Ангидробиоз и клеточные механизмы устойчивости гидробионтов к высыханию во временных водоёмах

Введение: роль воды и феномен ангидробиоза. Вода является критическим лимитирующим фактором для обитателей временных водоёмов, определяя на уровне гидропериода структуру и динамику популяций и сообществ. Однако её значение не ограничивается макроэкологическими масштабами, поскольку именно клеточная толерантность к обезвоживанию лежит в основе выживания видов в эфемерных биотопах. Уникальные физико-химические свойства воды – высокие температуры плавления и кипения, широкая область жидкого состояния, значительная диэлектрическая проницаемость и способность к образованию водородных связей – делают её универсальным растворителем для всех жизненно важных процессов. Следовательно, дефицит свободной воды выступает в качестве главного стресс-фактора, и, как отмечают Ротшильд и Манчинелли (Rothschild and Mancinelli, 2001), ограничение гидратации является фундаментальным вызовом для организмов. Эволюционным ответом на этот вызов стала устойчивость к высыханию, или ангидробиоз – широко распространённое явление среди микроорганизмов, растений и многих беспозвоночных, включая коловраток, нематод, тихоходок, а также личиночные цисты ракообразных из временных водоёмов (Proctor and Pence, 2002).

Определение ангидробиоза и его типы. Ангидробиоз представляет собой способность организма переносить практически полную потерю клеточной воды (за исключением фракции, прочно связанной с макромолекулами) без необратимых повреждений, что принципиально отличает его от диапаузы, при которой метаболизм не останавливается полностью (Hochachka and Somero, 1984). Кроу (Crowe, 1971) предложил разделение устойчивых к высыханию организмов на две группы. Первая включает виды, способные к ангидробиозу исключительно на ранних стадиях развития – споры бактерий и грибов, семена растений, яйца и ранние эмбрионы некоторых ракообразных (в частности, артемии), а также личинки отдельных насекомых. Вторая группа представлена видами, которые сохраняют эту способность на протяжении всего жизненного цикла – некоторые простейшие, коловратки, нематоды и тихоходки. Несмотря на различия в онтогенетической приуроченности, обе группы демонстрируют сходные биохимические механизмы входа в состояние ангидробиоза и выхода из него, что указывает на конвергентную эволюцию защитных стратегий.

Растительные стратегии борьбы с обезвоживанием. У высших растений устойчивость к высыханию определяется как способность высыхать до равновесного состояния в умеренно сухом воздухе (относительная влажность 50–70 %, температура 20–30 °C) и последующее восстановление нормальных функций после регидратации (Alpert and Oliver, 2002). Эволюционно растения выработали две основные стратегии. Большинство видов используют механизмы, снижающие вероятность потери воды, – восковые кутикулы, регулируемые устьица и редуцированную площадь листовой пластинки. Значительно меньшая группа видов реализует стратегию «высыхания без гибели», позволяющую им полностью обезвоживаться в засушливый период и впоследствии возобновлять рост при увлажнении (Gaff, 1977).

Долгое время считалось, что основой такой устойчивости служат механические приспособления, например, эластичные клеточные стенки, мелкие вакуоли или отсутствие плазмодесм (цитоплазматических мостиков между клетками). Однако Бьюли (Bewley, 1979) обосновал альтернативную, ныне общепринятую точку зрения, согласно которой решающую роль играют свойства протоплазмы. Он выделил три критических аспекта выживания: (1) ограничение повреждений до устранимого уровня; (2) сохранение физиологической целостности в сухом состоянии; (3) активация репарационных механизмов в период регидратации.

Мембранные переходы и биохимическая защита в растительных тканях. В устойчивых к высыханию растительных тканях процесс сушки сопровождается упорядоченным «коллапсом» клеточной среды с минимальными ультраструктурными нарушениями. При регидратации все растительные ткани претерпевают временную потерю растворённых веществ, но у толерантных видов это явление быстро обратимо и обусловлено фазовыми переходами липидов в плазматической мембране – из жидкокристаллического состояния в гелеобразное и обратно. В семенах такие переходы не происходят благодаря плотной оболочке, которая замедляет проникновение воды, создавая защитное состояние «предварительной гидратации», при котором мембраны сохраняют жидкокристаллическую структуру до момента полноценного контакта с водой. Повреждения при регидратации могут наблюдаться в отдельных органеллах (например, набухание хлоропластов и митохондрий), однако они восстанавливаются в течение 24 часов. Некоторые однодольные растения обратимо теряют хлорофилл и разрушают хлоропласты, а дополнительную защиту обеспечивают синтез специфических белков и сахаров непосредственно перед высыханием, а также активация антиоксидантных ферментов (Alpert and Oliver, 2002).

Морфологические и химические адаптации беспозвоночных. В мире беспозвоночных подготовка к ангидробиозу часто сопровождается морфологическими изменениями – например, у бделлоидных коловраток и тихоходок наблюдается сворачивание тела, причём у последних степень ретракции кутикулы положительно коррелирует с устойчивостью к обезвоживанию (Wright, 1989). Наряду с этим происходит активный синтез защитных низкомолекулярных соединений. Наиболее детально изучены механизмы у цист артемии (Artemia), которые состоят из неклеточной оболочки и эмбриона на стадии ранней гаструлы (около 4000 недифференцированных клеток). Несмотря на отсутствие выраженных морфологических приспособлений, эти цисты выдерживают практически полную потерю воды и сохраняют жизнеспособность в течение многих лет. Клегг (Clegg, 1981) установил прямую зависимость между содержанием воды и метаболической активностью, выделив три диапазона гидратации: аметаболический (менее 0,3 г воды на 1 г сухого веса), где ферментативные реакции отсутствуют; ограниченный метаболизм (0,3–0,65 г/г) с отдельными реакциями без заметного поглощения кислорода; и область нормального метаболизма (выше 0,65 г/г), где потребление кислорода возрастает пропорционально гидратации.

Таблица 5.3. Зависимость метаболической активности цист Artemia от уровня гидратации (по Clegg, 1981): при < 0,3 г/г – аметаболизм, при 0,3–0,65 г/г – локализованный метаболизм, при > 0,65 г/г – полноценный метаболизм.

Молекулярные основы: роль полиолов и трегалозы. Клегг предположил, что начальная гидратация цист необходима для образования гидратных оболочек вокруг макромолекул, причём даже при сильном высушивании сохраняется некоторое количество «связанной» воды. Уровень 0,15 г/г восполняет её запасы, дальнейшее увлажнение до 0,6 г/г обеспечивает «вицинальную» воду, организованную вблизи мембран и цитоскелета, а превышение этого порога способствует формированию «объёмной» воды, необходимой для транспорта метаболитов. Критическую роль в выживании играет накопление полиолов (полигидроксиспиртов) – в цистах артемии содержание глицерина достигает 4 % сухой массы, а трегалозы – до 14 %. Эти соединения выполняют функцию заместителей воды, образуя водородные связи с полярными группами белков и стабилизируя их нативную структуру при низкой активности воды. Механизм основан на том, что глицерин вытесняется из гидратной оболочки белков, способствуя их компактной укладке и предотвращая денатурацию, что обеспечивает мгновенную реактивацию ферментов при возвращении воды (Gekko and Timasheff, 1981).

Ангидробиоз у нематод и его динамика. У нематод ангидробиоз не приурочен к какой-либо определённой стадии развития и инициируется недостатком доступной воды. В течение 24–72 часов запускается последовательность прогрессивных морфологических преобразований: тело сокращается в продольном направлении и скручивается, внутриклеточные органеллы (мышечные волокна) упорядоченно упаковываются, а мембранные системы претерпевают контролируемые изменения, которые находятся под эндогенным контролем. Метаболическая перестройка заключается в перераспределении углерода из гликогена и липидов в запасы трегалозы (до 10 % сухого веса) и глицерина (до 6 %). Подобные сдвиги характерны для многих ангидробионтов, при этом метаболизм полностью останавливается во время высыхания. Регидратация протекает значительно быстрее (несколько часов) по сравнению с обезвоживанием (до 72 часов), что отражает естественную динамику наполнения и пересыхания водоёмов и обеспечивает эффективное появление видов в благоприятный период.

Эволюционные преимущества и пределы ангидробиоза. Ангидробиоз предоставляет обладающим им видам целый ряд адаптивных преимуществ: (1) усиление пассивного расселения (особенно ветром); (2) повышение выживаемости в экстремально засушливых местообитаниях; (3) синхронизация питания, роста и размножения с благоприятными условиями; (4) увеличение общей продолжительности жизни; (5) преадаптация к другим неблагоприятным факторам (крайние температуры, гипоксия). Вместе с тем существуют и физиологические ограничения длительного ангидробиоза. Ротшильд и Манчинелли (Rothschild and Mancinelli, 2001) указывают на необратимые фазовые переходы белков, липидов и нуклеиновых кислот (денатурация, деструкция надмолекулярных структур) и накопление активных форм кислорода в процессе сушки, особенно под действием солнечной радиации, как основные причины гибели клеток. Таким образом, устойчивость к высыханию не является абсолютной, а представляет собой сложный баланс между скоростью обезвоживания, эффективностью защитных механизмов и интенсивностью окислительного стресса, что делает дальнейшее изучение этих процессов критически важным для понимания адаптивного потенциала гидробионтов в условиях глобального изменения климата.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Дадли Уильямс, Блауштейн Л. и С.С. Шварц, Кили Дж.Э. и П.Х. Зедлер, Аматали М.А., Боуэн Р.

Источник: Биология временных водоемов

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим биологические и экологические науки, начинающим исследователям в области экологии пресноводных водоемов и зоологии беспозвоночных, а также специалистам по охране природы и всем, кто интересуется глобальной сравнительной экологией сообществ временных водных сред обитания.