Өмірдің метаболикалық күйі: Криптобиоз және сусыздануға төзімділік
Cryptobiosis
Криптобиоз – экстремальды жағдайларда тіршілік процесінің тоқтауы. Құрғақшылыққа, суыққа төзімді организмдерде байқалады. Өмірлік жағдайлар жақсарғанда қалпына келеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Өмірдің метаболистік жағдайы
Metabolic state of life
Криптобиоз немесе анабиоз – экстремофильді организмдердің құрғақшылық, қату және оттегінің жетіспеуі сияқты қолайсыз қоршаған орта жағдайларына жауап ретіндегі метаболистік жағдайы. Криптобиоз күйінде барлық өлшенетін метаболизм процестері тоқтатылып, көбею, даму және жаңару мүмкіндігі тоқтатылады. Қоршаған орта жағдайлары жақсарғанда, организм криптобиозға дейін болған метаболистік өмір жағдайына қайта оралады.
Cryptobiosis or anabiosis is a metabolic state in extremophilic organisms in response to adverse environmental conditions such as desiccation, freezing, and oxygen deficiency. In the cryptobiotic state, all measurable metabolic processes stop, preventing reproduction, development, and repair. When environmental conditions return to being hospitable, the organism will return to its metabolic state of life as it was prior to cryptobiosis.
Ангидробиоз
Ангидробиоз – криптобиоздың ең көп зерттелген түрі және өте құрғақ жағдайларда кездеседі. Ангидробиоз термині грек тілінен "сусыз өмір" деп аударылады және көбінесе кейбір омыртқасыз жануарларда, мысалы, бделлоидты ротиферлерде, тардиградтарда, тұзды креветкаларда, нематодаларда және кем дегенде бір жәндікте – хирономидтердің (Polypedilum vanderplanki) бір түрінде байқалатын құрғақшылыққа төзімділік үшін қолданылады. Дегенмен, басқа да тіршілік формалары құрғақшылыққа төзімділік көрсетеді. Оларға қайта тірілетін өсімдік – Craterostigma plantagineum, көптеген өсімдік тұқымдары және ашытқы сияқты көптеген микроорганизмдер жатады. Зерттеулер көрсеткендей, кейбір ангидробиоздық организмдер құрғақ күйде ондаған, тіпті ғасырлар бойы тірі қала алады. Ангидробиозға түскен омыртқасыз жануарлар көбінесе кішірейіп, ал кейбіреулері трехалоза деп аталатын қантты түзетін болады. Өсімдіктердегі құрғақшылыққа төзімділік басқа бір қант – сахарозаның өндірісімен байланысты. Бұл қанттар организмді құрғатудан қорғайды деп саналады. Кейбір тіршілік иелерінде, мысалы, бделлоидты ротиферлерде трехалоза табылмайды, бұл ғалымдарды ангидробиоздың басқа механизмдерін қарастыруға итермеледі, мүмкін ішкі тәртіпсіз ақуыздар қатысатын болар. 2011 жылы Caenorhabditis elegans, сонымен қатар ең көп зерттелген модельді организмдердің бірі болып табылатын нематода, dauer личинка сатысында ангидробиозқа түседі. Бұл организм үшін қолжетімді генетикалық және биохимиялық құралдарды пайдаланып жүргізілген зерттеулер трехалоза биосинтезімен қатар, молекулалық деңгейде ангидробиозға басқа да функционалдық жолдар қатысатынын көрсетті. Бұл негізінен реактивті оттегі түрлері мен ксенобиотиктерге қарсы қорғаныс механизмдері, жылулық шок ақуыздарының экспрессиясы және ішкі тәртіпсіз ақуыздар, сондай-ақ полиқанықпаған май қышқылдары мен полиаминдердің биосинтезі. Олардың кейбіреулері ангидробиоздық өсімдіктер мен жануарлар арасында сақталады, бұл ангидробиоздық қабілеттің жалпы механизмдер жиынтығына байланысты болуы мүмкін екенін көрсетеді. Осы механизмдерді егжей-тегжейлі түсіну ангидробиоздық емес жасушаларды, тіндерді, мүшелерді немесе тіпті организмдерді ұзақ уақыт бойы құрғақ күйде сақтау үшін өзгертуге мүмкіндік беруі мүмкін. 2004 жылдан бастап вакциналарға осындай қолданыс таба бастады. Вакциналарда бұл процесс құрғақ вакцинаны шығарады, ол ағзаға енгізілгеннен кейін қайта белсендіріледі. Теориялық тұрғыдан алғанда, құрғақ вакцина технологиясын кез келген вакцинада, соның ішінде қызылшаға қарсы вакцина сияқты тірі вакциналарда қолдануға болады. Сонымен қатар, вакцинаның баяу шығарылуын қамтамасыз ету үшін, бустерлерді қажет етпей, оны бейімдеуге болады. Бұл вакциналарды суыту қажеттілігін жоюға мүмкіндік береді, осылайша құрғақ вакциналарды дамушы елдерде, суыту, электр қуаты және дұрыс сақтау мүмкін емес жағдайларда кеңінен қолжетімді етеді. Осыған ұқсас принциптерге сүйене отырып, биологиялық үлгілерді бөлме температурасында сақтау үшін лиоконсервация әдісі әзірленді. Лиоконсервация – бұл ангидробиозға негізделген, клеткаларды бөлме температурасында сақтауға арналған биомиметикалық стратегия. Бұл криоконсервациялаудың баламалы әдісі ретінде зерттелді. Бұл әдістің артықшылығы – биологиялық үлгілерді бөлме температурасында сақтауға мүмкіндік береді, салқындату немесе криогендік температураны қолдану қажеттілігін жояды.
Anhydrobiosis is the most studied form of cryptobiosis and occurs in situations of extreme desiccation. The term anhydrobiosis derives from the Greek for "life without water" and is most commonly used for the desiccation tolerance observed in certain invertebrate animals such as bdelloid rotifers, tardigrades, brine shrimp, nematodes, and at least one insect, a species of chironomid (Polypedilum vanderplanki). However, other life forms exhibit desiccation tolerance. These include the resurrection plant Craterostigma plantagineum, the majority of plant seeds, and many microorganisms such as bakers' yeast. Studies have shown that some anhydrobiotic organisms can survive for decades, even centuries, in the dry state. Invertebrates undergoing anhydrobiosis often contract into a smaller shape and some proceed to form a sugar called trehalose. Desiccation tolerance in plants is associated with the production of another sugar, sucrose. These sugars are thought to protect the organism from desiccation damage. In some creatures, such as bdelloid rotifers, no trehalose has been found, which has led scientists to propose other mechanisms of anhydrobiosis, possibly involving intrinsically disordered proteins. In 2011, Caenorhabditis elegans, a nematode that is also one of the best studied model organisms, was shown to undergo anhydrobiosis in the dauer larva stage. Further research taking advantage of genetic and biochemical tools available for this organism revealed that in addition to trehalose biosynthesis, a set of other functional pathways is involved in anhydrobiosis at the molecular level. These are mainly defense mechanisms against reactive oxygen species and xenobiotics, expression of heat shock proteins and intrinsically disordered proteins as well as biosynthesis of polyunsaturated fatty acids and polyamines. Some of them are conserved among anhydrobiotic plants and animals, suggesting that anhydrobiotic ability may depend on a set of common mechanisms. Understanding these mechanisms in detail might enable modification of non anhydrobiotic cells, tissues, organs or even organisms so that they can be preserved in a dried state of suspended animation over long time periods. As of 2004, such an application of anhydrobiosis is being applied to vaccines. In vaccines, the process can produce a dry vaccine that reactivates once it is injected into the body. In theory, dry vaccine technology could be used on any vaccine, including live vaccines such as the one for measles. It could also potentially be adapted to allow a vaccine's slow release, eliminating the need for boosters. This proposes to eliminate the need for refrigerating vaccines, thus making dry vaccines more widely available throughout the developing world where refrigeration, electricity, and proper storage are less accessible. Based on similar principles, lyopreservation has been developed as a technique for preservation of biological samples at ambient temperatures. Lyopreservation is a biomimetic strategy based on anhydrobiosis to preserve cells at ambient temperatures. It has been explored as an alternative technique for cryopreservation. The technique has the advantages of being able to preserve biological samples at ambient temperatures, without the need for refrigeration or use of cryogenic temperatures.
Аноксибиоз
Қысқылтек жетіспейтін жағдайларда (ә. ә., аноксия), көптеген криптобионттар (мысалы, M. tardigradum) суды сіңіріп, ісіп, қозғалмай қалады, бірақ ұзақ уақыт бойы тірі қалуға қабілетті. Кейбір эктотермиялық омыртқалылар және кейбір омыртқасыздар, мысалы тұзды креветкалар, копеподтар, нематодалар және губка гемулалары, айлар бойы немесе ондаған жылдар бойы аноксиялық жағдайларда көрінетіндей белсенді емес күйде тірі қалуға шамасы жетеді. Аноксия кезінде осы белсенділігін тоқтатқан организмдердің метаболизміне жасалған зерттеулер көбінесе нәтижесіз болды. Бұл себебі, криптобиотиктік күйді, қарапайым метаболизмік жылдамдықтың төмендеуінен (MRD) айырып, өте төмен метаболизмік белсенділіктің дәл деңгейін сенімді түрде өлшеу қиын. Көптеген сарапшылар аноксибиоздың биологиялық мүмкіндігіне күмәнмен қарайды, себебі организм өзінің жасушалық құрылымдарын қоршаған ортаның теріс еркін энергиясынан зақымданудан қорғауға тырысады, тіпті ол су мен жылу энергиясымен толық қоршалған және өзінің ешқандай еркін энергиясын қолданбайды. Дегенмен, стресске ұшыраған p26 протеинінің цистикалық Artemia franciscana (теңіз маймылы) эмбриондарында энергия қажет етпейтін протеин шапероны ретінде әрекет етуі мүмкін екендігіне дәлелдер бар, және әсіресе өте мамандандырылған және баяу гуанин полинуклеотид жолы А. franciscana эмбриондарына аноксиялық жағдайларда метаболиттік еркін энергияны үздіксіз жеткізіп отырады. А. franciscana аноксибиозға жақындағанмен, оған толық жете қоймаған сияқты.
In situations lacking oxygen (a. k. a., anoxia), many cryptobionts (such as M. tardigradum) take in water and become turgid and immobile, but can survive for prolonged periods of time. Some ectothermic vertebrates and some invertebrates, such as brine shrimps, copepods, nematodes, and sponge gemmules, are capable of surviving in a seemingly inactive state during anoxic conditions for months to decades. Studies of the metabolic activity of these idling organisms during anoxia have been mostly inconclusive. This is because it is difficult to measure very small degrees of metabolic activity reliably enough to prove a cryptobiotic state rather than ordinary metabolic rate depression (MRD). Many experts are skeptical of the biological feasibility of anoxybiosis, as the organism is managing to prevent damage to its cellular structures from the environmental negative free energy, despite being both surrounded by plenty of water and thermal energy and without using any free energy of its own. However, there is evidence that the stress induced protein p26 may act as a protein chaperone that requires no energy in cystic Artemia franciscana (sea monkey) embryos, and most likely an extremely specialized and slow guanine polynucleotide pathway continues to provide metabolic free energy to the A. franciscana embryos during anoxic conditions. It seems that A. franciscana approaches but does not reach true anoxybiosis.
Химобиоз
Химобиоз – қоршаған ортаның жоғары деңгейдегі уытты заттарға криптобиотиктік жауап. Ол кешірмелерде (тардиградтарда) байқалған.
Chemobiosis is the cryptobiotic response to high levels of environmental toxins. It has been observed in tardigrades.
Криобиоз
Криобиоз – температураның төмендеуіне жауап ретінде пайда болатын криптобиоз түрі. Криобиоз организмнің жасушаларын қоршап тұрған су қатып қалғанда басталады. Молекулалардың қозғалысын тоқтату организмге жағдай жақсарғанша, қатысу температурасына төтеп беруге мүмкіндік береді. Осындай жағдайға төтеп бере алатын организмдерде әдетте судың белгілі бір жерлерде қатып қалуын жеңілдететін, сонымен қатар жасушаларға зиян келтіретін үлкен мұз кристалдарының өсуін болдырмайтын молекулалар болады. Лобстер – осындай организмдердің бірі.
Cryobiosis is a form of cryptobiosis that takes place in reaction to decreased temperature. Cryobiosis begins when the water surrounding the organism's cells has been frozen. Stopping molecule mobility allows the organism to endure the freezing temperatures until more hospitable conditions return. Organisms capable of enduring these conditions typically feature molecules that facilitate freezing of water in preferential locations while also prohibiting the growth of large ice crystals that could otherwise damage cells. One such organism is the lobster.
Осмобиоз
Осмобиоз – криптобиоздың ең аз зерттелген түрі. Осмобиоз организм өмір сүретін ортадағы ерітіндідегі заттар концентрациясының артуына жауап ретінде пайда болады. Осмобиоздың метаболизмді тоқтатумен байланысты екенін білуден басқа, қаншалықты белгілі екені аз. Ол құрғақ маусымда судың буланып, іс жүзінде құрғаған көл төселін қалдыруын бастан кешіреді. Су аюы (тардиград) криптобиоздың бес түріне де ұшыра алады. Криптобиоздық күйде оның метаболизмі қалыпты деңгейдің 0,01% -ынан төмендейді, ал су құрамы қалыпты деңгейдің 1% -ына дейін азаяды. Криптобиоздық күйде ол экстремалды температураға, радиацияға және қысымға төтеп бере алады. Кейбір нематодалар мен ротиферлер де криптобиозға ұшырай алады.
Osmobiosis is the least studied of all types of cryptobiosis. Osmobiosis occurs in response to increased solute concentration in the solution the organism lives in. Little is known for certain, other than that osmobiosis appears to involve a cessation of metabolism. survives over the dry season when the water of the pans evaporates, leaving a virtually desiccated lake bed. The tardigrade, or water bear, can undergo all five types of cryptobiosis. While in a cryptobiotic state, its metabolism reduces to less than 0.01% of what is normal, and its water content can drop to 1% of normal. It can withstand extreme temperature, radiation, and pressure while in a cryptobiotic state. Some nematodes and rotifers can also undergo cryptobiosis.