Επιστήμονες ανακάλυψαν ένα έντομο που παράγει τη δική του θερμότητα στο παγωμένο κρύο
Σε μια νέα μελέτη, επιστήμονες του Πανεπιστημίου Northwestern ερεύνησαν πώς αυτά τα μικρά, άπτερα έντομα, που κινούνται πάνω σε χιονισμένες επιφάνειες για να βρουν συντρόφους και να γεννήσουν αυγά, παραμένουν ζωντανά σε παγωμένες συνθήκες. Ανακάλυψαν ότι οι “χιονόμυγες” (snow flies) βασίζονται σε ένα εκπληκτικό μείγμα βιολογικών εργαλείων. Τα έντομα μπορούν να παράγουν τη δική τους σωματική θερμότητα, όπως τα θηλαστικά, και να παράγουν αντιψυκτικές πρωτεΐνες παρόμοιες με αυτές που βρίσκονται στα Αρκτικά ψάρια.
Ενώ τα περισσότερα έντομα δεν μπορούν να επιβιώσουν κάτω από το μηδέν, οι χιονόμυγες παραμένουν ενεργές σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο -6 βαθμοί Κελσίου (ή 21,2 βαθμοί Φαρενάιτ).
Αυτά τα ευρήματα παρέχουν νέα γνώση για το πώς η ζωή προσαρμόζεται σε ακραία περιβάλλοντα. Μπορεί επίσης να βοηθήσουν τους ερευνητές να αναπτύξουν νέους τρόπους προστασίας κυττάρων, ιστών και υλικών από βλάβες που προκαλούνται από το κρύο.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 24 Μαρτίου στο περιοδικό Current Biology.
“Τα έντομα είναι ψυχρόαιμα, οπότε βρίσκονται στο έλεος των εξωτερικών θερμοκρασιών”, δήλωσε ο Marco Gallio από το Northwestern, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. “Αλλά έχουν μια εκπληκτική ικανότητα να προσαρμόζονται στα άκρα. Όταν κάνει κρύο, μια κοινή στρατηγική είναι να βρουν καταφύγιο και να καταστούν αδρανή μέχρι να βελτιωθούν οι συνθήκες. Αλλά αντί να επιβραδύνουν, οι χιονόμυγες προτιμούν στην πραγματικότητα τις παγωμένες, χιονισμένες συνθήκες και κρύβονται όταν λιώνει το χιόνι και ζεσταίνει. Πραγματικά ωθούν τα όρια του δυνατού. Τώρα ανακαλύψαμε ότι οι χιονόμυγες δεν ανέχονται απλώς το κρύο, έχουν πολλαπλούς τρόπους να το αντιμετωπίσουν.”
Ο Gallio μελετά πώς η θερμοκρασία διαμορφώνει τη βιολογία και είναι ο Research Professor in Molecular Biology (Soretta and Henry Shapiro) καθώς και καθηγητής νευροβιολογίας στο Weinberg College of Arts and Sciences του Northwestern. Συν-ηγείται της μελέτης με τον Marcus Stensmyr, καθηγητή βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Lund της Σουηδίας. Άλλοι συνεργάτες από το Northwestern περιλαμβάνουν τον William Kath από τη McCormick School of Engineering και την Alessia Para από το Weinberg. Ο Gallio και ο Kath συνδέονται επίσης με το NSF-Simons National Institute for Theory and Mathematics in Biology (NITMB).
Ασυνήθιστα Γονίδια και Αντιψυκτικές Πρωτεΐνες
Για να κατανοήσουν πώς οι χιονόμυγες επιβιώνουν σε τόσο αντίξοες συνθήκες, οι ερευνητές εξέτασαν αρχικά τη γενετική τους σύνθεση. Ο Gallio και η ομάδα του ήταν οι πρώτοι που αλληλούχησαν το γονιδίωμα της χιονόμυγας και το σύγκριναν με συγγενικά έντομα που δεν είναι προσαρμοσμένα σε κρύα περιβάλλοντα. Ανέλυσαν επίσης RNA για να εντοπίσουν ποια γονίδια χρησιμοποιούνται ενεργά για την επιβίωση σε παγωμένες θερμοκρασίες. Αυτές οι σύνθετες συγκρίσεις έγιναν από τον Richard Suhendra, έναν διδακτορικό φοιτητή που συνεργάζεται με τον Kath.
Τα αποτελέσματα ήταν απροσδόκητα.
“Δεν μπορούσαμε να βρούμε πολλά από τα γονίδια σε καμία βάση δεδομένων”, είπε ο Gallio. “Αρχικά, σκέφτηκα ότι πρέπει να είχαμε αλληλουχήσει κάποιο εξωγήινο είδος. Είναι πολύ σπάνιο ένα ενεργό γονίδιο, που παράγει μια πρωτεΐνη, να μην έχει αντιστοιχία.”
Περαιτέρω έρευνα έδειξε ότι αυτά τα ασυνήθιστα γονίδια παράγουν αντιψυκτικές πρωτεΐνες. Όπως αυτές που βρίσκονται στα Αρκτικά ψάρια, αυτές οι πρωτεΐνες προσκολλώνται σε κρυστάλλους πάγου και εμποδίζουν την ανάπτυξή τους. Αυτή η διαδικασία προστατεύει τα κύτταρα από βλάβες κατά την κατάψυξη.
“Αξιοσημείωτο είναι ότι κάποιες από τις αντιψυκτικές πρωτεΐνες που βρήκαμε είναι πράγματι δομικά σχετιζόμενες με αυτές των Αρκτικών ψαριών”, δήλωσε ο Gallio. “Αυτό υποδηλώνει ότι η εξέλιξη κατέληξε στην ίδια λύση για ένα κοινό πρόβλημα.”
Η Παραγωγή Θερμότητας Βοηθά τις Χιονόμυγες να Παραμείνουν Ενεργές
Η ομάδα εντόπισε επίσης γονίδια που σχετίζονται με τη χρήση ενέργειας και κυτταρικές διεργασίες που εμπλέκονται στην παραγωγή θερμότητας. Αυτό υποδηλώνει μια άλλη απροσδόκητη ικανότητα. Οι χιονόμυγες δεν αντιστέκονται απλώς στην κατάψυξη, αλλά παράγουν και τη δική τους θερμότητα.
“Βρήκαμε γονίδια που σε μεγαλύτερα ζώα σχετίζονται με τη μιτοχονδριακή θερμογένεση σε καφέ λιπώδη ιστό”, είπε ο Gallio. “Πολλά ζώα όπως οι μαρμότες και οι πολικές αρκούδες έχουν καφέ λίπος, το οποίο υπάρχει για την παραγωγή θερμότητας. Όταν μπαίνουν σε χειμερία νάρκη, καίνε αυτό το αποθηκευμένο λίπος για να παράγουν θερμότητα αντί για χημική ενέργεια. Έτσι, κατά κάποιο τρόπο, οι χιονόμυγες χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό των στρατηγικών που χρησιμοποιούν οι πολικές αρκούδες και τα Αρκτικά ψάρια.”
Αποκλεισμός Πάγου και Δημιουργία Θερμότητας
Για να ελέγξουν πώς λειτουργούν οι αντιψυκτικές πρωτεΐνες, ο Matthew Capek, διδακτορικός φοιτητής στο Gallio Lab, τροποποίησε μύγες του ξιδιού ώστε να παράγουν μία από τις πρωτεΐνες των χιονόμυγες. Στη συνέχεια, τις εξέθεσε σε παγωμένες θερμοκρασίες σε έναν εργαστηριακό καταψύκτη. Οι τροποποιημένες μύγες επέζησαν σε πολύ υψηλότερα ποσοστά από τις κανονικές μύγες του ξιδιού, επιβεβαιώνοντας ότι οι πρωτεΐνες δρουν ως φράγματα που εμποδίζουν την εξάπλωση του πάγου.
Σε ένα άλλο πείραμα, οι ερευνητές έλεγξαν αν οι χιονόμυγες παράγουν πράγματι θερμότητα. Μέτρησαν την εσωτερική θερμοκρασία των εντόμων, ενώ μείωναν σταδιακά την εξωτερική θερμοκρασία κάτω από το σημείο πήξης. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, οι χιονόμυγες παρέμειναν σταθερά ελαφρώς πιο ζεστές από το αναμενόμενο κατά μερικούς βαθμούς Κελσίου σε σύγκριση με άλλα έντομα.
“Άλλα έντομα, όπως οι μέλισσες και οι σκώροι, τρέμουν για να αυξήσουν τη θερμότητά τους”, δήλωσε ο Stensmyr. “Αλλά δεν βρήκαμε καμία ένδειξη τρεμούλας. Οι χιονόμυγες πιθανότατα παράγουν θερμότητα σε κυτταρικό επίπεδο, πιο παρόμοια με τον τρόπο που παράγουν θερμότητα τα θηλαστικά, ακόμη και ορισμένα φυτά.”
Ακόμη και μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να είναι κρίσιμη για την επιβίωση σε τέτοιες ακραίες συνθήκες. Αυτή η σύντομη θερμότητα μπορεί να δώσει στις χιονόμυγες αρκετό χρόνο για να βρουν καταφύγιο και να αποφύγουν την κατάψυξη όταν η θερμοκρασία πέφτει απότομα.
Μειωμένη Ευαισθησία στον Πόνο από το Κρύο
Οι χιονόμυγες φαίνονται επίσης λιγότερο ευαίσθητες στα επώδυνα αποτελέσματα του ακραίου κρύου. Οι περισσότεροι άνθρωποι αναγνωρίζουν το ξαφνικό τσίμπημα της επαφής με τον πάγο ή το κρύο μέταλλο. Αυτή η αίσθηση προκαλείται από αντιδραστικά μόρια στα κύτταρα που σηματοδοτούν στο σώμα να αποφύγει τη βλάβη. Στις χιονόμυγες, αυτή η απόκριση είναι σημαντικά μειωμένη.
Ο Gallio και η ομάδα του διαπίστωσαν ότι μια βασική αισθητήρια πρωτεΐνη που εμπλέκεται στην ανίχνευση επιβλαβών ερεθισμάτων είναι πολύ λιγότερο ανταποκρίσιμη στις χιονόμυγες απ’ ό,τι σε άλλα έντομα. Ως αποτέλεσμα, αυτά τα έντομα μπορούν να αντέξουν υψηλότερα επίπεδα στρες που σχετίζεται με το κρύο και να συνεχίσουν να λειτουργούν σε συνθήκες που θα ξεπερνούσαν τα περισσότερα είδη.
“Αποδεικνύεται ότι ένας συγκεκριμένος υποδοχέας ερεθισμάτων είναι 30 φορές λιγότερο ευαίσθητος στις χιονόμυγες από ό,τι στα κουνούπια και στις μύγες του ξιδιού”, ανέφερε ο Gallio. “Έτσι, μπορούν να αντιμετωπίσουν υψηλότερα επίπεδα επώδυνων ερεθισμάτων που παράγονται από την έκθεση στο κρύο.”
Μελλοντική Έρευνα για την Επιβίωση στο Ακραίο Κρύο
Στη συνέχεια, οι ερευνητές σχεδιάζουν να διερευνήσουν λεπτομερέστερα πώς οι χιονόμυγες παράγουν θερμότητα σε κυτταρικό επίπεδο και να προσδιορίσουν το πλήρες φάσμα των αντιψυκτικών πρωτεϊνών που παράγουν. Αυτή η εργασία θα μπορούσε να αποκαλύψει εάν άλλοι οργανισμοί χρησιμοποιούν παρόμοιες στρατηγικές για να επιβιώσουν σε περιβάλλοντα με ακραίο κρύο.
Η μελέτη, “Coordinated molecular and physiological adaptations enable activity at subfreezing temperature in the snow fly Chionea alexandriana,” θα εμφανιστεί στο τεύχος της 6ης Απριλίου του περιοδικού Current Biology και θα βρίσκεται στο εξώφυλλο. Η εργασία στα διάφορα εργαστήρια υποστηρίχθηκε εν μέρει από τους National Institutes of Health, το Pew Scholars Program, το McKnight Foundation, το Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy, το Crafoord Foundation, το National Science Foundation, το Simons Foundation και το NITMB. Εξωτερικοί συνεργάτες περιλάμβαναν το πρόγραμμα DNAzoo και τους Olga Dudchenko και Erez Lieberman Aiden, οι οποίοι είναι μέλη ΔΕΠ στο Rice University και στο Baylor College of Medicine.