Karhujen ja vesikarhujen uskomattomat supervoimat

eläintiedot » Hyönteiset » Karhujen ja vesikarhujen uskomattomat supervoimat

Eläimet kätkevät aitoja salaisuuksia biologiastaan uskomattomia supervoimia jota tiede on vasta alkanut selvittää. Jotkut nisäkkäät tuskin sairastuvat syöpään, toiset kestävät rajuja säteilyannoksia, ja on lajeja, jotka kykenevät viettämään kuukausia liikkumatta ilman ruokaa tai vettä ja palaamaan toimintaan kuin mitään ei olisi tapahtunut. Silmiinpistävintä on, että monet näistä äärimmäisistä saavutuksista eivät ole taikuutta: ne ovat kirjoitettu niiden DNA:han.

Niiden joukossa kiistattomat tähdet ovat karhut ja niin kutsutut vesikarhut eli karhukaiset. Ensin mainitut ovat tunnettuja horrokseen ja aineenvaihduntaan liittyvät kyvytVaikka jälkimmäiset ovat ansainneet planeetan kestävimpien eläinten tittelin selviytymällä olosuhteista, jotka tuhoaisivat lähes minkä tahansa muun elämänmuodon, sen ymmärtäminen, miten ne tekevät sen, ei ole vain uteliaisuuskysymys: se voi muuttaa ihmislääketieteen tulevina vuosikymmeninä.

Eläinten supervoimat: kun evoluutio muuttuu luovaksi

Kauan ennen kuin puhuimme sarjakuvasupersankareista, luonto oli jo levittänyt eläinten poikkeukselliset voimatEsimerkiksi norsuilla on yllättävän alhainen syöpäesiintyvyys, vaikka niiden elinikä on samanlainen kuin ihmisillä ja niiden kehossa on paljon enemmän soluja, mikä teoriassa tarkoittaisi enemmän mahdollisuuksia sille, että jokin menee pieleen.

Utahin yliopiston tutkijat havaitsivat, että norsuilla on kymmeniä ylimääräisiä kopioita geenistä, joka koodaa p53-proteiinia. avainmolekyyli kasvainten estämisessäTämä proteiini toimii eräänlaisena vartijana, joka havaitsee DNA-vaurioita ja määrää solun korjattavaksi tai tuhottavaksi, jos syöpämuutoksen riski on korkea. Norsuilla ei ole ainoastaan ​​enemmän kopioita tästä geenistä, vaan niillä on myös paljon tehokkaampi järjestelmä vaarallisten solujen poistamiseksi verenkierrosta.

Delfiinit ovat toinen kiehtova esimerkki. Nämä valaat osoittavat erityinen suoja verihyytymiä vastaanTämä on ongelma, joka ihmisillä liittyy sydänkohtauksiin, aivohalvauksiin ja muihin vakaviin sydän- ja verisuonitauteihin. Vaikka tarkkoja mekanismeja tutkitaan vielä, niiden fysiologia, joka on sopeutunut syväsukellukseen ja äkillisiin paineenmuutoksiin, on johtanut vereen, joka on vähemmän altis muodostamaan tappavia verihyytymiä.

Yhdessä nämä eläimet osoittavat, että evoluutio on jalostanut hyvin erilaisia ​​ratkaisuja yleisiin uhkiin, kuten syöpään tai sydän- ja verisuonitauteihin. Avain piilee sen genomissaJa tässä kohtaa useiden tiederyhmien työ astuu kuvaan, ryhmien, jotka ovat päättäneet seurata näitä geneettisiä erikoisuuksia suurennuslasin avulla.

Karhut ja talviunet: terveen liikalihavuuden mestareita

Yksi biologian suurista arvoituksista on se, miten jotkut eläimet voivat horrostavat kuukausia tuhoamatta kehoaanprosessi, joka eroaa jopa suurten nisäkkäiden, kuten miten virtahepot nukkuvatKarhut ovat paras esimerkki: ne keräävät valtavia rasvavarastoja ennen talvea, lakkaavat lähes kokonaan liikkumasta, eivät syö tai juo, ja tuskin virtsaavat tai ulostavat. Silti herätessään ne eivät aiheuta vakavia komplikaatioita, joita ihminen kärsisi vastaavissa olosuhteissa.

Ihmisillä suuri painonnousu lyhyessä ajassa ja pitkien liikkumattomuusjaksojen ylläpitäminen olisi täydellinen resepti sairaalloisen lihavuuden, insuliiniresistenssin, tyypin 2 diabeteksen, verenpainetaudin, veritulppien, lihasatrofian ja monien muiden ongelmien kehittymiselle. Karhuilla tämä prosessi on kuitenkin palautuva ja kontrolloituNe siirtyvät toiminnalliseen lihavuuteen ja poistuvat siitä jättämättä jälkeensä kroonisen sairauden jälkiä.

Ymmärtääkseen tätä kykyä paremmin Utahin yliopiston tutkijat Christopher Gregg ja Elliot Ferris analysoivat useiden talvihorroksessa olevien nisäkkäiden, ei pelkästään karhujen, genomeja. Heidän tavoitteenaan oli paikantaa DNA-sekvenssit, jotka mahdollistavat näiden eläinten ikään kuin "melko helposti" lihavuuden ja sitten aineenvaihdunnan palautumisen normaaliksi ilman pitkäaikaisia ​​vaurioita.

Cell Reports -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan he ottivat mukaan neljä lajia, jotka käyvät läpi pitkittyneitä horroksjaksoja: pikkusiilitenrekki (Echinops telfairi), kolmetoistanauhainen maaorava (Ictidomys tridecemlineatus), harmaahiirimaki (Microcebus murinus) ja pikkuruskoleikkuri (Myotis lucifugus). Kaikki nämä eläimet vähentävät elintärkeitä toimintojaan minimiin. horrostilan aikana.

Oravan tapaus on erityisen silmiinpistävä: sen syke voi laskea noin 200 lyönnistä minuutissa vain viiteen, ja sen hengitys, joka normaalisti ylittää sata hengitystä minuutissa, hidastuu yhteen hengenvetoon muutaman minuutin välein. Tästä radikaalista hidastumisesta huolimatta, organismi ei romahdaSolut sopeutuvat ja eläin selviää kuukausia lähes ilman ravinnonsaantia tai jätetuotantoa.

Talvihorroksen genetiikka: piilotetut kytkimet DNA:ssa

Selvittääkseen, mikä tekee näistä talvihorroksista niin erityisiä, tutkijat vertasivat niiden DNA:ta terveiden ihmisten ja myös tautiin sairastuneiden ihmisten DNA:han. Prader-Willin oireyhtymäGeneettinen sairaus, jolle on ominaista kyltymätön ruokahalu ja äärimmäinen lihavuus. Ajatuksena oli tunnistaa genomin yhteisiä alueita, jotka käyttäytyvät hyvin eri tavoin eri lajien välillä.

Tämä vertailu tuotti kartan sadoista painonhallintaan ja aineenvaihduntaan liittyvistä sekvensseistä. Tarkemmin sanottuna he löysivät 364 geneettistä elementtiä, jotka näyttävät toimivan kuten keskeiset horrostilan ja liikalihavuuden säätelijätNämä alueet eivät ole klassisia proteiineja koodaavia geenejä, vaan pikemminkin DNA-fragmentteja, jotka toimivat kytkiminä ja kytkevät naapurigeenit päälle tai pois eläimen tarpeiden mukaan.

Monet näistä alueista sijaitsevat lähellä geenejä, jotka liittyvät ihmisen lihavuuteen. Talviunieläimet näyttävät oppineen käyttämään samaa geneettistä materiaalia eri tavalla: "Turvallisia" lihavuusohjelmia otetaan käyttöön kun niiden täytyy varastoida rasvaa ja sitten deaktivoida ne, välttäen vaurioita, jotka lajillemme liittyvät tällaisiin äkillisiin muutoksiin.

Samaan aikaan muut Science-lehdessä julkaistut tutkimukset ovat keskittyneet FTO-lokuksena tunnettuun geenijoukkoon ("fat mass and obesity" -lokus). Ihmisillä tämä alue on yksi tärkeimmät lihavuuden geneettiset riskitekijätMutta horroksessa olevilla eläimillä se näyttää kierrätetyn hyödylliseen tarkoitukseen.

Utahin yliopiston terveystieteiden tutkijaryhmä havaitsi, että näillä nisäkkäillä on FTO:n ympärillä spesifisiä DNA-sekvenssejä, jotka säätelevät erittäin tarkasti lähellä olevien geenien aktiivisuutta. Nämä sekvenssit toimivat eräänlaisena molekyyliorkesterin kapellimestariNe nostavat tai laskevat useiden rasvan kertymiseen ja käyttöön liittyvien geenien "määrää", jolloin eläimet voivat lihoa ennen talvea ja sitten hitaasti kuluttaa varastojaan horrostilan aikana.

Metsästä klinikalle: mitä horroksessa olevat eläimet voivat meille opettaa

Todella kiehtovaa on, että myös ihmisillä on tuo FTO-lokus ja monet vastaavat geneettiset alueetEro on siinä, että evoluutiomme aikana nämä kytkimet ovat konfiguroituneet eri tavoin, niin että ne nyt altistavat meidät liikalihavuudelle ja aineenvaihduntahäiriöille sen sijaan, että auttaisivat meitä horroksessa tai hallitsemaan suuria painonvaihteluita ilman seurauksia.

Chris Greggin ja hänen kollegoidensa johtama tutkimus viittaa siihen, että samat DNA-elementit, jotka mahdollistavat talvihorroseläinten aineenvaihdunnan joustavuuden, ovat muodostuneet akilleenkantapääksemme. Ne kuitenkin avaavat oven myös erittäin kiehtovalle ajatukselle: kenties Mahdollisuus aktivoida tiettyjä "aineenvaihdunnan supervoimia" saattaa edelleen olla olemassa, piilossa genomissamme.ja tarvitsee vain löytää tapa säätää noita kytkimiä.

Näiden hypoteesien testaamiseksi tutkijat ovat käyttäneet hiirimalleja, joissa on muutettu hallitusti joitakin horroksessa olevien eläinten spesifisiä säätelyalueita. Kun ne muuttavat yhtä DNA-fragmenttia, vaikutukset ulottuvat paljon FTO-geenin ulkopuolelle ja vaikuttavat lukuisten toisiinsa liittyvien geenien toimintaan, kuten esimerkiksi Susan Steinwand selittävät. Pienellä muutoksella voi olla laajoja ja koordinoituja seurauksia aineenvaihdunnassa.

Tämäntyyppinen löytö on vauhdittanut erittäin tarkkojen epigenomisten muokkaustekniikoiden kehittämistä. Greggin laboratorio tekee yhteistyötä tutkija Jason Gertzin kanssa CRISPR-pohjaisen teknologian suunnittelemiseksi, joka mahdollistaisi muokata tiettyjen alueiden epigeneettistä "konfiguraatiota" ihmisen genomista. Tulevaisuuden tavoitteena olisi säätää aineenvaihduntaa yksilöllisesti tai hoitaa lihavuutta vaikuttamalla suoraan näihin säätelykytkimiin.

Vaikka se saattaa kuulostaa toistaiseksi tieteiskirjallisuudelta, lähtökohta on selvä: jos pystymme ymmärtämään, miten horroksessa olevat eläimet välttävät diabeteksen, lihaskadon, hermoston rappeutumisen tai kiihtyneen ikääntymisen pitkien lepokausiensa aikana, voisimme ammentaa inspiraatiota näistä mekanismeista suunnitella hoitoja tyypin 2 diabetesta, aivohalvauksen aiheuttamaa aivovauriota tai ikään liittyvää rappeutumista vastaanKyse ei olisi ihmisten talvihorroksesta, vaan muiden lajien solujen suojauskikkojen kopioimisesta.

Vesikarhut: planeetan mikroskooppiset supersankarit

Jos karhut ja muut horroksessa olevat nisäkkäät edustavat eläinten supervoimien aineenvaihdunnallista puolta, karhukaiset ilmentävät sitä. Äärimmäinen vastus puhtaimmassa muodossaanNämä alle millimetrin kokoiset pienet selkärangattomat, jotka tunnetaan myös vesikarhuina tai sammalporsaina, näyttävät siltä kuin ne olisivat suoraan tieteiselokuvasta.

Ensi silmäyksellä niiden pyöreät vartalot ja kahdeksan kynsistä käpälää antavat niille hurmaavan, lähes koomisen ulkonäön. Mutta tuon hyväntahtoisen ulkonäön takana piilee olento, joka kykenee kestämään... lämpötilat vaihtelevat paahtavan 150 °C:n kuumuudesta lähes absoluuttiseen nollapisteeseenNe ovat niin kestäviä, että jäätymisen jälkeen ne voivat sulaa ja jatkaa kävelyä aivan kuin mitään ei olisi tapahtunut.

Niiden sietokyky ylittää paljon lämpötilan. Karhukaiset kestävät satoja kertoja Maan ilmakehän painetta vastaavia paineita ja tappavia säteilyannoksia, sekä röntgen- että ultraviolettisäteilyä. Ne ovat selvinneet jopa avaruuden tyhjiöstä: vuonna 2007 tuhannet näistä pienistä olennoista matkustivat avaruuslennolla ja altistuivat suoraan avaruusympäristölle noin 270 kilometrin korkeudessa. Palattuaan useimmat olivat edelleen elossa ja lisääntyivät ongelmitta..

Tämä termisen, mekaanisen ja säteilykestävyyden yhdistelmä on hämmentänyt tiedemiehiä vuosia. Ei ole liioiteltua sanoa, että karhukaiset ovat tietääksemme... pisimpään eläneet elämänmuodot maapallollaNiiden kyky siirtyä lähellä "näennäistä kuolemaa" oleviin tiloihin ja sitten aktivoitua uudelleen tekee niistä monille täydellisiä ehdokkaita äärimmäisiin skenaarioihin, mukaan lukien ulkoavaruuteen.

Itse asiassa on hyvin todennäköistä, että Kuun pinnalla lepää karhukaisia. Israelin avaruusluotain, joka putosi maahan, kuljetti mukanaan "kuukirjastoa", jossa oli miljoonia sivuja tietoa ja ihmisen DNA-näytteitä, dehydratoituneiden karhukaisten lisäksiJotkut on säilötty keinotekoiseen meripihkaan, kun taas toiset on kiinnitetty nauhoihin. Sen perustajajäsen Nova Spivack on vakuuttunut siitä, että monet näistä vesikarhuista ovat edelleen siellä, lepotilassa, odottamassa päästämistä takaisin veteen.

Karhukaisten keskeytetty animaatio: eläminen 0,01 prosentin nopeudella

Karhukaisten keskeinen temppu on niiden kyky asettua tilaan, jossa äärimmäinen keskeytetty animaatioteknisesti tunnettu kryptobioosina. Kun ympäristöstä tulee vihamielinen – veden puute, äärimmäiset lämpötilat, säteily – eläin kutistuu, vetää päänsä ja jalkansa taaksepäin ja muuttuu eräänlaiseksi kuivaksi kapseliksi, jota kutsutaan "tuniksi".

Tässä tilassa ne poistavat lähes kaiken veden kehostaan, säilyttäen vain noin 1 % tavanomaisesta tilavuudestaan. Niiden aineenvaihdunta hidastuu minimaaliseen murto-osaan, noin 0,01 %:iin normaalista aktiivisuudesta. Ulkopuolelta ne näyttävät kirjaimellisesti kuolleilta: ne eivät syö, ne eivät liiku, Ne eivät osoita käytännössä mitään elonmerkkejä.Ne kuitenkin säilyttävät kyvyn aktivoitua uudelleen, kun suotuisat olosuhteet palaavat.

Uskomatonta on, että tämä lepotila voi kestää vuosia tai jopa vuosikymmeniä. On dokumentoituja tapauksia karhukaisista, jotka pitkien kuivuneiden aikojen jälkeen ovat heränneet eloon pelkästään nesteytyksen avulla. Lisää vain vettä aktivoidaksesi "virtapainikkeen". ja eläin palauttaa kaikki toimintonsa, aivan kuin joku olisi painanut hyvin pitkää taukopainiketta.

Tämä kyky ei ole vain erikoinen temppu, vaan uskomattoman tehokas selviytymiskeino. Sen ansiosta karhukaiset ovat asuttaneet lähes kaikki planeetan elinympäristöt: lätäköistä ja sammaleesta maaperään, aavikoihin, merenpohjiin ja nyt luultavasti jopa kuun pintaan. Niiden biologia osoittaa, että elämä voi kestämään olosuhteita, jotka näyttivät olevan ristiriidassa monimutkaisten organismien jatkuvuuden kanssa.

Kryptobioosi yhdistettynä niiden rakenteelliseen kestävyyteen teki niistä ihanteellisia ehdokkaita projekteihin, kuten Arch Mission Foundationin kuukirjastoon. Siellä matkasi DNA:nsa lisäksi valtava arkisto, joka sisälsi yli 30 miljoonaa sivua tietoa ihmiskunnasta, järjestettynä omituiseksi... Varasuunnitelma mahdollisten maailmanlaajuisten katastrofien varaltaVaikka karhukaiset tuskin pystyisivät elvyttämään itseään Kuussa, teoriassa ne voitaisiin ottaa talteen ja palauttaa Maahan tutkimaan, miten äärimmäinen ympäristö on vaikuttanut niihin.

Säteilysuojaus: vesikarhun ihmeproteiini

Kryptobioosin lisäksi karhukaisilla on toinenkin ässä hihassaan: proteiini, joka kykenee suojaamaan DNA:ta röntgensäteiden aiheuttamilta vaurioiltaKioton yliopiston tutkijat, joita johti Takekazu Kuniedan johdolla, sekvensoivat näiden eläinten genomin ja löysivät tietyn proteiinin – jota esiintyy vain karhukaisilla – joka aktivoituu, kun organismia säteilytetään.

Analysoidessaan sen toimintaa he havaitsivat, että tämä proteiini toimii todellisena molekyylikilpenä. Kun sitä ilmennetään ihmissoluissa laboratoriossa, säteilyaltistuksen jälkeisten DNA-vaurioiden määrä vähenee noin puoleen. Toisin sanoen, Yksi ainoa karhukaisten geeni riittää parantamaan merkittävästi ihmissolujen säteilynkestävyyttä..

Tämä tulos jätti tutkijat sanattomiksi, koska se osoittaa, että tietyt äärimmäiset piirteet voivat olla ainakin osittain siirrettävissä lajien välillä. Jos se vahvistetaan ja tarkennetaan, tällaisella työkalulla voisi olla valtavia sovelluksia: suojaamaan tervettä kudosta sädehoitojen aikana parantaa säteilylle altistuneiden työntekijöiden tai jopa astronauttien turvallisuutta.

Mutta yllätykset eivät lopu tähän. Kun karhukainen kuivuu lähes kokonaan, sen DNA hajoaa useiksi pieniksi palasiksi. Normaaliolosuhteissa tällainen massiivinen vaurio olisi tappava mille tahansa organismille, mutta näillä eläimillä on... poikkeuksellisen tehokkaat DNA:n korjausmekanismitNesteytyksen aikana ne rakentavat kromosominsa uudelleen pala palalta ilman merkittäviä virheitä ja palauttavat aiemman tilansa.

Jos kyky sietää tällaista äärimmäistä kuivumista ja korjata vaurioitunutta DNA:ta voitaisiin siirtää, edes osittain, muihin eläinsoluihin, se voisi mullistaa esimerkiksi kudosten, elinten ja ruoan säilönnän. Jotkut tiedemiehet kuvittelevat tulevaisuuden, jossa tämä on mahdollista. säilytä soluja, viljelmiä, lihaa tai kalaa kuivassa muodossa vuosia menettämättä biologista laatua, ammentaen inspiraatiota näiden vesikarhujen biologiasta. Kaikki ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että olemme vielä kaukana tällaisen käytännön ja eettisen toteuttamisesta ihmisillä.

Onko meilläkin piileviä supervoimia?

Suuri kysymys kaikkien näiden tutkimusten yllä on se, säilyttävätkö ihmiset jossain muodossa geneettinen potentiaali aktivoida samanlaisia ​​kykyjä horroksessa olevien eläinten tai karhukaisten ominaisuuksiin. Vastaus ei ole yksiselitteinen kyllä, mutta se ei ole myöskään ehdoton ei: meillä on yhteinen suuri osa geneettisestä "laitteistosta", vaikka epigeneettinen ja säätely"konfiguraatiomme" on erilainen.

FTO-lokuksen ja siihen liittyvien säätelyalueiden tutkimukset osoittavat, että samalla genomin alueella voi olla hyvin erilaisia ​​vaikutuksia riippuen siitä, miten kytkinverkkosi on järjestettyLajillamme tietyt kaavat lisäävät painonnousun ja metabolisen oireyhtymän kehittymisen riskiä. Talviutuneilla eläimillä näiden samojen alueiden vaihtelut mahdollistavat rasvan kertymisen tilapäiseen käyttöön ilman tuhoisia seurauksia ja suojaavat herkkiä elimiä, kuten aivoja ja sydäntä.

Tämä saa jotkut tutkijat ehdottamaan, että ehkä meidän ei tarvitse tuoda maahan eksoottisia geenejä terveytemme parantamiseksi, mutta oppia hallitsemaan paremmin niitä, jotka meillä jo onToisin sanoen ihmisen genomissa voisi olla piileviä ratkaisuja ikään, lihavuuteen tai hermosolujen rappeutumiseen liittyviä sairauksia vastaan, jotka ovat tällä hetkellä "pois päältä" tai huonosti säädeltyjä.

Tämän pisteen saavuttamiseksi tarvitaan yhä tarkempia karttoja siitä, miten nämä säätelyalueet ovat vuorovaikutuksessa eri lajeissa. Vertaileva lähestymistapa – jossa verrataan ihmisten, karhujen, oravien, lemureiden, lepakoiden ja muiden nisäkkäiden genomeja – antaa meille mahdollisuuden tunnistaa säilymisen ja muutosten malleja, jotka viittaavat siihen, että geneettisen verkoston todella kriittiset solmutKun se on paikannettu, voidaan testata rationaalisempia ja turvallisempia interventiostrategioita.

On totta, että tällä hetkellä monet näistä sovelluksista ovat tulevaisuuden hankkeita ja että niiden siirtäminen kliiniseen käytäntöön vie aikaa. Mutta perimmäinen viesti on erittäin voimakas: Karhujen, talvihorroseläinten ja karhukaisten "supervoimat" eivät ole selittämättömiä ihmeitävaan pikemminkin hyvin spesifisten geenien ja säätelijöiden yhdistelmien tulos. Näiden yhdistelmien ymmärtäminen voisi auttaa meitä suunnittelemaan uusia hoitoja, arvioimaan paremmin yksilöllistä aineenvaihduntasairauksien riskiä ja ohjaamaan elämäntapoja ja hoitoja yksilöllisemmällä tavalla.

Kokonaiskuvaa tarkasteltaessa käy selväksi, että karhujen, talvihorroksessa elävien karhujen ja vesikarhujen supervoimat edustavat paljon enemmän kuin biologisia kuriositeetteja. Niiden genomiin on piilotettu vihjeitä siitä, Kuinka vastustaa syöpää, säädellä aineenvaihduntaa, hidastaa hermoston rappeutumista, kestää säteilyä ja selviytyä äärimmäisissä olosuhteissaTiede on vasta alkanut kääntää tuota kieltä, mutta jokainen uusi löytö vahvistaa ajatusta siitä, että jotkin näistä kyvyistä voisivat jollain tavalla olla oman lajimme ulottuvilla.