Anhydrobióza

Anhydrobióza je stav způsobený nedostatkem vody v organismu. Klesne-li podíl vody v organismu pod určitou kritickou mez (uvádějí se hodnoty 0,1 - 0,3 g vody na gram sušiny), je možnost pohybu molekulám téměř odepřena. Právě tuto mez můžeme považovat za hranici anhydrobiózy. Není třeba, aby obsah vody klesl až k nule; bez možnosti pohybu molekul se zastaví většina biochemických procesů a s nimi i (měřitelný) život.

Schopnost přežít v anhydrobiotickém stavu rozhodně není univerzální. Naopak složitější organismy jako obratlovci nebo vyšší rostliny jsou velmi citlivé i na mírný pokles obsahu vody v těle. To platí i pro učebnicové mistry v přežívání sucha, pro africké a jihoamerické bahníky nebo australské pouštní žáby. Přežijí sice několikaměsíční vymizení vody z jejich prostředí, sami ovšem nevysychají. Pouze vstupují do stavu hluboké dormance, během níž vystačí se zásobou vody v těle.

Vlastnosti anhydrobiotických organizmů

Schopnost přežít v anhydrobiotickém stavu je vlastní pouze vybraným organismům, a pokud bychom hledali jejich společného jmenovatele, tak organismům malým. Malá velikost těla jednoznačně limituje možnost vytvořit si dostatečnou zásobu vody, která při reálné propustnosti tělní slupky a nepříznivém poměru objemu vůči povrchu vystačí na rozumnou dobu (jež odpovídá evoluční zkušenosti s periodickým suchem).

Anhydrobiontům je rovněž společná jednoduchost. Přežije-li vyschnutí jednotlivá buňka nebo embryo, příliš nás to nepřekvapí. Ostatně použití suchých kvasinek v kuchyni je běžné a lidská společnost závisí na skladování rostlinných semen v suchém stavu. Výčet anhydrobiontů ale zahrnuje kromě jednoduchých bakterií, kvasinek, řas, lišejníků, mechorostů, rostlinných semen a embryonálních cyst různých bezobratlých také poměrně složité organismy, jako jsou některé cévnaté rostliny, hlístice, vířníci, želvušky, a dokonce hmyz.

Larvy pakomára Polypedilum vanderplancki jsou největším a nejsložitějším známým organismem, který je schopen přežít téměř úplnou ztrátu vody z těla. Mají plně vyvinutou nervovou soustavu, smysly, svaly, žlázy, trávicí trakt, vylučovací ústrojí ap. Pokud je tedy složitost organismu vůbec nějakým omezením pro anhydrobiózu, pak je její limit stanoven překvapivě vysoko.

Pakomáři P. vanderplancki

Pakomáři P. vanderplancki obývají africký sahel. Samičky kladou oplodněná vajíčka do stojaté vody různých tůněk a louží. Mimo jiné také do dočasných jezírek, která se vytvářejí v období dešťů ve skalních prohlubních. Larvy procházejí obvyklým procesem růstu a larválních svlékání až do stadia kukly, ze které se opět líhnou dospělí pakomáři.

Celý vývojový cyklus se dá stihnout během měsíce nebo dvou. Tedy za předpokladu, že voda nevyschne. To se ale právě malým skalním loužím stává poměrně často. Larvy komárů rodu Chironomus, které někdy obývají louži spolu s larvami pakomárů, vyschnou a nepřežijí. Larvy pakomárů P. vanderplancki také vyschnou a promění se v útvar, který vzhledem i konzistencí připomíná zrnko písku. A při měření jakýchkoli životních projevů se jako zrnko písku rovněž chová; nenaměříme nic ani pomocí nejcitlivějších přístrojů. Na první pohled tedy larvy komárů a pakomárů skončí stejně špatně. Zásadní rozdíl se však projeví v příštím období dešťů.

Larvy pakomárů během několika desítek minut nasáknou vodou a opět ožijí! Celý proces vyschnutí a následného zavodnění můžeme snadno simulovat v laboratoři. Larvy umístíme do Petriho misky s malým množstvím vody a vodu necháme pomalu odpařovat (pomalá rychlost odpařování dává larvám šanci zahájit a dokončit fyziologickou přípravu na vyschnutí). Výsledkem bude objekt s relativním obsahem vody kolem 2 %, hluboko pod mezní hranicí pro aktivní biochemické procesy.

Extrémní podmínky

Anhydrobiotické organismy vydrží i jiné extrémní podmínky, než sucho - zchlazení na teplotu kapalného helia (–270 °C), zahřátí na teplotu 150 °C, koupel v 100% alkoholu nebo v organických rozpouštědlech, pobyt ve vakuu, vysoké dávky rentgenového záření či tlak 600 MPa.

Úspěšně byla testována schopnost  přežití některých anhydrobiotů (želvušek Tardigrada, larev pakomárů Polypedilum vanderplancki) v otevřeném vesmíru. Organizmy přežili působení vakua, UV radiace a kosmického záření.

Fyziologie anhydrobiózy

Postupná dehydratace aktivuje biosyntézu a hromadění jednoduchých cukerných látek, jež jsou považovány za jeden z klíčů k úspěšnému přežití v anhydrobiotickém stavu. U rostlin je to především sacharóza, někdy doplněná menším množstvím rafinózy a stachyózy. Kvasinky a bezobratlí živočichové spoléhají na trehalózu. V anhydrobiotickém stavu může podíl trehalózy činit až 20 % celkové hmotnosti těla. U larev pakomárů je to kolem 18 %.

Trehalóza

Role trehalózy (a sacharidů obecně) není dosud plně objasněna. Patrně jde o kombinaci principů, z nichž některé již získaly dobrou teoretickou i empirickou podporu. Pozitivní působení trehalózy začíná ještě před dosažením hranice anhydrobiotického stavu.

Termodynamické vlastnosti systému voda-trehalóza-protein (membrána) znesnadňují denaturaci proteinů (popřípadě změnu vlastností membrány) při vzrůstající koncentraci destabilizujících iontů v roztoku, ze kterého postupně mizí voda. Molekuly trehalózy jsou přednostně vytěsňovány z bezprostřední blízkosti proteinů a biologických membrán, jejichž povrch naopak zůstává hydratovaný.  Pokračující dehydratace vede až ke ztrátám molekul vody přímo z hydratačních obalů proteinů a membrán. V prostředí bez trehalózy by to znamenalo fatální ztrátu funkčního prostorového uspořádání. Proteiny by denaturovaly a agregovaly, membrány by přešly do gelové nebo hexagonální fáze. Mezi trehalózou a povrchem proteinu či membrány se však vytvoří vodíkové můstky, jež nahradí chybějící molekuly vody.  Koncentrovaný roztok trehalózy je navíc silně viskózní a může přecházet až do amorfní sklovité struktury. Biochemické procesy se zastavují, volný prostor po molekulách vody vyplňuje trehalóza. Delikátní struktura buněk a orgánů je chráněna před kolapsem a konzervována ve „ztuhlém“ stavu.

Nicméně například někteří vířníci či želvušky úspěšně překonávají anhydrobiotický stav, aniž k tomu potřebují trehalózu nebo jiný sacharid. Anhydrobióza se tak jeví jako složitý adaptivní jev, jehož je trehalóza pouhým jedním symptomem. Zdá se, že vlastnosti velmi podobné trehalóze mají i některé proteiny.

LEA proteiny (Late Embryo Abundant)

Byly poprvé nalezeny v semenech rostlin, kde se ve velkém množství hromadí v pozdních fázích embryonálního vývoje, jež jsou spojeny s postupnou dehydratací. Později byly zaznamenány i v pylu a vegetativních orgánech rostlin a také v řasách a sinicích vystavených suchu. Nález LEA proteinů u vysychajících hlístic a vířníků potvrdil jejich rozšíření i mezi živočichy.

LEA proteiny jsou poměrně malé a silně hydrofilní. Mohou proto vázat ionty koncentrující se ve vysychající buňce, zvyšovat viskozitu prostředí a podporovat přechod do skelné fáze. Interagují rovněž s povrchem proteinů a membrán a konzervují jejich strukturu. Kromě toho patrně (stejně jako trehalóza) vychytávají volné kyslíkové radikály. To je důležité, neboť ochrana proti oxidativnímu poškození je dalším významným opatřením pro přežití v dehydratovaném stavu. Tento ochranný systém a také systém šokových proteinů jsou obvykle aktivovány nejen při vysychání, ale i při různých jiných stresových stavech, do kterých se živé buňky dostávají.
 

Literatura:
[1] Weyda, F.: Kryptobiotické stavy aneb Vratná zastavení životních dějů I,   Vesmír 88,  304, 2009/5
[2] Košťál, V.: Kryptobiotické stavy aneb Vratná zastavení životních dějů II,  Vesmír 88, 368, 2009/6
[3] Košťál, V.: Kryptobiotické stavy aneb Vratná zastavení životních dějů III, Vesmír 88, 480, 2009/7
[4] Košťál, V. a kol.: Enzymatic capacity for accumulation of polyol cryoprotectants changes during diapause development in the adult red firebug, Pyrrhocoris apterus, Physiological Entomology 29, 344–355, 2004
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Tardigrade
[6] http://www.tardigrada.net/
[7] http://www.solutionassoc.com/Fun/TardigradaSm.jpg