Супер-антифриз в клетках: способность выживать во льду и снегу появилась у животных гораздо раньше, чем считалось
Около 450 миллионов лет назад, в конце ордовикского периода, Земля была тёплой и влажной, а жизнь кипела в море. Однако вскоре планета начала замерзать, что привело ко второму по масштабу массовому вымиранию в её истории.
Одним из выживших животных стала ногохвостка — маленькое, похожее на насекомое существо. Она выработала особую стратегию борьбы с холодом: её клетки начали производить белки, защищающие от замерзания.
Исследование Орхусского университета (Дания) и Университета Куинс (Канада) показывает, что ногохвостка, возможно, была первым животным, у которого развились антифризные белки. Ранее учёные полагали, что это произошло гораздо позже.
«Мы знали, что антифризные белки независимо развивались несколько раз в ходе эволюции. Они есть у рыб, насекомых, некоторых пауков. Но мы не знали, что они появились так рано в животном мире», — говорит профессор Мартин Хольмструп, один из авторов исследования.
Уникальное место в эволюции и распространённость
Ногохвостка — не насекомое, она занимает отдельную ветвь на эволюционном древе. Известно более 9000 её видов, и встречается она повсеместно, включая обычные сады. Живёт в верхних слоях почвы, питаясь микроскопическими грибами и бактериями, и играет важную роль в здоровье почвы.
Эксперимент и древнее происхождение
Учёные содержат около 20 видов ногохвосток в лаборатории в простых условиях (чашки Петри, гипс, дрожжи). Образцы отправили в Канаду для молекулярных экспериментов.
Зная ДНК-последовательность, кодирующую антифризный белок, исследователи могут искать её у разных видов и определять время возникновения соответствующей мутации.
«Расчёты показывают, что ногохвостки развили антифризный белок задолго до других животных. У рыб и насекомых это произошло на миллион лет позже», — объясняет Мартин Хольмструп.
Механизм действия: связывание со льдом и сушка
Антифризные белки, также называемые лед-связывающими, прикрепляются к поверхности мельчайших кристаллов льда и не дают им расти. Это критически важно, когда почва замерзает.
Но у ногохвосток есть и второй механизм выживания:
«Чтобы предотвратить замерзание воды в клетках, ногохвостка позволяет себе высохнуть и впасть в форму спячки», — говорит учёный.
В состоянии гибернации метаболизм практически останавливается. Весной животное впитывает воду и возвращается к жизни. Этот процесс сравнивают с превращением винограда в изюм.
Открытие в рыбах и современное применение
В середине XX века учёные разгадали загадку, как арктические рыбы выживают в воде с температурой –1,8 °C, хотя точка замерзания их крови около –1 °C. Исследователь Артур ДеВрис выделил у них антифризные белки.
Сегодня эти белки, производимые с помощью промышленных дрожжевых культур, нашли применение в пищевой промышленности, особенно в мороженом. Они улучшают текстуру и позволяют продукту выдерживать повторную заморозку без образования крупных кристаллов льда.
Их также тестируют в аэрокосмической отрасли и ветроэнергетике для защиты поверхностей от обледенения.
Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.