Levande mysterier: Varför teeny-weny tardigrades är tuffa som spikar

February 14, 2022 paramo Svenska Artiklar 0

Ett av modern vetenskaps konstigaste mysterier började för nästan 60 år sedan. Det började nära en liten by på Frankrikes sydkust. Forskare upptäckte att småbitsdjur där kunde överleva den extrema strålningen från yttre rymden.

Byn Peillon (PAY-oh) är underbar. Uppflugen på toppen av en kulle och omgiven av olivträd, ett kluster av vita tegelbyggnader där påminner om ett medeltida slott. Dessa träds stammar är belagda med fluffig grön mossa. Och gömda i den mossan finns små åttabenta djur som kallas tardigrades (TAR-deh-grayds). Var och en är ungefär lika stor som ett saltkorn.

Byn Peillon ligger i bergen på Frankrikes sydkust. I ett viktigt experiment 1964 samlades tardigrader från stammarna av olivträd som växte nära denna by. Djuren exponerades för röntgenstrålning – och överlevde mängder som lätt skulle döda en människa. Lucentius/iStock/Getty Images Plus

Dessa varelser är hjältarna i vår berättelse. 1963 samlade Raoul-Michel May hundratals tardigrader från de mossiga träden i Peillon. Han var biolog i Frankrike. Han lade de små djuren i ett fat och zappade dem med röntgen.

Röntgenstrålar är relativt ofarliga i små doser. De skjuter rakt igenom kroppens mjuka vävnader (men inte ben – det är därför läkare kan använda dem för att ta bilder av ben). Vid mycket höga doser kan dock röntgenstrålar döda människor. Och det är en fruktansvärd död, som föregås av brännskador på huden, kräkningar, diarré – och mer.

Kan sprängde tardigraderna med upp till 500 gånger den röntgendos som skulle döda en människa. Otroligt nog överlevde de flesta av de små bestarna – åtminstone i några dagar. Sedan dess har forskare upprepat detta experiment många gånger. Djuren överlever vanligtvis.

”Vi vet inte riktigt varför tardigrader är så toleranta mot strålning”, säger Ingemar Jönsson (YON-sun). Det är “inte naturligt.”

Detta är en tardigrad som simmar i vatten, sett genom ett ljusmikroskop. Tardigrader kan endast vara aktiva i vatten. De som lever i mossa, lavar eller jord måste överleva långa perioder av uttorkning.

Robert Pickett/Corbis Dokumentär/GETTY IMAGES

Jönsson arbetar vid Högskolan Kristianstad i Sverige. Som biolog har han studerat tardigrader i 20 år. De kan motstå alla typer av strålning, har han hittat: ultravioletta strålar, gammastrålar – till och med höghastighetsstrålar av järnatomer. Han säger att det är “inte naturligt” för djuren att överleva dessa förhållanden. Och med det menar han att det inte är vettigt. Det stämmer inte överens med hur forskarna förstår evolutionen.

Allt levande bör anpassas till sina miljöer. Tardigrader som lever i den svala skuggan av en olivlund bör anpassas till varma, torra somrar och svala, blöta vintrar – men inget mer. Ändå kan dessa djur på något sätt överleva nivåer av strålning miljontals gånger högre än vad som förekommer någonstans på vår planet! Så det finns ingen uppenbar anledning för dem att ha utvecklat denna egenskap.

Tardigrader kan också överleva frysning vid –273° Celsius (–459° Fahrenheit). Det är 180 grader C (330 grader F) kallare än den lägsta temperatur som någonsin rapporterats på jorden. Och de har överlevt i 10 dagar i rymden utan luft och kretsar runt jorden på utsidan av en rymdfarkost. – Varför de har så här mycket höga toleranser är ett mysterium, säger Jönsson. Tardigrades har aldrig upplevt dessa förhållanden i naturen.

Inte på jorden i alla fall.

Han och andra forskare tror nu att de har svaret. Om de har rätt avslöjar det något överraskande om vår planet: Jorden är inte alls en så trevlig plats att bo på som vi trodde. Och på en mer praktisk nivå kan dessa små djur hjälpa människor att förbereda sig för långa resor i rymden.

@oneminmicro

Svara @brettrowland6 Första gången jag NÅGONSIN har sett vattenbjörnar lucka 🐣 ❤️ #TikTokPartner #LearnOnTikTok #waterbears #microscope #life #borntoglow

♬ Noble mystery, documentary, incidental music：S(1102514) – 8,864

Titta på en kulle av tardigradersungar, eller vattenbjörnar som de ibland kallas, kläcka ur sina ägg och börja utforska den mikroskopiska miljön.
Livet i avstängd animering

En tysk predikant vid namn Johann Goeze upptäckte tardigrader först 1773. Han tittade på en liten dammväxt genom ett mikroskop och såg också en kraftig, klumpig varelse med p smorda klor på varje fot. Han kallade den “den lilla vattenbjörnen”. De kallas fortfarande “vattenbjörnar” idag. Och deras vetenskapliga namn, tardigrade, betyder “slow stepper.”

En torkad tardigrade kallas också en “tun”, ett tyskt ord för ett fat som används för att lagra vin. Den här bilden av en tun fångades genom ett svepelektronmikroskop.M. Czerneková

et al/PLOS ONE 2018 (CC BY 4.0)

Omkring 1775 placerade en italiensk vetenskapsman vid namn Lazzaro Spallanzani en tardigrade i en droppe vatten. Han såg genom ett mikroskop när vattnet avdunstade. Droppen krympte och djuret slutade röra sig. Den drog huvudet och benen helt in i kroppen – som en fånig tecknad sköldpadda. När vattnet var borta såg varelsen ut som en torr, skrynklig valnöt.

Tardigraden hade förlorat 97 procent av vattnet i kroppen och krympt till en sjättedel av sin ursprungliga storlek . (Människor som förlorar bara 30 procent av sitt vatten kommer att dö.) Om djuret råkade stöta på, sprack det som ett torrt löv. Den såg död ut. Och Spallanzani trodde att det var det.

Men han hade fel.

Den torkade tardigraden piggade upp direkt när Spallanzani lade den i vatten. Den skrynkliga valnöten svällde som en svamp. Dess huvud och ben stack ut igen. Inom 30 minuter simmade den och paddlade på sina åtta ben, som om ingenting hade hänt.

Den torkade tardigraden hade helt enkelt stoppat sin ämnesomsättning. Den andades inte längre, den slutade använda syre. Men den levde, i suspenderad animation. Forskare idag kallar detta kryptobios (KRIP-toh-by-OH-sis), vilket betyder “dolt liv.” Det stadiet kan också kallas anhydrobios (An-HY-droh-by-OH-sis), eller “liv utan vatten.”

Det var ganska tydligt varför tardigrader hade utvecklats ett sätt att överleva torkning. De härdiga djuren lever nästan överallt – i havet, i dammar och vattendrag, i jord och i mossa och lavar som växer på träd och stenar. Många av dessa platser torkar ut under sommaren. Det är nu klart att tardigraderna också kan. De måste överleva på detta sätt i några veckor eller månader varje år.

Och tardigrader är inte ensamma om detta. Andra små djur som bor på dessa platser – små morrhår som kallas hjuldjur och små maskar som kallas nematoder – måste också tåla att torka ut. Med tiden har forskare lärt sig hur torrhet skadar en kropp. Detta har i sin tur avslöjat ledtrådar om varför tardigrader, hjuldjur och vissa nematoder kan överleva inte bara torkning utan också intensiv strålning och frysning. Faktum är att förra sommaren beskrev forskare att de hittade hjuldjur som “vaknade” efter en 24 000-årig snooze (avstängd animation) i arktisk permafrost.

    Victoria Denisova/iStock/Getty Images Plus

    DavorLovincic/iStock /Getty Images Plus

Tar digrades finns över stora delar av jordens yta. Deras hem inkluderar mossa (ovan, vänster) och lavar (ovan, höger) som växer på träd, stenar och byggnader. Tardigrades kan också hittas i dammar (nedan, till vänster), ibland som lever bland små växter som kallas andmat. Dessa tåliga varelser trivs till och med på glaciärernas yta (nedan, till höger), där sand eller damm gör att små hål smälter i isen – vilket gör små tardigrade lyor.

    Magnetic-Mcc/iStock/Getty Images Plus

    Hassan Basagic/iStock/Getty Images Plus

Överleva utan vatten

Torkning skadar celler på flera sätt. När cellerna skrynklas och krymper som russin spricker de upp och läcker. Torkning gör också att proteiner i cellerna vecklas ut. Proteiner ger ramarna som håller cellerna i sin rätta form. De fungerar också som små maskiner som kontrollerar de kemiska reaktioner som en cell använder för att bryta ner sin mat för energi. Men som pappersflygplan är proteiner känsliga. Vik ut dem och de kommer att sluta fungera.

På 1990-talet hade forskare kommit att tro att torkning också skadar celler på ett annat sätt. När en cell torkar kan vissa vattenmolekyler som finns kvar inuti den börja brytas isär. H

Reparera och skydda DNA

Rebecchi tycker tardigrader är sannolikt mycket bra på att reparera sitt DNA – att laga dessa brott i stegen. “I nuläget har vi inga bevis”, säger hon. Åtminstone inte i tardigrader.

Men forskare har vissa bevis från insekter som kallas chironomider (Ky-RON-oh-midz), eller sjöflugor. Deras larver kan också överleva att torka ut. De kan också överleva höga doser av strålning. När fluglarverna först vaknar efter att de varit torra i tre månader är 50 procent av deras DNA trasigt. Men det tar bara tre eller fyra dagar att fixa de rasterna. Ett team av forskare rapporterade detta för första gången 2010.

DNA-reparation är sannolikt bara en bit av tardigradpusslet. Varelserna skyddar också sitt DNA från att gå sönder i första hand.

Japanska forskare upptäckte detta 2016. De studerade tardigrader som lever i mossaklumpar som växer på stadsgator i norra Japan. Denna art har ett protein som inte liknar de som finns i något annat djur på jorden – förutom en eller två andra tardigrader. Proteinet låser sig på DNA som en sköld för att skydda det. De kallade detta protein “Dsup” (DEE-sup). Det är en förkortning av “skada suppressor.”

Sparas genom att packa jordnötter

Tardigrades tolerans för torkning kan också förklara varför de kan överleva frysning vid mycket låga temperaturer.

När temperaturen faller under fryspunkten sipprar vatten ut ur ett djurs celler. Det bildar iskristaller utanför djurets kropp. När cellerna tappar vatten, skulle deras yttre membran (som är som hud) normalt skrynklas och spricka upp. Cellens känsliga proteiner skulle också vecklas ut, som förstörda pappersflygplan. Detta är en stor del av varför frysning dödar de flesta levande varelser.

Men tardigrader kan överleva när deras celler krymper ihop som russin. Och 2012 upptäckte forskare i Japan en viktig ledtråd till varför.

De analyserade tusentals proteiner som tardigrader producerar när de börjar torka ut. Djuren producerade fem proteiner i enorma mängder. Och dessa ser inte ut som något annat känt protein, säger Arakawa. Han var en del av teamet för att upptäcka dessa nya proteiner.

De var mycket diskretare och mer flexibla än de flesta proteiner. De liknade trassligt garn mer än ett exakt vikt pappersflygplan. Men eftersom en tardigrad förlorade vatten, gjorde dessa proteiner något fantastiskt. Var och en tog plötsligt formen av en lång, mager stav. Resultaten publicerades i PLOS One.

Vattna normalt håller en cells membran och proteiner i rätt form. Vätskan inuti en cell stöder fysiskt dessa strukturer. Hos de flesta organismer får membran att böjas och gå sönder om vattnet tappas; detta gör att proteiner vecklas ut. Men i tardigrader, när vattnet försvinner verkar dessa stavformade proteiner ta över det där kritiska stödjobbet.

Det var vad Arakawa och andra forskare misstänkte. Och förra året visade de starka bevis för att detta är sant.

Två team av forskare infogade gener för att göra dessa proteiner – kallade CAHS-proteiner – till bakteriella och mänskliga celler. (Båda teamen var baserade i Japan. Arakawa var med i ett av teamen.) När proteinerna blev trånga i cellerna klumpade de ihop sig för att bilda långa, korsande fibrer. Liksom spindelnät nådde dessa strukturer från ena sidan av en cell till den andra. Ett team publicerade sina resultat den 4 november 2021

Vetenskapliga rapporter

. Den andra publicerade sina resultat på bioRxiv.org. (Forskningsresultat som delas på den här webbplatsen har ännu inte granskats eller granskats av andra forskare.)

Det var nästan som att cellerna stoppade i sig frigolit som packade jordnötter för att skydda sina ömtåliga delar. Och i tardigrader försvinner detta filler när det inte längre behövs. När vatten kommer tillbaka in i cellerna faller fibrerna isär. Det återkommande vattnet omfamnar och stödjer cellens strukturer igen.

Se: en ny art av tardigrade, rapporterad 2019. Denna taggiga, pansardjur liknar en bältdjur från Texas. Men den hittades i regnskogarna på Madagaskar, utanför Afrikas kust. Mer än 1 000 arter av tardigrader har upptäckts – och fler hittas varje år.P. Gąsiorek och K. Vončina/Evolutionary Systematics 2019 (CC BY 4.0)

Jorden är en tuff plats att leva på

Att ta reda på hur tardigrader tål extremer kan hjälpa andra arter att överleva i tuffa miljöer. Som oss. Faktum är att det skulle kunna hjälpa människor att utforska den fientliga miljön i yttre rymden.

En stor utmaning med långvariga rymdresor är hur man odlar mat. Rymden är full av strålning. På jorden skyddas människor, växter och djur av vår planets magnetfält. Men inne i ett rymdskepp skulle strålningsnivåerna vara mycket högre än på jorden. Under långa resor kan denna strålning störa tillväxten av matgrödor, som potatis eller spenat. Konstruera växter för att tillverka tardigradproteiner kan dock ge dem en skyddande kant.

Den 21 september 2020 rapporterade forskare att de hade infogat genen för tardigradernas Dsup-protein i tobaksplantor . Tobak används ofta som modell för andra grödor, till exempel de som äts som mat. När växterna exponerades för DNA-skadande kemikalier växte de snabbare än växter utan Dsup. Och när de exponerades för röntgenstrålar eller ultraviolett strålning visade de mindre DNA-skador. Forskarna delade med sig av sina resultat i

Molecular Biotechnology.

I Oktober 2021 rapporterade ett annat team att tardigrade CAHS-proteiner kan skydda mänskliga celler från DNA-skadande kemikalier. Det tyder på att dessa proteiner också kan infogas i matväxter – eller till och med i insekter eller fiskar som odlas som mat. Dessa resultat publicerades på bioRxiv.org.

Ingen vet om dessa teknologier kommer att fungera i rymden. Men tardigrader har redan lärt oss något viktigt om vår egen värld: Jorden kan tyckas vara en trevlig plats att leva på. Men runt omkring oss finns små fickor av elakhet som vi människor förbiser. Detta är till och med sant på platser som verkar vanliga och trevliga – som olivträden i Peillon, eller en mossig bäck som torkar ut på sommaren. Ur tardigradens synvinkel är jorden en förvånansvärt tuff plats att leva på.