Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа заняла второе место в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — некоммерческая школа-пансион «Летово».

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Пустынная черепаха и ее универсальный мочевой пузырь

Пустынная черепаха (Gopherus agassizii) (рис. 1) живет в пустынях Мексики и США, а значит, постоянно сталкивается с недостатком воды. Во время засухи она может терять до 40% массы тела, что позволяет ей значительно экономить водные ресурсы. Но главный секрет ее выживания — запасание части употребляемой воды в мочевом пузыре. В растянутом виде размер мочевого пузыря может занимать до половины целомической полости. При недостатке влаги черепаха может обратно всасывать из него жидкость [1]. Благодаря этому механизму она больше года (!) может жить без воды. Эта же особенность позволяет черепахе питаться сухими растениями — из-за наличия такого большого водного резервуара концентрация растворенных токсичных веществ снижается. Стенки мочевого пузыря Gopherus agassizii проницаемы: вода, ионы и небольшие молекулы (например мочевины) из мочи, могут проникать в кровеносные сосуды, располагающиеся в толще стенок мочевого пузыря [2]. Таким образом, метаболиты она накапливает не только в мочевом пузыре, но и в плазме крови. Кроме того, черепаха использует свой универсальный орган и с защитной функцией: когда она чувствует опасность, то опорожняет его, отпугивая потенциального врага. Еще одной удивительной особенностью является то, что у шейки мочевого пузыря есть сфинктер, позволяющая мочеточникам открываться в клоаку, минуя мочевой пузырь. Эта особенность необходима при случайном избытке воды.

Австралийский молох и его уникальная кожа

Австралийский молох (Moloch horridus) (рис. 2) умеет собирать воду кожей. Обратите внимание, что речь идет не только о дождевой воде, которая упала на него сверху, но и о влаге, которая находится в песке. Молох буквально «высасывает» ее, оставляя при этом сухой большую часть поверхности тела. Кожа ящерицы покрыта шестиугольными чешуйками. Каждую чешуйку окружает каналец, поэтому образовавшаяся сеть каналов имеет почти шестиугольную структуру. Вода, попадая в эту сеть, пассивно поднимается и передвигается по ним прямо к чешуе, окружающей рот молоха [3]. Но это еще не все. Раньше считалось, что многочисленные выросты в полостях канала нужны для увеличения площади поверхности. Однако оказалось, что эти выступы образуют сеть капилляров внутри основных каналов. Предполагается, что они выполняют очень важную функцию: так как капиллярные силы обратно пропорциональны диаметру капилляра, то их проводимость выше [4]. Ученые считают, что тончайшие капилляры способны транспортировать воду выше (или дальше) на 39%, чем каналы! Это позволяет ящерице максимально продуктивно использовать те драгоценные водные ресурсы, которые удается добыть.

Северная роющая лягушка и ее надежный чехол из слизи

Северная роющая лягушка (Neobatrachus aquilonius) (рис. 3) — эндемичный австралийский вид лягушек. Она не способна активно переживать длительные засухи. Как только температура становится экстремально высокой, а вода с поверхностей исчезает, она впадает в летнюю спячку — аналог зимней спячки, но обусловленной не заморозками, а дефицитом влаги. Во время подготовки к спячке, лягушка закапывается в песок, буквально впитывая воду из окружающей среды, пока почва не засохнет настолько, что приток новой воды будет невозможен. Затем она начинает выделять вокруг себя слизистый чехол. Чехол полностью покрывает тело лягушки, включая даже рот и клоаку [5]. Он состоит из чередующихся слоев слизи и эпидермиса. Слои утолщаются по мере удаления от тела. Наружные слои гораздо толще внутренних. И хотя средняя толщина всего чехла составляет всего около 21 мкм, он служит отличным барьером от испарения воды. При этом ученые установили, что толщина сильно варьирует на разных частях организма. Важно понимать, что благодаря чехлу вода не может не только выходить из организма, но и поступать из окружающей среды.

В этих условиях для лягушки жизненно важно сохранять водный баланс внутри чехла в течение всей спячки. И, представьте, у нее есть способ это сделать! Известно, что у земноводных количество воды в организме регулируется через кожу, мочевой пузырь или почки. Для регуляции водного обмена северная лягушка вырабатывает специальный гормон — аргинин-вазотоцин. Этот гормон не только повышает водообмен кожи и мочевого пузыря, но и обладает способностью замедлять фильтрацию плазмы крови в почечном клубочке и увеличивать обратное всасывание воды в почечных канальцах [6]. Так Neobatrachus aquilonius экономит воду внутри себя в течение всей засухи. А когда наступает сезон дождей, северная роющая лягушка просыпается и с удовольствием съедает свой чехол.

Протоптер и его живой кокон

Можете ли вы представить себе рыбу, которая способна жить без воды целых полгода? А такая есть. Это протоптер (Protopterus sp.) (рис. 4), двоякодышащая рыба, обитающая в Африке. Ежегодно, когда наступает засуха, она зарывается в глину и наращивает вокруг себя оболочку. Раньше считалось, что эта оболочка состоит из слизи, как у лягушек. Но совсем недавно ученые совершили удивительное открытие. Оказалось, что оболочка — это жировая ткань, выполняющая иммунную функцию. Состоит она из двух основных чередующихся между собой слоев. Первый слой составляют клетки верхнего слоя кожи — эпидермиса, второй — гранулоциты, клетки кровеносной системы, выполняющие в организме двоякодышащей рыбы иммунные функции. Было установлено, что образование оболочки происходит в несколько этапов. Сигналом к началу создания служит недостаток влаги и пищи. В этот момент гранулоциты по капиллярам постепенно подплывают к верхнему слою кожи — эпидермису. Потом начинается перестройка кожи, при этом все больше гранулоцитов проникает в эпидермис. Затем воспаляется базальная мембрана, и эпидермис начинает расслаиваться. Многие гранулоциты при этом остаются между слоями эпидермиса. Они выполняют иммунную функцию. При необходимости они подвергают себя апоптозу, выбрасывая свою ДНК в качестве ловушки, в которой запутываются и погибают бактерии [7]. Таким образом, они не проникают в тело протоптера. Получается что кокон двоякодышащей рыбы — это не мертвый сухой слой слизи, а живая ткань с четко определенной клеточной структурой.

Приведенные примеры убедительно показывают нам, насколько многообразна природа, какими удивительными механизмами приспособления к, казалось бы, невыносимым условиям окружающей среды снабдила она некоторых животных, и, кто знает, сколько еще предстоит обнаружить ученым.

Литература

1. Berry K.H. and Murphy R.W. Gopherus agassizii (Cooper 1861) — Mojave desert tortoise, Agassiz’s desert tortoise. In: Conservation Biology of Freshwater Turtles and Tortoises: A Compilation Project of the IUCN/SSC Tortoise and Freshwater Turtle Specialist Group / ed. by Rhodin A.G.J., Iverson J.B., van Dijk P.P., Stanford C.B., Goode E.V., Buhlmann K.A., Pritchard P.C.H. and Mittermeier R.A. Chelonian Research Monographs, 2019. P. 1–45;
2. Grover M.C., DeFalco L.A. Desert tortoise (Gopherus agassizii): status-of-knowledge outline with references. Gen. Tech. Rep. INT-GTR-316. Ogden, UT: U.S. Department of Agriculture, Intermountain Research Station, 1995. — 134 p.;
3. Philipp Comanns, Philip C. Withers, Falk J. Esser, Werner Baumgartner. (2016). Cutaneous water collection by a moisture-harvesting lizard, the thorny devil (Moloch horridus). Journal of Experimental Biology. 219, 3473-3479;
4. Philipp Comanns, Falk J. Esser, Peter H. Kappel, Werner Baumgartner, Jeremy Shaw, Philip C. Withers. (2017). Adsorption and movement of water by skin of the Australian thorny devil (Agamidae: Moloch horridus ). R. Soc. open sci.. 4, 170591;
5. Thompson G.G., Withers P.C., McMaster K.A., Cartledge V.A. (2005). Burrows of desert-adapted frogs, Neobatrachus aquilonius and Notaden nichollsi. J. R. Soc. West. Aust. 88, 17–23;
6. Victoria A. Cartledge, Philip C. Withers, Kellie A. McMaster, Graham G. Thompson, S. Don Bradshaw. (2006). Water balance of field-excavated aestivating Australian desert frogs, the cocoon-formingNeobatrachus aquiloniusand the non-cocooningNotaden nichollsi(Amphibia: Myobatrachidae). Journal of Experimental Biology. 209, 3309-3321;
7. Ryan Darby Heimroth, Elisa Casadei, Ottavia Benedicenti, Chris Tsuyoshi Amemiya, Pilar Muñoz, Irene Salinas. (2021). The lungfish cocoon is a living tissue with antimicrobial functions. Sci. Adv.. 7.