Nematóides extremos do lago Mono: nadar em arsênico e sobreviver

Todos sabemos que no Mar Morto, poucos poderiam sobreviver, dado o incrível grau de salinidade. Tal habitat é justamente chamado de extremo e impossível para a vida. É verdade que a última afirmação não está totalmente correta, porque existem criaturas que podem viver mesmo nas condições mais difíceis. Na Califórnia, existe um lugar assim - o Lago Mono. A água é extremamente salgada e contém arsênico, e isso já sugere que você teria muito poucos vizinhos se decidisse morar lá. Anteriormente, acreditava-se que apenas algas unicelulares, que se alimentam de crustáceos da espécie Artemia monica, e voam da espécie Ephydra hians (moscas costeiras ou moscas alcalinas) vivem nas águas do lago. As bactérias que se adaptaram a condições adversas foram posteriormente identificadas. Nesta lista de habitantes do reservatório terminou, mas a natureza está cheia de surpresas, e o Lago Mono não é exceção.

Uma equipe internacional de cientistas do Japão, EUA, Grã-Bretanha e Israel descobriu 8 novas espécies de nematóides que vivem no lago Mono. Essas criaturas não têm medo do arsênico, têm uma bolsa como um canguru e também têm três sexos. O que posso dizer, a evolução não deixa de surpreender. Que outras características únicas os nematóides extremos têm, como eles conseguem suportar o habitat hostil e de onde eles vieram no lago? As respostas a essas perguntas nos aguardam no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Os nematóides são bastante comuns e numerosos representantes de lombrigas. No momento, existem cerca de 25.000 espécies descritas, mas quantas são difíceis de dizer, porque novas são abertas todos os anos. O habitat dessas criaturas depende do estilo de vida que elas preferem: a vida livre pode ser encontrada no solo, em reservatórios de água doce, mares etc., mas as espécies parasitárias vivem naturalmente nos organismos vivos (animais e plantas).



As dimensões dos nemátodos variam muito, dependendo da espécie. Os menores atingem 80 mícrons de comprimento, e as espécies maiores, Placentonema gigantissima , que vivem na placenta de cachalotes, podem atingir 8,5 metros. Não que eu fosse melindroso, mas é até nojento imaginar.

Os nematóides de que estamos falando hoje são extremófilos, ou seja, representantes de organismos vivos capazes de viver em condições muito extremas sem problemas.



E o Mono Lake é realmente extremo para a vida. Em primeiro lugar, é três vezes mais salgado que o oceano e, em segundo lugar, o nível de pH é 10 (para comparação, o pH no alvejante é 12,5).

Apesar dessas condições pouco atraentes, ainda há vida no lago. Os crustáceos Artemia monica , que se alimentam de algas unicelulares e são alimento para mais de 2 milhões de aves de 25 espécies que nidificam nas proximidades, foram considerados os habitantes mais maciços do Lago Mono antes da descoberta de nematóides. Como você pode ver, mesmo os lugares mais extremos do planeta podem estar cheios de vida.


Não, estas não são algas, mas hordas de moscas às margens do lago Mono.

O estudo dos nematóides que vivem no lago Mono permite uma melhor compreensão dos mecanismos de adaptação dos animais a condições extremas, bem como de seu impacto no ecossistema nesse tipo de ambiente.

Resultados da pesquisa

Vale a pena notar que o lago Mono é bastante grande, a bacia hidrográfica é de 2030 km ² e o lago em si tem aproximadamente 170 km ² , 21 km de comprimento (de leste a oeste) e 15 km de largura (de norte a sul). Dado isso, assim como os diferentes graus de atividade humana ao redor do lago, as características da água e da costa em diferentes áreas variarão em um grau ou outro. Portanto, para estudar a vida nos sedimentos do fundo do lago Mono, o solo foi coletado em três locais:

• Parcela A - Praia Pristine (praia no nordeste);
• parcela B - Navy Beach (praia no sul);
• lote C - Marina Velha (praia a oeste).

A seção A é completamente inacessível para veículos, portanto, a atividade humana nesta zona é mínima. No site B, existem muitas torres de tufo-tufo-alto acima da água devido a uma queda acentuada no nível da água no lago (15 metros em 1994), o que torna este local extremamente popular entre os turistas. A seção C também possui um pequeno número de tufos, mas a costa é rochosa, porque não há tantas pessoas.

Em cada local, amostras de solo foram coletadas em três zonas: a zona seca, a zona das marés e o próprio lago. Usando um funil de Berman, os nematoides vivos foram isolados a partir de amostras de solo que, a propósito, não foram encontradas na coluna d'água.


Funil de Berman

Além dos nemátodes, foram encontradas moscas alcalinas e crustáceos locais, ou seja, apenas três tipos diferentes de organismos vivos, que mais uma vez mostram a gravidade do ambiente.

Para entender o que exatamente afeta o crescimento e a reprodução de nematóides no lago Mono, os cientistas mediram o nível de mineralização e o pH de todas as amostras de solo. O pH médio das amostras variou de 9 a 10 em todas as áreas. Mas o grau de salinidade, dependendo do local de amostragem, variou. Portanto, a seção A não tem nenhum ponto de entrada nos riachos de água doce e é a mais extrema quimicamente. Mas, apesar disso, nemátodos também foram encontrados nessa área (na zona das marés). Portanto, nemátodos são totalmente adaptados a essas condições e não vivem exclusivamente em seções menos extremas do lago.


Imagem Nº 1

A análise do DNA do nematóide mostrou a presença de 8 espécies separadas (rotuladas a - h nas imagens 1B e 1C ). Uma das espécies foi encontrada exclusivamente na parcela A, sete espécies na parcela B e três espécies na parcela C. Depois de algum tempo, certas espécies ( eef ) já foram encontradas em outras partes do lago, o que indica seu amplo habitat.

A identificação dos nemátodes foi realizada através da análise das assinaturas da subunidade grande do ácido ribonucleico ribossômico 28 rDNA e da subunidade pequena do ácido ribonucleico ribossômico 18 rDNA. Os resultados mostraram que três dos nematóides isolados são espécies conhecidas e cinco são espécies não sequenciadas anteriormente ( 2A ).


Imagem No. 2

Os nematóides estudados são distribuídos por filogênese * dos nematóides ( 2B ) com as espécies conhecidas Mononchoides americanus (espécie c) e Diplogaster rivalis (d) no clado * V e Prismatolaimus dolichurus (f) no clado II. Duas das espécies anteriormente não sequenciadas, Auanema sp. (a) e Pellioditis sp. (b) pertencem ao tesouro V.

Filogênese * - o desenvolvimento de uma espécie biológica ao longo do tempo.

Clade * - um grupo de organismos com um ancestral comum, contendo todos os seus descendentes diretos.

Os pesquisadores atribuíram três espécies não sequenciadas à família, e não ao gênero, uma vez que não possuem espécies filogeneticamente próximas: espécies em Mermithidae (e, clade I) e espécies em Monhysteridae (g e h, entre os clades II e III).

Essa diversidade de espécies sugere que o assentamento do lago Mono ocorreu por meio de repetidas colonizações, cujas razões foram diferentes, separadas umas das outras, causas, fatores e eventos.

As espécies descobertas anatomicamente também diferiam entre si. Foram revelados sinais de três formas diferentes de estruturas orais: trituradores ( Auanema sp. , Pellioditis sp. , Monhysteridae ), dentes ( M. americanus e D. rivalis ) e um esôfago longo com pequenas estruturas semelhantes a dentes ( P. dolichurus ).

As características das estruturas orais do animal tornam possível avaliar sua dieta e estilo de alimentação. Diante dos dados, os cientistas sugeriram que Auanema sp. , Pellioditis sp. e Monhysteridae se alimentam de microrganismos, M. americanus , D. rivalis e P. dolichurus são predadores. Além disso, as espécies de Mermithidae (e) pertencem à família cujos membros são parasitas de artrópodes. Portanto, pode-se supor que a espécie e é um parasita de crustáceos de lagos e, possivelmente, moscas alcalinas.

Observações e descobertas semelhantes permitem concluir que os nematóides são os organismos dominantes no ecossistema do lago Mono ( 2C ), tanto em número quanto em diversidade de espécies.

O estudo dos extremófilos e não apenas é frequentemente associado ao seu cultivo (cultivo) em condições de laboratório, o que permite examinar em detalhes o processo de desenvolvimento do organismo, seu comportamento e respostas a determinados estímulos externos. No entanto, nem sempre é possível cultivar em laboratório um organismo que nasce, vive e morre em condições extremamente extremas, e às vezes imprevisíveis. No entanto, os cientistas conseguiram cultivar em laboratório uma das espécies encontradas no lago Mono, ou seja, Auanema sp. ( 3A ).


Imagem No. 3

Duas subespécies dos nematóides Auanema sp. do lote B (Navy Beach), que pode ser facilmente congelado e depois descongelado. Sob tais condições, os nemátodos tiveram uma vida útil reprodutiva de 2,5 a 3 dias a 22,5 ° C, comparável à de C. elegans (um nemátodo de vida livre usado como organismo modelo).

Os pesquisadores observam que o gênero Auanema contém mais cinco espécies que foram descobertas e investigadas anteriormente, mas nenhuma delas vivia em condições extremas.

Observações em laboratório mostraram que representantes de Auanema sp. , como seus parentes das espécies A. rhodensis e A. freiburgensis , são divididos em três sexos: hermafroditas, machos e fêmeas. Ao mesmo tempo, Auanema sp. possui algumas características tipológicas, biológicas e filogenéticas únicas.

Os machos desta espécie em sua estrutura são muito diferentes da maioria das espécies estudadas anteriormente, o que confirma a comparação de fotografias da cauda da espécie masculina Auanema sp. e C. elegans .


Imagens da cauda de uma espécie masculina Auanema sp.

L - a seção inteira da cauda, M - Q - close-up das costas em diferentes planos focais, papilas genitais marcadas com números, a bursa * marcada com a letra B, a fasemida é a letra P , a papila única é a letra H (gancho).

Bursa * - dobras subventrais da cutícula, circundando parcial ou completamente a cauda dos machos.

Phasmids * - órgãos laterais emparelhados (funções sensoriais e glandulares).

Papila * é um crescimento de cutícula que desempenha uma função mista de receptor.

E agora, para comparação, observe a estrutura da seção da cauda do nematóide masculino da espécie C. elegans , que é usada na nematologia como um organismo modelo.


Imagens mostrando o desenvolvimento de uma espécie masculina de C. elegans de uma larva para um indivíduo maduro.

A cauda do macho é atraída durante as últimas 4 horas do estágio larval. A Figura A mostra a cauda imediatamente antes do início deste processo. As células subcutâneas da ponta da cauda ( B ) são as primeiras células que começam a se esticar. A seta nesta imagem indica uma cavidade crescente de fluido entre a superfície do futuro adulto e a cutícula L4 . C e D mostram que o corpo começa a se esticar dentro da cutícula, preenchendo-a. E e F (vista lateral e superior) são imagens de um nemátodo masculino adulto totalmente formado. Os materiais para essa comparação são retirados daqui .

Nos machos C. elegans, a região caudal se assemelha a um leque com muitos processos radiais, mas nos machos da espécie Auanema sp. vivendo no lago Mono, essa parte do corpo se distingue por um pequeno processo na forma de um gancho.

Os nematóides femininos do lago também são únicos porque não põem ovos, mas são vivíparos ( 3B mostra a larva dentro da fêmea). A escolha deste método de reprodução se deve a condições de vida adversas. Estando dentro da mãe, os filhos recebem proteção contra influências ambientais. Portanto, não há necessidade de evoluir de maneira incomum, para que não apenas os adultos possam sobreviver no Lago Mono, mas também seus ovos e larvas.

Naturalmente, a característica mais marcante dos nemátodos do lago Mono é sua estabilidade. A água do lago contém uma grande concentração de arsênico - arsenito As (III) e arsenato As (V).

Experimentos comparativos foram realizados com a participação dos nematóides Auanema sp. (do lago) e C. elegans (modelo), que, como estabelecido anteriormente, são capazes de suportar uma dose de arsênico 60 vezes a letal para os seres humanos.

Primeiro, os nematóides de ambas as espécies foram colocados em água comum. Ambos os indivíduos mostraram um alto grau de sobrevivência. Eles foram então colocados em água com 1,5 mM de As (III) e após 2,5 horas a sobrevivência de Auanema sp. foi maior ( 4A ) que C. elegans (a sobrevida média de Auanema foi de 86% e C. elegans foi de 35%).


Imagem No. 4

Após 5 horas, a tendência continuou: a taxa média de sobrevivência de Auanema sp. - 35%, e em C. elegans - 7%. Na sétima hora do experimento, a sobrevivência de ambas as espécies foi extremamente baixa: Auanema sp. - 24%, C. elegans - 7%.

Já se pode duvidar da capacidade dos nematóides do Lago Mono de resistir ao arsênico, mas o segundo estágio dos experimentos mostrou resultados interessantes. A uma concentração de As (V) em 10 mM e 30 mM, Auanema sp. apresentou alta sobrevivência mesmo após 7 horas: Auanema sp. - 79%, e C. elegans - apenas 16%.

A conclusão é bem simples - Auanema sp. pode suportar altas concentrações de As (V) por um longo tempo, 500 vezes a dose letal para humanos.

A análise a seguir mostrou resultados ainda mais interessantes. Os cientistas decidiram comparar a resistência ao arsênio Auanema sp. (do lago) e outras espécies relacionadas A. freiburgensis e A. rhodensis , que vivem em condições não extremas. Após 2,5 horas no banho, as espécies não extremas de 1,5 mM As (III) apresentaram maior sobrevivência do que os nemátodos do lago Mono: Auanema sp. - 86%, A. freiburgensis - 99% e A. rhodensis - 97% ( 4B ).

Mas como assim? Acontece que a resistência ao arsênico nos nematóides do lago não é uma habilidade única? Sim e não O fato é que esse recurso é uma característica pré-adaptativa comum para todo o gênero Auanema. Em outras palavras, os nematóides tinham essa capacidade antes da colonização do lago.

Sugere-se que a forte resistência de todas as três espécies de Auanema possa ser devida a novos genes ou mutações naturais dos genes existentes. Uma das mutações naturais que afetam a sensibilidade ao arsênico em C. elegans é a mutação missense DBT-1 (C78S).

Essa mutação na proteína do metabolismo de aminoácidos de cadeia ramificada ocorre na subespécie havaiana C. elegans . O sequenciamento do dbt-1 das três espécies de Auanema mostrou a presença de uma mutação serina, como no C. elegans havaiano ( 4C ).

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

O mundo está cheio de lugares com risco de vida onde, pela lógica das coisas, a vida não deveria existir. No entanto, o mesmo poderia ser dito sobre o próprio planeta no início dos tempos. A vida pode existir em qualquer condição, apenas o tempo é necessário para se adaptar.

É claro que os nematóides do lago Mono já tinham um certo grau de adaptabilidade ao ambiente hostil, mas no processo de colonização os lagos adquiriram vários novos recursos que apenas aumentavam sua resistência e, como resultado, as chances de uma existência bem-sucedida onde outros morrem.

Mas mesmo as criaturas mais duradouras do nosso planeta, mais cedo ou mais tarde, enfrentarão um problema inevitável - conosco. O desenvolvimento da humanidade levou à extinção de muitas espécies, até extremófilos. Isso não significa que uma pessoa é um verdadeiro mal, apenas diz que nós, como espécie, precisamos entender a interconectividade de tudo o que nos rodeia. Por exemplo, o Mono Lake é um habitat perigoso para muitos, no entanto, é um local de nidificação para cerca de 2 milhões de aves de 25 espécies diferentes. Essas aves se alimentam de moscas alcalinas e crustáceos de lagos, que se alimentam de algas unicelulares. O que acontece se essas algas deixarem de existir? A resposta, infelizmente, é muito óbvia. A máquina de progresso não pode ser parada, mas pode ser controlada com muito mais precisão e responsabilidade, de olho naqueles que não estão sentados nela.



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