5 лет без еды: как гигантские глубоководные изоподы выживают на дне океана

Глубоководные зоны океана это одна из самых неблагоприятных сред для жизни на Земле. На глубине от нескольких сотен метров до нескольких километров полностью отсутствует солнечный свет, температура воды держится у отметки от двух до четырех градусов Цельсия, а давление превышает атмосферное в сотни раз. В таких условиях количество доступной пищи крайне ограничено. Сюда практически не доходят питательные вещества с поверхности, за исключением редких органических останков крупных морских животных.

Большинство обитателей таких глубин имеют небольшие размеры тела, поскольку для поддержания крупного организма требуется постоянный приток энергии. Однако некоторые виды нарушают это правило. Крупные равноногие ракообразные, гигантские изоподы (Bathynomus jamesi), достигают в длину 40 сантиметров и могут весить более полутора килограммов. Это явление называют глубоководным гигантизмом.

При этом изоподы способны выживать без пищи более пяти лет. С точки зрения биологии это явление долгое время казалось невозможным, так как крупное тело расходует много энергии даже в состоянии полного покоя.

Исследователи из Института океанологии Китайской академии наук изучили этот феномен и определили, какие физиологические и генетические особенности позволяют этим животным справляться с многолетним голоданием. Результаты научной работы были опубликованы в журнале Cell.

Анатомические особенности пищеварительной системы и роль бактерий

В ходе исследования ученые сравнили два родственных вида изопод, которые обитают на разной глубине: глубоководный вид Bathynomus jamesi (живет на глубине около 900 метров) и вид Bathynomus doederleini, обитающий ближе к поверхности (около 300 метров). Сравнение показало, что у глубоководного вида в процессе эволюции сформировалась особая система накопления ресурсов, состоящая из двух частей: анатомической и метаболической.

Сначала исследователи изучили строение пищеварительной системы животных. Оказалось, что у глубоководной изоподы объем желудка увеличен и занимает около двух третей от всего объема тела. Это значительно больше, чем у родственных видов, обитающих на меньшей глубине. Такое строение позволяет изоподе поглощать огромное количество пищи за один раз, когда ей удается найти органические останки на дне.

Однако ключевое значение имеет не только объем желудка, но и то, как именно перерабатывается пища. Анализ содержимого желудка показал, что у глубоководного вида процесс пищеварения идет медленно. В желудке изоподы ученые обнаружили высокую концентрацию бактерий группы Chlamydiae и очень низкое содержание бактерий группы Firmicutes.

Обычно бактерии Firmicutes отвечают за быстрое расщепление углеводов и белков. Но в случае с глубоководной изоподой бактерии Chlamydiae выполняют другую функцию: они помогают организму переводить поступающие вещества в жиры и сохранять их в тканях. В результате пища не расходуется сразу, а превращается в долгосрочные запасы жира, которые организм животного может использовать в течение нескольких лет.

Генетическая адаптация и заимствование ДНК

Вторая часть системы выживания изоподы связана с изменениями в ее генетическом коде. Генетический анализ показал, что в ДНК глубоководной изоподы присутствует ген ND1, который изначально принадлежал бактериям. Животное получило этот ген в процессе эволюции напрямую от бактерий-симбионтов. Этот процесс называют горизонтальным переносом генов. У многоклеточных животных он встречается крайне редко, так как чужеродная ДНК обычно быстро разрушается или отключается.

Ген ND1 отвечает за работу митохондрий — внутриклеточных структур, которые перерабатывают питательные вещества в энергию для клеток организма. У глубоководной изоподы этот заимствованный ген не просто прижился, но и размножился: в ДНК животного присутствует сразу несколько его копий.

Чтобы этот бактериальный ген работал с высокой эффективностью, организм изоподы использует химический способ регулирования активности генов без изменения их структуры. Специальные химические маркеры заставляют клетку непрерывно считывать информацию с этого гена и производить большое количество соответствующего белка.

Влияние температуры на скорость обмена веществ

Чтобы понять, как именно ген ND1 помогает изоподе экономить энергию, ученые провели эксперименты на других организмах. Они внедрили этот ген в ДНК рыб, круглых червей и человеческих клеток, выращенных в лаборатории.

Эксперименты показали, что работа гена ND1 напрямую зависит от температуры окружающей среды:

1. При обычной теплой температуре наличие этого гена приводило к ускорению обмена веществ. Митохондрии работали быстрее, клетки расходовали больше кислорода, а организмы быстрее тратили энергию. В таких условиях животные переносили отсутствие пищи хуже, чем их обычные сородичи.
2. При низкой температуре (около двух-четырех градусов Цельсия, что соответствует условиям океанского дна) ген начинал работать противоположным образом. Он снижал активность митохондрий, замедлял потребление кислорода клетками и снижал скорость обмена веществ.

В холодной воде рыбы с внедренным геном ND1 смогли прожить без пищи на 37% дольше, чем обычные рыбы в тех же условиях. Это доказывает, что данный ген выполняет функцию регулятора обмена веществ, который реагирует на холод и переводит организм в режим минимального потребления ресурсов.

Так что изопода решает проблему нехватки энергии с помощью природного механизма регулирования: холодная вода глубокого океана активирует заимствованный ген, который замедляет все жизненные процессы в клетках до минимума.

Практическое значение открытия

Данное исследование впервые описывает пример того, как крупное животное использует сочетание анатомических изменений, заимствования бактериального гена и температурной регулировки для выживания в условиях экстремального дефицита ресурсов.

Открытие этих механизмов, кроме понимания процессов эволюции на Земле, важно и для различных практических областей науки и медицины.

В частности, понимание того, как клетки снижают потребление кислорода и энергии при низких температурах без повреждения собственной структуры, может помочь в разработке новых методов консервации донорских органов для трансплантации. Сейчас время хранения органов ограничено, но использование принципов работы метаболических регуляторов, подобных гену ND1, в будущем может увеличить этот срок. Также эти данные могут быть полезны при создании систем искусственного замедления жизненных процессов для длительных космических полетов.

Источник:Cell