jamek na Petriho misce, která měla být monitorována a krmena. V průběhu experimentu bylo poté nalezeno vajíčko. Vědci jej umístili do jiné studny a nazvali jej SB-3. Do každé jamky přidali agar (rosolovitá látka používaná v molekulární biologii), balenou vodu a řasy chlorella (která obsahuje chlorofyl). Ingredience byly vyměňovány každý týden. V průběhu času bylo nalezeno více vajec, všechna se vylíhla bezpečně.

Znovu jsem hypnotizoval svůj pohled ke dnu děr, přestože pouhým okem bylo málo vidět. Tardigradové nejsou v kryokonitových otvorech sami. Sdílejí stanoviště s dalšími stejně fascinujícími organismy, což je hlavní rozdíl mezi Antarktidou a Grónskem. V prvním případě mohou ledové doupata odolávat roky, procházet neporušenými obdobími a stát se jakýmsi mini testovacím místem pro extrémní život. Ledová pokrývka brání slunečním paprskům dosáhnout dna válcových otvorů, takže fotosyntéza nemůže probíhat.

Existence jiného druhu života, než jaký známe, závisí na procesu známém jako bakteriální chemosyntéza. Na rozdíl od fotosyntézy využívá energii generovanou při chemických reakcích k výrobě organických látek. Zjednodušeně řečeno: tito tvorové jsou zcela autonomní a soběstační, žijí svou mírumilovnou existenci v naprosté izolaci. Na základě nedávných studií by environmentální faktory v této krajině a na těchto arktických a antarktických územích mohly být považovány za nejblíže tomu, jak si myslíme, že by byl život na jiných planetách. Ledovce, zejména polární ledové čepičky, patří k nejextrémnějším prostředím na naší planetě, a to nejen kvůli chladu a izolaci, ale také kvůli vysoké hladině ultrafialového záření, díky čemuž jsou podobné planetám nebo ledovým měsícům.

Jedním z nich by byl Mars nebo jiná ledová nebeská tělesa jako Evropa, satelit Jupitera. Evropa (objevená Galileem Galileiem v roce 1610) je o něco menší než měsíc a většinou je tvořena silikátovou horninou s kůrou vodního ledu. Biologické mikrosystémy nalezené v ledu jsou jako „přírodní laboratoře“, které nám pomáhají porozumět mimozemským formám života. To je dělá tak důležitými pro astrobiologii - vědu, která studuje život (nebo možnost života) v jiných světech.

Měření kryonitů na ledovci Longyearbyen na Svalbardu. Fotografie: Jevgeni Grudkin/Kertu Liis Krigul/WikiCommons

Na vteřinu se zastavím a přemýšlím o obloze. Když se v noci díváme vzhůru ke hvězdám, okouzleni neznámým vesmírem nad námi, často si můžeme říkat, jestli tam nahoře (nebo dole) opravdu existuje život - forma života podobná té naší. Přinejmenším víme, že až se příště podíváme vědeckýma očima, můžeme čerpat z toho, co jsme se naučili od těchto příšer podobných tvorů, jejichž skutečnou magií jsou bezpochyby ta větší tajemství, která teprve odhalí-tajemství, která svazují nás všechny společně na planetě, kterou sdílíme, plovoucí v temném vesmíru spolu s miliardami dalších tvorů.

Není to však moje jediná myšlenka. Kryokonitové díry zrychlují rychlost tání ledu kvůli tmavé barvě příměsi uvnitř a zvýšené sluneční energii, kterou ve výsledku absorbují. Kuriózní díry mají omezenou životnost vzhledem k tomu, jakou roli hraje voda. Například čím více ledu taje, tím více života v nich se může rozmnožovat - ale když se ledovec, ve kterém se vytvořily díry, začne tát, množící se život v nich bude smeten proudem tavné vody a díry zmizí . Zde také hraje roli změna klimatu: čím více tají ledovce, tím těžší bude kryokonitové díry přežít. A formy života objevené v nich budou stále vzácnější. Alternativně se může stát, že čím více tavné vody bude, tím více se budou dírky množit. Odpověď na tuto záhadu je další záhadou, kterou je třeba vyřešit.

Ice: Tales from a Disappearing Continent, Marco Tedesco with Alberto Flores D’Arcais, is available from Headline


Obrovský kus genomu tardigradu pochází z cizí DNA

Lehký mikrofotografie tardigradu. Uznání: Sinclair Stammers

Vědci z University of North Carolina v Chapel Hill sekvenovali genom téměř nezničitelného tardigradu, jediného zvířete, které přežilo extrémní prostředí vesmíru, a našli něco, co nikdy nečekali: že získají obrovský kus svého genomu - téměř šestina nebo 17,5 procenta - z cizí DNA.

„Netušili jsme, že zvířecí genom může být složen z tolika cizích DNA,“ řekl spoluautor Bob Goldstein z fakulty biologie na Vysoké škole umění a věd UNC. „Věděli jsme, že mnoho zvířat získává cizí geny, ale netušili jsme, že se to do této míry děje.“

Práce, publikovaná dnes v Sborník Národní akademie věd, nejenže vyvolává otázku, zda existuje spojení mezi cizí DNA a schopností přežít extrémní prostředí, ale dále rozšiřuje konvenční pohledy na to, jak se DNA dědí.

První autor Thomas Boothby, Goldstein a jejich spolupracovníci odhalili, že tardigradi získávají asi 6 000 cizích genů především z bakterií, ale také z rostlin, hub a Archaea, prostřednictvím procesu zvaného horizontální přenos genů - výměna genetického materiálu mezi druhy na rozdíl od dědění DNA výhradně od mámy a táty. Dříve držitelem rekordu v držení největšího množství cizí DNA bylo další mikroskopické zvíře zvané rotifer, ale má asi poloviční množství než tardigrade. Pro srovnání, většina zvířat má méně než jedno procento svého genomu z cizí DNA.

„Zvířata, která dokážou přežít extrémní stres, mohou být obzvláště náchylná k získávání cizích genů - a bakteriální geny mohou odolávat stresu lépe než ty zvířecí,“ řekl Boothby, postdoctorální pracovník Goldsteinovy ​​laboratoře. Koneckonců, bakterie přežily nejextrémnější prostředí Země po miliardy let.

Tým spekuluje, že se DNA dostává do genomu náhodně, ale to, co se uchovává, je to, co umožňuje tardigradům přežít v nejtvrdším prostředí, např. vložte tardigrade do mrazáku - 80 stupňů Celsia na rok nebo 10 a začne běžet asi 20 minut po rozmrazení.

Právě to si myslí tým: když jsou tardigradi v podmínkách extrémního stresu, jako je vysychání - nebo stav extrémní suchosti - Boothby a Goldstein věří, že DNA tardigradu se rozpadá na malé kousky. Když se buňka rehydratuje, buněčná membrána a jádro, kde sídlí DNA, dočasně propustí a DNA a další velké molekuly mohou snadno procházet. Tardigrades mohou nejen opravit svou vlastní poškozenou DNA, protože buňka rehydratuje, ale také v tomto procesu sešívat cizí DNA, čímž vytvoří mozaiku genů pocházejících z různých druhů.

„Myslíme na strom života, kde genetický materiál kolmo přechází od mámy a táty,“ řekl Boothby. „Ale s tím, jak se horizontální přenos genů stává široce přijímaným a známějším, alespoň u některých organismů, začíná měnit způsob, jakým uvažujeme o evoluci a dědičnosti genetického materiálu a stabilitě genomů. Takže místo přemýšlení o stromu života, můžeme přemýšlet o síti života a přechodu genetického materiálu z větve na větev. Je to tedy vzrušující. Začínáme upravovat naše chápání toho, jak evoluce funguje. “


Americký vědec

Tardigrades, odpovídám, jsou mikroskopická vodní zvířata, která se nacházejí téměř všude na Zemi.

Obrázek 1. Na tomto kolorizovaném elektronovém mikrografu (EM), který působí jako muzejní dioráma, se zpoza mechového listu vynoří tardigrade, aby lovil jídlo nebo společníka. EM se vyrábějí navrstvením molekulárního kovového filmu na vzorek. Tato technologie dává falešný pocit „skrýše“ tohoto tardigradu. Ve skutečnosti jsou tardigrady průsvitné a zobrazují různé barvy - bílou, zelenou, oranžovou, červenou. V mikroprostředí vytvořeném vodou, která díky povrchovému napětí ulpívá na prasklinách mechů a lišejníků, se tardigradům daří krmením menších organismů a vysáváním obsahu z rostlinných buněk. Jejich vlhká říše je přechodná a v reakci na to tardigradové vyvinuli řadu strategií založených na indukované kryptobióze - pozastavení metabolismu sušením nebo zmrazením. Ve svém kryptobiotickém stavu, vysušené nebo zmrazené, jsou úžasně trvanlivé. Tyto organismy přežívají extrémní podmínky - teploty, tlaku a záření - v míře, která v přírodě nemá obdoby.

Eye of Science/Photo Researchers

Pozemské druhy žijí ve vnitřní vlhkosti mechu, lišejníků, steliv a jiných půd se nacházejí ve sladké nebo slané vodě. Běžně jsou známí jako vodní medvědi, což je název odvozený od jejich podobnosti s pandami s osmi nohami. Někteří jim říkají mechová selata a byli také přirovnáváni k trpasličím nosorožcům a pásovcům. Když je lidé viděli, většina lidí říká, že tardigradi jsou nejroztomilejší bezobratlí.

Svého času byli vodní medvědi kandidáty na hlavní modelový organismus pro studium vývoje. Tuto roli nyní zastává nejvýrazněji škrkavka Caenorhabditis elegans, předmět studia pro mnoho významných vědců sledujících stopu, kterou otevřel laureát Nobelovy ceny Sydney Brenner, který začal pracovat na C. elegans v roce 1974. Vodní medvědi nabízejí stejné ctnosti, jaké udělali C. elegans tak cenné pro vývojová studia: fyziologická jednoduchost, rychlý šlechtitelský cyklus a přesný, vysoce vzorovaný plán rozvoje. Některým druhům se může líbit C. elegans, být eutelické, což znamená, že si organismy během vývoje zachovávají stejný počet buněk. Tardigradové mají někde přes 1 000 buněk. Já a další používáme vodní medvědy jako modelový vzdělávací organismus k výuce široké škály zásad v biologii.

Tardigrady jsou téměř průsvitné a jejich průměrná délka je přibližně půl milimetru (500 mikrometrů), což je velikost období na konci této věty. Ve správném světle je můžete skutečně vidět pouhým okem. Vědci, kteří pracují s tardigrady, je však vidí, jak se jeví pitevním mikroskopem o zvětšení 20 až 30 sil- jako charismatická miniaturní zvířata.

Většina drobných bezobratlých se horečně šíří. Tardigrades se pomalu pohybují, když se pohybují po kouscích trosek. Byli nejprve pojmenováni tardigrada v italštině z latiny znamená „pomalý chodec“. Tardigrades chodí po krátkých, podsaditých nohách umístěných pod těly, nevyčnívají do stran. Tyto statné nohy je pohánějí beze spěchu a záměrně po jejich stanovišti.

Tardigrades má pět částí těla, dobře definovanou hlavu a čtyři segmenty těla, z nichž každý má pár nohou opatřených drápy. Drápy se u různých druhů liší, od důvěrně známých medvědů až po podivně středověké hrsti zahnutých zbraní. Nejzadnější nohy jsou připevněny dozadu, v konfiguraci na rozdíl od jakéhokoli jiného zvířete. Tyto nohy slouží spíše k uchopení a zpomalené akrobacii než k chůzi.

Obrázek 2. Vzhled Tardigrades není jejich jediným aspektem, který připomíná makrofaunu. Světelný mikroskopický obraz předního konce tardigrade (vlevo, odjet ) ukazuje stylety v ústech, vzpěry, které jim pomáhají krmit bukální aparát, část trávicího traktu a hltan v horní části zažívacího systému. Průřez obecným vodním medvědem (že jo ) ukazuje vzájemné polohy orgánových systémů. Nedostatek jsou oběhové a dýchací systémy. V tomto malém měřítku stačí otevřená dutina hemocoelu k distribuci kyslíku a živin do organismu.

Dr. David J. Patterson/Výzkumníci fotografií. Ilustrace ve spodní části od Toma Dunnea, převzato z obrázku od autora.

Uvnitř těchto drobných šelem nacházíme anatomii a fyziologii podobnou té u větších zvířat, včetně plného zažívacího kanálu a trávicí soustavy. Ústa a sající hltan vedou k jícnu, žaludku, střevu a konečníku. Existují dobře vyvinuté svaly, ale pouze jedna gonáda. Tardigrades mají hřbetní mozek na vrcholu spárovaného ventrálního nervového systému. (Lidé mají hřbetní mozek a jediný hřbetní nervový systém.) Tělesná dutina tardigradů je otevřený hemocoel, který se dotýká každé buňky a umožňuje efektivní výživu a výměnu plynů bez potřeby oběhového nebo dýchacího systému.

Taxonomové rozdělují život na Zemi do tří domén: Bakterie, Archaea (starodávná řada buněk podobných bakteriím bez jader, které jsou z evolučního hlediska pravděpodobně blíže organizmům s jádrovými buňkami než bakteriím) a Eukarya. Eukarya je rozdělena do čtyř království: Protista, Plantae, Fungi a Animalia. Phylum Tardigrada je jednou z 36 fyl (zhruba podle toho, koho se ptáte) v Animalii - díky čemuž voda nese na stromě života výrazně výraznou větev.

Tardigrady jsou obaleny robustní, ale pružnou kůžičkou, kterou je třeba shodit, jak organismus roste. Byli tedy umístěni mezi phylu na vývojové linii ekdyzozoí mezi zvířaty, jako jsou hlístice a členovci, kteří také shodili kůžičku, aby rostli.

Zvířata rostou dvěma způsoby: přidáním dalších buněk nebo zvětšením každé buňky. Tardigrades obecně dělají to druhé. Pokud má zvíře tvrdou kůžičku nebo exoskelet, musí se z této ulity vymanit, aby mohlo růst. Například v létě se v mnoha částech světa všude setkáváme s prolitými exoskeletony sarančat na stromech.

Tardigrades jsou rozděleni do dvou tříd, Eutardigrada a Heterotardigrada. Členové Eutardigrady mají zpravidla nahou nebo hladkou kůžičku bez desek, zatímco Heterotardigrada se pyšní kutikulou vyzbrojenou deskami.

Tvrdí zákazníci

Nejznámější vlastností Tardigrades je jejich brutální, vytrvalá schopnost přežít velkolepě extrémní podmínky. Před několika lety se objevila síť Discovery Planeta zvířat vysílal odpočítávací příběh o nejdrsnějších stvořeních na Zemi. Tardigradové byli korunováni za „nejnáročnějšího“ přeživšího, když v antarktické zimě trumfli tučňáky, velbloudy v suché peci pouště, trubičkové červy v propasti a dokonce i legendárně vytrvalého švába.

Obrázek 3. Tardigrades (vlevo, odjet ) byli po určitou dobu považováni za konkurenty kulatého červa Caenorhabditis elegans (že jo ) a ovocná muška Drosophila melangaster jako hlavní bezobratlé modelové organismy. Tardigrades hrají tuto roli v průběhu let méně, ale pozornost výzkumu se zvyšuje, protože nové nástroje genetického výzkumu umožňují hlubší kontrolu jejich extrémní trvanlivosti a přizpůsobivosti v reakci na měnící se podmínky prostředí. Tardigrades jsou predátoři hlístic hlístic, jako jsou C. elegans . Pod mikroskopem se vědci tardigrade příležitostně setkávají s vodním medvědem, který popadl hlístice uprostřed. Hlístice se zuřivě kroutí po celé misce, s tardigradem visícím jako bronco jezdec, dokud se vyčerpaná hlístice nevzdá.

Fotografie s laskavým svolením Boba Goldsteina a Vicky Maddenové z University of North Carolina v Chapel Hill.

Extrémní přežití se však týká pouze některých druhů pozemských tardigradů. Mořské a vodní tardigrady tyto vlastnosti nevyvinuly, protože jejich prostředí je stabilní. Zdá se, že extravagantní adaptace na přežití byly vybrány v přímé reakci na rychle se měnící pozemská mikroprostředí vlhké flóry podléhající rychlému vysychání a extrémnímu počasí.

Pozemské tardigrady mají tři základní stavy bytí: aktivní, anoxybiosis a kryptobióza. V aktivním stavu jedí, rostou, bojují, rozmnožují se, pohybují se a nařizují běžné rutiny života. Anoxybiosis nastává v reakci na nedostatek kyslíku. Tardigrades jsou velmi citliví na napětí kyslíku. Dlouhodobá asfyxie má za následek selhání osmoregulačních kontrol, které regulují tělesnou vodu, což způsobí, že se tardigrade nafoukne jako Michelin Man a plave několik dní, dokud jeho stanoviště nevyschne a nebude moci pokračovat v aktivním životě.

Kryptobióza je reverzibilní ametabolický stav - zastavení metabolismu - který byl nevyhnutelně srovnáván se smrtí a vzkříšením. Při kryptobióze způsobené extrémním vysycháním je metabolická aktivita paralyzována kvůli absenci kapalné vody. Pozemští vodní medvědi jsou pouze limnoterrestriální - vodní živočichové žijící ve filmu vody, který se nachází v jejich suchozemských biotopech. Mech a lišejníky poskytují houbovitá stanoviště s nesčetnými malými kapsami vody a jako houbičky tato stanoviště pomalu schnou. Když jeho okolí ztrácí vodu, tardigrade s nimi vysychá. Nemá na výběr. Tvor ztrácí až 97 procent tělesné vlhkosti a scvrkává se do struktury přibližně z jedné třetiny původní velikosti, tzv. káď. V tomto stavu může forma kryptobiózy zvané anhydrobióza - což znamená život bez vody - přežít téměř cokoli.

Obrázek 4. Tardigrades vyvinuli sadu taktik přežití, aby unikli rozmarům svého lokalizovaného a zranitelného prostředí. Anoxybióza a encystment, popsané v horní části tohoto obrázku, jsou reakcemi, které lze vidět u různých organismů. Dolní polovina grafu ukazuje tři stavy kryptobiózy, ve kterých je pozastaven metabolismus - akt obvykle diagnostický smrt. Kryobióza se vyskytuje v reakci na zmrazení a anhydrobióza v reakci na sušení. Během toho se organismus vzdá své vnitřní vody, aby se stal vysušenou peletou. Oba vedou k vytvoření trvanlivého zmenšeného stavu nazývaného a káď . Vzácněji se vytváří melodie, která odolává osmotickému útoku, který vyžaduje vodu. Ve stavu tun mohou tardigradové přežít mnoho let, odolní extrémům daleko za hranicemi těch, které se vyskytují v jejich přirozeném prostředí.

Ilustrace Tom Dunne.

Tardigrady byly experimentálně podrobeny teplotám 0,05 kelvinů (–272,95 stupňů Celsia nebo funkční absolutní nula) po dobu 20 hodin, poté byly zahřáté, rehydratovány a vráceny do aktivního života. Byly skladovány při –200 stupních Celsia po dobu 20 měsíců a přežily. Byli vystaveni 150 stupňům Celsia, vysoko nad bodem varu vody, a byli oživeni. Byli vystaveni více než 40 000 kilopascalům tlaku a nadměrné koncentraci dusivých plynů (oxid uhelnatý, oxid uhličitý, dusík, oxid siřičitý) a přesto se vrátili do aktivního života. V kryptobiotickém stavu zvířata dokonce přežila hořící ultrafialové záření vesmíru.

Výzva studentských vědců k zamyšlení nad úžasnou trvanlivostí tardigradů přináší do hry jejich porozumění fyzice, chemii a biologii. Připomínají, že voda se blíží bodu mrazu, a proto plave led. Při 4 stupních Celsia vyvíjí expanze vody dostatečnou sílu k rozbití balvanů, roztržení kovových nádob a explozi živých buněk. Buňka je více než 95 procent vody. Síly roztržení a ledové mikročástice, které se tvoří ve zmrazených buňkách, jsou stejné, které způsobují kousnutí mrazem.

Atributy přežití tardigradů jsou ve skutečnosti docela vhodné pro organismus, který si vytváří domov v mechech a lišejnících (mechorostech), které jim poskytují jen tenkou vrstvu ochrany. Mechorosty podléhají extrémům životního prostředí na planetě zalité slunečním zářením. Mohou přijímat různá období přímého vystavení ultrafialovému záření a nikdy nemají daleko k vyschnutí, protože se mění okolní podmínky.

Improvizujte, přizpůsobujte se a překonávejte

Tardigrades vykazují zřetelně odlišné reakce, seskupené pod obecným názvem kryptobióza, na různé zdroje stresu. Anhydrobióza a kryobióza vedou k tvorbě hlodavců, ale nejsou ekvivalentní - jsou to různé mechanismy ochrany před různými útoky na životní prostředí.

Obrázek 5. Eutardigradům chybí brnění, což, jak se zdá, udělalo málo pro to, aby omezilo jejich evoluční úspěch. Větší eutardigrady - jako jsou ty z rodu Macrobiotus (ukázáno výše v aktivní formě a stavu tun) - se nacházejí na mnoha stanovištích, kde konzumují menší tardigrady i červy hlístice a rotifery. Jejich velká chuť k nematodům (mohou jich konzumovat mnoho za den) a jejich výsledná kontrolní role v populaci nematodů naznačuje významnou roli v potravní síti pro tardigrady v mikro měřítku.

Eye of Science/Photo Researchers

Anhydrobióza - metabolická suspenze způsobená téměř úplným vyschnutím - je běžným stavem tardigradů, do kterých se mohou dostat několikrát za rok. Aby přežili přechod, musí medvědi velmi pomalu schnout. Tun se formuje, když zvíře zatáhne nohy a hlavu a stočí se do koule, což minimalizuje povrch. Když se téměř veškerá její vnitřní voda vzdá, tardigrade je v anabióze, suchém stavu pozastavené animace. Skoro jako by se zvíře uchovalo tím, že se stane práškem složeným ze složek života. Když se tardigradi rehydratují rosou, deštěm nebo tajícím sněhem, mohou se vrátit do svého aktivního stavu během několika minut až hodin.

V kryobióze, jiné formě kryptobiózy, zvíře prochází zmrazením, ale může být oživeno. Jakákoli teplota pod bodem mrazu buněčné cytoplazmy potlačuje molekulární mobilitu, a proto pozastavuje metabolismus. Dalo by se očekávat, že teploty hlubokého zmrazení způsobí další strukturální poruchy, ale tardigrady, jak bylo uvedeno výše, přežily nejdramatičtější zimnice. Zdá se pravděpodobné, že přežití je způsobeno uvolňováním nebo syntézou kryoprotektantů. Tato činidla mohou manipulovat s teplotou tuhnutí tkáně, zpomalovat proces a umožňovat řádný přechod do kryobiózy a mohou potlačovat nukleaci ledových krystalů, což vede k formě krystalu ledu, která je příznivá pro následné oživení rozmrazováním.

Osmobióza je reakcí na extrémní slanost, která může způsobit destruktivní osmotický otok. Některé tardigrady vykazují nápadně efektivní osmoregulaci, udržující stagnaci tváří v tvář strmým osmotickým gradientům. Někteří jiní uniknou vytvořením melodie, která je nepropustná pro osmotický přenos.

V roce 2007 se tardigrades stali prvním mnohobuněčným živočichem, který přežil expozici smrtícímu prostředí vesmíru. Vědci v Evropě zahájili experiment na misi Evropské vesmírné agentury BIOPAN 6/Foton-M3, která vystavila kryptobiotické tardigrady přímo slunečnímu záření, teplu a vesmírnému vakuu. Zatímco experimentální plavidlo obíhalo 260 kilometrů nad Zemí, vědci spustili otevření kontejneru s tardigradovými tunami uvnitř a vystavili je Slunci. Když se tuňáci vrátili na Zemi a rehydratovali, zvířata se pohybovala, jedla, rostla, prolévala a reprodukovala. Přežili. V létě 2011 Project Biokis, sponzorovaný Italskou vesmírnou agenturou, přepravil tardigrady do vesmíru na americkém raketoplánu Usilovat. Kolonie tardigradů byly vystaveny různým úrovním ionizujícího záření. Poškození se nyní testuje, aby se dozvědělo více o tom, jak buňky reagují na záření, a možná i o tom, jak buňky typu tardigrade odrazují své poškození.

Přežití intenzivního záření naznačuje obzvláště účinný systém opravy DNA v aktivním organismu. Účinná osmoregulace v extrémní slanosti předpokládá dynamický metabolismus - osmoregulace tváří v tvář vysoké salinitě prostředí je energeticky extrémně drahá, jak probíhají metabolické transakce, což vyžaduje čerpání iontů proti strmým osmotickým a iontovým gradientům. V tardigradech tedy vidíme dvě protichůdné reakce na extrémy prostředí: pasivní reakci vegetačního klidu ve formě kryptobiózy, vyváženou hyperaktivními reakcemi působivé opravy DNA a vysoce výkonné osmoregulace. As practitioners of adaptive evolution, tardigrades are virtuosos.

Getting Around

Tardigrades have been discovered just about everywhere that anyone has looked, from the Arctic to the equator, from intertidal zones to the deep ocean, and even at the top of forest canopies. Their ubiquity is intimately linked to their survivorship. I am often asked how tardigrades manage to find their way to the canopy of towering trees. Most likely, wind carries them. In the tun state they are barely distinguishable from dust particles. But like spores, pollen and seeds, the tuns have a preference for where they land. Many microenvironments will be unsuitable habitats for freshly arrived tardigrades. Yet an unhappily placed tun can simply wait for a change in precipitation or perhaps a change in season. When conditions improve, life can begin again.

Figure 6. The armored Heterotardigrade of the genus Echiniscus in the active state (top ) and in the cryptobiotic tun state (bottom ). The armor of these tiny predators contains chitin, the same material incorporated in the cuticle of insects. The armor may slow the process of drying. In drier environments, heterotardigrades are predictably represented in larger numbers than are naked species. The armor plates may supply some degree of protection to the vulnerable active form.

Images courtesy of the author.

Contributing to their success as travelers is the fact that many tardigrades of moss, lichen and leaf litter are parthenogenetic, able to produce eggs without mating, and in a few cases are hermaphroditic, able to self-fertilize. A lone tardigrade on an ill wind—active, tun or egg—may be able to establish a population where it lands if the habitat is suitable. We may be under tardigrade rain right now.

Figure 7. These images of tardigrade claws are magnified 3,000 to 5,000 times. Even at so fine a scale, structures have developed that are distinctive to each genus, suggesting adaptations for different lifestyles. Tiny hooks suitable for spearing tiny hors d’oeurves contrast with bristling claws seemingly optimized for a raking, tearing attack. Little studied, tardigrades are far from understood. The diversity of claw types may have roles in mating, tun formation and other tardigrade activities that have not yet been discovered.

Images courtesy of the author and Clark W. Beasley of McMurry University.

At present there are about 1,100 described species of water bears, but not all are valid. Some descriptions are repeats and some are just plain flawed. Around 1,000 species have been properly identified and described. We have about 300 marine, 100 freshwater and 600 terrestrial species. But the land species are much easier to find and have been pursued by many more researchers over many more years. Still, my students have discovered and described four new species so far, and we are working to confirm another half dozen, including one found on the campus of Baker University in Kansas, where I am a faculty member. We believe there is an abundance of species yet to be discovered, especially in the nonterrestrial environments.

Finding a New One

Last summer, the student who inquired at my office, Rachael Schulte, became an intern working on our National Science Foundation grant under the Research at Undergraduate Institutions (RUI) program designed to teach research by exploring and expanding the biodiversity of the phylum Tardigrada in North America.

Figure 8. A light-microscope image reveals the dorsal plates and cirri, cuticular extensions, of what one day could be known officially as Multipseudechiniscus raney já. While working with the author, Baker University undergraduate Rachael Schulte found the organism in samples her teacher had collected in California. They have submitted a paper describing the organism for publication.

Image courtesy of the author and Rachael Schulte.

After a couple of weeks of practice on lichen from local trees, Rachael had become proficient with the tools of the tardigrade trade—the dissecting scope, the wire Irwin loop, slide preparation, imaging, record keeping and identification to the level of genus. She was ready to work on actual research material, so we set her up with samples collected a couple of years before on a transect from more than 9,000 feet up in the Sierra Nevada Mountains down to Fresno, California.

Just a week later, she came to me with a finely made slide.

In 1983, Giuseppe Ramazzotti and Walter Maucci published the monograph The Phylum Tardigrada. It was translated from Italian into English by Clark Beasley in 1985. It is now 27 years out of date and includes only half of the described species. But it remains the reference of first resort. We started with the genus Pseudechinsicus. As I read the diagnostic questions in the key, Rachel worked the microscope to answer them.

The animal looked like Pseudechinsicus raneyi, as described by Gragrick, Michelic, and Schuster in 1964. We pulled up a copy of the paper from the files (we have PDF files of 95 percent of all tardigrade papers) and read. The description matched our animal. We then looked at the 1994 list of species, along with the relevant research papers and geographic distributions, prepared by McInnes. There were only two listings for our species—the original description from California and Schuster and Gragrick’s entry in their 1965 classic work on the western North American tardigrades, which added Oregon to Pseudechinsicus raneyi’s known range. Searching through the more recent literature in our database, Rachael discovered that I had also found the creature in Montana during my master’s work at the University of Montana, Missoula, in the late 1960s, although I did not publish the record until 2006. Now after 40 years we had a fourth record and a new location for an uncommon regional animal.

During our literature review, we learned that the genus was described by Gustav Thulin in 1911, who gave high taxonomic value to the presence of the pseudosegmental plate. Then in 1987, Kristensen revised the family Echinsicidae, redescribed the existing genera and added four new ones to the list. Because this occurred after our creature was described, we needed to confirm the genus assignment by reviewing its characteristics against the amended, more detailed description.

We started down the list of characteristics under the genus Pseudechiniscus I read the first line:

Our specimens did not match the description of the genus Pseudechinicus. So we checked the other generic descriptions within the family the same way and concluded that our specimens matched none of them. We now thought there were enough significant deviations from the existing descriptions to merit describing and naming a new genus.

Over the next several months we borrowed the original type specimen of Pseudechiniscus raneyi from the Bohart Museum at the University of California at Davis and confirmed that it was the same as our specimens. Rachael and I made images of the slides, measured multiple characteristics on each specimen and developed a comparative table. We checked and double checked our specimens. As we started to pass the draft of a manuscript back and forth, I asked Rachael whether she wanted to be a coauthor describing the new animal or to have it named after her.

Rachael presented a poster about the discovery at the November 2010 Sigma Xi International Meeting and Student Research Conference in Raleigh, North Carolina, with 250 other undergraduate researchers. The new genus of water bear is shown in Figure 8. Our manuscript reporting the find is under review at a peer-reviewed journal.


HOW DO THEY DO THAT?

The tardigrades are able to withstand such extreme conditions because they enter kryptobióza status when conditions are unfavorable. It is an extreme state of anabiosis (decreased metabolism). According to the conditions they endure, the cryptobiosis is classified as:

    Anhydrobiosis: in case of environmental dehydration, they enter a “barrel status” because adopt barrel shaping to reduce its surface and wrap in a layer of wax to prevent water loss through transpiration. To prevent cell death they synthesize trehalose, a sugar substitute for water, so body structure and cell membranes remain intact. They reduce the water content of their body to just 1% and then stop their metabolism almost completely (0.01% below normal).

  • Cryobiosis: in low temperatures, the water of living beings crystallizes, it breaks the structure of cells and the living being die. Tardigrades use proteins to suddenly freeze water cells as small crystals, so they can avoid breakage.
  • Osmobiosis: it occurs in case of increase of the salt concentration of the environment.
  • Anoxybiosis: in the absence of oxygen, they enter a state of inactivity in which leave their body fully stretched, so they need water to stay perky.

Referring to exposures to radiation, which would destroy the DNA, it has been observed that tardigrades are able to repair the damaged genetic material.

These techniques have already been imitated in fields such as medicine, preserving rat hearts to “revive” them later, and open other fields of living tissue preservation and transplantation. They also open new fields in space exploration for extraterrestrial life (Astrobiology) and even in the human exploration of space to withstand long interplanetary travel, ideas for now, closer to science fiction than reality.


All about Waterbear (Tardigrade)

FACTS: One of the more fascinating organisms in the microsphere is the common tardigrade – technically speaking, “slow walker.” However, it is not the tardigrade’s sluggish speed that captures the attention, but rather the fact that as this miniscule creature lumbers along on its eight tiny legs, it bears an uncanny resemblance to, well, a bear.

First described in 1773 by Johann August Ephraim Goeze as “kleiner Wasserbär,” these “little Waterbears” are unusually hardy. By entering a state of cryptobiosis – a kind of super-hibernation where the metabolism becomes inactive – waterbears can survive in boiling water, and at temperatures very close to absolute zero. They can dry out and survive 99% dehydrated for decades. They can survive a thousand times more radiation than humans can. They can even survive in the vacuum of outer space!

Needless to say, with these death-defying abilities, waterbears are found all over the world, from the highest mountain peaks to the depths of the deep. But they are typically found nearby in the miniature rainforests created by common mosses (indeed, they are sometimes called “moss piglets”) – so backyard adventurers with low-powered microscopes can easily go on a waterbear hunt.

But never fear: although a few species (such as the grizzly Milnesium tardigradum) are aggressively carnivorous, as a whole, waterbears (including our own Hypsibius dujardini) are quiet herbivores who live gentle little lives, picnicking and playing – and taking long, slow walks.


ZÁVĚRY

Despite their overall abundance and cosmopolitan distribution, the Tardigrada have been relatively neglected by invertebrate zoologists. Because of difficulties in collecting and culturing the organisms and their apparent lack of economic importance to humans, our knowledge of tardigrades has lagged that of other groups. However, their importance in elucidating the phylogeny of the Metazoa, particularly the arthropods, has recently increased interest in this group. In addition, their development and ecology are poorly understood, and proper training of taxonomists skilled in identifying tardigrade species is essential for systematic, ecological, and molecular analyses.

Stůl 1. Subdivision of the Phylum Tardigrada with Habitat Classifications (Nelson, 2001)


Secrets of the amazing tardigrades revealed by their DNA

New genome sequences shed light on both the origins of the tardigrades (also known as water bears or moss piglets), and the genes that underlie their extraordinary ability to survive in extreme conditions. A team of researchers led by Mark Blaxter and Kazuharu Arakawa from the universities of Edinburgh, Scotland and Keio, Japan respectively, have carefully stitched together the DNA code for two tardigrade species, and their results are presented in an article publishing 27 July in the open access journal PLOS Biology.

Tardigrades are microscopic animals, justly famous for their amazing ability to withstand complete dehydration, resurrecting years later when water is again available. Once desiccated, they have been frozen in ice, exposed to radiation, sent into space vacuum. and still they spring back to life.

Tardigrades became more famous recently when it was suggested that their DNA was a mix of animal and bacterial segments, making them "Frankenstein" hybrids. The new research has now laid the Frankenstein idea to rest by arguing that tardigrade DNA looks "normal," with no evidence that these special animals use extraordinary means to survive. Previous ideas that they might have taken up large numbers of foreign genes from bacteria are shown to be due simply to contamination.

But what is "normal" to a tardigrade is still enigmatic and exciting. At less than a millimetre in length, tardigrades are too small to leave fossils, but using the new genomes, the scientists were able to explore what the DNA could tell them about where tardigrades sit in the tree of animal life. Tardigrades are a distinct type of animal whose closest relatives are arthropods (insects, spiders and their allies) and nematodes (roundworms). But which is closest? While the accepted view is that their four pairs of stubby legs make them more closely related to arthropods, the DNA evidence surprisingly strongly favoured a closer kinship with nematodes.

The researchers then looked at a set of genes -- the so-called HOX genes -- used to lay down the nose-to-tail pattern in embryos. There are usually about ten different HOX genes in animals, each involved with a different part of the nose-to-tail pattern. They found that tardigrades were missing five HOX genes, and that most nematodes also were missing the same five genes. This is either a coincidence or further evidence that tardigrades and nematodes are closely related.

It was also possible to identify the genes that tardigrades use to resist the adverse effects of desiccation. By asking which genes were turned on during the drying process, scientists could identify sets of proteins that appear to replace the water that their cells lose, helping to preserve the microscopic structure until water is available again. Other proteins look like they protect the tardigrades' DNA from damage, and may explain why they can survive radiation.

"I have been fascinated by these tiny, endearing animals for two decades. It is wonderful to finally have their true genomes, and to begin to understand them. It has also been great to work with Kazuharu Arakawa and his Japanese colleagues on this -- science is truly global, and together we achieved exciting things," Professor Mark Blaxter said. "This is just the start -- with the DNA blueprint we can now find out how tardigrades resist extremes, and perhaps use their special proteins in biotechnology and medical applications."


Frozen Siberian microbes just woke up from a 24,000-year nap—and immediately got busy

The microscopic organisms wasted no time cloning themselves.

Tiny microscopic organisms came back to life after they thawed out.

In 2015, a team of scientists extracted a core of frozen sediment from the permafrost in northern Siberia, near the Arctic Ocean. After getting thawed out in the lab, tiny microscopic organisms from that soil, called bdelloid rotifers, wriggled back to life—following what could be described as a 24,000-years-long nap, according to new research published in the journal Aktuální biologie.

“It’s like a tale of Sleeping Beauty,” says coauthor Nataliia Iakovenko, a biologist at the University of Ostrava in the Czech Republic. Except instead of one hundred years of dormancy, these bdelloid rotifers were most recently kicking around in the Late Pleistocene. And instead of a cursed princess, we’re talking about some extremely hardy worm-like invertebrates, about a third of a millimeter in size, which do not exist in male form and reproduce by cloning themselves.

“The important message is these molecular mechanisms which help them to survive have a very long expiration date,” says Iakovenko.

When the researchers collected the permafrost samples, they used drilling and trimming techniques that helped reduce the risk of inadvertent mixing with modern-day microbes. To pinpoint the rotifers’ age, the scientists took adjacent material from the core and sent it to a lab in Arizona for radiocarbon dating, which revealed an age of 23,960 to 24,480 years. Meanwhile, the rotifers themselves, along with other soil organisms, sprung to life in the lab after defrosting into balmy 64-degree conditions. For contrast, when the researchers removed them from the permafrost the temperature of the frozen sediment was 21 degrees Fahrenheit, and average temperatures for the permafrost sit at around 14 degrees Fahrenheit.

These creatures can survive this type of extreme scenario because they are adapted to frequent or irregular drying or freezing, says Stas Malavin, a coauthor on the study and a researcher at the Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science in Russia. “From previous research on rotifers, we know that they are very tough animals, they can resist many different harmful conditions.” When frozen like this, the rotifers’ state can be compared to clinical death, says Malavin—but one that’s reversible.

This study is “one of very few studies that have demonstrated multi-thousand year survival of a eukaryote, an organism whose cells have a nucleus, wrote Peter Convey, a terrestrial ecologist at the British Antarctic Survey, in an email to Popular Science. Previous research has suggested that nematodes can survive for even longer, at over 40,000 years, while several studies on moss, for example, also found lengthy (though far shorter) survival times. Rotifers, tardigrades (or “water bears”) and nematodes are known for cryptobiosis, says Convey, meaning they can survive in a “suspended” state when exposed to serious stressors like sub-zero temperatures or desiccation.

“I guess one of the largest challenges with any such studies is that of contamination,” wrote Convey, who was not involved in the research. In other words, “how can you be absolutely sure that nothing has had the chance to percolate down through the [soil] over time, or how to be sure there have not been any events disturbing the continuity of permafrost over this time.”

These new findings, Malavin says, will help researchers figure out what specific mechanisms allow organisms to preserve themselves in such fatal conditions. Further research could eventually contribute to scientists’ understanding of how to better preserve human or endangered species sperm, says Malavin, or transplanted human organs like hearts, which can currently only be preserved for very short time periods.

While these rotifers may have technically survived for 24,000 years, their normal lifespan is quite brief. “Can you imagine,” Iakovenko mused, “that they can survive for 24,000 years frozen, but then they just live one month and die?”


Save the pangolins

Pangolins are one of the world's most interesting animals. They are the only mammals to be covered from head to tail in scales. Because they have no teeth, they will deliberately eat stones (and nibble their own scales) to break up food in their stomachs. When they roll up into a defensive position, their scales can withstand a lion or tiger's jaws and, a bit like skunks, they can emit a stinky fluid to deter any would-be predators.

Unfortunately, some species are on the edge of extinction. Education and awareness are important aspects of their protection.

Traditional Chinese medicine is far from a quaint, ancient wisdom. Instead, it's a multi-billion-dollar black market that tortures bears and skins pangolins. It's a leading factor driving the extinction of some species. Knowing this gives us the ability and tools by which to stop it. Law enforcement and anti-trafficking operations are insufficient. We must tackle the root causes of pangolin trafficking.

Jonny Thomson teaches philosophy in Oxford. He runs a popular Instagram account called Mini Philosophy (@philosophyminis). His first book is Mini Philosophy: A Small Book of Big Ideas.


Podívejte se na video: How to Find WATER BEARS: Advice from Experts! (Leden 2022).