Космические черви
Космическая биология
Космические черви.
Крошечная разновидность нематод может выдерживать экстремальную гравитацию.
Caenorhabditis elegans могли бы стать летчиками-истребителями высшего пилотажа.
Это потому, что круглый глист, примерно один миллиметр длиной, типичный представитель класса нематод, который широко используется в биологических исследованиях, прекрасно адаптируется в условиях ускорения. Человеческие пилоты теряют сознание, если они подвергаются воздействию ускорения только в 4 или
5 g (1g равен силе гравитации на земной поверхности), но как показали новые исследования C. Elegans остаются невредимыми при 400 000 g.
Этот факт представляет собой важные исходные данные для
сравнительной оценки; До настоящего времени ученые-теоретики
считали, что каменные глыбы испытывали подобную нагрузку в
моменты взрывов на поверхности земли и в космосе при
вулканических извержениях или от удара астероидом.
Тиаго Перейра и Тиаго де Суза, генетики Университета Сан Пауло в Бразилии, прокрутили сотни круглых глистов центрифуге, названную ими ультрацентрифугой. После часовой прокрутки, исследователи извлекли глистов из центрифуги, полагая что, организмы мертвы. Но они “плавали свободно, как будто ничего не произошло,”- говорит Перейра.
Более 96 процентов были все еще живы, и оставшиеся в живых не показывали никаких неблагоприятных физиологических или поведенческих изменений. “Живые организмы выдерживает намного больше нагрузок, чем обычно принято думать,”- считает Перейра. Результаты работы его команды были опубликованы онлайн в мае в журнале Астробиология.
По мнению исследователей, этот экстремальный тест не
воспроизводит однако в полной мере гравитационную
ситуацию, которая может возникнуть во время межпланетного полета.
С одной стороны, ультра центрифугирование занимает примерно 5
минут, чтобы достичь этих громадных показателей силы тяжести,
тогда как » при планетарном взрыве такие показатели достигаются в
пределах 1,000-ой доли секунды.
Или же эксперимент не воспроизвел суровые условия космоса.
“Другие факторы, как-то температура, вакуум и космическая радиация, должны также быть проверены,” говорит Сайхан Эркут, биохимик европейской молекулярной биологической лаборатории в Хайдельберге, Германия, кто не участвовал в исследовании.
Перейра считает, что работа его команды – это отправная точка для других экспериментов, для того чтобы расширить наше “понимание пределов жизни.”
источник Журнал Саентифик Американ №08 2018 Стр. 16
Автор: Кэтрин Корней
Перевод: Энигма Л.Н.
В космосе выросла двухголовая планария
Биологи из
американского университета Тафтса
отправили червей Dugesia japonica в космос, и
убедились, что их поведение, метаболизм
и микробиом подвергаются при отсутствии гравитации и воздействии геомагнитных полей
значительным изменениям.
Кроме того, в
космосе черви чаще делились
бесполым путем, а один беспрецедентным образом регенерировал
в двухголовую особь. Исследование
опубликовано в Regeneration.
Dugesia japonica — плоский червь из семейства планариевые класса ресничных червей. Это одни из самых примитивных свободноживущих червей — они не имеют кровеносной системы, пищеварительная система их замкнута (у них нет анального отверстия), и выделительная и нервная система тоже крайне примитивны. Планарии славятся своими способностями к регенерации. Во-первых, им свойственно бесполое размножение, когда взрослая особь делится поперек, в результате чего получается две одинаковые дочерние особи. Во-вторых, планарии способны отращивать недостающие части тела после их ампутации, в том числе — голову.
Регенеративные
процессы регулируются не только
химическими, но и физическими сигналами.
Каким образом на них влияют отсутствие
гравитации и геомагнитные поля до сих пор было
не вполне ясно. Чтобы изучить этот
вопрос, ученые отправили червей с
ампутированными головами и хвостами и
целых червей на
Международную космическую станцию на
пять недель.
Животные содержались в
темноте, в пробирках с водой и воздухом.
После этого их вернули на Землю и в
течение двадцати месяцев наблюдали за
их жизнедеятельностью.
Один из 15 червей-ампутантов регенерировал в двухголовую особь — ученые отмечают, что за пять лет работы ни одна из пятнадцати тысяч подопытных планарий таких способностей не проявляла. Согласно этой статистике, вероятность случайного возникновения двухголовости составляет меньше сотой доли процента. После того, как обе головы вновь ампутировали, планария еще раз отрастила две, что говорит о том, что характеристики строения тела ее поменялись существенным образом.
Кроме того, по сравнению с контрольными планариями, оставшимися на Земле, космические особи много занимались бесполым делением. Ученые отмечают, что это, однако, могло быть связано с температурными изменениями на станции.
Целые
черви, вернувшись из космоса, при
помещении их в «домашние» условия
и свежую воду
сначала скрутились и оставались
неподвижными в течение часа,
но затем постепенно
вернулись к
нормальной жизнедеятельности.
Микробиом (бактериальные симбионты) их подверглись значительным изменениям. Возросло число колоний Chryseobacterium и снизилось число Variovorax, Herminiimonas и некоторых других. При этом микробиом не возвращался к исходному состоянию с течением времени. Химический состав воды, в которой они жили, показал, что и метаболизм и состав продуктов секреции их также существенно изменились. У космических червей в окружающей среде наблюдалось больше жирных кислот и таких белков, как фибриллин, миозин и тубулин.
В
следующем эксперименте ученые планируют
учитывать температурные изменения и
повторять их в контрольной группе, а
также проводить ампутации не на Земле,
а на космической станции (сейчас это
запрещал протокол безопасности
космонавтов), чтобы иметь возможность
проследить регенерацию в космосе от
начала и до конца.
А о том, как условия открытого космоса отлично выдерживают тихоходки, можно прочитать здесь.
Анна Казнадзей
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Неожиданные пионеры космических исследований
Три года назад с Международной космической станции (МКС) вернулся двуглавый червь, а летом 2017 года червь прославился в Интернете и популярных СМИ, когда исследователи из Университета Тафтса опубликовали статью описывая червя и другие результаты их эксперимента на МКС в Национальной лаборатории США.
Фрагмент ампутированного плоского червя, отправленный в космос, регенерировал в двуглавого червя, что является редким спонтанным явлением.
Источники СМИ: Изображение предоставлено Центром открытий Аллена при Университете Тафтса.
Полезная нагрузка, которая доставила знаменитого червя и 77 его родственников на МКС и обратно, вдохновила исследователей, специалистов по полезной нагрузке и даже FedEx на первые шаги к новым научным открытиям и процессам, которые теперь имеют свои собственные успехи, которыми можно поделиться. первопроходцами в космосе стали эти первые черви — то есть планарии плоские черви.
ЧУДО ЧЕРВЕЙ
Планарийные плоские черви изучаются с 1800-х годов в качестве модели для генетики, структурообразования и нейробиологии. У плоских червей есть «настоящий мозг», в отличие от дождевых червей и других видов, у которых нервная система более распространена и менее развита.
Майкл Левин, директор Центра открытий Аллена в Тафтсе
Источники СМИ: Изображение предоставлено Университетом Тафтса более производных модельных систем, таких как мухи или Caenorhabditis elegans (нематоды), сказал Майкл Левин, директор Центра открытий Аллена в Тафтсе. Эта модельная система используется для понимания регенерации, регуляции стволовых клеток и поведения.
Черви также популярны для исследования наркомании, потому что у них есть большинство тех же нейротрансмиттеров, что и у людей, поэтому они проявляют симптомы отмены и зависимости от тех же наркотиков.
Лаборатория Левина, однако, использует червей для изучения того, как физические силы влияют на паттерн тела, процесс, посредством которого организм обеспечивает правильную форму и размещение типов клеток и структур тела во время развития. Плоские черви-планарии являются уникальной моделью для таких исследований, потому что они являются невероятно сильными регенераторами, и при этом они миксаплоидны — их клетки накапливают множество мутаций в результате постоянной регенерации и неполового размножения.
— В каждой клетке одного червя даже не одинаковое число хромосом, — сказал Левин. «Как ваш геном может быть таким беспорядком, и при этом вы сохраняете эту прекрасную способность каждый раз создавать идеальную планарию правильной формы? Благодаря нашей работе за последние 15 лет черви говорят нам, что формирование паттерна контролируется очень интересной биофизической динамикой».
Другими словами, поскольку ДНК плоских червей-планарий может сильно расходиться, но их анатомия остается неизменной, их клеточное принятие решений открывает новые аспекты того, как генетика и физика взаимодействуют для управления динамической анатомией. Левин и его команда изучают роль биоэлектрических сигналов — электрической связи между отдельными клетками — в определении анатомии. По словам Левин, они создали первую в мире линию мутантов со стабильным формированием паттернов у планарий, отредактировав их естественные электрические сигналы. При этом команда показала, что можно переписать воспоминания об электрических схемах для управления анатомией.
Источники информации: Изображение предоставлено Space Tango
В долгосрочной перспективе понимание этих процессов может пролить свет на то, как биофизическая динамика участвует в развитии, старении и модификации строения тела высших организмов, и как мы можем использовать биоэлектрические и другие сигналы для управления поведением клеток.
Помимо множества преимуществ в науке открытий, способность контролировать судьбу клеток с помощью биоэлектрических сигналов может в конечном итоге позволить управлять регенеративными процессами или процессами развития, связанными со здоровьем человека. Например, возможно, врачи могли бы использовать эти знания для ускорения заживления ран, выращивания органов вне тела для использования в трансплантатах, замедления негативных последствий старения, предотвращения определенных врожденных дефектов или улучшения методов лечения нейродегенеративных заболеваний.
ПОЧЕМУ ПРОБЕЛ?
Заметным игроком в биофизической динамике является геомагнитное поле или ГМП. Эта естественная характеристика Земли накладывает на все живые организмы магнитное поле примерно 0,5 Гс. GMF изменяет очень большие площади, поэтому может показаться нелогичным, что организмы чувствуют и используют его в своем повседневном поведении. Однако эксперименты с растениями, животными и культурными клетками показывают, что они ощущают изменение магнитного поля и реагируют на него, а некоторые классические примеры (такие как мигрирующие рыбы и птицы) демонстрируют, как организмы воспринимают и используют силовые линии магнитного поля Земли.
Несмотря на эти данные, неизвестно, как и почему эмбриональные клетки (например, стволовые клетки регенерирующей планарии) ощущают ГМП.
Контейнер, разработанный Space Tango, содержит флаконы с плоскими червями для запуска в Национальную лабораторию МКС.
Источники информации: Изображение предоставлено Space Tango
В лабораторных моделях организмов, которые защищены от ГМП металлами и другими технологиями, «все виды вещей идут не так», сказал Левин. «Клетки рассчитывают на это поле на что-то, и мы понятия не имеем, что». Уникальные условия ГМП на борту МКС побудили Левина всерьез задуматься о неожиданной возможности отправить червей в космос.
Поиск инноваций дал возможность. Некоммерческая организация Kentucky Space, LLC искала официальные документы от начинающих космических исследователей, заинтересованных в использовании микрогравитации для решения важных исследовательских задач, чтобы пробудить их воображение на ранних этапах некоммерческой организации, изучающей, как проводить исследования на борту МКС.
«Мы слышали, что есть группа из Кентукки, которая занималась космическими делами, и они были заинтересованы в отправке червей в космос», — сказал Джунджи Морокума, который присоединился к лаборатории Левина в конце 2004 года и впоследствии работал над проектом космических червей. «Я подумал: «Ого, ничего себе», но мы не знали, что делать и что найдем». По его словам, были проведены некоторые исследования червей в моделируемой микрогравитации, которые показали сильное увеличение регенеративной способности, но в космосе не было плоских червей планарий, чтобы пролить свет на то, чего следует ожидать команде.
Послеполетный флакон с плоскими червями
Источники информации: Изображение предоставлено Space Tango
Таким образом, по словам Левин, команда сделала все просто, и решила определить, как совокупность компонентов космического путешествия может повлиять на регенерацию червей. Эти компоненты включали взлет, ускорение, приводнение, вибрацию, микрогравитацию и, конечно же, измененное геомагнитное поле.
Эти физические силы нарушают то, как клетки разговаривают друг с другом, и, таким образом, могут влиять на формирование паттерна внутри клеток регенерирующего червя. «Это не нулевой ГМП, — сказал Левин, как в наземных экспериментах по экранированию, — но он другой, и мы понятия не имели, что мы можем обнаружить».
ОТКРЫВАЯ НОВЫЕ ЗЕМЛИ
Будучи первыми в мире планарийными плоскими червями, неосознанно готовившимися к запуску на борту коммерческого корабля снабжения (CRS) SpaceX CRS-5, компания Kentucky Space и лаборатория Levin приступили к целому ряду собственных новинок.
«Космический бизнес и исследования — это интересно, но это связано с большими деньгами, документами, задержками и «упс», — сказал Морокума. «Я слышал, чтобы запустить ракету, нужны документы выше самой ракеты, — рассмеялся он, — но, к счастью, со всем этим справилась компания Kentucky Space».
Крис Кимел, основатель Kentucky Space и соучредитель его коммерческого дочернего предприятия Space Tango, признал, что ранние эксперименты, такие как космические черви, хотя и были простыми по конструкции, сыграли решающую роль в том, что его команда «изучила основы» в отношении интеграции полезной нагрузки, взаимодействия с НАСА и работы с клиентами.
Генеральный директор Space Tango Твайман Клементс разрезает плоских червей на три части перед космическим полетом.
СМИ: Изображение предоставлено Space Tango
«Этот эксперимент был очень важен для нас, — сказал Кимел. «Мы многому научились с технической точки зрения благодаря полезной нагрузке, а также тому, как защитить конечного пользователя от некоторых сложных процессов. Этот опыт заложил философскую основу для того, что стало TangoLab и нашим успешным деловым предприятием под названием Space Tango».
При поддержке CASIS черви, запущенные 10 января 2015 года, провели несколько недель на борту Национальной лаборатории МКС и вернулись ровно через месяц.
Перед возвращением компания Kentucky Space также работала с Левином и новым партнером FedEx Space Solutions, чтобы организовать доставку червей обратно в лабораторию после приводнения. «Логистика была действительно интересной, — сказал Левин. «Я никогда не взвешивал плоских червей. Я понимаю, зачем им нужны были эти данные, но это было как-то дико».
Дэвид Дрис, который руководил процессом доставки плоских червей для FedEx, сказал, что его главная задача — вернуть червей как можно быстрее после приводнения, чтобы команда могла проанализировать червей, прежде чем они слишком сильно приспособятся к условиям Земли. Частично это зависело от температуры. «Нам нужно было держать их недостаточно теплыми для деления клеток, но и не достаточно холодными, чтобы их убить», — сказал Дрис.
Остальное время. «У нас в FedEx отличная инфраструктура, но мы работаем по расписанию, — сказал Дрис. «Спуск капсулы с МКС не идет по графику, который мы можем предсказать на несколько месяцев вперед. Он может прийти в любое время дня и ночи, и мы получим уведомление часа за три». Чтобы приспособиться к этой неопределенности, были задействованы ресурсы нескольких операционных компаний FedEx, а курьер FedEx Express был в резерве.
FedEx выполняет «быстрый возврат», прерывая эксперимент для немедленной доставки.
Источники СМИ: Изображение предоставлено Space Tango
Добавляя к списку первых в резюме космических червей, это была первая полезная нагрузка, которую FedEx выполнила как «быстрое возвращение», в которой они перехватывают возвращающиеся эксперименты во время передачи от провайдер запуска для НАСА, в данном случае в аэропорту на побережье Калифорнии.
«Это было в новинку, поэтому я действительно поехал туда и лично работал с Kentucky Space, когда они завладели коробкой с червями из самолета НАСА», — сказал Дрис. «В детстве я был фанатом космоса, так что было очень круто быть частью этого». Оттуда коробка была оснащена устройством «SenseAware», которое отправляет информацию о местонахождении, давлении, освещенности, влажности и температуре на клиентский веб-портал, а затем, поскольку было 11 часов вечера, она отправлялась на станцию FedEx для отправки. ночь.
«Наши оперативники действительно активизировались, чтобы справиться с нетрадиционной транспортной ситуацией, — сказал Дрис. «Все были очень горды тем, что сыграли небольшую роль в эксперименте». Доказательство концепции «быстрого возврата» червей помогло FedEx разработать эту услугу как новый продукт, предлагаемый своим клиентам, и теперь для этой цели разработана целая система. «Космические черви были прототипом!» — сказал Дрис.
ТЕМНОЕ И МУЧНОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ
Тем временем в Бостоне бушевала метель, когда команда Тафтса ждала нового процесса доставки FedEx, чтобы вернуть их коробку с червями с МКС (через Лонг-Бич, Калифорния).
FedEx доставляет эксперимент в Университет Тафтса.
Источники: Изображение предоставлено Space Tango
Обычно черви обычно получают свежую воду и подвергаются воздействию света, когда их кормят и чистят два раза в неделю. Но чтобы первоначальный эксперимент был как можно более элегантным и простым, ни один из этих элементов не был сохранен ни в эксперименте космического полета, ни в наземном управлении. Поскольку цель состояла в том, чтобы оценить регенерацию, червей просто разрезали на три части, поместили в утвержденный контейнер и оборудование, сертифицированное для использования в космосе, и загрузили в ракету SpaceX.
За те недели, что они были в космосе, у нас не было возможности следить за ними,
, поэтому мы понятия не имели, что найдем, — сказал Левин. «Я имею в виду, что они были там без всякого присмотра. Больше всего нас беспокоило то, что когда они вернутся, все они будут мертвы».
«В основном мы помещали много червей в пробирку, которая помещалась в герметичный контейнер размером с кофейную банку», — сказал Морокума.
«Температура в какой-то степени контролировалась, но не более того». Как и было обещано, послеполетная коробка прибыла, и команда собралась, чтобы посмотреть, успешно ли выросли и выжили их планарии-первопроходцы, и какие истории они должны рассказать. «Мы получили эту коробку из космоса, и мы все были очень рады открыть эту коробку, — сказал Левин, — и, конечно же, они были живы!»
Джунджи Морокума впервые видит вернувшихся плоских червей.
Источники СМИ: Изображение предоставлено Space Tango
Сразу же команда стала свидетелем первого интересного поведения космических червей. Когда они вытащили червей из темной стоячей воды после их долгого путешествия и поместили в обычную воду, тела червей свернулись. По словам Левин, обычно такой тип реакции скручивания указывает на то, что черви недовольны своей средой. «Это было потрясающе. Мы поместили их в эту красивую, свежую воду Поланд-Спрингс, которую они обычно любят, и все они свернулись, как будто им это не понравилось, — сказал он, — как будто они привыкли к вонючей воде — что действительно странно».
Черви, возвращающиеся из космоса, сворачиваются и становятся неподвижными, когда их переносят в чашки Петри со свежей родниковой водой. Напротив, контрольные черви-домохозяйки двигались быстро и полностью вытягивались.
Источники СМИ: Изображение предоставлено Allen Discovery Center в Университете Тафтса. Gizmodo, CNET, CBS News, Fox News, Engadget, Yahoo и Smithsonian Magazine.
Этот фенотип не только привлекателен для публики, но и статистически значим. «Планарии — надежные и стабильные регенераторы, — сказал Левин. «Чтобы увидеть две головы, вам придется разрезать тысячи таких червей на земле». Это был первый показатель того, что регенеративная среда на борту МКС действительно уникальна.
Тем не менее, какими бы неожиданными и интересными ни были эти ранние результаты, самых поразительных результатов исследования космических червей можно было увидеть только через год, когда команда исследовала поведение червей через 18 месяцев после адаптации к нормальным земным условиям.
БОЛЬШЕ, ЧЕМ ПРОСТО КОРОБКА С ЧЕРВЯКАМИ
На первый взгляд, после 18 месяцев реакклиматизации черви отличались набором бактерий от их родственников, оставшихся на Земле. Как и в случае человеческого микробиома, популяция микроорганизмов в кишечнике червя, на его поверхности и в его окружении тесно влияет на функции и поведение организма.
По словам Левина, до этого момента никто по-настоящему не изучал микробиомы плоских червей планарий, хотя некоторые исследования их иммунной системы и реакции на инфекцию могут дать представление о роли микробиома. Однако, вдохновленные результатами космических червей, Левин и его коллеги в настоящее время завершают первое исследование микробиома нативной планарии с точки зрения того, как обычно выглядит набор бактерий в стандартных популяциях и почему это важно.
Плоский червь-планарий
Второе любопытное и примечательное поведение отставных космических червей предполагает нетипичную боязнь темноты. — Обычно черви не любят свет, — сказал Левин.
«Они светобоязни и стараются забиться в самый темный угол». Однако после 1,5 лет пребывания в нормальных лабораторных условиях на Земле космические черви продемонстрировали заметное и необычное предпочтение света.
«Плоские черви-планарии удивительны тем, что они, по сути, бессмертны — они не стареют», — сказал Левин. «У них есть стволовые клетки, которые постоянно воспроизводят животное по мере того, как соматические клетки стареют и отмирают». В течение приблизительно одного месяца большая часть клеток червя должна быть обновлена. Тем не менее, через 1,5 года после космического полета, после 18 таких оборотов, космические черви все еще демонстрировали отпечаток своего уникального опыта, двигаясь к свету и сидя на нем гораздо чаще, чем контрольные черви.
— На данном этапе это, конечно, предположение, но есть вероятность, что они так долго помнят, — сказал Левин. «Другая возможность заключается в том, что это связано с изменением микробиома». По словам Левина, доказательства того, что микробиом изменяет поведение организма и действует как когнитивный модулятор, были обнаружены у других животных и даже у людей.
Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы ответить на эти и другие вопросы о влиянии среды МКС на планарий.
«Черви говорят нам, что опыт полета в космос коренным образом меняет механизмы регенеративного процесса — формирования структуры, дифференцировки и миграции клеток», — сказал Левин. «Но нам нужно понять, как проявляются эти эффекты, если мы хотим работать над модуляцией регенерации для полезных целей на Земле».
Эксперимент с космическими червями показал, что гравитация влияет на гены
Caenorhabditis elegans. Кредит: ВикипедияЖизнь в условиях низкой гравитации влияет на клетки на генетическом уровне, согласно исследованию червей в космосе.
Генетический анализ червей Caenorhabditis elegans на Международной космической станции показал «тонкие изменения» примерно в 1000 генах.
Более сильные эффекты были обнаружены в некоторых генах, особенно среди нейронов (клеток нервной системы).
Исследование, проведенное Университетом Эксетера и генетической лабораторией НАСА, помогает нам понять, почему живые организмы, в том числе люди, в космосе физически угасают.
«Мы изучили уровни каждого гена в геноме червей и определили четкую картину генетических изменений», — сказал доктор Тимоти Этеридж из Эксетерского университета.
«Эти изменения могут помочь объяснить, почему организм плохо реагирует на космический полет.
«Это также дает нам некоторые терапевтические цели с точки зрения уменьшения этих последствий для здоровья, которые в настоящее время являются основным препятствием для исследования дальнего космоса.»
В ходе исследования черви подвергались воздействию низкой гравитации на Международной космической станции и высокой гравитации в центрифугах.
Испытания в условиях высокой гравитации дали исследователям больше данных о влиянии гравитации на гены и позволили им искать возможные методы лечения с использованием высокой гравитации в космосе.
«Важным шагом на пути к преодолению любого физиологического состояния является понимание лежащего в его основе молекулярного механизма», — сказал ведущий автор Крейг Уиллис из Эксетерского университета.
«Мы идентифицировали гены, играющие роль в функционировании нейронов и клеточном метаболизме, на которые влияют гравитационные изменения.
«Эти черви демонстрируют молекулярные сигнатуры и физиологические особенности, которые точно отражают те, которые наблюдаются у людей, поэтому наши результаты должны послужить основой для лучшего понимания ухудшения здоровья, вызванного космическими полетами, у млекопитающих и, в конечном итоге, у людей».
Д-р Этеридж добавил: «Это исследование подчеркивает постоянную роль ученых из Европы и Великобритании в исследованиях биологических наук о космических полетах».
Статья, опубликованная в журнале iScience , озаглавлена: «Сравнительная транскриптомика определяет нейронную и метаболическую адаптацию к гипергравитации и микрогравитации у Caenorhabditis elegans».