بدأ أحد أغرب ألغاز العلم الحديث منذ ما يقرب من 60 عامًا. بدأت بالقرب من قرية صغيرة على الساحل الجنوبي لفرنسا. اكتشف العلماء أن الحيوانات الصغيرة هناك يمكن أن تنجو من الإشعاع الشديد للفضاء الخارجي.
قرية بيلون (باي-أوه) جميلة. تطفو على قمة تل وتحيط بها أشجار الزيتون ، مجموعة من المباني المبنية من الطوب الأبيض تشبه قلعة من القرون الوسطى. جذوع تلك الأشجار مغطاة بطحلب أخضر رقيق. ويختبئ في هذا الطحلب مخلوقات صغيرة ذات ثمانية أرجل تسمى بطيئات المشية (TAR-deh-greyds). كل منها بحجم حبة ملح.
هذه المخلوقات هم أبطال قصتنا. في عام 1963 ، جمع راؤول-ميشيل ماي مئات من بطيئات المشية من الأشجار الطحلبية في بيلون. كان عالم أحياء في فرنسا. وضع الحيوانات الصغيرة في طبق وصعقها بالأشعة السينية.
تعتبر الأشعة السينية غير ضارة نسبيًا إذا تم تناولها بجرعات صغيرة. إنها تلتقط الأنسجة الرخوة لجسمك مباشرة (ولكن ليس العظام - ولهذا يمكن للأطباء استخدامها لالتقاط صور للعظام). ومع ذلك ، فإن الجرعات العالية جدًا من الأشعة السينية يمكن أن تقتل البشر. وهي وفاة مروعة ، يسبقها حروق جلدية ، وقيء ، وإسهال - وغير ذلك.
قد قصف بطيئات المشية بما يصل إلى 500 مرة من جرعة الأشعة السينية التي من شأنها أن تقتل الإنسان. بشكل مثير للدهشة ، نجا معظم الوحوش - على الأقل لبضعة أيام. منذ ذلك الحين ، كرر العلماء هذه التجربة عدة مرات. عادة ما تبقى المخلوقات على قيد الحياة.
يقول Ingemar Jönsson (YON-sun):"لا نعرف حقًا سبب تحمُّل بطيئات المشية للإشعاع". إنه "ليس طبيعيًا".
هذه هي بطيئات المشية تسبح في الماء ، وتُرى من خلال مجهر ضوئي. يمكن أن تكون بطيئات المشية نشطة فقط في الماء. أولئك الذين يعيشون في الطحالب أو الأشنات أو التربة يجب أن يعيشوا لفترات طويلة من الجفاف.
يعمل جونسون في جامعة كريستيانستاد في السويد. عالم أحياء ، درس بطيئات المشية لمدة 20 عامًا. وجد أنها تستطيع تحمل جميع أنواع الإشعاع:الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما - حتى الحزم عالية السرعة من ذرات الحديد. يقول إنه "ليس من الطبيعي" أن تعيش الحيوانات في هذه الظروف. وبهذا يعني أنه لا معنى له. لا يتوافق مع الطريقة التي يفهم بها العلماء التطور.
يجب أن تتكيف جميع الكائنات الحية مع بيئاتها. يجب أن تتكيف بطيئات المشية التي تعيش في الظل البارد لبستان الزيتون مع فصول الصيف الحارة والجافة والشتاء البارد الرطب - ولكن ليس أكثر من ذلك. ومع ذلك ، يمكن لهذه الحيوانات بطريقة ما أن تتحمل مستويات إشعاع أعلى بملايين المرات مما يحدث في أي مكان على كوكبنا! لذلك لا يوجد سبب واضح لهم لتطوير هذه السمة.
يمكن أن تتحمل بطيئات المشية أيضًا درجة التجمد عند -273 درجة مئوية (-459 درجة فهرنهايت). هذه 180 درجة مئوية (330 درجة فهرنهايت) أبرد من أدنى درجة حرارة تم الإبلاغ عنها على الإطلاق على الأرض. وقد بقوا على قيد الحياة لمدة 10 أيام في الفضاء دون أي هواء ، ودوروا حول الأرض على السطح الخارجي لمركبة فضائية. يقول Jönsson "لماذا لديهم هذه التسامح العالية للغاية هو لغزا". لم تختبر بطيئات المشية هذه الظروف في الطبيعة من قبل.
ليس على الأرض ، على أي حال.
يعتقد هو وعلماء آخرون الآن أن لديهم الإجابة. إذا كانوا على حق ، فهذا يكشف عن شيء مثير للدهشة حول كوكبنا:الأرض ليست مكانًا لطيفًا للعيش فيه كما كنا نظن. وعلى المستوى العملي ، يمكن لهذه المخلوقات الصغيرة أن تساعد البشر في الاستعداد لرحلات طويلة في الفضاء.
الحياة في الرسوم المتحركة المعلقة
اكتشف واعظ ألماني يُدعى يوهان جويز بطيئات المشية لأول مرة في عام 1773. نظر إلى نبات بركة صغيرة من خلال مجهر ورأى أيضًا مخلوقًا شجاعًا أخرق مع مخالب مدببة في كل قدم. أطلق عليها اسم "دب الماء الصغير". ما زالوا يطلق عليهم "دببة الماء" اليوم. واسمهم العلمي ، بطيئات المشية ، يعني "السائر البطيء".
حوالي عام 1775 ، وضع عالم إيطالي يُدعى لازارو سبالانزاني بطيئًا بطيئًا في قطرة ماء. راقب من خلال المجهر الماء يتبخر. تقلص القطرة ، وتوقف الحيوان عن الحركة. شد رأسه ورجليه داخل جسده تمامًا - مثل سلحفاة كرتونية سخيفة. بحلول الوقت الذي ذهب فيه الماء ، بدا المخلوق وكأنه جوز جاف متجعد.
فقدت بطيئات المشية 97 في المائة من الماء في جسمها وتقلصت إلى سدس حجمها الأولي. (البشر الذين يفقدون 30 في المائة فقط من الماء سيموتون). إذا اصطدم المخلوق بالصدفة ، فإنه يتشقق مثل ورقة جافة. بدا ميتا. واعتقد سبالانزاني أنه كان كذلك.
لكنه كان مخطئا.
اندفعت بطيئات المشية المجففة إلى أعلى عندما وضعها سبالانزاني في الماء. انتفخ الجوز المتجعد مثل الإسفنج. برزت رأسه ورجلاه للخارج. في غضون 30 دقيقة ، كانت تسبح وتجدف على أرجلها الثمانية ، وكأن شيئًا لم يحدث.
كانت بطيئات المشية المجففة قد أوقفت ببساطة عملية التمثيل الغذائي. لم يعد يتنفس ، توقف عن استخدام الأكسجين. لكنها كانت حية ، في الرسوم المتحركة المعلقة. يطلق العلماء اليوم على هذا cryptobiosis (KRIP-toh-by-OH-sis) ، والذي يعني "الحياة الخفية". يمكن أيضًا تسمية هذه المرحلة باسم anhydrobiosis (An-HY-droh-by-OH-sis) ، أو "الحياة بدون ماء".
كان من الواضح تمامًا لماذا طورت بطيئات المشية طريقة للبقاء على قيد الحياة أثناء الجفاف. تعيش الحيوانات القوية في كل مكان تقريبًا - في المحيط ، في البرك والجداول ، في التربة وفي الطحالب والأشنات التي تنمو على الأشجار والصخور. تجف العديد من تلك الأماكن خلال الصيف. من الواضح الآن أن بطيئات المشية تستطيع ذلك أيضًا. عليهم البقاء على قيد الحياة بهذه الطريقة لبضعة أسابيع أو أشهر كل عام.
ولا تعتبر بطيئات المشية وحدها في هذا الأمر. يجب على الحيوانات الصغيرة الأخرى التي تعيش في هذه الأماكن - الوحوش الصغيرة المخفوقة التي تسمى الروتيفير والديدان الصغيرة التي تسمى الديدان الخيطية - أن تتحمل الجفاف أيضًا. بمرور الوقت ، تعلم العلماء كيف يضر الجفاف الجسم. وقد كشف هذا بدوره عن أدلة حول سبب بقاء بطيئات المشية والروتيفر وبعض الديدان الخيطية ليس فقط في حالة الجفاف ولكن أيضًا من الإشعاع الشديد والتجميد. في الواقع ، في الصيف الماضي ، وصف العلماء العثور على الدوارات التي "استيقظت" بعد 24000 عام من الغفوة (تعليق الرسوم المتحركة) في التربة الصقيعية القطبية الشمالية.
تم العثور على بطيئات المشية عبر معظم سطح الأرض. منازلهم تشمل الطحالب (في الأعلى ، اليسار) والأشنات (في الأعلى ، على اليمين) التي تنمو على الأشجار والصخور والمباني. يمكن العثور على بطيئات المشية أيضًا في البرك (أسفل ، يسار) ، وتعيش أحيانًا بين نباتات صغيرة تسمى طحلب البط. حتى أن هذه المخلوقات القوية تعيش على سطح الأنهار الجليدية (أسفل ، يمينًا) ، حيث يتسبب الرمل أو الغبار في ذوبان ثقوب صغيرة في الجليد - مما يؤدي إلى تكوين عرين صغير من بطيئات المشية.
البقاء على قيد الحياة بدون ماء
يؤدي التجفيف إلى إتلاف الخلايا بعدة طرق. عندما تتجعد الخلايا وتنكمش مثل الزبيب ، فإنها تتشقق وتتسرب. يؤدي التجفيف أيضًا إلى ظهور البروتينات في الخلايا. توفر البروتينات الأطر التي تحافظ على الخلايا في شكلها الصحيح. كما أنها تعمل كآلات صغيرة تتحكم في التفاعلات الكيميائية التي تستخدمها الخلية لتحطيم طعامها للحصول على الطاقة. لكن البروتينات حساسة مثل الطائرات الورقية. افتح طياتهم وستتوقف عن العمل.
بحلول التسعينيات ، توصل العلماء إلى الاعتقاد بأن التجفيف يدمر الخلايا أيضًا بطريقة أخرى. عندما تجف الخلية ، يمكن أن تبدأ بعض جزيئات الماء المتروكة بداخلها في التفتت. ينقسم H O إلى قسمين:الهيدروجين (H) والهيدروكسيل (OH). تُعرف هذه المكونات التفاعلية بالجذور. يعتقد العلماء أن هذه المواد الكيميائية قد تلحق الضرر بأثمن ما تمتلكه الخلية:حمضها النووي.
يحتوي الحمض النووي على جينات الخلية - التعليمات اللازمة لصنع كل بروتين من بروتيناتها. يشبه الجزيء الرقيق سلمًا حلزونيًا نحيفًا بملايين الدرجات. كان العلماء يعرفون بالفعل أن الإشعاع يضر بالحمض النووي. إنه يكسر السلم إلى قطع. إذا تمكنت بطيئات المشية من النجاة من تلف الحمض النووي أثناء التجفيف ، فقد تساعد هذه القدرة نفسها في حمايتها من الإشعاع.
في عام 2009 ، اكتشف فريقان من العلماء هذا الأمر أخيرًا. أظهرت لورينا ريبيتشي أنه عندما تجف بطيئات المشية لمدة ثلاثة أسابيع ، ينكسر حمضها النووي حقًا. ريبيتشي عالم أحياء بجامعة مودينا وريجيو إميليا في إيطاليا. لقد وجدت ما يسمى بالكسر أحادي الخيط ، حيث ينكسر سلم الحمض النووي من جانب واحد. شاركت Rebecchi عمل فريقها في Journal of Experimental Biology .
في نفس العام ، وجد العلماء في ألمانيا شيئًا مشابهًا. عندما جفت بطيئات المشية ، تراكم حمضها النووي ليس فقط شقوق أحادية الخيط ، ولكن أيضًا فواصل مزدوجة الخيط. وهذا يعني أن سلم الحمض النووي انكسر على كلا الجانبين. تسبب هذا في تفكك الأجزاء بالكامل. حدث هذا الانكسار الكامل للحمض النووي حتى عندما ظلت بطيئات المشية جافة لمدة يومين فقط. بعد فترة أطول - 10 أشهر من الجفاف - تم تجزئة 24 في المائة من الحمض النووي للحيوانات. ومع ذلك ، فقد نجوا. وصف الفريق هذه النتائج في الكيمياء الحيوية وعلم وظائف الأعضاء المقارن ، الجزء أ .
بالنسبة إلى Rebecchi ، كانت هذه البيانات مهمة. وتقول إن قدرة بطيئات المشية على تحمل جرعات عالية من الإشعاع ، "نتيجة لقدرتها على تحمل الجفاف" ، مما يعني الجفاف.
وتقول إن بطيئات المشية تتكيف مع الضرر الناجي من الحمض النووي ، لأن هذا ما يحدث عندما تجف. يتيح لهم هذا التكيف أيضًا النجاة من الاعتداءات الأخرى التي تدمر الحمض النووي. مثل الجرعات العالية من الإشعاع.
الأبقار الصغيرة جدا
عندما اكتُشفت بطيئات المشية عام 1773 ، كان يُعتقد أنها مفترسات - أسود ونمور من العالم المجهري. في الواقع ، ترعى معظم الأنواع على الطحالب وحيدة الخلية ، مما يجعلها أشبه بالأبقار المجهرية. تبدو بطيئات المشية مخيفة عن قرب ، بمخالب حادة (صور مكتوب عليها d و e و f) وفم (صورة ز) قد تتخيلها على وحش فضائي.
إصلاح وحماية الحمض النووي
يعتقد Rebecchi أن بطيئات المشية من المحتمل أن تكون جيدة جدًا في إصلاح حمضها النووي - إصلاح تلك الانقطاعات في السلم. تقول:"في هذه اللحظة ليس لدينا دليل". على الأقل ليس في بطيئات المشية.
لكن العلماء لديهم بعض الأدلة من حشرات تسمى chironomids (Ky-RON-oh-midz) ، أو ذباب البحيرة. يمكن أن تعيش يرقاتهم أيضًا في الجفاف. يمكنهم أيضًا تحمل جرعات عالية من الإشعاع. عندما تستيقظ يرقات الذباب لأول مرة بعد ثلاثة أشهر من الجفاف ، يتكسر 50 بالمائة من حمضها النووي. لكن الأمر يستغرق ثلاثة أو أربعة أيام فقط لإصلاح تلك الفواصل. أبلغ فريق من العلماء عن هذا لأول مرة في عام 2010.
إصلاح الحمض النووي هو على الأرجح مجرد قطعة من أحجية بطيئات المشية. تحمي المخلوقات أيضًا حمضها النووي من الانهيار في المقام الأول.
اكتشف العلماء اليابانيون هذا في عام 2016. كانوا يدرسون بطيئات المشية التي تعيش في كتل من الطحالب التي تنمو في شوارع المدينة في شمال اليابان. يحتوي هذا النوع على بروتين يختلف عن تلك الموجودة في أي حيوان آخر على الأرض - باستثناء واحد أو اثنين من بطيئات المشية الأخرى. يلتصق البروتين بالحمض النووي مثل درع لحمايته. أطلقوا على هذا البروتين اسم "Dsup" (DEE-sup). هذا اختصار لعبارة "مانع الضرر".
أدخل العلماء جين Dsup هذا في الخلايا البشرية التي كانت تنمو في طبق. هذه الخلايا البشرية صنعت الآن بروتين Dsup. ثم قام الباحثون بضرب هذه الخلايا بالأشعة السينية وبمادة كيميائية تسمى بيروكسيد الهيدروجين. كان من المفترض أن يكون الإشعاع والمادة الكيميائية قد قتلا الخلايا وكسرا حمضها النووي. لكن أولئك الذين لديهم Dsup نجوا على ما يرام ، يتذكر Kazuharu Arakawa.
عالم الجينوم في جامعة Keio في طوكيو باليابان ، كان أراكاوا أحد مكتشفي Dsup. يقول:"لم نكن متأكدين حقًا مما إذا كان وضع جين واحد فقط في الخلايا البشرية سيعطيها القدرة على تحمل الإشعاع". "لكنها فعلت. لذلك كانت مفاجأة كبيرة ". شارك فريقه اكتشافه في Nature Communications .
من المحتمل أيضًا أن تفسر هذه التكيفات كيف يمكن أن تعيش بطيئات المشية في الفضاء. لأن الإشعاع وفير هناك والهواء غائب تمامًا ، تجف الكائنات الحية بسرعة. أرسل جونسون بعضًا من بطيئات المشية إلى الفضاء في عام 2007. ودارت حول الأرض لمدة 10 أيام على السطح الخارجي لمركبة فضائية غير مأهولة تسمى FOTON-M3. كانت بطيئات المشية التي نجت من هذا العلاج جافة تمامًا بالفعل. أبلغ جونسون عن نتائج فريقه في عام 2008 ، في علم الأحياء الحالي .
بطيئات المشية في الفضاء
في عام 2007 ، تم إطلاق بطيئات المشية إلى الفضاء من قبل وكالة الفضاء الأوروبية ، كجزء من مهمة FOTON-M3 (على اليسار:الكبسولة التي تحتوي على بطيئات المشية وتجارب أخرى ؛ على اليمين:الصاروخ الذي حمل الكبسولة إلى الفضاء). لمدة 10 أيام ، دارت الحيوانات حول الأرض على السطح الخارجي للمركبة الفضائية ، على ارتفاع 258 إلى 281 كيلومترًا (160 إلى 174 ميلاً) فوق سطح الكوكب. خلال هذا الوقت ، تعرضوا لفراغ الفضاء ومستويات عالية من الأشعة فوق البنفسجية والكونية. تم إجراء التجربة بواسطة Ingemar Jönsson من جامعة Kristianstad في السويد.
يتم الحفظ عن طريق تعبئة الفول السوداني
قد يفسر تحمل بطيئات المشية للجفاف أيضًا سبب تمكنها من البقاء على قيد الحياة في درجات حرارة منخفضة جدًا.
عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون درجة التجمد ، يتسرب الماء من خلايا الحيوان. تشكل بلورات الجليد خارج جسم الحيوان. عندما تفقد الخلايا الماء ، تتجعد أغشيتها الخارجية (التي تشبه الجلد) وتتشقق بشكل طبيعي. تتكشف البروتينات الدقيقة للخلية أيضًا ، مثل الطائرات الورقية المدمرة. هذا جزء كبير من سبب قتل التجميد لمعظم الكائنات الحية.
لكن بطيئات المشية يمكنها البقاء على قيد الحياة بعد أن تذبل خلاياها مثل الزبيب. وفي عام 2012 ، اكتشف العلماء في اليابان مفتاحًا رئيسيًا لسبب ذلك.
قاموا بتحليل آلاف البروتينات التي تنتجها بطيئات المشية عندما تبدأ في الجفاف. أنتجت الحيوانات خمسة بروتينات بكميات ضخمة. يقول أراكاوا إن هذه تبدو مختلفة عن أي بروتين معروف آخر. لقد كان جزءًا من الفريق لاكتشاف هذه البروتينات الجديدة.
كانت أكثر مرونة بكثير وأكثر مرونة من معظم البروتينات. كانوا يشبهون الغزل المتشابك أكثر من طائرة ورقية مطوية بدقة. ولكن نظرًا لأن بطيئات المشية فقد الماء ، فقد أدت هذه البروتينات إلى شيء مذهل. اتخذ كل واحد منهم فجأة شكل قضيب طويل نحيف. تم نشر النتائج في PLOS One .
عادة ما يحافظ الماء على أغشية الخلية والبروتينات في شكلها الصحيح. السائل الموجود داخل الخلية يدعم هذه الهياكل ماديًا. في معظم الكائنات الحية ، يؤدي فقدان هذا الماء إلى ثني الأغشية وكسرها ؛ هذا يسبب البروتينات تتكشف. ولكن في بطيئات المشية ، عندما يختفي الماء يبدو أن هذه البروتينات على شكل قضيب تتولى مهمة الدعم المهمة.
هذا ما اشتبه فيه أراكاوا وعلماء آخرون. وفي العام الماضي ، توصلوا إلى أدلة قوية على صحة ذلك.
قام فريقان من العلماء بإدخال جينات لصنع هذه البروتينات - تسمى بروتينات CAHS - في الخلايا البكتيرية والبشرية. (كان مقر الفريقين في اليابان ، وكان أراكاوا أحد الفريقين). وعندما أصبحت البروتينات مزدحمة في الخلايا ، تجمعت معًا لتشكل أليافًا طويلة ومتقاطعة. مثل شبكات العنكبوت ، وصلت هذه الهياكل من جانب واحد من الخلية إلى الجانب الآخر. نشر فريق واحد نتائجه في التقارير العلمية في 4 نوفمبر 2021 . الآخر نشر نتائجه على bioRxiv.org. (نتائج الأبحاث التي تمت مشاركتها على هذا الموقع لم يتم فحصها أو مراجعتها من قبل علماء آخرين.)
كان الأمر كما لو كانت الخلايا تحشو نفسها بالستايروفوم لتعبئة الفول السوداني من أجل حماية أجزائها الحساسة. وفي بطيئات المشية ، تختفي هذه المادة المالئة عندما لا تكون هناك حاجة إليها. عندما يعود الماء إلى الخلايا ، تتفتت الألياف. الماء العائد يحتضن ويدعم هياكل الخلية مرة أخرى.
الأرض مكان صعب للعيش فيه
إن اكتشاف كيف تتحمل بطيئات المشية الظواهر المتطرفة يمكن أن يساعد الأنواع الأخرى على البقاء في البيئات القاسية. مثلنا. في الواقع ، يمكن أن يساعد البشر في استكشاف البيئة المعادية للفضاء الخارجي.
يتمثل التحدي الكبير في السفر إلى الفضاء على المدى الطويل في كيفية زراعة الطعام. الفضاء مليء بالإشعاع. على الأرض ، يحمي المجال المغناطيسي لكوكبنا البشر والنباتات والحيوانات. لكن داخل سفينة الفضاء ، ستكون مستويات الإشعاع أعلى بكثير مما هي عليه على الأرض. خلال الرحلات الطويلة ، يمكن أن يتداخل هذا الإشعاع مع نمو المحاصيل الغذائية ، مثل البطاطس أو السبانخ. ومع ذلك ، فإن هندسة النباتات لصنع بروتينات بطيئات المشية قد تمنحها ميزة وقائية.
في 21 سبتمبر 2020 ، أفاد العلماء أنهم أدخلوا الجين الخاص ببروتين Dsup بطيئات المشية في نباتات التبغ. غالبًا ما يستخدم التبغ كنموذج لمحاصيل أخرى ، مثل تلك التي يتم تناولها كغذاء. عندما تعرضت النباتات لمواد كيميائية ضارة بالحمض النووي ، نمت بسرعة أكبر من النباتات التي لا تحتوي على Dsup. وعندما تعرضوا للأشعة السينية أو الأشعة فوق البنفسجية ، أظهروا تلفًا أقل في الحمض النووي. شارك الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في التكنولوجيا الحيوية الجزيئية .
في أكتوبر 2021 ، أفاد فريق آخر أن بروتينات CAHS بطيئة النمو يمكن أن تحمي الخلايا البشرية من المواد الكيميائية الضارة بالحمض النووي. يشير هذا إلى أنه يمكن أيضًا إدخال هذه البروتينات في نباتات الطعام - أو حتى في الحشرات أو الأسماك التي تزرع كغذاء. تم نشر هذه النتائج على موقع bioRxiv.org
لا أحد يعرف ما إذا كانت هذه التقنيات ستعمل في الفضاء. لكن بطيئات المشية علمتنا بالفعل شيئًا مهمًا عن عالمنا:قد تبدو الأرض مكانًا لطيفًا للعيش فيه. لكن كل ما يحيط بنا عبارة عن جيوب صغيرة من القبح نتغاضى عنها نحن البشر. هذا صحيح حتى في الأماكن التي تبدو عادية وممتعة - مثل أشجار الزيتون في Peillon ، أو مجرى طحلب يجف في الصيف. من وجهة نظر بطيئات المشية ، الأرض مكان صعب بشكل مدهش للعيش فيه.
