Журнал «Вокруг Света» №10 за 2007 год

Тайны покоя

Возможность приостанавливать на длительное время жизненно важные процессы всегда казалась людям заманчивой. Она превратила бы мечту о полетах к дальним планетам в реальный проект. Но пока для человеческого организма такое состояние невозможно. А вот для многих других существ на Земле эта проблема успешно решена — за счет особых биологических конструкций, называемых стадиями покоя.

Все живые существа зависят от окружающей среды. Ни в воде, ни в почве, ни внутри других организмов — нигде они не застрахованы от бескормицы, зимних холодов или засухи. Если условия ухудшаются, организм бросает последние силы на упаковку своего генетического материала в компактные капсулы, которые перенесутся в подходящее место, дождутся лучших времен и возродят свой вид. В этих капсулах живое существо может находиться в состоянии анабиоза (состоянии, похожем на смерть, когда физиологические процессы остановлены или замедлены) годами, потом пробудиться, покинуть капсулу и продолжить полноценное существование.

Даже у микробов, которых мы привыкли считать неистребимыми, есть природные ограничения по температуре и влажности, при которых клеточные белки не могут выполнять свои биохимические функции. Мир микроорганизмов вымер бы, если бы они не научились переживать неблагоприятные условия в виде цист и спор.

Участок слизистой кишечника. Зеленые шары — это цисты лямблий, жгутиковых простейших, вызывающих у людей сильнейшую диарею. Когда болезнь идет на убыль, паразитам перестает хватать влаги и они массово переходят в стадию покоя

«Школа» выживания

Представьте себе живущие в воде одноклеточные организмы, такие как бактерии и простейшие животные. При промерзании или пересыхании водоема их клетки преобразуются — они уменьшаются в размере до нескольких десятков микрон и наращивают многослойную оболочку, чтобы оградить себя от губительного окружения. Так рождается циста — одна из стадий покоя. Бактериальные цисты погружены в толстые многослойные сгустки пектиновой слизи с арматурой из полисахаридных волокон. У цист одноклеточных животных основа оболочки другая — гиалин, стекловидное вещество белкового происхождения с волокнистой структурой, которое не боится кислот и щелочей, а кроме того, содержит иммуноглобулины — антитела, поддерживающие защитную систему организма.

Отправляя зародыш, находящийся в капсуле, в глубокую спячку и, соответственно, — в неизвестность, родительский организм щедро наделяет его питательными веществами. Повышенная концентрация белков, жиров и углеводов, с одной стороны, затрудняет промерзание и возникновение кристалликов льда, которые могут разрушить клетку. И одновременно весь этот запас является стартовым капиталом, который понадобится новому организму в первые часы пробуждения. В цистах одноклеточных животных есть гликоген — важнейшее запасное вещество организмов с животным типом обмена веществ, а в цистах бактерий помимо гликогена — богатый азотом полимер цианофицин. С таким запасом в стадиях покоя одноклеточные могут пребывать десятки лет, дожидаясь возрождения водоема.

Из треснувших спорангий папоротника высыпаются споры (желтые). Воздействие микроорганизмов, высокой температуры, кислот и щелочей не разрушает их оболочку из надежнейшего биополимера

Поскольку циста сохраняется только во влажной среде, пусть даже это тонкая пленка воды, то поддержанию жизни на воздухе способствуют споры. У бактерий споры защищены лучше цист, так как спора не просто результат перевоплощения материнской клетки, она зарождается внутри нее, и часто не одна, так что между зародышами остается прослойка из уплотненных остатков материнской клетки. Оболочка предохраняет споры от самопроизвольного прорастания, а также защищает от действия ферментов и антибиотиков. Перед цистами у спор есть большое преимущество: они могут выдерживать высокие температуры и большие дозы радиации, смертельные для обычных клеток, а в высушенном состоянии сохранять «всхожесть» тысячелетиями.

Мхи, папоротники, хвощи и плауны — первопроходцы сухопутной среды обитания. Своим успехом они во многом обязаны мелким летучим спорам, которые позволили им размножаться вне водной среды, расселяться по воздуху и выживать при засухе. Споры этих растений защищены тремя оболочками, а на внешней есть орнамент из шипов, колец, бляшек, по которому можно определить род и даже вид растения. Предполагают, что этот орнамент служит для лучшего заякоривания в той среде, где спорам предстоит прорастать. Зачастую «украшения» расположены не на всей поверхности, а только на одной полусфере, что сказывается на ходе прорастания: трещины, сквозь которые содержимое споры выходит наружу, располагаются именно в той ее части, где орнамента нет. Шероховатости на оболочке могут играть и роль в распространении спор. Так, у хвоща они снабжены длинными выростами в виде нитей с булавовидными утолщениями на концах. Этими нитями споры сцепляются в комки и так разносятся по воздуху. Попав в подходящее место, они прорастают и оказываются способными к перекрестному скрещиванию, которое было бы невозможно, если бы спора прорастала в одиночестве.

Панцирь, которым покрыто семя лекарственного растения наперстянка, состоит из множества ячеек. Он защищает зародыш от повреждений и избытка влаги, что позволяет ему пережить тяжелые времена

Изобретательные растения

У семенных растений есть два варианта стадий покоя: пыльца и семена. По строению и способу образования пыльца больше всего похожа на споры их эволюционных предшественников — споровых растений, но функция у нее другая. Из одного пыльцевого зерна не может вырасти целое растение. Предназначение пыльцы — обеспечить широкое распространение мужских половых клеток. «Отцовского» растения, на котором образовалась пыльца, может уже не быть в живых, а пыльца с его генами сохраняется и, попав на женскую особь, опыляет ее и производит новое поколение.

Настоящая новация в стадиях покоя принадлежит цветковым растениям — это семя. Оно как космический корабль, где есть надежный корпус, путешественник и полный запас провизии. В семени скрыт зародыш, он очень мал, но в нем уже заложены все органы целого растения, чтобы сразу после раскрывания капсулы, без промедления запустить все жизненные функции, начиная от всасывания воды маленьким корешком, кончая фотосинтезом в зародышевых листьях — семядолях. Для надежности маленькому путешественнику в дорогу дан с собой запас провизии — эндосперм.

Как же живым существам удается прекратить биохимические реакции и впасть в состояние, близкое к смерти? Механизмы анабиоза лучше всего изучены у микроорганизмов. Здесь действуют три фактора. Первый — обезвоживание: биохимические процессы могут идти только в водных растворах, а при недостатке воды они останавливаются. Второй фактор — блокирование ферментов с помощью особых веществ, которые в избытке накапливаются в покоящихся клетках, в частности ионов металлов. И третий — изменение конфигурации молекул самих ферментов, при котором они приходят в нерабочее состояние. У спор грибов есть еще одно приспособление: внутри они разделены на отсеки, и биохимические реагенты хранятся по отдельности, отгороженные друг от друга мембранами. Возможно, похожие процессы действуют и у других организмов, но об этом известно очень мало.

Когда семечко брюквы выходит из анабиоза, первым из семенной капсулы появляется зародышевый корешок. Он начинает всасывать воду, за счет чего остальная часть зародыша разбухает и сбрасывает кожуру

Убийцы в анабиозе

Впадающие в анабиоз зародыши — «изобретение» очень ценное, особенно для паразитов. Однако, обеспечив себе полный комфорт и дармовое продовольствие, они в то же время оказываются в полной зависимости от жизни своего хозяина. Смерть его была бы катастрофой для целой популяции паразитов, если бы природа не приспособила их к стадиям длительного хранения в виде яиц и личинок. Яйца человеческой аскариды так хорошо изолированы от внешних невзгод плотной оболочкой из пяти слоев, что способны лежать во влажной почве многие годы, а в странах с ветреным климатом переносятся по воздуху и заражают людей при случайном попадании в рот дорожной пыли.

А что, если хорошо защищенную капсулу сделать самоходной и самонаводящейся? Этот вариант отработан у круглых червей из отряда Rhabditida, к которым относится ценорабдитис (Caenorhabditis elegans) — важнейший модельный объект современной биологии, за изучение которого вручили две Нобелевские премии. Обычные личинки ценорабдитис при очередной линьке в случае дефицита пищи или перенаселенности переходят в спящее состояние, называемое дауэр-личинками. У дауэр-личинок плотнее оболочка-кутикула, ротовое и анальное отверстия заросшие, а в стенках кишечника содержатся большие запасы жира. Обмен веществ в них сильно замедлен, они не питаются, устойчивы к химическим воздействиям, высоким температурам и глубокому охлаждению и, что самое поразительное, сохраняют способность к активному движению. Одним из сигналов к пробуждению для них служит запах, вернее, его отсутствие. Взрослые червяки выделяют определенный феромон — пахучее вещество, улавливаемое личинками. Когда его концентрация снижается, что означает малочисленность или отсутствие взрослых особей, «уснувшие дети» начинают просыпаться.

Черви-штейнернемы (Steinernema) паразитируют на насекомых. Их «спящие» личинки запрограммированы на то, чтобы выследить жертву, проникнуть в нее, впрыснуть смертельные бактерии Xenorhabdus, которые живут в симбиозе с этими червями, а потом превратиться в обычную прожорливую личинку и пировать, поедая трупные ткани. Из-за этих способностей штейнернем применяют в сельском хозяйстве и декоративном цветоводстве как средство борьбы с насекомыми-вредителями.

Яйца с личинками внутри взрослой нематоды Caenorhabditis elegans. При неблагоприятных условиях личинки наращивают плотный «скафандр», перестают питаться и впадают в спячку

Случается, что и свободноживущие животные оказываются в жесткой зависимости от капризов внешней среды и вынуждены отправлять свое потомство в анабиоз. Таких мало среди обитателей морей, но много в почве и пресных водоемах. Почти во всех группах беспозвоночных животных, освоивших эти места обитания, есть покоящиеся стадии, способные выдержать самые трудные испытания — зимовку и засуху.

Коловратки и мелкие рачки дафнии в процессе спаривания самцов и самок производят особые зимовальные яйца. Эти яйца снабжены толстой оболочкой и порядочным запасом питания, необходимым для будущего зародыша. Развиваться они могут только после длительного периода покоя, который измеряется месяцами и даже годами. Выходит из зимовального яйца только самка, которая дает начало следующему поколению дочерей.

У рачка артемии, которого аквариумисты используют как живой корм, яйца выдерживают высушивание и ионизирующее облучение, замораживание и нагревание до 100°С, не погибают ни в вакууме, ни в агрессивных жидкостях, а в одной из глубоких скважин в районе Большого Соленого озера в США обнаружили жизнеспособные яйца артемии, пролежавшие в земной толще 10 тысяч лет.

Многие сидячие животные зимой отмирают, в их числе — губки и мшанки. Однако маленькие почки, состоящие из сгустка клеток и защитной оболочки и образующиеся внутри родительской колонии, зиму переживают. У губок — это геммулы, у мшанок — статобласты. И те, и другие могут всплывать к поверхности и попадать в воздушные потоки благодаря полостям на оболочке. Эти плотные, богатые питательными веществами комочки были бы лакомой добычей для любого хищника, если бы не защита из колючек: у геммул между двумя слоями оболочки проложен ажурный каркас из кремнеземных иголок, а статобласты вооружены венчиком из крючков.

Яйца коловраток, почки губок и мшанок с зимовальными яйцами дафний плавают на поверхности воды, скапливаются у уреза и вместе с пылью перелетают в другие места. Скопления этих покоящихся форм в иле представляют собой генетический резерв водоема, благодаря им в пересыхающих природных резервуарах каждый год возрождается один и тот же фаунистический комплекс, а в текучих — не оскудевает.

Елена Краснова, кандидат биологических наук