Земля горячая и влажная. Море полно жизни. Ранние кальмары, угри и морские черви охотились на более мелких животных. Однако на земле не было никакого движения. Животные еще не выбрались на берег. Вот как выглядела Земля в конце ордовикского периода, около 450 миллионов лет назад. Теплые воды создают идеальные условия для дикой природы. Но вскоре это может измениться. Вскоре после этого земля начала замерзать, и ледяные щиты начали распространяться.
Коллемболы древние. Впервые они появились более 400 миллионов лет назад и, возможно, имели общего предка с насекомыми. Однако с тех пор они развивались в другом направлении, чем насекомые. Теперь мы знаем, что они были первыми животными, выработавшими белки-антифризы. Источник изображения: Филипп Гарселон/Wikimedia Commons
Вода, которая раньше была теплой и гостеприимной для дикой природы, стала холодной и непригодной для жизни. Вид за видом вымирали. За короткий период времени половина всей жизни была уничтожена в результате второго по масштабам массового вымирания в истории Земли.
Жизнь в ордовикский период выглядела совсем иначе, чем сегодня. Земля бесплодна и безжизненна, но море полно жизни. Изображенные здесь кальмары и морские анемоны особенно доминируют. Но коллемболы в это время тоже присутствуют. Источник изображения: ФрицГеллер-Гримм/WikimediaCommons
Коллемболы: выжившие с белками-антифризами.
Однако одним из выживших животных была ногохвостка. Небольшое насекомоподобное животное разработало особую стратегию борьбы с холодом. Клетки животных начали вырабатывать белки, защищающие клетки от замерзания.
Коллемболы, возможно, были первыми животными, производившими антифризные белки. Раньше ученые считали, что животные начали делать это гораздо позже. Это показывают исследования Орхусского университета и Королевского университета в Канаде.
«Мы знаем, что белки-антифризы много раз развивались независимо друг от друга в эволюционной истории. Они есть у рыб. Они есть у насекомых. Они есть у некоторых пауков. Но пока мы не увидели эти результаты, мы понятия не имели, что они развились так рано в животном мире», — говорит Мартин Холмструп.
Он является профессором кафедры экологических наук Орхусского университета и одним из исследователей нового исследования.
Коллемболы можно найти повсюду, в том числе и в вашем саду.
Коллемболы — мелкие животные, самые крупные виды имеют длину всего шесть миллиметров. У него шесть ног и два щупальца спереди. На первый взгляд они похожи на насекомых, но это не так. Фактически, у него есть своя ветвь на эволюционном древе.
На данный момент исследователи обнаружили более 9000 различных видов коллембол, и их можно встретить практически повсюду, в том числе в вашем саду. Коллемболы обычно обитают в верхних слоях почвы или в листовой подстилке, питаясь мельчайшими грибами, бактериями и другими микроорганизмами.
Свое название животное получило из-за раздвоенного хвоста, который крепится под его телом, как стержень катапульты. Хвост еще называют раздвоенным, и при нападении врага (например, тигра) животное может быстро выпустить хвост и подпрыгнуть на высоту до 10 сантиметров.
Коллемболы полезны для здоровья почвы, поскольку помогают перерабатывать питательные вещества в растения.
Мартин Хольмструп выращивает в лаборатории около 20 различных видов ногохвостов. Маленьким животным не нужно много места. По его словам, в стеклянной чаше может жить целая колония. «Мы помещаем их в чашку Петри с гипсовой основой, которая сохраняет их влажными. В качестве корма мы даем им немного сухих дрожжей. Это, по сути, все, что им нужно», - сказал он.
В эксперименте были использованы ногохвостки из лаборатории Мартина. Он отправил образцы животных трем коллегам в Канаде, которые провели серию молекулярных экспериментов, чтобы выяснить, когда животные впервые начали производить белки-антифризы.
Поскольку исследователи знают последовательность ДНК, которая позволяет клеткам строить белки-антифризы, они могут искать одни и те же последовательности у разных видов, семейств и классов. Они также могут вычислить, когда произошла мутация, которая привела к возникновению гена: ордовикский период.
«Расчеты показывают, что коллемболы производят белки-антифризы задолго до других животных. Это произошло лишь миллион лет спустя у рыб и насекомых. Хотя растения и микроорганизмы, такие как бактерии и одноклеточные водоросли, возможно, развили аналогичные механизмы гораздо раньше», — сказал он.
Как найти ногохвостов
Мартин Хольмструп и его коллеги из Департамента экологических наук сами собрали коллемболы для лаборатории. Они собрались в Дании, Исландии и Гренландии.
Их несложно найти, и вы можете найти их даже в своем саду.
Просто выполните следующие действия:
Возьмите горсть земли или листьев из сада и поместите ее в сито.
Поместите регулируемый светильник над ситом и поставьте под сито поднос.
Тепло от света заставляет ногохвостов искать более прохладную среду. Это приведет к тому, что они упадут через сито в лоток, где вы обнаружите, что они ползают.
Хотя коллембол можно встретить практически в любой точке мира, в Арктике их больше, чем где-либо еще. Лишь немногие другие наземные животные могут пережить холод Гренландии и Канады, а это означает, что коллемболы могут спокойно питаться бактериями и грибами.
«Сверхсильные антифризные белки ногохвостов позволяют им выживать в холодных регионах, где им приходится делиться пищей лишь с несколькими другими червями и насекомыми. И у них не так много естественных врагов», — говорит Мартин Холмструп.
Зимой, когда температура в Арктике падает, коллемболы начинают вырабатывать белки-антифризы. Их также называют «белками, связывающими лед», поскольку они могут прикрепляться к поверхности крошечных кристаллов льда и предотвращать их рост. Когда почва замерзает, наземные животные вступают в тесный контакт с кристаллами льда, поэтому белки-антифризы играют важную роль в предотвращении распространения льда в тело животного и его гибели.
«Как и мы, и большинство других животных, коллемболы не смогут выжить, если их «кровь» замерзнет. Антифризные белки помогают предотвратить это», — сказал он.
Коллемболы бывают разных форм и размеров, их насчитывается более 9000 различных видов. Это только то количество видов, которые мы нашли. По оценкам исследователей, видов коллембол насчитывается в два раза больше или даже больше. Изображение предоставлено: Энди Мюррей/Wikimedia Commons
сухой как изюм
Однако этот особый белок — не единственная способность ногохвостов пережить арктический холод. У них есть другой способ выживания.
«Поскольку каждое живое существо имеет молекулы воды внутри своих клеток, мы очень восприимчивы к отрицательным температурам. Если вода замерзает, клетки разрушаются. Чтобы предотвратить это, коллемболы высыхают и впадают в своего рода спячку на зиму», — объясняет Мартин Хольмструп.
Когда ногохвостки впадают в спячку, их метаболизм настолько замедляется, что ученые не могут его измерить. Однако с приходом весны они впитывают воду обратно в свой организм и возобновляют обмен веществ.
«Вы можете сравнить их с виноградом, который сушат до изюма — процесс, напоминающий сушку вымораживанием. За зиму ногохвостки сморщиваются и становятся маленькими морщинистыми существами. Затем, когда приходит весна, они впитывают воду и набухают до своих нормальных размеров», — сказал он.
Также встречается в рыбе, которую следовало заморозить до смерти.
Как определенные виды животных выживают в самых холодных регионах Земли, долгие годы оставалось загадкой. Лишь в середине прошлого века ученые открыли белки-антифризы, которые позволяют животным справляться с холодом.
На протяжении десятилетий ученые задавались вопросом, как арктические рыбы могут плавать в водах с температурой -1,8 градуса по Цельсию. Морская вода имеет низкую температуру замерзания из-за содержания солей. С другой стороны, рыбья кровь имеет температуру замерзания -1 градус Цельсия, что означает, что они не могут избежать замерзания в воде.
«Как рыбы выживают в ледяной воде, долгое время было загадкой. Однако в конце 1960-х годов американский исследователь Артур ДеВрис смог выделить белки, обнаруженные в арктических рыбах, которые, как он обнаружил, предотвращали образование льда в клетках и крови рыбы, даже если рыба подвергалась переохлаждению на протяжении всей своей жизни», — объясняет Мартин Холмструп.
С тех пор исследователи обнаружили белки-антифризы у многих других животных, растений и микроорганизмов. Эти белки-антифризы сейчас используются в промышленности.
История и применение белков-антифризов
Сегодня многие продукты покупаются и продаются в замороженном виде. Проблема, однако, в том, что замороженные продукты могут измениться, если начнут образовываться кристаллы льда. Они часто ухудшают вкус и текстуру пищи.
Однако это состояние можно предотвратить с помощью специальных белков-антифризов, поясняет Мартин Холмструп:
«Ген, кодирующий рыбий антифризный белок, был скопирован в культуры клеток промышленных дрожжей. Это позволяет дрожжам производить очень полезные белки, которые затем можно добавлять в различные продукты питания», - сказал он.
Одним из продуктов, который особенно богат белком, является мороженое.
«Я знаю, что Unilever использует белки в своем мороженом, поскольку они помогают создать действительно приятную текстуру. Мороженое также можно размораживать и повторно замораживать, не превращаясь в твердые кристаллы льда. В долгосрочной перспективе этот эффект можно использовать для криоконсервации трансплантированных органов. Другие отрасли, такие как аэрокосмическая промышленность и производство ветряных турбин, также экспериментируют с этими белками. Они надеются, что эти белки защитят крылья самолетов от образования льда и необходимости удаления льда».