Tajna preživljavanja pod ogromnim pritiskom u morskim dubinama

Ilustracija: Pixabay/PublicDomainPictures

Duboko more je okruženje koje se odlikuje hladnoćom, tamom i ekstremnim pritiskom, što ga čini neprikladnim za život većine organizama koji se nalaze na površini. Na najdubljoj tački Marijanskog rova, na dubini od 11 hiljada metara ispod površine, pritisak vode je takav, da imate osećaj da na svaka dva i po kvadratna santimetra vašeg tela sedi po jedan slon. Ipak, najdublje tačke Zemlje dom su životu koji je jedinstveno prilagođen tim izazovnim uslovima.

Dok su istraživači proučavali kako su se neka velika stvorenja, poput udičarki i riba mehura, prilagodila tim uslovima, daleko manje se zna o tome kako ćelije i molekuli izdržavaju pritisak koji dolazi sa pritiskom hiljada metara morske vode.

Preporučujemo

U nedavnom istraživanju objavljenom u časopisu Science, naučnici su uradili opsežnu analizu o tome kako su se ćelije prilagodile životu u dubokom moru. Tim predvođen Itajem Budinom sa Univerziteta Kalifornija u San Dijegu i Stivom Hadokom, biologom koji proučava dubokomorske organizme, istražili su da li bi lipidni molekuli, osnovni gradivni elementi ćelijskih membrana, mogli objasniti kako životinje uspevaju u ovakvim ekstremnim uslovima, piše Quanta magazine.

Da bi to uradili, okrenuli su se rebronošama, jednostavnim prozirnim organizmima koje je Hadok proučavao u Institutu za istraživanje okeana Monterej Bej (MBARI). U istraživanju, koje je vodio njegov student Džejkob Vinklof, otkriveno je da su membrane dubokomorskih rebronoša sastavljene od lipidnih molekula sa potpuno različitim oblicima u odnosu na njihove rođake iz plitkih voda. Tri četvrtine lipida kod ovih dubokomorskim životinja su plasmalogeni, tip zakrivljenog lipida koji je ređi kod površinskih organizama. Pod pritiskom dubokog mora, ovaj zakrivljeni molekul prilagođava se tačno onom obliku potrebnom za podržavanje čvrste, a opet dinamične ćelijske membrane.

Plasmalogeni lipidi se takođe nalaze u ljudskom mozgu, a njihova uloga u membranama dubokomorskih organizama mogla bi pomoći u objašnjenju aspekata ćelijskog signala. Zanimljivo je da se ovi lipidi povezuju sa neurodegenerativnim poremećajima poput Alchajmerove bolesti, što ukazuje na njihovu zaštitnu ulogu.

Sve ćelije života na Zemlji okružene su masnim molekulima poznatim kao lipidi. Kada stavite lipide u epruvetu i dodate vodu, oni se automatski poređaju leđa uz leđa: masne, hidrofobne repovi se slažu tako da formiraju unutrašnji sloj, dok se njihove hidrofilne glave orjentišu ka spolja. - To je kao da se ulje i voda odvajaju u posudi. To je univerzalno za lipide i to je ono što ih čini funkcionalnim - rekao je Vinklof.

Za ćeliju, spoljašnja lipidna membrana služi kao fizička barijera koja, poput spoljnog zida kuće, obezbeđuje strukturu i drži unutrašnjost ćelije na okupu. Međutim, barijera ne može biti previše čvrsta, ona je ispunjena proteinima koji zahtevaju određeni prostor za izvršavanje svojih funkcija, poput transporta molekula preko membrane. Ponekad se ćelijska membrana otvori kako bi oslobodila hemikalije u okolinu i potom se ponovo spoji.

Da bi membrana bila zdrava i funkcionalna, mora biti čvrsta, fluidna i dinamična u isto vreme. - Membrane su balansirane na ivici stabilnosti. Iako imaju dobro definisanu strukturu, svi pojedinačni molekuli koji čine slojeve s obe strane se neprekidno kreću jedni oko drugih. To je zapravo tečni kristal - rekao je Vinklof.

Jedna od emergentnih osobina ove strukture je da je sredina membrane veoma osetljiva na temperaturu i pritisak — mnogo više nego drugi biološki molekuli kao što su proteini, DNK ili RNK. - Ako ohladite lipidnu membranu, na primer, molekuli se kreću sporije, i na kraju će se jednostavno spojiti, kao kada stavite maslinovo ulje u frižider. Biološki, to je generalno loša stvar - dodaje Vinklof. Metabolički procesi se zaustavljaju; membrana može čak i da puca i ispušta svoj sadržaj.

Da bi to izbegli, mnoge životinje prilagođene hladnoći imaju membrane sastavljene od mešavine lipidnih molekula sa malo drugačijim strukturama kako bi zadržale tečni kristalni tok, čak i na niskim temperaturama. Međutim, mnogi biolozi su pretpostavljali da su membrane organizama dubokog mora izgrađene na sličan način, pošto visok pritisak takođe usporava tok membrane.

Međutim, istraživači nisu dobili potpunu sliku. Bilo je potrebno neočekivano partnerstvo između biohemičara i morskih biologa, kao i naprednija tehnologija, da bi se videlo da su membrane dubokog mora evoluirale na drugačiji način da reaguju na pritisak.

Rebronoše, ili ktenofore, su proždrljivi predatori u krhkim telima. Oni su najveće životinje koje plivaju uz pomoć cilija, koje su poređane u redovima poznatim kao češljevi, a hrane se širokim spektrom plena. Genetski dokazi sugerišu da su se ktenofore prve odvojile na sopstvenoj evolutivnoj stazi u okviru životinjskog stabla. Iako naizgled podsećaju na meduze, meduze su zapravo srodnije ljudima nego što su ktenofori.

Rebronoše su uspešno kolonizovale sve vrste okeanskih staništa, od površinskih voda do okeanskih rovova, i od tropskih do polarnih područja. Očekivalo bi se da će ovakva široka grupa biti prilagodljiva, i zaista, dubokomorske ktenofore su građene drugačije od onih koje žive u blizini površine. - Ako pokupite dubokomorske rebronoše i donesete ih na površinu, one se jednostavno raspadaju. Slično tome, ako se one prilagođene površinskim vodama nađu na dubini, ubrzavaju rad svojih cilija i na kraju umiru. No, niko nije znao koje su molekularne razlike između njih - rekao je Bartlet.

Naučnici Hadok, Budin i Vinikof počeli su sakupljanjem rebronoša iz različitih delova okeana. Vinikof je pažljivo izneo ove organizme iz površinskih voda Montere Bej-a u posudi. S jednog od MBARI-jevih okeanografskih plovila, rebronoše su uzete sa dubine od 5000 metara. U laboratoriji su uzeli uzorke ćelijskih membrana kako bi analizirali lipidne profile.

Analize su pokazale da su u membranama dubokomorskih rebronoša plasmalogeni, koji se obično povezuju s višom temperaturom, zastupljeniji u odnosu na površinske rebronoše. Ovi lipidi, zbog svoje zakrivljene strukture, pružaju veću stabilnost membranama u uslovima visokog pritiska. Takođe, efikasnije su u održavanju fluidnosti, omogućavajući ćelijama da funkcionišu normalno, čak i u ekstremnim uslovima.

Zanimljivo je da su istraživači otkrili da plasmalogeni lipidi u dubokomorskim rebronošama nisu samo prilagođeni visokom pritisku, već i niskim temperaturama. Ova kombinacija omogućava životinjama da prežive u staništima koja su često varijabilna, pri čemu se temperatura i pritisak stalno menjaju.

Studija Itaja Budina i njegovog tima otkriva fascinantne strategije preživljavanja koje su razvijene tokom miliona godina evolucije. Razumevanje načina na koji se ćelijske membrane dubokomorskih organizama prilagođavaju ekstremnim uslovima može pružiti nove uvide u biologiju dubokog mora, ali i u ljudsko zdravlje. Na primer, saznanja o plasmalogenima mogu imati implikacije za istraživanje neurodegenerativnih bolesti.

S obzirom na to da je duboko more još uvek nedovoljno istraženo, ova otkrića otvaraju vrata novim pitanjima i mogućnostima za istraživanje. Kako se tehnologija razvija, nadamo se da ćemo moći dalje da istražujemo ne samo ćelijske adaptacije u dubokom moru, već i biološke mehanizme koji stoje iza života u ovim ekstremnim okruženjima. Kroz ovu vrstu istraživanja, naučnici će nastaviti da stiču dublje razumevanje života na Zemlji i mogućih primena tih saznanja u medicini i biologiji.

(Telegraf Nauka / Quanta magazine)