Nematoda ekstrem dari Danau Mono: berenang di arsenik dan bertahan hidup

Kita semua tahu bahwa di Laut Mati, hanya sedikit yang bisa bertahan hidup, mengingat tingkat salinitas yang luar biasa. Habitat seperti itu disebut ekstrem dan tidak mungkin untuk kehidupan. Benar, pernyataan terakhir tidak sepenuhnya benar, karena ada makhluk yang dapat hidup bahkan dalam kondisi yang paling sulit. Di California, hanya ada tempat seperti itu - Danau Mono. Air di dalamnya sangat asin dan mengandung arsenik, dan ini sudah menunjukkan bahwa Anda akan memiliki sedikit tetangga jika Anda memutuskan untuk tinggal di sana. Sebelumnya, diyakini bahwa hanya ganggang uniseluler, yang memakan krustasea spesies Artemia monica, dan lalat spesies Ephydra hians (lalat pantai atau lalat alkali) yang hidup di perairan danau. Bakteri yang beradaptasi dengan kondisi keras kemudian diidentifikasi. Pada daftar ini penghuni waduk berakhir, tetapi alam penuh kejutan, dan Danau Mono tidak terkecuali.

Tim ilmuwan internasional dari Jepang, AS, Inggris, dan Israel menemukan 8 spesies nematoda baru yang hidup di Danau Mono. Makhluk-makhluk ini tidak takut arsenik, mereka memiliki tas seperti kangguru, dan mereka juga memiliki tiga jenis kelamin. Apa yang bisa saya katakan, evolusi tidak berhenti membuat takjub. Apa karakteristik unik lain yang dimiliki nematoda ekstrem, bagaimana mereka dapat bertahan di habitat yang keras dan dari mana mereka berasal di danau? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menanti kita dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Nematoda cukup umum dan banyak mewakili cacing gelang. Saat ini, ada sekitar 25.000 spesies yang dideskripsikan, tetapi berapa banyak spesies yang sulit dikatakan, karena spesies baru dibuka setiap tahun. Habitat makhluk-makhluk ini bergantung pada gaya hidup yang mereka sukai: hidup bebas dapat ditemukan di tanah, di reservoir air tawar, laut, dll., Tetapi spesies parasit secara alami hidup di dalam organisme hidup (hewan dan tumbuhan).



Dimensi nematoda sangat bervariasi tergantung pada spesies. Yang terkecil mencapai 80 mikron, dan spesies terbesar, Placentonema gigantissima , yang hidup di plasenta paus sperma, dapat mencapai 8,5 meter. Bukannya saya mudah tersinggung, tetapi itu bahkan menjijikkan untuk dibayangkan.

Nematoda yang kita bicarakan hari ini adalah extremophiles, mis. perwakilan dari organisme hidup yang mampu hidup dalam kondisi yang sangat ekstrem tanpa masalah.



Dan Danau Mono benar-benar ekstrem seumur hidup. Pertama, tiga kali lebih asin daripada lautan, dan kedua, tingkat pH di dalamnya 10 (untuk perbandingan, pH dalam pemutih adalah 12,5).

Meskipun kondisi yang tidak menarik seperti itu, masih ada kehidupan di danau. Artemia monica crustacea, yang memakan alga uniseluler dan merupakan makanan bagi lebih dari 2 juta burung dari 25 spesies yang bersarang di sekitarnya, dianggap sebagai penghuni Danau Mono yang paling masif sebelum ditemukannya nematoda. Seperti yang Anda lihat, bahkan tempat paling ekstrem di planet ini bisa penuh dengan kehidupan.


Tidak, ini bukan ganggang, tetapi gerombolan lalat di tepi Danau Mono.

Studi tentang nematoda yang hidup di Danau Mono memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme adaptasi hewan terhadap kondisi ekstrem, serta dampaknya terhadap ekosistem di lingkungan semacam ini.

Hasil penelitian

Perlu dicatat bahwa Danau Mono cukup besar, daerah tangkapan air adalah 2030 km ² , dan danau itu sendiri sekitar 170 km ² , panjang 21 km (dari timur ke barat), dan lebar 15 km (dari utara ke selatan). Mengingat hal ini, serta berbagai tingkat aktivitas manusia di sekitar danau, karakteristik air dan pantai di berbagai daerah akan bervariasi hingga satu derajat atau yang lain. Oleh karena itu, untuk mempelajari kehidupan di sedimen dasar Danau Mono, tanah dikumpulkan dari tiga lokasi:

• Plot A - Pristine Beach (pantai di timur laut);
• plot B - Navy Beach (pantai di selatan);
• plot C - Old Marina (pantai di barat).

Bagian A benar-benar tidak dapat diakses oleh kendaraan, oleh karena itu aktivitas manusia di zona ini minimal. Di situs B ada banyak tuf - tuf menara menjulang di atas air karena penurunan tajam dalam tingkat air di danau (15 meter pada tahun 1994), yang membuat tempat ini sangat populer di kalangan wisatawan. Bagian C juga memiliki sejumlah kecil tufa, tetapi pantainya berbatu, karena jumlah penduduknya tidak banyak.

Di setiap lokasi, sampel tanah diambil dalam tiga zona: zona kering, zona pasang surut, dan di danau itu sendiri. Menggunakan corong Berman, nematoda hidup diisolasi dari sampel tanah, yang, bagaimanapun, tidak ditemukan dalam kolom air.


Saluran Berman

Selain nematoda, lalat alkali dan krustasea lokal ditemukan, yaitu hanya tiga jenis organisme hidup, yang sekali lagi menunjukkan tingkat keparahan lingkungan.

Untuk memahami apa yang sebenarnya mempengaruhi pertumbuhan dan reproduksi nematoda di Danau Mono, para ilmuwan mengukur tingkat mineralisasi dan pH semua sampel tanah. Rata-rata pH sampel berkisar antara 9 hingga 10 di semua area. Tetapi tingkat salinitas, tergantung pada lokasi pengambilan sampel, bervariasi. Jadi, bagian A tidak memiliki titik masuk ke aliran air tawar dan merupakan yang paling ekstrim secara kimiawi. Tetapi, meskipun demikian, nematoda juga ditemukan di daerah ini (di zona pasang surut). Oleh karena itu, nematoda sepenuhnya disesuaikan dengan kondisi seperti itu dan tidak hidup secara eksklusif di bagian danau yang kurang ekstrim.


Gambar No. 1

Analisis DNA nematoda menunjukkan keberadaan 8 spesies terpisah (diberi label a - h pada gambar 1B dan 1C ). Salah satu spesies ditemukan secara eksklusif di plot A, tujuh spesies di plot B dan tiga spesies di plot C. Setelah beberapa waktu, spesies tertentu ( e dan f ) sudah ditemukan di bagian lain danau, yang menunjukkan habitat mereka yang luas.

Identifikasi nematoda dilakukan dengan menganalisis tanda tangan dari subunit besar asam ribonukleat ribosom 28 rDNA dan subunit kecil asam ribonukleat ribosom 18 rDNA. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tiga dari nematoda yang terisolasi adalah spesies yang diketahui, dan lima sebelumnya adalah spesies non-sequencing ( 2A ).


Gambar No. 2

Nematoda yang diteliti didistribusikan oleh filogenesis * nematoda ( 2B ) dengan spesies yang dikenal Mononchoides americanus (spesies c) dan rivat Diplogaster (d) dalam clade * V dan Prismatolaimus dolichurus (f) pada clade II. Dua dari spesies yang sebelumnya tidak diurutkan, Auanema sp. (a) dan Pellioditis sp. (B) milik harta V.

Filogenesis * - perkembangan spesies biologis seiring waktu.

Clade * - sekelompok organisme dengan leluhur yang sama, berisi semua keturunan langsungnya.

Para peneliti menugaskan tiga spesies yang tidak diurutkan untuk keluarga, dan bukan pada genus, karena mereka tidak memiliki spesies yang secara filogenetis dekat: spesies di Mermithidae (e, clade I) dan spesies di Monhysteridae (g dan h, antara clades II dan III).

Keragaman spesies seperti itu menunjukkan bahwa penyelesaian Danau Mono terjadi melalui kolonisasi berulang, alasan yang berbeda, terpisah satu sama lain, penyebab, faktor dan peristiwa.

Spesies yang ditemukan secara anatomi juga berbeda satu sama lain. Tanda-tanda tiga bentuk struktur mulut yang berbeda terungkap: penghancur ( Auanema sp. , Pellioditis sp. , Monhysteridae ), gigi ( M. americanus dan D. rivalis ) dan kerongkongan panjang dengan struktur mirip gigi kecil ( P. dolichurus ).

Karakteristik struktur mulut hewan memungkinkan untuk mengevaluasi pola makan dan gaya makannya. Mengingat data, para ilmuwan telah menyarankan bahwa Auanema sp. , Pellioditis sp. dan Monhysteridae memakan mikroorganisme, M. americanus , D. rivalis , dan P. dolichurus adalah predator. Selain itu, spesies dari Mermithidae (e) milik keluarga yang anggotanya adalah parasit arthropoda. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa spesies e adalah parasit dari danau krustasea dan, mungkin, lalat basa.

Pengamatan dan penemuan serupa memungkinkan kita untuk menyimpulkan bahwa itu adalah nematoda yang merupakan organisme dominan dalam ekosistem Danau Mono ( 2C ), baik dalam jumlah maupun dalam keanekaragaman spesies.

Studi tentang ekstrofil dan tidak hanya sering dikaitkan dengan budidaya mereka (budidaya) dalam kondisi laboratorium, yang memungkinkan Anda untuk memeriksa secara detail proses pengembangan organisme, perilaku dan tanggapannya terhadap rangsangan eksternal tertentu. Namun, tidak selalu memungkinkan untuk mengolah di laboratorium suatu organisme yang lahir, hidup dan mati dalam kondisi yang sangat ekstrem, dan terkadang tidak dapat diprediksi. Namun demikian, para ilmuwan berhasil tumbuh di laboratorium salah satu spesies yang ditemukan di Danau Mono, yaitu Auanema sp. ( 3A ).


Gambar No. 3

Dua subspesies dari nematoda Auanema sp. dari plot B (Navy Beach), yang bisa dengan mudah dibekukan dan kemudian dicairkan. Dalam kondisi seperti itu, nematoda memiliki masa hidup reproduktif 2,5-3 hari pada 22,5 ° C, sebanding dengan C. elegans (nematoda yang hidup bebas digunakan sebagai model organisme).

Para peneliti mencatat bahwa genus Auanema mengandung lima spesies lagi yang sebelumnya ditemukan dan diselidiki, tetapi tidak satu pun dari mereka hidup dalam kondisi ekstrem.

Pengamatan di laboratorium menunjukkan bahwa perwakilan Auanema sp. , seperti saudara mereka dari spesies A. rhodensis dan A. freiburgensis , dibagi menjadi tiga jenis kelamin: hermafrodit, jantan dan betina. Pada saat yang sama, Auanema sp. memiliki beberapa fitur tipologi, biologis dan filogenetik yang unik.

Jantan dari spesies ini dalam strukturnya sangat berbeda dari sebagian besar spesies yang dipelajari sebelumnya, yang menegaskan perbandingan foto bagian ekor spesies jantan Auanema sp. dan C. elegans .


Gambar bagian ekor spesies jantan Auanema sp.

L - seluruh bagian ekor, M - Q - close-up bagian belakang dalam bidang fokus yang berbeda, papilla genital yang ditandai dengan angka, bursa * ditandai dengan huruf B, fasemid adalah huruf P , papilla tunggal adalah huruf H (kait).

Bursa * - lipatan subventral dari kutikula, sebagian atau seluruhnya mengelilingi ekor jantan.

Phasmid * - organ lateral yang dipasangkan (fungsi sensorik dan kelenjar).

Papilla * adalah hasil kutikula yang melakukan fungsi reseptor campuran.

Dan sekarang untuk perbandingan, lihat struktur bagian ekor nematoda jantan dari spesies C. elegans , yang digunakan dalam nematologi sebagai model organisme.


Gambar yang menunjukkan perkembangan spesies C. elegans jantan dari larva menjadi individu dewasa.

Ekor jantan ditarik selama 4 jam terakhir dari tahap larva. Gambar A menunjukkan ekor tepat sebelum dimulainya proses ini. Sel-sel subkutan ujung ekor ( B ) adalah sel pertama yang mulai meregang. Panah dalam gambar ini menunjukkan rongga berisi cairan yang tumbuh antara permukaan dewasa masa depan dan kutikula L4 . C dan D menunjukkan bahwa tubuh mulai meregang di dalam kutikula, mengisinya. E dan F (tampilan samping dan atas) adalah gambar-gambar nematoda pria dewasa yang sepenuhnya terbentuk. Bahan untuk perbandingan ini diambil dari sini .

Pada jantan C. elegans, wilayah ekor menyerupai kipas dengan banyak proses radial, tetapi pada jantan spesies Auanema sp. hidup di Danau Mono, bagian tubuh ini dibedakan oleh proses kecil dalam bentuk kail.

Nematoda betina dari danau juga unik karena tidak bertelur, tetapi bersifat vivipar ( 3B menunjukkan larva di dalam betina). Pilihan metode reproduksi ini adalah karena kondisi kehidupan yang keras. Berada di dalam ibu, keturunannya menerima perlindungan dari pengaruh lingkungan. Oleh karena itu, tidak perlu berevolusi dengan cara yang tidak biasa, sehingga tidak hanya orang dewasa dapat bertahan hidup di Danau Mono, tetapi juga telur dan larva mereka.

Secara alami, fitur nematoda yang paling menonjol dari Danau Mono adalah stabilitasnya. Air danau mengandung konsentrasi arsenat - arsenit As (III) dan arsenate As (V) yang besar.

Percobaan komparatif dilakukan dengan partisipasi nematoda Auanema sp. (dari danau) dan C. elegans (model), yang, sebagaimana ditetapkan sebelumnya, mampu menahan dosis arsenik 60 kali mematikan bagi manusia.

Pertama, nematoda dari kedua spesies ditempatkan di air biasa. Kedua subjek menunjukkan tingkat kelangsungan hidup yang tinggi. Mereka kemudian ditempatkan di air dengan 1,5 mM As (III), dan setelah 2,5 jam kelangsungan hidup Auanema sp. lebih tinggi ( 4A ) dari C. elegans (kelangsungan hidup rata-rata Auanema adalah 86%, dan C. elegans adalah 35%).


Gambar No. 4

Setelah 5 jam, tren berlanjut: tingkat kelangsungan hidup rata-rata Auanema sp. - 35%, dan dalam C. elegans - 7%. Pada jam ketujuh percobaan, kelangsungan hidup kedua spesies sangat rendah: Auanema sp. - 24%, C. elegans - 7%.

Orang mungkin sudah meragukan kemampuan nematoda dari Danau Mono untuk melawan arsenik, tetapi tahap kedua percobaan menunjukkan hasil yang menarik. Pada konsentrasi As (V) dalam 10 mM dan 30 mM Auanema sp. menunjukkan kelangsungan hidup yang tinggi bahkan setelah 7 jam: Auanema sp. - 79%, dan C. elegan - hanya 16%.

Kesimpulannya cukup sederhana - Auanema sp. dapat menahan konsentrasi As (V) yang tinggi untuk waktu yang lama, 500 kali lipat dosis mematikan untuk manusia.

Analisis berikut menunjukkan hasil yang lebih menarik. Para ilmuwan memutuskan untuk membandingkan resistensi arsenik Auanema sp. (dari danau) dan spesies terkait lainnya A. freiburgensis dan A. rhodensis , yang hidup dalam kondisi non-ekstrim. Setelah 2,5 jam di kamar mandi dengan 1,5 mM As (III) spesies non-ekstrim menunjukkan kelangsungan hidup yang lebih besar daripada nematoda dari Danau Mono: Auanema sp. - 86%, A. freiburgensis - 99% dan A. rhodensis - 97% ( 4B ).

Tapi bagaimana caranya? Ternyata resistensi terhadap arsenik dalam nematoda dari danau bukanlah kemampuan yang unik? Ya dan tidak Faktanya adalah bahwa fitur ini adalah sifat pra-adaptasi umum untuk seluruh genus Auanema. Dengan kata lain, nematoda memiliki kemampuan ini sebelum penjajahan danau.

Disarankan bahwa resistensi kuat dari ketiga spesies Auanema mungkin disebabkan oleh gen baru atau mutasi alami dari gen yang ada. Salah satu mutasi alami yang memengaruhi sensitivitas arsenik pada C. elegans adalah mutasi missense DBT-1 (C78S).

Mutasi dalam protein metabolisme asam amino rantai cabang ini terjadi pada subspesies Hawaii C. elegans . Sequencing dbt-1 dari tiga spesies Auanema menunjukkan adanya mutasi serin, seperti pada Hawaiian C. elegans ( 4C ).

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Dunia ini penuh dengan tempat-tempat yang mengancam jiwa di mana, dengan logika berbagai hal, kehidupan seharusnya tidak ada. Namun, hal yang sama dapat dikatakan tentang planet itu sendiri di awal waktu. Hidup dapat eksis dalam kondisi apa pun, hanya waktu yang diperlukan untuk beradaptasi.

Tentu saja, nematoda dari Danau Mono sudah memiliki tingkat kemampuan beradaptasi tertentu terhadap lingkungan yang keras, tetapi dalam proses kolonisasi, danau memperoleh beberapa fitur baru yang hanya meningkatkan stamina mereka dan, sebagai hasilnya, peluang keberhasilan yang berhasil di mana orang lain mati.

Tetapi bahkan makhluk paling abadi di planet kita cepat atau lambat akan menghadapi masalah yang tak terhindarkan - bersama kita. Perkembangan umat manusia telah menyebabkan kepunahan banyak spesies, bahkan yang ekstrim. Ini tidak berarti bahwa seseorang adalah kejahatan nyata, itu hanya mengatakan bahwa kita, sebagai spesies, perlu memahami keterkaitan segala sesuatu yang mengelilingi kita. Sebagai contoh, Danau Mono adalah habitat yang berbahaya bagi banyak orang, namun, itu adalah tempat bersarang bagi sekitar 2 juta burung dari 25 spesies berbeda. Burung-burung ini memakan lalat alkali dan krustasea danau, yang memakan alga uniseluler. Apa yang terjadi jika ganggang ini tidak ada lagi? Jawabannya, sayangnya, sangat jelas. Mesin progres tidak dapat dihentikan, tetapi dapat dikendalikan jauh lebih akurat dan bertanggung jawab dengan memperhatikan mereka yang tidak duduk di dalamnya.



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?