Коловратке все нипочем

Надежды на криосон

Коловратки, конечно, удивительны, но в перспективе еще и очень полезны. Сегодня мы используем их как корм для личинок аквариумных рыб и испытываем на них токсины. Но возможно, что совсем скоро коловраток ждет невероятный карьерный рост до модельного организма для изучения старения, и уж тогда-то они получат заслуженную популярность – дело в том, что живут эти микроорганизмы практически вечно. Они впадают в сон, при котором обмен веществ почти не происходит. Фантасты уже давно мечтают о криосне (состояние, при котором организм погружают в сон без последствий для него) для млекопитающих. Сегодня он абсолютно невозможен, а успешно «разморозить» до коловраток получалось только простых одноклеточных организмов. Возможно, изучение коловраток поможет нам найти способ вводить животных и даже людей в криосон для, например, долгих путешествий в космосе. Частичный криптобиоз (состояние некоторых растений и животных, когда обезвоживаются ткани организма, чтобы предотвратить смерть от нежелательных внешних воздействий) более реален, чем криосон. Он может использоваться, например, для лучшей сохранности донорских органов при транспортировке. Из-за проблем с консервацией в одних только США ежегодно теряют до 28 тыс. донорских органов. Ученые пытаются «приручить» их способность переносить заморозку. Мы вполне можем научиться эффективно сохранять донорские органы, и возможно, секрет этого процесса нам откроют коловратки.

Коловратка. Фото: Фрэнк Фокс, mikro-foto.de

Найти коловраток для изучения или полезной работы несложно. Они обитают практически по всей земле, в каждом озере и ручье, в каждом пруду, на кусочках мха в лесу, во влажной почве, в тропиках и даже во льдах Арктики. Словом, везде, где есть вода. Есть морские коловратки, но подавляющее большинство обитает в пресной воде. Поэтому совсем не удивительно, что их обнаружили едва ли не сразу после изобретения микроскопа. Коловратки открыл в 1687 году основоположник научной микроскопии Антони ван Левенгук.

Как устроены и что едят?

Коловратки – гетеротрофы, то есть они не синтезируют органические вещества сами, а поедают другие организмы. Рацион их чаще всего состоит из разлагающихся останков, а также одноклеточных водорослей и другого фитопланктона. Коловратки, в свою очередь, становятся добычей для креветок и крабов. А иногда и для других коловраток – каннибализм среди них не порицается. Совсем бесславная смерть – быть съеденной одноклеточной инфузорией, ведь они иногда превосходят коловраток по размеру.

Коловратка ест инфузорий, за ней наблюдают в микроскоп. Фото: microuruguay, youtube.com

Большинство видов коловраток имеют длину от 200 до 500 микрометров. Однако некоторые виды (например, Rotaria neptunia) могут быть даже больше миллиметра. А вид Ascomorpha minima размером всего в 40 микрометров – самое мелкое многоклеточное животное. Удивительно, но в таком крошечном создании умещаются несколько сложных систем органов: нервная, половая, пищеварительная, выделительная. Кроме того, у коловраток есть и мускулы, и железы, и осталось даже место для загадочности: функции некоторых органов у отдельных видов пока неизвестны.

Коловратки – это довольно большая группа животных, некоторые из них имеют настолько причудливые формы и образ жизни, что даже ученые могут путаться в их многообразии. Помимо коловращательного аппарата, у них есть еще одна абсолютно уникальная анатомическая особенность. Это их мускульная глотка с суперспециализированными челюстями. Строение последних настолько зависит от типа питания животных, что в основном по ним их и классифицируют. Например, хищные виды могут выдвигать свои челюсти за ротовое отверстие, чтобы ловить добычу. Спасибо судьбе за то, что мы не видим коловраток без микроскопа. Вдобавок, челюсти – единственная часть коловраток, которая при подходящих условиях может стать ископаемой окаменелостью. А глотка также может служить для закрепления у паразитических видов.

Коловратка Brachionus quadridentatus. Фото: Olympusman, photomacrography.net

Разнообразие коловраток

Известно более 2200 видов, входящих в тип Rotifera. Они делятся на две большие группы в зависимости от количества яичников у самок (все коловратки раздельнополы): один или два. Первая группа отличается огромным разнообразием, в нее входят более 1500 видов. Среди них есть, например, отряд бронированных коловраток. Все представители этой группы в том или ином виде имеют панцирь, некоторые – шипы. Эти свободноживущие коловратки напоминают микроскопических скатов, рыскающих в поисках планктона. Представители еще одного отряда отличаются умением прыгать. Делают они это с помощью «ног», которые длиннее, чем все их тело, и начинаются в районе венца из ресниц. Есть и практически прозрачные коловратки. Кроме того, есть даже строители, настоящие жуки-навозники микромира: они делают трубки из фекалий, в которые самки этого вида откладывают яйца. Здесь можно вспомнить популярную 300 лет назад гипотезу о том, что каждое сухопутное животное имеет водный аналог.

Коловратка Brachionus manjavacas, несущая четыре яйца. Фото: Diana Kenney, eurekalert.org

Некоторые коловратки могут объединяться в колонии. Они довольно хрупкие, поэтому изучать их очень сложно, а определить среднее количество особей в них практически невозможно – в процессе сбора образцов колонии повреждаются. Колониальные коловратки передвигаются согласованно. Они настолько привыкают к жизни в колонии, что особь вне своей «семьи» продолжает двигаться так, будто она все еще часть коллектива.

Среди видов коловраток, самки которых имеют один яичник, есть, как правило, и самцы. Последние почти всегда значительно меньше и проще самок. Зачастую у них нет даже функциональной пищеварительной системы: клоака не соединена с кишечником. Единственная их цель – оплодотворить самку и умереть, поэтому они часто фертильны прямо с рождения. Не слишком ли это жестоко? Безусловно, но есть и хорошая новость: самцы всех видов класса коловраток с двумя яичниками не страдают, потому что не существуют. Этих коловраток именуют бделлоидами, и они размножаются партеногенезом, то есть новый организм развивается из яйцеклетки, без оплодотворения.

Антарктическая бделлоидная коловратка Philodina gregaria, micrographia.com

В любой ситуации – спать

Половое размножение с участием двух полов – важный способ добавить изменчивости, а следовательно, генетического разнообразия в популяцию. Бделлоиды уже миллионы лет размножаются партеногенетически, но при этом возникают все новые и новые их виды, а вымирать они не собираются (что часто происходит при переходе к партеногенезу). Как же так? В 2020 году российские ученые из университета Сколково нашли разгадку: горизонтальный перенос генов.

Обычно гены передаются вертикально: от родителей (или родителя) – потомкам. При этом отпрыск получает генетический материал и от отца, и от матери. В случае если эти гены оказываются полезны, новый организм получает преимущество: он теперь более приспособлен к окружающей среде, чем его родители по отдельности. При горизонтальном переносе организм передает гены организму-непотомку. Очень часто такой способ встречается у бактерий и вирусов, но для многоклеточных животных это редкость.

Горизонтальный перенос генов, 2011.igem.org

Бделлоиды также известны своей замечательной способностью в любой непонятной ситуации уходить в криптобиоз (упрощенно – в спячку). Причинами могут стать засуха, мороз, ионизирующее излучение. Коловратки не погибают при этом, но избавляются от почти всей воды в теле, и обмен веществ практически останавливается. У других организмов, устойчивых к ангидробиозу (состоянию полного обезвоживания), эта способность объясняется наличием особого сахара трегалозы, но у коловраток и здесь свой путь – синтезировать ее они не умеют. Что же для них «придумала» эволюция на этот раз? Процесс высыхания сопровождается срабатыванием множества молекулярных механизмов, которые защищают клетки коловраток от гибели. Как оказалось, один из них помогает клеткам эффективно «ремонтировать» свою ДНК, именно он делает коловраток устойчивыми к засухе и даже к ионизирующему излучению.

Фото: Francesco Ungaro, unsplash.com

Коралловые рифы, страдающие из-за глобального потепления, нуждаются в помощи (о них и о способах их спасти «ММ» писал в июле этого года). И здесь можно задействовать коловраток: в качестве курьеров с полезными микроорганизмами. Исследование, в котором возможность такого использования подтвердили, опубликовано в 2020 году. Ученые из университета Рио-де-Жанейро проверили, насколько эффективно кораллы будут поедать коловраток, которые до этого съели полезных бактерий. Чтобы все они не переварились, коловратки в течение семи дней жили без еды. Это замедлило скорость их пищеварения, поэтому выживших бактерий хватило для кораллов. Бактерии были помечены специальным красителем для сканирующей электронной микроскопии, с помощью которой ученые отслеживали их поглощение сначала коловратками, а затем кораллами. Исследователи пока не выяснили, насколько эффективны эти бактерии в «лечении» кораллов и становятся ли они в итоге их симбионтами. Но даже разработка системы доставки – уже успех.