Защо сладководната хидра не остарява - върху този въпрос са съсредоточени усилията на научен колектив от Института Макс Планк, ръководен от Ралф Шайбле.
За това какви са резултатите на този дългосрочен експеримент разказва немското издание Max-wissen.
Вечността е невъобразимо дълго време. Въпреки това Ралф Шайбле от Института Макс Планк за демографски изследвания в Рощок може още сега да каже, че сладководният полип хидра почти се доближава до този идеал. В рамките на дългосрочен експеримент, иницииран от директора на института Джеймс В. Ваупел, той и колегите му изследват защо хидрата не остарява при определени обстоятелства.
Сладководните полипи в Института Макс Планк в Рощок получават наистина всичко необходимо за един дълъг живот. Тъй като за „експеримента“, както го нарича Ралф Шайбле, той може да използва само щастливи животни. Затова за тъничкото като пръчица същество, което едва достига дължина един сантиметър, Шайбле създава райски условия на живот: „Отрупваме я с всичко, за което може да мечтае.“ Няколко от неговите сътрудници са ангажирани с храненето на 1800-те полипи. С изключително фини пипети те поднасят директно към пипалцата на своите, изглеждащи като стъклени, изследователски обекти тяхната храна, а именно миниатюрни рачета. Винаги един и същ порцион, „директно от производителя“, три пъти седмично. И всичко това в продължение на вече почти 10 години.
Изглежда на хидрата храната доста й се услажда. При тези условия тя разкрива и своята тайна: „Хидрата не остарява“, обобщава Шайбле невероятната новина от експеримента.
„През всичките тези години тя демонстрира непроменлива смъртност“. До момента подобно нещо, поне от научна гледна точка, изглеждаше невъзможно.
Остаряване, смъртност, безсмъртие: Тези теми очароват хората от времената далеч преди ерата на пост-модернизма. И не без основание: кръговете около очите стават все по-дълбоки, здравината на кожата и съединителната тъкан отслабва, бръчки покриват врата и лицето, очилата за четене стоят на носа подобно документ за самоличност на стар човек, мисълта не тече така бързо, както по-рано, спринтът до следващата автобусна спирка наподобява по-скоро уморителен тръс.
Не, остаряването със сигурност не носи удоволствие. И с всеки изминал ден рискът от смърт става все по-голям. Някои съвременници изпитват огромен страх от процеса на остаряване. Други заявяват съвсем уверено, че им е все едно – въпреки че най-вероятно и те сутрин пред огледалото изключително грижливо опипват с вкочанени пръсти появилите им се бръчки. И кой знае: може би и те тайничко се надяват един ден науката да спре хода на стареенето, подобно на алхимиците през Средновековието, които са търсели еликсира на вечния живот. Според Ралф Шайбле това е било и е напразно усилие: „Смятам, че безсмъртието е нещо невъзможно“, казва той, „дори при организъм като хидрата.“
Хидрата притежава невероятни качества – точно както своята съименичка от старогръцката митология. Онова четириглаво чудовище, при което на мястото на всяка отрязана глава израстват две нови. И освен всичко друго главата в средата е безсмъртна.
Подобно на своя митичен първообраз сладководният полип също притежава способността да възстановява части от тялото си. „Но защо тя може това, а други организми не?“, се пита Шайбле. Има ли това нещо общо с екстремно дългия живот на хидрата?
В това ученият се убеждава все повече и повече в хода на експеримента, чието начало е поставено на 1-ви март 2006. Тогава учените започват „да глезят“ хидра 1 от кохорта 1 и всички следващи нейни потомци. За сега, за краен срок на експеримента е определена датата 31-ви декември 2017.
Всеки организъм обитава купичка с вода с минерални вещества, като температурата е постоянна – 18°С. Получава постоянно една и съща хранителна дажба и живее при нормален ритъм на смяна на ден с нощ. Фактът, че в своите прозрачни лабораторни купички хидрите не могат да бъдат изядени от риби и други животни, прави живота им още по-луксозен.
Дългосрочен експеримент в петри
Непосредствено след стартиране на експеримента хидра 1 започва да се размножава безполово. Учените събират нейните потомци и осигуряват на всеки от тях „отделна стая“. Към момента броят на отглежданите хидри е повече от 1800. Въпреки това има и смъртни случаи. По-голямата част от тях са вследствие на лабораторни инциденти – като например, когато индивидите се залепят на капака на петрито и изсъхват или пък паднат на пода. Има и редки случаи на естествена смърт: Хидрата спира да се храни и скъсява своите пипала. На следващия етап цялото тяло започва да се свива и след 1-2 седмици организмът се разпада на съставните си части. „Подобна форма на смърт“, разказва Шайбле, „досега сме наблюдавали изключително рядко.“
Освен това учените правят оценка и на репродуктивната способност на организмите при безполово размножаване. За целта те записват всеки нов женски индивид. „Досега по този начин са се появили повече от 30 000 генетично идентични полипи“, казва Шаибле. Той разполага с детайлни данни за повече от 1800 индивида. Най-продуктивната хидра до момента е дала живот на 341 наследника. Но има и такива, при които поколението се състои само от 10 или 20 нови индивида.
Чрез своя дългосрочен експеримент, учените целят да определят естествената смъртност на животните за продължителен период от време. На основание броя на годишно измрелите индивиди, те изчисляват вероятността за смърт във всяка една възраст. Това е фактор, интересуващ демографите от край време. При хората вероятността за смърт се променя непрекъснато. В повечето случаи тя се покачва. Така изменението във вероятността да умрем демографите наричат стареене.
Ежедневна рутинна дейност при хранене: учените трябва да хранят около 2000 полипа всеки ден. С фини пипети те поставят в петрито малки рачета. © Fotostudio Hagedorn
В този смисъл учените, работещи в сферата на еволюционната биодемография под ръководството на Джеймс Ваупел, вече дълги години анализират и вероятността за смърт при животните като цяло. За биолози като Шайбле това е „един съвсем нов свят, в който тепърва трябваше да се потопя“, както се изразява той самият. Принципно учените разглеждат остаряването по-скоро от психологическа гледна точка и на ниво клетки и молекули: Стабилността на молекулите и интензивността на обмяната на веществата отслабват с течение на времето, наследственият материал претърпява промени и т.н.
Въпреки това Шайбле признава, че хидра-експериментът е показал, че отделните видове организми стареят и умират съвсем различно. И така екипът в Рощок вече 9 години води подробна книга за това кога са родени полипите и кога умират. Междувременно те вече са установили: „Хидрата има непроменлив риск от смърт, тя не остарява, защото с напредване на възрастта нейната смъртност се запазва постоянна.“
Това означава, че независимо, дали един индивид е едва на 1 година или вече на 9 рискът от смърт е един и същ.
Освен това смъртността е изненадващо ниска, особено когато се касае за такъв малък по размери жив организъм. На година умира само 1 на 220 индивида. Всички останали продължават да живеят. Следователно полипът е с очаквана продължителност на живота от няколкостотин години – т.е. не е безсмъртен, но почти. „От гледна точка на малките размери и на крехкостта на този организъм би могло да се каже, че дори 10 години вече са цяла вечност за него“, обяснява Шайбле.
„В научните среди отначало се присмиваха на резултатите ни.“ Експериментът бил твърде елементарен. Но критичните мнения постепенно затихват – данните са твърде еднозначни. Те подкрепят тезата, че процесите на остаряване са изключително пластични и върху тях оказват влияние както гените, така и условията на околната среда.
Разнообразието в процесите на остаряване
Живите организми остаряват различно – резултат, който противоречи на общоприетата теория, че след настъпване на полова зрялост смъртността се увеличава, докато плодовитостта намалява. Данните относно вероятността за смърт и репродуктивната способност за размножаване на 46 вида организми, предоставени от Джеймс Ваупел и колегите му от Института Макс Планк в Рощок и от Макс Планк Центъра за биодемография на остаряването в датския град Одензе, разкриват многообразието, свързано с процесите на остаряване в природата.
Хидрата може да се размножава по полов и безполов начин. При половото размножаване един индивид произвежда сперматозоиди, които изхвърля във водата. Женските индивиди ги улавят и оплождат своите яйцеклетки. Ембрионът се откъсва от майчиния организъм, пада на дъното и там се развива до пораснал индивид. При тази форма на размножаване имаме смесване на наследствения материал на два различни, участващи в оплождането, индивида. Често хидрата се размножава безполово: Стволови клетки от средната част на майчиния организъм образуват пъпка, от която се развива напълно нов организъм с крака и пипала. При този вид вегетативно размножаване майчиният и дъщерният организъм, с малки незначителни мутационни изменения, са напълно идентични в генетично отношение, т.е. са клонинги.
© MPI f. demografische Forschung/ R. Schaible
При примати като павиани и шимпанзета вероятността за смърт следва класическия ход и наподобява тази при човека. При други видове като например сменящия си цвета корал горгония, дъба или калифорнийската сухоземна костенурка рискът от смърт непрекъснато спада дори в пределна възраст – вероятно защото организмите стават все по-големи и съумяват все по-добре да устояват на атаките на своите врагове и на условията на средата. При много видове птици рискът от смърт първоначално нараства, след което се запазва без промяна. Константната и изключително ниска смъртност на хидрата все пак е единствена по рода си в животинското царство.
„Процесите на стареене обаче варират и в рамките на един и същ вид или една и съща животинска група“, обяснява Шайбле. Японски биолози са изследвали например вида Hydra oligactis. При температура 18°С организмите неуморно произвеждат пъпки и не остаряват. При 14°С обаче видът започва да се размножава полово. Това означава, че индивидите произвеждат само яйцеклетки и сперматозоиди и умират след 5 месеца. В този случай вероятността за смърт нараства с времето – както при човека. При други видове хидра при провеждане на същия експеримент смъртността не се увеличава. Т.е. половото размножаване не съкращава продължителността на живота при хидрата като цяло.
Дали различната смъртност представлява просто нагаждане към ниски температури на околната среда или е същински ефект на остаряване, учените все още не знаят. Очевидно обаче не е вярна по-ранната представа, че с течение на годините в клетките на организма се натрупват мутации и други вредни влияния, вследствие на които той принудително умира.
Благодарение на изключителните си регенеративни свойства, в луксозните лабораторни условия хидрата е защитена от подобна участ. При разрязване на един сладководен полип на две половини след 2 до 3 дни израстват два съвсем нови индивида. Дори когато индивидът бъде разрязан на 5 части и от него останат само 500 клетки, той може да регенерира бързо и прецизно.
Тази способност за самовъзстановяване се дължи на стволови клетки, които при хидрата са повече, отколкото клетките със специални функции в организма. Тези стволови клетки се делят през целия живот на хидрата и дават началото на всички нови клетки, необходими за формиране или регенерация на тялото или на отделни части от него. Така тялото на хидрата непрекъснато се обновява, така че въпреки постоянното й размножаване тя може да „остарява“ без организмът й да отслабва.
Чрез пъпкуване хидрата непрекъснато образува нови наследници с идентичен на нейния генетичен материал. Многото на брой генетично идентични индивиди ограничават вероятността за заличаване на наследствения материал на всеки един отделен индивид вследствие враждебните условия на околната среда. „Очевидно нашата хидра не плаща с нищо за своя удължен живот, а безполовото размножаване същевременно е и нейният извор на младост“, казва Шайбле.
Съществува вероятност така нареченото безсмъртие в лабораторни условия също да е само субпродукт от адаптации, които помагат на животните да оцелеят в природата.
Непрекъснатото производство на идентично в генетично отношение потомство например гарантира оцеляване на наследствения материал дори при висока смъртност, обусловена от природните условия. Освен това изключителната регенеративна способност увеличава процента на преживяемост на полипите в случаите, когато те бъдат нахапани от врагове, като охлюви например.
Обновяване чрез стволови клетки
Паралелно с дългогодишния експеримент, учените от Рощок са стартирали и няколко по-кратки проучвания, за да установят защо техните избранници не остаряват. За целта те подлагат полипите на лек стрес – първоначално ги хранят нормално, след което обаче ги оставят гладни в продължение на 60 дни и после отново започват да ги хранят с раци. Резултатът: Животните се размножават още по-ефективно. Те са натрупали жизнена енергия и я използват по-смислено, което вероятно допълнително удължава живота им.
В рамките на друг експеримент учените облъчват полипите с вредна ултравиолетова светлина или ги подлагат на влиянието на агресивния водороден пероксид. И двете въздействия значително натоварват животните, като 30% от тях умират незабавно. Някои са деформирани, образуват повече глави или пипалата им са разкъсани. Повечето от тях обаче успяват да се съвземат и възвръщат първоначалния си вид. С този експеримент учените целят да разберат какво се случва с пораженията, когато полипите регенерират.
Две седмици след като хидрата е изложена на ултравиолетово лъчение полипите видимо са се променили: За разлика от необлъчените животни (вляво) при някои от третираните хидри се образуват две глави, а пъпките не се отделят от майчиния организъм (в средата). При други, в зоната за образуване на пъпки израстват много на брой пипала (вдясно).
© MPI f. demografische Forschung/ R. Schaible
„Изглежда хидрата може да прави разграничение между незасегната стволова клетка и повредена клетка. И така тя реагира по различен начин на нанесените поражения“, обяснява Шайбле. Когато увредените клетки са малко на брой, те биват пренасочени за образуване на крака и пипала, където се специализират и поради краткия живот на диференцираните клетки в организма рано или късно умират.
Когато обаче в организмът има твърде много на брой малтретирани клетки на дневен ред идват две различни стратегии: В единия случай организмът проявява егоизъм и изтласква увредените клетки, които се събират в пъпките, а от тях израстват нови хидри. „Така полипите се освобождават от вредните клетки и по всяка вероятност удължават своя собствен живот“, обяснява Шайбле. Други организми се жертват, извършвайки безкористен акт: Те събират здравите клетки в пъпките, които дават живот на нови наследници, а самият увреден организъм умира.
Чрез по-нататъшни експерименти учените целят да открият на кои молекули се дължи дългият живот на покровителстваните от тях организми. Те са концентрирали вниманието си върху протеина FOXO. Така се нарича транскрипционен фактор, регулиращ активността на голям брой гени – „един вид главен превключвател за обновяване на клетките и удължаване на живота“, обяснява Шайбле. Прилагайки специални субстанции, учените могат да внесат изменения в процесите на стареене на хидрата и по всяка вероятност да променят и активността на FOXO, а в резултат на това и на други гени. По този начин може да се увеличи смъртността на организмите.
За Шайбле и колегите му екстремната продължителност на живота на хидрата и фактът, че тя не старее представляват случай от особен интерес. „Ако в един такъв неостаряващ организъм, бяхме открили гени на стареенето, това щеше да е нещо забележително.“
Обобщение:
Вероятността за смърт при сладководния полип хидра се запазва постоянна през целия му живот – обратно на хората, при които рискът от смърт се увеличава с напредване на възрастта.
Стволови клетки, които запазват своята активност през целия живот на хидрата, й дават способността да замества старите клетки в организма с нови. По този начин организмът се освобождава от натрупващите се с времето вредни влияния върху клетките.
Речник:
Хидра:
Родът Хидра спада към тип Мешести, към който се причисляват и медузите. На биолозите са известни около 20 вида хидри. Те обитават езера и язовири, както и речни участъци с бавнотечаща вода. Организмът се състои от един крак, с който се закрепя на дъното, и една глава с 5 до 8 пипала. Пипалата хидрата използва за улавяне на плячката си. Върху тях са разположени книдоцити (нематоцити), които при докосване изпускат капсули, съдържащи отровни субстанции.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари