تاردیگراد ها (tardigrades) که گاهی خرس آبی نیز نامیده می شوند، راسته ای بسیار جالب از بی مهرگان هستند. سازگاری شگفت انگیز آن ها در برابر شرایط سخت، در دنیای حیات کم نظیر است.


به ادامه مطلب مراجعه کنید.

 تاردیگراد ها حداکثر تا 1 میلی متر رشد می کنند، اما می توانند به راحتی با میکروسکوپ دیده شوند. پیکر کوتاه و چاق آن ها دارای 4 جفت پای پهن است (با مفصل بندی ضعیف که از نشانه های متداول جانوران دارای بدن نرم است). هر پا به چهار تا هشت ناخن یا صفحه ختم می شود. این جانداران، روی دانه های شن یا بخش های گیاهی، شبیه خرس ها آهسته گام بر می دارند.


پای تاردیگراد ها و ناخن های آن


 از زمان کشف آن ها در سال 1773، 400 گونه تاردیگراد شناخته شده است. همه تاردیگراد ها دارای یک ساختار پیچیده دهانی- حلقی (bucco- pharyngeal) هستند. از ناخن ها و اندام دهانی- حلقی به عنوان صفات ریخت شناختی مشخص کننده گونه های مختلف استفاده شده است. بدن این جانداران با یک لایه کوتیکولی از کیتین، پروتئین ها و لیپید ها پوشیده شده است (Kinchin, 1994).


ساختار دهانی- حلقی در تاردیگراد ها. تصویر برگرفته از (Guidetti et al, 2013).


 تاردیگراد ها در محیط های آب شیرین و شور و نیمه آبی زندگی می کنند. در نمونه های خزه و گلسنگ می توان این مخلوقات کوچک را یافت. خرس های آبی را تقریبا در همه زیست بوم های دنیا می توان یافت، از خزه های یک جنگل گرمسیری گرفته تا آب های یخ زده اقیانوس منجمد شمالی. اما در کل آبزی در نظر گرفته می شوند؛ تا حد زیادی به این دلیل که باید توسط غشایی از آب احاطه شوند تا امکان تبادل گازی و مرطوب ماندن را داشته باشند. حدود 10 درصد از گونه های شناخته شده ساکن آب شور هستند و 90 درصد دیگر ساکن آب شیرین.


بسیاری از این محیط ها در طول سال متحمل تغییراتی در دما و حرارت می شوند. تاردیگراد های باید قادر به سازگاری با این تغییرات باشند و در غیر این صورت خواهند مرد. مطالعات اخیر نشان داده اند که برخی تاردیگراد های قطب جنوب می توانند در حالت آب پوشیده دما هایی حدود 80- درجه سلسیوس را تحمل کنند. تاردیگراد ها توان رفتن به حالت کریپتابیوز (cryptobiosis) را دارند؛ حالتی مشابه خواب زمستانی که به بقا در شرایط نوسانی محیطشان کمک می کند (Kinchin, 1994, Somme, 1995, Some, 1996).


شکل معمول یک tun


خرس های آبی از مایعات سلول های جانوری و گیاهی تغذیه می کنند. این جانوران دارای تیغ های هستند که به آن ها امکان سوراخ کردن دیواره سلول های گیاهی یا پیکر جانوران را می دهد. به کمک حبابی حلقی، قادرند محتوای درونی قطعات غذایی خود را به درون فرو ببرند. برخی از گونه های تاردیگراد شناخته شده اند که حتی قادر به بلعیدن کل یک جاندار هستند؛ که این طعمه ها معمولا روتیفر ها یا سایر تاردیگراد ها هستند.


تاردیگراد ها دو پایه (dioecious) هستند؛ بدین معنا که در جمعیت خود افراد نر و ماده دارند. هر یک گنادی دارد که در پشت شکم قرار گرفته است. لقاح می تواند از راه دخول صورت بگیرد یا این که پس از تخم گذاری ماده ها درون پوست خود یا روی آن، نر ها اسپرم خود را روی تخم ها رها کنند. ماده ها هر دفعه بین 1 تا 30 تخم می گذارند. تاردیگراد ها از ابتدای تولد تعداد ثابت و نامتغیری سلول دارند.



 گسترش وسیع تاردیگراد ها را می توان به سبک بودن تخم ها و پیکر آن ها در حالت کریپتابیوز، که tun نامیده می شود، نسبت داد که موجب حمل آن ها توسط باد یا حیوانات تا فواصل طولانی می شود.


یکی از راه های سازش تاردیگراد ها نسبت به انواع گوناگون محیط ها، توانایی تعلیق برگشت پذیر متابولیسم است. این حالت تحت عنوان کریپتابیوز شناخته شده است و حقیقتا حالتی شبیه به مرگ است. متابولیسم به 0.01 درصد حالت معمول کاهش می یابد یا به طور کل غیر قابل تشخیص می شود. آب بدن نیز می تواند به کمتر از 1 درصد حالت معمول کاهش یابد. عوامل نامساعد محیطی تعیین می کنند که کدام نوع از 4 نوع حیات کریپتابیوتیک آغاز شود:


شدیدترین نوع مطالعه شده از کریپتابیوز، انیدرابیوز (anhydrobiosis) نام دارد. زندگی در محیط های متناوبا مرطوب و خشک شونده، از جمله خزه ها، می طلبد که این جانداران بتوانند دوره های خشکی را پشت سر بگذارند. انیدرابیوز از دست دادن تقریبا کل آب بدن است و جانور می تواند بازه ای طولانی از زمان را با این شرایط بگذراند. تشکیل Tun که بخشی حیاتی از فرایند است، منجر به تا خوردن و کوچک شدن پیکر می شود. نخستین گام به داخل جمع شدن پا ها، انقباض طولی بدن و به درون تا خوردگی کوتیکول می باشد. مومی که ترشح می شود، سطح پیکر را می پوشاند و احتمالا به کاهش فقدان آب از راه تبخیر کمک می کند. فرایند تشکیل tun به متابولیسم فعال نیاز دارد (Wright, 1989). بازگشت از حالت انیدرابیوز معمولا در چند ساعت رخ می دهد اما بستگی دارد که تاردیگراد چقدر تحت شرایط انیدرابیوتیک بوده باشد (Somme, 1996).


کرایوبیوز (Cryobiosis) نوعی از کریپتابیوز است که با کاهش دما آغاز می شود و منجر به انجماد آب درون سلول ها می شود. کرایوبیوز به تاردیگراد این امکان را می دهد که چرخه های سریع انجماد و ذوب شدن را در نواحی قطبی تحمل کنند (Wright, 1992).


اسموبیوز (Osmobiosis) نوعی کریپتابیوز است که با کاهش پتانسیل آب در نتیجه افزایش غلظت محلول پیرامونی، آغاز می شود. مطالعات درباره اسموبیوز، تنها شامل دو بار پژوهش روی تاردیگراد هاست. هنگام غوطه وری در محلول های شور آزمایشگاهی، اغلب تاردیگراد ها سریعا تشکیل tun می دهند. اما تا زمانی که جانوران فعال قادر به تحمل شوری بالا هستند، الزامی برای زندگی کریپتابیوتیک نیست. چگونگی انجام این فرایند ناشناخته مانده اما به نظر می رسد شامل توقف متابولیسم باشد.


افت شدید تراکم اکسیژن نیز باعث ایجاد حالتی از تعلیق در تاردیگراد ها می شود که به عنوان نوعی کریپتابیوز واقعی در نظر گرفته نشده است و آنوکسی بیوز (Anoxybiosis) نامیده می شود. جانور در این حالت پهن، متورم و فاقد تحرک می شود. تاردیگراد ها به تغییرات شدید اکسیژن بسیار حساس اند و کاهش طولانی مدت اکسیژن به بر هم خوردن تنظیمات اسمزی می انجامد. برخلاف سایر انواع کریپتابیوز، آنوکسی بیوز شامل دریافت آب است و جانور متورم می شود. زمان بازگشت از آنوکسی بیوز مستقیما متناسب با مدت زمانی است که جانور در حالت تعلیق بوده است. جان رایت (Wright, 1992) توضیح می دهد که نرخ بقای تاردیگراد ها در آنوکسی بیوز پایین است؛ زیرا مطالعه انجام شده توسط جان کروو (Crowe, 1975) نشان می دهد که تاردیگراد ها تنها برای 3 تا 4 روز در این حالت زنده باقی می مانند. در حالی که (Kristensen & Hallas, 1980) بقای 6 ماهه جاندار را در یک ویال گزارش کرده اند.


تاردیگراد به شدت برای زندگی در شرایط سخت سازگار شده اند. آن ها می توانند مقادیر شدیدی از تابش هایی را که برای سایر جانوران کشنده است، تحمل کنند. جمعی از پژوهشگران دانشگاه توکیو طی پژوهشی (Hashimoto et al, 2016) برای فهم چگونگی مقاومت تاردیگراد ها در برابر پرتو های پرانرژی، دریافتند که این توانایی در ارتباط با یک پروتئین محافظت کننده و غیر معمول است که به عنوان سپری از DNA در برابر آسیب های ناشی از پرتوزایی جلوگیری می کند. این پروتئین "جلوگیری کننده از آسیب (Damage suppressor)" یا به اختصار Dsup، مولکول DNA را به صورت فیزیکی در بر می گیرد اما در عملکرد طبیعی آن اختلالی ایجاد نمی کند.


این گروه پس از توالی یابی ژنوم Ramazzottius varieornatus، یکی از مقاوم ترین گونه های تاردیگراد، Dsup را کشف کردند. تیم دریافت که این پروتئین قادر است سلول های کلیوی را، پس از آن که از نظر ژنتیکی برای تولید Dsup مهندسی شدند، در برابر آسیب های ناشی از تابش حفظ کند.


کاربرد های آینده از این پروتئین می تواند سلول های سالم بدن انسان را در معرض پرتو های سرطان درمانی و تابش های کیهانی در امان نگه دارد. کانیدا، یکی از سرپرست های مطالعه، گفت: "از آن جایی که Dsup مقاومت سلول های کشت شده انسانی را در برابر تابش ها افزایش دادند، امیدوارم که توسعه جانورانی با تحمل بالا در برابر پرتو ها ممکن باشد." هنگام جستجو در ژنوم تاردیگراد، همچنین نسخه های اضافی از ژن های محافظت کننده یافت شد. آن ها 16 نسخه از آنزیم های خنثی کننده گونه های فعال اکسیژن (ROS) یافتند در حالی که در اغلب مخلوقات دیگر تنها 10 نسخه وجود دارد. همچنین چهار نسخه از ژن های ترمیم کننده DNA تحت عنوان MRE11 یافتند در حالی که در سلول های جانوری معمولا یک نسخه یافت می شود.


در سپتامبر 2007، اینگمر جانسون و همکاران اش از دانشگاه Kristianstad سوئد، دو گونه از تاردیگراد ها را که در شرایط خشکی قرار داده شده بودند، با یکی از ماهواره های پروژه FOTON- M3 از قزاقستان پرتاب کردند.


پس از 10 روز قرار گرفتن در فضا، ماهواره به زمین بازگشت. تاردیگراد ها بازیابی شدند تا پاسخ آن ها در برابر شرایط خلا و نیز پرتو های فرابنفش خورشیدی و ذرات باردار تحت عنوان تابش کیهانی سنجیده شود. خود خلا تاثیرات اندکی روی آن ها داشت. اما تابش فرابنفش که می تواند به مواد سلولی و DNA آسیب بزند، اثر خود را بر جای گذاشته بود. در یکی از دو گونه آزمایشی، 68 درصد افرادی که از تابش های پر انرژی خورشید در امان مانده بودند، در عرض 30 دقیقه احیا شدند. اما تنها تعداد اندکی از قرارگیری در برابر فرابنفش خورشیدی جان سالم به در بردند (Jönsson, 2008). پیش از این آزمایش، تنها گلسنگ ها و باکتری ها برای سازگاری با خلا و تابش های فضایی شناخته شده بودند.


 تاردیگراد ها برای سازگاری در شرایط کم آبی شدید، وابسته به پروتئین هایی منحصر به فرد، به نام "پروتئین های مرتبط با اختلال طبیعی مخصوص تاردیگراد ها (TDPs)" هستند. هنگامی که آب پیرامون جاندار است، این پروتئین های جلوگیری کننده از کم آبی (دهیدراسیون)، ژله مانند هستند. هنگامی که جانور کاملا در شرایط خشکی قرار می گیرد، TDP ها، مایع سیتوپلاسمی سلول ها را به حالت شیشه ای در می آورند. احتمالا این مخلوط شیشه ای، سایر پروتئین ها و مولکول های زیستی حساس به خشکی را به دام انداخته و یک جا حبس می کند. بنابراین به طور فیزیکی جلوی از بین رفتن تاخوردگی های پروتئینی و شکسته شدن یا متراکم شدن آن ها گرفته می شود (Boothby et al, 2017).

منابع:


Boothby, T. C. et al. 2017, Tardigrades Use Intrinsically Disordered Proteins to Survive DesiccationMolecular Cell, 65(6). (پیشتر این خبر در وبلاگ منتشر شده بود).


Crowe, J. H., Madin, K. A. 1975, Anhydrobiosis in nematodes: Evaporative water loss and survivalJournal of Experimental Zoology, 193(3).


Guidetti, R. 2013, The morphological and molecular analyses of a new South American urban tardigrade offer new insights on the biological meaning of the Macrobiotus hufelandigroup of species (Tardigrada: Macrobiotidae)Journal of Natural History, 47(37-38).


Hallas, T. E., Kristensen, R. M. 1980, The Tidal Genus Echiniscoides and Its Variability, with Erection of Echiniscoididae fam.n. (Tardigrada), Zoologica Scripta, 9(1-4).


Hashimoto, T., Kunieda, T. et al. 2016, Extremotolerant tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein, Nature Communications.


Jönsson, K. I. et al. 2008, Tardigrades survive exposure to space in low Earth orbitCurrent Biology, 18(17).


Kinchin, I.M. 1994, The Biology of Tardigrades, Portland publications.


Somme, L., Meier, T. 1995, Cold tolerance in Tardigrada from Dronning Maud Land, AntarcticaPolar Biology, 15(3).


Somme, L. 1996, Anhaydrabiosis and cold tolerance in Tardigrades, European Journal of Entomology93(3).


Wright, J.C. 1989, Desiccation tolerance and water-retentive mechanisms in tardigrades, Journal of Experimental Biology142.


Wright, J.C. et al. 1992, Cryptabiosis in Tardigrada, Biological reviews, 67 (1).


گردآوری مطالب:

Illinois Wesleyan University- The Species Distribution Project