Extreme Nematoden vom Mono Lake: Schwimmen Sie in Arsen und überleben Sie

Wir alle wissen, dass im Toten Meer angesichts des unglaublichen Salzgehalts nur wenige überleben konnten. Ein solcher Lebensraum wird zu Recht als extrem und für das Leben unmöglich bezeichnet. Die letzte Aussage ist zwar nicht ganz richtig, denn es gibt Kreaturen, die auch unter schwierigsten Bedingungen leben können. In Kalifornien gibt es einen solchen Ort - den Lake Mono. Das Wasser darin ist extrem salzig und enthält Arsen, und dies deutet bereits darauf hin, dass Sie nur sehr wenige Nachbarn haben würden, wenn Sie sich entscheiden würden, dort zu leben. Bisher wurde angenommen, dass nur einzellige Algen, die sich von Krebstieren der Art Artemia monica ernähren, und Fliegen der Art Ephydra hians (Küstenfliegen oder alkalische Fliegen) im Wasser des Sees leben. Bakterien, die sich an raue Bedingungen anpassten, wurden später identifiziert. Auf dieser Liste der Bewohner des Stausees endete, aber die Natur ist voller Überraschungen, und der Mono-See ist keine Ausnahme.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus Japan, den USA, Großbritannien und Israel entdeckte 8 neue Arten von Nematoden, die im Mono-See leben. Diese Kreaturen haben keine Angst vor Arsen, sie haben eine Tasche wie ein Känguru und sie haben auch drei Geschlechter. Was soll ich sagen, die Evolution hört nicht auf zu überraschen. Welche anderen einzigartigen Eigenschaften haben extreme Nematoden, wie schaffen sie es, dem rauen Lebensraum standzuhalten und woher kommen sie im See? Antworten auf diese Fragen erwarten uns im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Nematoden sind weit verbreitet und zahlreiche Vertreter von Spulwürmern. Im Moment gibt es ungefähr 25.000 beschriebene Arten, aber wie viele Arten sind schwer zu sagen, da jedes Jahr neue eröffnet werden. Der Lebensraum dieser Kreaturen hängt davon ab, welchen Lebensstil sie bevorzugen: Freilebend kann im Boden, in Süßwasserreservoirs, im Meer usw. gefunden werden, aber parasitäre Arten leben natürlicherweise in lebenden Organismen (Tieren und Pflanzen).



Die Abmessungen der Nematoden variieren stark je nach Art. Die kleinsten erreichen eine Länge von 80 Mikrometern, und die größte Art, Placentonema gigantissima , die in der Plazenta von Pottwalen lebt, kann bis zu 8,5 Meter erreichen. Nicht, dass ich zimperlich gewesen wäre, aber es ist sogar ekelhaft, sich das vorzustellen.

Die Nematoden, über die wir heute sprechen, sind Extremophile, d.h. Vertreter lebender Organismen, die problemlos unter extremen Bedingungen leben können.



Und Mono Lake ist wirklich extrem fürs Leben. Erstens ist es dreimal salziger als der Ozean, und zweitens beträgt der pH-Wert darin 10 (zum Vergleich beträgt der pH-Wert in Bleichmittel 12,5).

Trotz dieser unattraktiven Bedingungen gibt es immer noch Leben im See. Artemia monica- Krebstiere, die sich von einzelligen Algen ernähren und Nahrung für mehr als 2 Millionen Vögel von 25 Arten sind, die in der Nähe nisten, wurden vor der Entdeckung der Nematoden als die massereichsten Bewohner des Mono-Sees angesehen. Wie Sie sehen können, können selbst die extremsten Orte auf dem Planeten voller Leben sein.


Nein, das sind keine Algen, sondern Horden von Fliegen am Ufer des Mono-Sees.

Die Untersuchung der im Mono-See lebenden Nematoden ermöglicht ein besseres Verständnis der Anpassungsmechanismen von Tieren an extreme Bedingungen sowie ihrer Auswirkungen auf das Ökosystem in dieser Art von Umgebung.

Forschungsergebnisse

Es ist erwähnenswert, dass der Mono-See ziemlich groß ist, das Einzugsgebiet 2030 km ² beträgt und der See selbst ungefähr 170 km ² , 21 km lang (von Ost nach West) und 15 km breit (von Nord nach Süd) ist. Angesichts dessen sowie der unterschiedlichen menschlichen Aktivitäten rund um den See variieren die Eigenschaften des Wassers und der Küste in verschiedenen Gebieten in dem einen oder anderen Ausmaß. Um das Leben in den Bodensedimenten des Mono-Sees zu untersuchen, wurde Boden an drei Standorten gesammelt:

• Grundstück A - Pristine Beach (Strand im Nordosten);
• Grundstück B - Navy Beach (Strand im Süden);
• Grundstück C - Old Marina (Strand im Westen).

Abschnitt A ist für Fahrzeuge völlig unzugänglich, daher ist die menschliche Aktivität in dieser Zone minimal. Auf dem Gelände B gibt es viele Tuffe - Kalk-Tuff-Türme, die aufgrund eines starken Rückgangs des Wasserspiegels im See (bis 1994 um 15 Meter) über dem Wasser aufragen, was diesen Ort bei Touristen äußerst beliebt macht. Abschnitt C hat auch eine kleine Anzahl von Tuffen, aber die Küste ist felsig, so dass es nicht viele Menschen gibt.

An jedem Standort wurden Bodenproben in drei Zonen entnommen: der Trockenzone, der Gezeitenzone und im See selbst. Mit einem Berman-Trichter wurden lebende Nematoden aus Bodenproben isoliert, die übrigens nicht in der Wassersäule gefunden wurden.


Bermans Trichter

Zusätzlich zu Nematoden wurden alkalische Fliegen und lokale Krebstiere gefunden, d.h. nur drei verschiedene Arten lebender Organismen, die erneut die Schwere der Umwelt zeigen.

Um zu verstehen, was genau das Wachstum und die Vermehrung von Nematoden im Mono-See beeinflusst, haben Wissenschaftler den Mineralisierungsgrad und den pH-Wert aller Bodenproben gemessen. Der durchschnittliche pH-Wert der Proben lag in allen Bereichen zwischen 9 und 10. Der Salzgehalt war jedoch je nach Probenahmestelle unterschiedlich. Abschnitt A hat also keinen Eintrittspunkt in Süßwasserströme und ist chemisch am extremsten. Trotzdem wurden in diesem Gebiet (in der Gezeitenzone) auch Nematoden gefunden. Daher sind Nematoden vollständig an solche Bedingungen angepasst und leben nicht ausschließlich in weniger extremen Abschnitten des Sees.


Bild Nr. 1

Die Nematoden-DNA-Analyse zeigte das Vorhandensein von 8 getrennten Spezies (in den Bildern 1B und 1C mit a - h markiert). Eine der Arten wurde ausschließlich in Parzelle A gefunden, sieben Arten in Parzelle B und drei Arten in Parzelle C. Nach einiger Zeit wurden bestimmte Arten ( e und f ) bereits in anderen Teilen des Sees gefunden, was auf ihren weiten Lebensraum hinweist.

Die Identifizierung von Nematoden erfolgte durch Analyse der Signaturen der großen Untereinheit der ribosomalen Ribonukleinsäure 28 rDNA und der kleinen Untereinheit der ribosomalen Ribonukleinsäure 18 rDNA. Die Ergebnisse zeigten, dass drei der isolierten Nematoden bekannte Arten sind und fünf zuvor nicht sequenzierte Arten ( 2A ).


Bild Nr. 2

Die untersuchten Nematoden werden durch Phylogenese * von Nematoden ( 2B ) mit den bekannten Arten Mononchoides americanus (Art c) und Diplogaster rivalis (d) in Klade * V und Prismatolaimus dolichurus (f) in Klade II verteilt. Zwei der zuvor nicht sequenzierten Arten, Auanema sp. (a) und Pellioditis sp. (b) zum Schatz V gehören.

Phylogenese * - die Entwicklung einer biologischen Spezies im Laufe der Zeit.

Klade * - eine Gruppe von Organismen mit einem gemeinsamen Vorfahren, die alle ihre direkten Nachkommen enthält.

Die Forscher ordneten der Familie und nicht der Gattung drei nicht sequenzierte Arten zu, da sie keine phylogenetisch nahen Arten aufweisen: Arten in Mermithidae (e, Klade I) und Arten in Monhysteridae (g und h, zwischen Kladen II und III).

Diese Artenvielfalt lässt darauf schließen, dass die Besiedlung des Mono-Sees durch wiederholte Besiedlung erfolgte, deren Gründe, Ursachen, Faktoren und Ereignisse unterschiedlich und voneinander getrennt waren.

Auch anatomisch entdeckte Arten unterschieden sich voneinander. Es wurden Anzeichen von drei verschiedenen Formen oraler Strukturen festgestellt: Brecher ( Auanema sp. , Pellioditis sp. , Monhysteridae ), Zähne ( M. americanus und D. rivalis ) und eine lange Speiseröhre mit kleinen zahnähnlichen Strukturen ( P. dolichurus ).

Die Eigenschaften der oralen Strukturen des Tieres ermöglichen es, seine Ernährung und seinen Essstil zu bewerten. Angesichts der Daten haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass Auanema sp. , Pellioditis sp. und Monhysteridae ernähren sich von Mikroorganismen, M. americanus , D. rivalis und P. dolichurus sind Raubtiere. Darüber hinaus gehören Arten von Mermithidae (e) zur Familie, deren Mitglieder Arthropodenparasiten sind. Daher kann angenommen werden, dass die Art e ein Parasit von Krebstieren und möglicherweise alkalischen Fliegen ist.

Ähnliche Beobachtungen und Entdeckungen lassen den Schluss zu, dass die Nematoden die dominierenden Organismen im Ökosystem des Mono-Sees ( 2C ) sind, sowohl hinsichtlich der Anzahl als auch der Artenvielfalt.

Die Untersuchung von Extremophilen ist nicht nur häufig mit ihrer Kultivierung (Kultivierung) unter Laborbedingungen verbunden, wodurch Sie den Entwicklungsprozess des Organismus, sein Verhalten und die Reaktionen auf bestimmte äußere Reize im Detail untersuchen können. Es ist jedoch nicht immer möglich, im Labor einen Organismus zu kultivieren, der unter extremen und manchmal unvorhersehbaren Bedingungen geboren wird, lebt und stirbt. Trotzdem gelang es den Wissenschaftlern, im Labor eine der im Mono-See vorkommenden Arten, nämlich Auanema sp. ( 3A ).


Bild Nr. 3

Zwei Unterarten der Nematoden Auanema sp. von Grundstück B (Navy Beach), das leicht eingefroren und dann aufgetaut werden konnte. Unter solchen Bedingungen hatten Nematoden eine reproduktive Lebensdauer von 2,5–3 Tagen bei 22,5 ° C , vergleichbar mit der von C. elegans (einem frei lebenden Nematoden, der als Modellorganismus verwendet wird).

Die Forscher stellen fest, dass die Gattung Auanema fünf weitere Arten enthält, die zuvor entdeckt und untersucht wurden, aber keine von ihnen lebte unter extremen Bedingungen.

Beobachtungen im Labor zeigten, dass Vertreter von Auanema sp. sind wie ihre Verwandten aus den Arten A. rhodensis und A. freiburgensis in drei Geschlechter unterteilt: Hermaphroditen, Männchen und Weibchen. Gleichzeitig hat Auanema sp. besitzt einige einzigartige typologische, biologische und phylogenetische Merkmale.

Die Männchen dieser Art unterscheiden sich in ihrer Struktur stark von den meisten zuvor untersuchten Arten, was den Vergleich von Fotografien des Schwanzabschnitts der männlichen Art Auanema sp. Bestätigt. und C. elegans .


Bilder des Schwanzabschnitts einer männlichen Art Auanema sp.

L - der gesamte Schwanzabschnitt, M - Q - Nahaufnahme des Rückens in verschiedenen Fokusebenen, mit Zahlen markierte Genitalpapillen, die mit dem Buchstaben B gekennzeichnete Schleimbeutel * , das Phasemid ist der Buchstabe P , die einzelne Papille ist der Buchstabe H (Haken).

Bursa * - subventrale Falten der Nagelhaut, die den Schwanz der Männchen teilweise oder vollständig umgeben.

Phasmiden * - gepaarte Seitenorgane (sensorische und Drüsenfunktionen).

Papille * ist ein Nagelhautwachstum, das eine gemischte Rezeptorfunktion ausübt.

Betrachten Sie zum Vergleich die Struktur des Schwanzabschnitts des männlichen Nematoden der Art C. elegans , der in der Nematologie als Modellorganismus verwendet wird.


Bilder, die die Entwicklung einer männlichen C. elegans-Art von einer Larve zu einem reifen Individuum zeigen.

Der Schwanz des Männchens wird in den letzten 4 Stunden des Larvenstadiums eingezogen. Abbildung A zeigt den Schwanz kurz vor Beginn dieses Prozesses. Die subkutanen Zellen der Schwanzspitze ( B ) sind die ersten Zellen, die sich zu dehnen beginnen. Der Pfeil in diesem Bild zeigt einen wachsenden mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum zwischen der Oberfläche des zukünftigen Erwachsenen und der L4- Nagelhaut an. C und D zeigen, dass sich der Körper innerhalb der Nagelhaut zu dehnen beginnt und diese füllt. E und F (Seiten- und Draufsicht) sind Bilder eines voll ausgebildeten erwachsenen männlichen Nematoden. Die Materialien für diesen Vergleich stammen von hier .

Bei Männchen C. elegans ähnelt die Schwanzregion einem Fächer mit vielen radialen Prozessen, bei Männchen der Art Auanema sp. Dieser im Mono Lake lebende Körperteil zeichnet sich durch einen kleinen Prozess in Form eines Hakens aus.

Weibliche Nematoden aus dem See sind ebenfalls einzigartig, da sie keine Eier legen, sondern vivipar sind ( 3B zeigt die Larve im Inneren des Weibchens). Die Wahl dieser Fortpflanzungsmethode ist auf raue Lebensbedingungen zurückzuführen. In der Mutter erhalten die Nachkommen Schutz vor Umwelteinflüssen. Daher besteht keine Notwendigkeit, sich auf ungewöhnliche Weise zu entwickeln, damit nicht nur Erwachsene im Mono Lake überleben können, sondern auch ihre Eier und Larven.

Das herausragendste Merkmal von Nematoden aus dem Mono-See ist natürlich ihre Stabilität. Das Seewasser enthält eine große Konzentration an Arsen - Arsenit As (III) und Arsenat As (V).

Vergleichsversuche wurden unter Beteiligung der Nematoden Auanema sp. (aus dem See) und C. elegans (Modell), die, wie bereits festgestellt, einer 60-fachen Arsen-Dosis des Menschen standhalten können.

Zunächst wurden Nematoden beider Arten in gewöhnliches Wasser gegeben. Beide Probanden zeigten einen hohen Überlebensgrad. Sie wurden dann mit 1,5 mM As (III) in Wasser gegeben, und nach 2,5 Stunden war das Überleben von Auanema sp. war höher ( 4A ) als C. elegans (das durchschnittliche Überleben von Auanema betrug 86% und C. elegans betrug 35%).


Bild Nr. 4

Nach 5 Stunden setzte sich der Trend fort: Die durchschnittliche Überlebensrate von Auanema sp. - 35% und in C. elegans - 7%. In der siebten Stunde des Experiments war das Überleben beider Arten äußerst gering: Auanema sp. - 24%, C. elegans - 7%.

Man könnte bereits an der Fähigkeit von Nematoden aus dem Mono-See zweifeln, Arsen zu widerstehen, aber die zweite Stufe der Experimente zeigte interessante Ergebnisse. Bei einer Konzentration von As (V) in 10 mM und 30 mM Auanema sp. zeigten auch nach 7 Stunden ein hohes Überleben: Auanema sp. - 79% und C. elegans - nur 16%.

Die Schlussfolgerung ist ganz einfach - Auanema sp. kann lange Zeit hohen Konzentrationen von As (V) standhalten, die 500-fache tödliche Dosis für den Menschen.

Die folgende Analyse zeigte noch interessantere Ergebnisse. Wissenschaftler beschlossen, die Arsenresistenz Auanema sp. (aus dem See) und seine anderen verwandten Arten A. freiburgensis und A. rhodensis , die unter nicht extremen Bedingungen leben. Nach 2,5 Stunden im Bad mit 1,5 mM As (III) zeigten nicht-extreme Spezies ein höheres Überleben als Nematoden aus dem Mono-See: Auanema sp. - 86%, A. freiburgensis - 99% und A. rhodensis - 97% ( 4B ).

Aber wie so? Es stellt sich heraus, dass die Resistenz gegen Arsen in Nematoden aus dem See keine einzigartige Fähigkeit ist? Ja und nein. Tatsache ist, dass dieses Merkmal ein häufiges voradaptives Merkmal für die gesamte Gattung Auanema ist. Mit anderen Worten, Nematoden hatten diese Fähigkeit vor der Besiedlung des Sees.

Es wird vermutet, dass die starke Resistenz aller drei Auanema- Arten auf neue Gene oder natürliche Mutationen bestehender Gene zurückzuführen ist. Eine der natürlichen Mutationen, die die Arsenempfindlichkeit bei C. elegans beeinflussen, ist die Missense-Mutation DBT-1 (C78S).

Diese Mutation im verzweigtkettigen Aminosäurestoffwechselprotein tritt in der hawaiianischen Unterart C. elegans auf . Die Sequenzierung von dbt-1 aus den drei Auanema- Arten zeigte das Vorhandensein einer Serinmutation , wie bei Hawaiian C. elegans ( 4C ).

Um sich eingehender mit den Nuancen der Studie vertraut zu machen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Die Welt ist voller lebensbedrohlicher Orte, an denen nach der Logik der Dinge kein Leben existieren sollte. Das Gleiche gilt jedoch für den Planeten selbst zu Beginn der Zeit. Das Leben kann unter allen Bedingungen existieren, nur Zeit wird benötigt, um sich anzupassen.

Natürlich hatten die Nematoden aus dem Mono-See bereits ein gewisses Maß an Anpassungsfähigkeit an die raue Umgebung, aber im Zuge der Kolonialisierung erwarben die Seen einige neue Merkmale, die ihre Ausdauer und damit die Chancen auf ein erfolgreiches Leben, in dem andere sterben würden, nur erhöhten.

Aber selbst die beständigsten Kreaturen auf unserem Planeten werden früher oder später vor einem unvermeidlichen Problem stehen - bei uns. Die Entwicklung der Menschheit hat zum Aussterben vieler Arten geführt, sogar von Extremophilen. Dies bedeutet nicht, dass ein Mensch ein echtes Übel ist, sondern nur, dass wir als Spezies die Vernetzung von allem, was uns umgibt, verstehen müssen. Zum Beispiel ist der Mono Lake für viele ein gefährlicher Lebensraum, jedoch ein Nistplatz für etwa 2 Millionen Vögel von 25 verschiedenen Arten. Diese Vögel ernähren sich von alkalischen Fliegen und Krebstieren, die sich von einzelligen Algen ernähren. Was passiert, wenn diese Algen nicht mehr existieren? Die Antwort ist leider sehr offensichtlich. Die Fortschrittsmaschine kann nicht gestoppt werden, aber sie kann viel genauer und verantwortungsbewusster gesteuert werden, mit Blick auf diejenigen, die nicht darin sitzen.



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