Skrytý život

Len málo zvierat vydrží dlhé mrazy. Najznámejšími príkladmi sú aljašská lesná žaba Rana sylvatica, ktorá sa vyskytuje v Kanade a na severe Spojených štátov, a rosnička Hyla japonica, ktorá žije v Japonsku, Číne a Kórei. S nástupom chladného počasia upadajú do stavu kryptobiózy (z gréckeho kryptós – „skrytý“ a bíos – „život“), sú pokryté ľadom, zastaví sa im srdce, prestane cirkulovať krv, nefungujú im pľúca. A s príchodom jari obojživelníky opäť ožívajú.

Pri zmrazení sa v bunkách tvorí ľad a tkanivá sa dehydratujú, čo predstavuje vážnu hrozbu pre život. Aby sa zabránilo týmto rizikám, telo mrazuvzdorných žiab produkuje špeciálne látky – kryoprotektory, prírodné nemrznúce zmesi. Po ochladení nekryštalizujú ako vodné roztoky, ale prechádzajú do pevného amorfného stavu. Toto sa nazýva vitrifikácia. Kryoprotektanty postupne nahrádzajú vodné roztoky a vytvárajú s biomolekulami rovnaké vodíkové väzby ako voda, ktoré sú nevyhnutné pre správne fungovanie proteínov a DNA. To umožňuje na určitý čas zachovať integritu DNA a fyziologickú štruktúru tkanív.

Niektoré organizmy sa po mnohých rokoch zmrazenia podarí vrátiť k životu: kvasinky, semená rastlín, mikróby. Experimenty ukázali, že množstvo bezstavovcov, ako háďatká (škrkavky), pomalky (tardigrady), vírniky, môžu zostať životaschopné, aj keď sú zmrazené niekoľko desaťročí.

Jedinečné laboratórium

V laboratóriu pôdnej kryológie Ústavu fyzikálno-chemických a biologických problémov pôdoznalectva (IFChBPP) Ruskej akadémie vied sa už viac ako štyridsať rokov skúma paleobiota permafrostu. Tieto štúdie v tom čase inicioval profesor D. A. Giličinskij. Zo vzoriek zozbieraných v polárnych oblastiach vedci izolovali a opísali rôzne druhy baktérií, archaea, zelené riasy, nálevníky, améby, obrie vírusy a zo semien starých 32 000 rokov vypestovali životaschopnú kvetinovú rastlinu smolevku (rus. smoljanku). Svetovú senzáciu však urobili malé bezstavovce.

Najprv bol v zamrznutých skalách povodia rieky Alazeja v severovýchodnom Jakutsku objavený vírnik, mikroskopický mnohobunkový živočích, ktorý žije v sladkých vodách. Organizmus sa podarilo získať zo vzorky odobratej pri vŕtaní v hĺbke 3,5 metra. Rádiokarbónová analýza ukázala vek 24 tisíc rokov. Je pozoruhodné, že živočích sa po rozmrazení nielen prebudil, ale začalo sa aj aktívne množiť partenogeneticky (bez oplodnenia).

Absolútny rekord kryptobiózy medzi mnohobunkovými organizmami patrí háďatkám: 46 tisíc rokov. Drobné červy s veľkosťou menej ako pol milimetra boli objavené v permafroste z výbežku Duvannyj Jar v dolnom toku Kolymy Anastáziou Šatilovičovou, vedúcou výskumníčkou laboratória. Ukázalo sa tiež, že sú to samice schopné partenogenetického rozmnožovania.

Ide o veľký úspech, keďže v tomto prípade sú potomkami jedného jedinca jeho úplné klony. Už dávno neexistujú žiadne pôvodné živočíchy (životnosť škrkaviek je niečo vyše mesiaca) a vedci pokračujú v genetickom a inom výskume. Za čas, ktorý uplynul od objavu, sa vystriedalo už viac ako sto generácií háďatiek.

Dôkazy starovekosti

Háďatká sú všade – vo vode, pôde, plodoch rastlín, vnútri živých bytostí. Bolo potrebné dokázať, že nájdené jedince sa pôvodne nachádzali v permafroste a do vzoriek neboli zanesené náhodou.

Nedávno vedci z RAN v Puščine spolu s kolegami z Moskovskej štátnej univerzity M. V. Lomonosova a vo vedeckej spolupráci s vedcami z Nemecka, Veľkej Británie a Írska publikovali záverečný článok, v ktorom sú zhrnuté údaje o morfologických, genetických a biochemických štúdiách háďatiek. Fylogenetická analýza viedla k záveru, že patria k predtým neznámemu druhu rodu Panagrolaimus, geneticky odlišnému od moderných háďatiek. Na počesť nálezu na rieke Kolyma dostal meno Panagrolaimus kolymaensis.

„Niektoré háďatká sa veľmi málo líšia vonkajšími znakmi,“ hovorí Anastázia Šatilovič, „Najprv sme na základe morfológie a výsledkov fylogenetickej analýzy génu 18s pripísali s určitým stupňom pravdepodobnosti staré háďatká modernému druhu Panagrolaimus detritophagus. Toto sa však ukázalo ako chybné. Keď sme dostali fylogenetický strom pre 60 génov, ukázalo sa, že nejde len o iný druh: je v koreni rodokmeňa svojho druhu, to znamená, že sa líši od ostatných známych druhov Panagrolaimus, a to nepriamo naznačuje jeho starobylosť.“

Anastázia dodáva, že ani predtým nepochybovala o sterilite vzoriek. Technika odberu vzoriek zo zamrznutých hornín je vypracovaná roky. Materiál na výskum sa odoberá iba z centrálnej časti ľadového jadra získanej jadrovým vŕtaním bez akýchkoľvek činidiel alebo výplachových kvapalín.

Na kontrolu sa na lyžicu vŕtacej rúrky aplikuje roztok s fluorescenčnými mikročasticami alebo markerovými kultúrami, ktoré sa objavia počas difúzie do jadra zvonku aj na úrovni nanometrov. Pre obzvlášť dôležité vzorky sa ako markery používajú fragmenty DNA detegované pomocou PCR. A samozrejme starostlivo sledujú, či vzorka nie je rozmrazená v žiadnej z fáz odberu vzoriek a prepravy. „Všetko, čo sa rozmrazilo, už nie je vhodné na štúdium,“ objasňuje vedkyňa.

„Norová“ metóda

Výskumníci z Ústavu fyzikálnej chémie a biomedicínskych problémov Ruskej akadémie vied majú ďalší trik, vďaka ktorému urobili množstvo objavov. „V prvej fáze sme odobrali vzorky rôzneho veku a zloženia, vytvorili sme v laboratóriu univerzálne kultivačné podmienky a sledovali, čo bude rásť,“ hovorí starší výskumník Andrej Abramov. „Úlohou bolo získať informácie o mikroorganizmoch pre rôzne obdobia permafrostu — od desiatok a stoviek až po niekoľko miliónov rokov“.

Samotné vrstvy ľadu a zamrznutej pôdy nie sú veľmi bohaté na organickú hmotu, takže slepé vŕtanie nebolo veľmi úspešné. Chýbal aj biomateriál na datovanie hornín. Potom pracovník laboratória, doktor biologických vied Stanislav Gubin, navrhol odobrať vzorky zo zasypaných pôd a nôr sysľa, ktoré sa zachovali v nedotknutom permafroste od pleistocénu.

Vo výbežkoch riečnych útesov sa pravidelne nachádzali čudné predmety veľkosti futbalovej lopty, ktoré obsahovali zamrznuté hrudky vlny, rastlinné zvyšky, semená, perie a všetko, čo si syseľ zavliekol do hniezda, čím si robil zásoby na zimu, ale neprikladal im veľký význam. V skutočnosti sa ukázalo, že nory sú neoceniteľným zdrojom paleontologických informácií. Navyše nie je také ťažké ich nájsť.

„Zasypané nory sa sústreďujú hlavne v pomerne úzkej vrstve zamrznutých nánosov, ktoré sa datujú do neskorého pleistocénneho otepľovania, keď v Arktíde chodili mamuty,“ vysvetľuje Anastázia Šatilovičová, „v zime ich obsah zamrzol a nie vždy sa potom roztopil. Niečo sa relatívne rýchlo uchovalo zahrabané do permafrostu.“ Na kryokonzerváciu je to ideálne. Deriváty hnijúcich rastlinných pletív obsahujú prírodné kryoprotektanty vznikajúce pri rozklade organickej hmoty. A na takýchto miestach je oveľa viac mikroorganizmov ako v okolitej pôde. Nora je teda dar osudu.“

Z takéhoto otvoru v hĺbke 40 metrov odobrali vzorku s háďatkami. Rádiokarbónové datovanie ukázalo, že boli zmrazené pred 45-47 tisíc rokmi.

Biologické mechanizmy

Vedci z Ústavu fyzikálnej chémie a biológie Ruskej akadémie vied spolu s nemeckými kolegami z Inštitútu Maxa Plancka pre molekulárnu bunkovú biológiu a genetiku, Centra systémovej biológie Drážďany a Ústavu zoológie Univerzity v Kolíne nad Rýnom zistili, že Panagrolaimus kolymaensis používa rovnaký molekulárny súbor nástrojov na prežitie ako moderné pôdne háďatko Caenorhabditis elegans – jeden z najlepšie biológmi preštudovaných modelových organizmov.

Pri nedostatku potravy alebo extrémnom pôsobení vonkajšieho prostredia prechádza C. elegans do podoby takzvanej dauerovej larvy. V tomto stave môže byť háďatko až štyri mesiace alebo viac, zatiaľ čo priemerná dĺžka jeho života je len asi tri týždne.

Väčšina génov aktivovaných v C. elegans po vstupe do kryptobiózy je prítomná aj u háďatka Kolyma. Podobnosť bola odhalená aj na biochemickej úrovni. Počas dehydratácie pred zmrazením oba druhy zvyšujú biosyntézu trehalózy, organickej zlúčeniny zo skupiny cukrov, ktorá počas dehydratácie posilňuje a obnovuje bunkové steny.

Háďatká (lat. nematoda) sa prispôsobujú mrazu tak, že nahrádzajú vodu cukrami. Postupom času však dochádza k prirodzenej degradácii DNA a hromadia sa poruchy, ktoré si vyžadujú opravu.

„Stále nevieme, ako staré mnohobunkové organizmy prežijú takú dlhú prestávku v metabolizme bez nenapraviteľného poškodenia a kedy dôjde k oprave DNA – počas rozmrazovania alebo k nej dochádza neustále počas kryptobiózy,“ pripúšťa Šatilovičová. „Existujú nepriame dôkazy, že baktérie, napr. v permafroste v pokojnom stave pokračujú v udržiavaní minimálneho metabolizmu, ktorý zabezpečuje opravu DNA. Je však nemožné inštrumentálne študovať fyziologickú aktivitu na tak nízkej úrovni.“

Čakanie na „staroveké príšery“?

V dôsledku globálneho otepľovania sa permafrost topí. V tejto súvislosti sa často vyjadrujú obavy, že staré vírusy, baktérie a dokonca aj mnohobunkové organizmy sa vrátia do ekosystémov. Výskumníci sú si istí: neexistuje žiadne riziko.

„Po prvé, hovoríme o príliš krátkych časových úsekoch z hľadiska biologickej evolúcie,“ vysvetľuje Abramov. „Sme presvedčení, že pred 50 alebo dokonca stotisíc rokmi bolo druhové zloženie približne rovnaké ako teraz. Po druhé, zmrazené pôdy sa každý rok rozmrazujú v obrovských množstvách, odplavujú ich rieky, z ktorých si ľudia stáročia brali vodu, keby bolo v permafroste aspoň niečo nebezpečné, už dávno by sme o tom vedeli, mutácie moderných vírusov sú oveľa alarmujúcejšie a organizmy z permafrostu sú tu s nami už dlho.“

Laboratórium pôdnej kryológie bude pokračovať v štúdiu paleobioty zamrznutých hornín pri hľadaní nových, možno ešte dávnejších druhov. Vedci dúfajú, že ich objavy pomôžu lepšie pochopiť mechanizmy kryptobiózy a umožnia vytvorenie technológií na dlhodobé skladovanie tkanív a orgánov pre praktické využitie v biológii a medicíne.