Imperium niesporczaków

Są maleńkie i wyglądają zabawnie – jak wydłużona wersja ludzika Michelin, który ubrał się w śpiwór tak gruby, że ciężko mu się w nim poruszać. Ich pyszczek przypomina ssawkę odkurzacza. Mogą zawiesić egzystencję na wiele lat, a potem wrócić do życia, jak gdyby nigdy nic. W stanie zawieszenia (fachowo: przetrwalnikowym) można robić z nimi, co tylko się chce – od mrożenia przez polewanie chemikaliami aż do gotowania – a one nic sobie z tego nie robią.

Mniej więcej tyle do niedawna wiedziałam o niesporczakach. I jeszcze to, co z moim synkiem wyczytałam w książce „Gęby, dzioby i nochale” Mikołaja Golachowskiego: w paszczy mają sztyleciki, służące im do nakłuwania roślin i zwierząt, z których wysysają soki. Czy to nie brzmi, jakby były najbardziej szalonymi stworzeniami w przestrzeni kosmicznej? W którą zresztą też już się wybrały – i mimo wystawienia na promieniowanie wróciły bez szwanku.

Mieszkańcy zbutwiałych liści

Zapukałam do drzwi Zakładu Ewolucji Bezkręgowców na kampusie Uniwersytetu Jagiellońskiego. Otworzył mi prof. Łukasz Michalczyk, ceniony naukowiec, zdobywca kilku grantów badawczych, który zanim stworzył niesporczakowe imperium na UJ, zrobił doktorat na University of East Anglia na temat doboru płciowego u owadów – trojszyków gryzących (artykuły z „Science” i „Nature” odbiły się w świecie szerokim echem). W Krakowie Łukasz opisał 150 nowych gatunków niesporczaków – jedną dziesiątą wszystkich w ogóle odkrytych.

Ich pierwsza, obecnie potoczna nazwa to „wodne niedźwiadki”, a druga – formalna – to „wolno kroczące”, Tardigrada. Wygląda na to, że potrafią żyć we wszystkich środowiskach – w głębinach oceanów, stawach, kałużach, na lodzie, na mchach, porostach i ściółce leśnej. Większość to weganie – jedzą bakterie, glony albo grzyby, ale są też gatunki drapieżne, które polują na pierwotniaki, nicienie, wrotki i… inne niesporczaki.

Mogą mieć od 0,1 mm do ponad 1 mm długości i są bardzo różnorodne: jeden morski gatunek ma do zadka przyczepione coś w rodzaju baloników, inny ma na łapkach przylgi, niczym gekon. Mają różne kolory: są zielone, żółte, czerwone, czarne, a nie tylko białe czy przezroczyste. Różnią się pancerzami, głowami, otworami gębowymi, pazurkami, a w środku m.in. budową gardzieli. Nie mogę się doczekać, kiedy je zobaczę!

Kiedy wczesną wiosną jadę rowerem na wywiad przez Lasek Pychowicki, zastanawiam się, czy właśnie mijam miliony uśpionych po zimie niesporczaków. A może już się obudziły? A może ich tu wcale nie ma?

– No pewnie, że są – rozwiewa moje wątpliwości Łukasz. 

– A jak mogłabym je sobie pooglądać? – pytam. 

– Bierzesz trochę porostu albo mchu. Jeśli jest sucho, to musisz go namoczyć przez dobę, by się uaktywniły, a jeśli mokry, to od razu możesz go dać pod mikroskop, taki szkolny powinien wystarczyć. Jak wybełtasz ten zamoczony mech nad talerzykiem, to jest szansa, że niesporczaki z niego wypadną – wyjaśnia ekspert. I zabiera mnie na tour po zakładzie.

– Tu mamy dwie komory, w których hodujemy niesporczaki. – Łukasz wskazuje na dwie jakby za duże lodówki. W środku kilka szalek, w nich niesporczaki. Spodziewałam się, że będzie ich więcej.– Większość hodowli jest „zbankowana” – dodaje. Gdy pytam, na czym polega deponowanie niesporczaków w biologicznym banku, wyjaśnia: – Najpierw wprowadzamy je w kryptobiozę, czyli stan przetrwalnikowy. Następnie odsysamy powietrze i zamrażamy w minus 80 stopniach. Kiedy będziemy ich potrzebować, wystarczy je „zrestartować”. Czyli rozmrozić, dodać wody, chwilę poczekać i już. Większość niesporczaków powinna wrócić do życia.

Niesporczaki między życiem a śmiercią

Większość, ale nie wszystkie.

– W biologii zawsze coś może pójść nie tak – tłumaczy Łukasz. – W naturze jest tak, że im więcej razy niesporczaki weszły w kryptobiozę, tym mniejsza szansa, że wybudzą się z kolejnej, bo to bardzo kosztowny energetycznie proces. Jeśli pójdą spać głodne, również maleją ich szanse na powrót do życia. Dlatego wprowadzamy je w kryptobiozę dobrze najedzone. Kładziemy na mokrą bibułę filtracyjną, która stopniowo wysycha, i zwykle w ciągu doby zmieniają stan.

– Żyją czy nie żyją? – pytam.

– Żyją, chociaż często mówię, że niesporczaki podważają nasze rozumienie życia – wyjaśnia Łukasz. – Ustaje u nich metabolizm, a jednak są zdolne do reaktywacji. Gdy u nas ustanie metabolizm, jest to nasz nieodwracalny koniec.

W stanie kryptobiozy niesporczaki są odporne na: zamrażanie blisko zera bezwzględnego, bardzo wysokie temperatury i ciśnienie, próżnię kosmiczną, toksyczne związki, wysokie dawki promieniowania. Mogą tak przetrwać na pewno 30-40 lat, ale przypuszczalnie – o wiele więcej. Tylko lądowe gatunki są zdolne do kryptobiozy. Są jej różne rodzaje: anhydrobioza (gdy nie ma wody), kriobioza (zamarzają), osmobioza (gdy w środowisku robi się zbyt słono lub zbyt słodko), chemobioza (gdy są w nim toksyczne substancje)  i aoksybioza (gdy brakuje tlenu).

Ciekawi mnie, czy w pozostałych biozach też potrafią wytrzymać ekstremalne warunki.

– Najbardziej odporne są w stanie anhydrobiozy i kriobiozy – tłumaczy Łukasz. – W takiej anoksybiozie już nie, bo nadal są w stanie aktywnym, tylko ze spowolnionym metabolizmem. Wówczas nie pozbywają się wody z organizmu. Wyciągają się i przestają ruszać, tylko się unoszą.

– Jak uruchamiają proces przemiany? – dopytuję.

–  Prawdopodobnie są w stanie wyczuć, że ilość wody w otoczeniu się zmniejsza. Gatunki żyjące na mchach czują specyficzny zapach schnącego mchu i wtedy przestawiają się na produkcję określonych białek, cukrów i różnych związków chemicznych chroniących DNA. Są też gatunki żyjące w szybkoschnących środowiskach i one bez przygotowania wskakują w ten stan – wyjaśnia Łukasz.

Ile wytrzyma niesporczak

W pierwszym pomieszczeniu z komorami są też półki, a na nich szklane miarki pełne mchów z Nowej Zelandii, owoc ostatniej wyprawy badawczej studentów. W pomieszczeniu obok mchów jest jeszcze więcej. Czytam opisy: Papua-Nowa Gwinea, Australia, Malezja, Tunezja, Grecja, Indonezja, Kirgistan, Gujana Francuska, RPA.

– Wszędzie tam byli studenci? – pytam. – W większości miejsc – odpowiada Łukasz. – Tylko z Papui-Nowej Gwinei przysłali nam próbki mieszkańcy współpracujący z czeską stacją badawczą. Kiedyś suszyliśmy mchy, a teraz je mrozimy, bo zauważyliśmy, że w ten sposób niesporczaki lepiej się przechowują – Łukasz pokazuje chłodnię pełną zamrażarek wypełnionych mchem i dodaje: – Jeśli jest wysuszony, zalewamy go na noc wodą, która wybudza niesporczaki, następnie trzęsiemy mchem i go wyciągamy, tak żeby niesporczaki zostały w wodzie. Ponieważ nie umieją pływać…

– Nawet te morskie? – dziwię się. 

– Nie, one drepczą blisko dna, chyba że je gdzieś prąd na chwilę uniesie. Skoro nie pływają, to po jakimś czasie opadają na dno. I wtedy możemy zlać wodę z góry, zostawić tylko tę przy dnie. Chodź, pokażę, co robimy z nimi dalej – kontynuuje Łukasz.

Wchodzimy do tzw. mokrego labu, gdzie pracownicy siedzą przy niewielkich mikroskopach z pipetami w dłoniach. Pobierają nimi wodę na szalki i milimetr po milimetrze przeszukują ją w poszukiwaniu niesporczaków. Jeśli je znajdą, przekładają je do mniejszego pojemniczka. Potem Łukasz prowadzi mnie do pokoju z dużym mikroskopem świetlnym. Zanim niesporczak pod nim wyląduje, przechodzi serię zanurzeń – najpierw w kolejnych mieszankach wody z alkoholem (stężenia od 10 do 100 proc.), a potem alkoholu z acetonem (tym razem od 33 do 100 proc.).

– Jest w stanie to przeżyć? – pytam, czując, że nic mnie już nie zdziwi. Ale Łukasz zaprzecza.

– Są ekstremalnie wytrzymałe w stanie kryptobiozy. Poza nim reagują na wszystkie warunki jak każdy inny organizm. No, nie licząc promieniowania jonizującego, na które są bardziej odporne. Jednak my uśmiercamy je wcześniej przez zanurzenie w wodzie o temperaturze 60 stopni. Dzięki temu białka denaturują i „rozluźniają się”, co rozciąga niesporczaka i pozwala na dokładne obserwacje. Gdybyśmy włożyli go żywego do alkoholu, wówczas skurczyłby się w swojej ostatniej reakcji obronnej. Cała ta seria namaczania, która w sumie trwa godzinę, jest po to, by jego delikatne ciałko zachowało naturalny kształt.

Po chwili ciszy dodaje: – Niestety, mordujemy ich tu strasznie dużo. Pocieszam się jednak, że naszym celem nie jest ich eksterminacja, ale lepsze poznanie tego niezwykłego typu zwierząt, który badamy genetycznie dopiero od jakichś 30 lat.

Niesporczak pod mikroskopem

Łukasz kontynuuje oprowadzanie: – Później niesporczak ląduje w maszynie suszącej, w której aceton wypłukujemy płynnym dwutlenkiem węgla. To magiczny spektakl – patrzysz na płyn, który nagle przemienia się w gaz, ale nie jesteś w stanie dostrzec momentu, kiedy – po prostu nagle znika. Tak wysuszonego niesporczaka bierzemy na patyczek z przyklejoną brwią i przenosimy.

– Zwykłą brwią? – odruchowo dotykam mojej.

– Czasem najprostsze rozwiązania są najlepsze – uśmiecha się Łukasz. – Wysuszony niesporczak jest delikatny. Bierzemy brew, przecieramy po policzku, by była trochę natłuszczona i przykładamy ją do niesporczaka. On się do niej przykleja, a my przenosimy go na specjalną taśmę klejącą, która przyciąga go oczywiście bardziej niż brew. Jedna brew obsłuży wiele niesporczaków. Po przyklejeniu obsypujemy je złotym proszkiem.

Łukasz wyciąga kasetkę, gdzie jest 20 złotych krążków z drobnymi ciapkami, które widać pod światło – to właśnie ususzone niesporczaki. Złoto pozwala je oglądać pod mikroskopem elektronowym, bo elektrony dobrze odbijają się od powierzchni gęstych metali, takich jak złoto i platyna.

W laboratorium Łukasza jest mikroskop świetlny – też imponujący. Kosztuje 150 tys. złotych, elektronowy – 5 mln. Jest podłączony do ekranu komputera, będziemy pod nim oglądać niesporczaki. Ale wcześniej Łukasz opowiada mi o prostszym sposobie przygotowania niesporczaków do badania właśnie pod tym mikroskopem. Zanurza się je w płynie Hoyera, który sprawia, że ich tkanki stają przezroczyste, można więc oglądać struktury wykonane z kutykuli – martwego odpowiednika naszej skóry – takie jak ich zewnętrzny szkielet czy gardziel.

Szef laboratorium pokazuje mi jeszcze pomieszczenia do pracy nad DNA, a potem wracamy do pokoju z mikroskopami. Bierze szalkę pełną glonów, która ma dno podrapane papierem ściernym, by pazurki niesporczaków miały się o co zaczepić. To szczep, który rozmnaża się bezpłciowo – pochodzi od jednej samicy.

– Po polsku mówi się: niesporczaki, co sugeruje rodzaj męski, ale w większości to samice – opowiada Łukasz.

– Powinniście wymyśleć jakiś feminatyw – zauważam.

– Świetny pomysł! Na razie myślałem tylko o polskich nazwach niektórych gatunków. Choćby Macrobiotus polonicus – długożytek polski, odkryty w naszym kraju. Te z kolcami można by nazwać kolczatkami. Ale to chyba zbyt niszowy temat, by przyjęły się polskie nazwy – odpowiada Łukasz.

Przychodzą mi do głowy „niesporczynki”, które zdobywają zdecydowaną aprobatę.

Wylinka

Przed nami niesporczynki gatunku wodnego Hypsibius exemplaris.

– To pierwszy gatunek, z którego sekwencjonowano genom – mówi Łukasz. I pokazuje mi, jak dopasować mikroskop – jemu manipulacja przy pokrętłach zajmuje jakieś 3 sekundy, a mnie 5 minut, zanim ostro zobaczę to, co przede mną. Kręcę i kręcę ostrością jednego pokrętła, drugiego, i w końcu...

– Widzę! – wołam podekscytowana. – O, i chyba widzę wylinkę z czterema jajami, czy to możliwe? – pytam. 

– Tak! – słyszę w odpowiedzi.

Te niesporczynki, gdy linieją, składają jaja do starej kutykuli. Gdy są młode – kilka; im są starsze, tym więcej. Są też gatunki, które składają jaja bezpośrednio do środowiska – i wówczas mają one rozmaite kolce i haczyki, by móc się do czegoś przyczepić.

Moje niesporczynki niespiesznie wędrują między zielonymi plamami – część to glony, które zjadają, a że niesporczynki są przezroczyste, to widzę po ich brzuszkach, ile zjadły. Część zielonych plam to ich kupy, które wyglądają jak rozpuszczające się żelki.

Zastanawiam się, czy czarne plamki to oczy – na zdjęciach ich nie widziałam.

– Większość gatunków je ma. Tylko czasem po poddaniu ich obróbce do badań te czarne plamki znikają. Oczka reagują na ciemność i światło, ale nie wykrywają obrazu jako takiego – wyjaśnia Łukasz.

Są dość hipnotyzujące. Obserwowanie, jak przemieszczają się machając nieporadnie łapkami, jakoś mnie uspokaja. Słucham Łukasza, ale co rusz robię przerwę, by zerknąć, co u nich. Jedna ma w środku jajo. Inna składa właśnie jaja do wylinki, która jeszcze jest do niej przyczepiona.

– I tyle opieki rodzicielskiej, radźcie sobie same – uśmiecha się Łukasz.

Potem pod małym mikroskopem oglądam trzy samice i trzy kostropate jajka – ten gatunek składa je do środowiska. Są na szkiełku z wodą.

– Strasznie przebiera nogami – zauważam. 

– Nie wie, co się dzieje, próbuje się odnaleźć. A że teraz nie ma chropowatej podłogi, nie ma się czego uczepić – słyszę w odpowiedzi. 

Niepokoi mnie jedno: – Czy ona przeżyje? 

– Tak, wróci do swoich koleżanek – zapewnia Łukasz i przenosi samiczkę pod duży mikroskop, dzięki czemu mogę ją oglądać na monitorze.

– Przygotowuje się do linienia i wyrzuciła już stary aparat gębowy, ale zbuduje sobie nowy, dlatego nie widać tak dokładnie tych sztyletów, ale zobacz: tu są zalążki nowych – Łukasz pokazuje na dwie maleńkie pionowe kreski. – Te podłużne kształty to komórki spichrzowe. Niesporczaki przechowują w nich substancje na trudne czasy.

Polska nauka niesporczakiem stoi

Zastanawiam się, czy przebywam w najważniejszym laboratorium niesporczaków na świecie.

– Kiedyś jeden z moich kolegów zażartował, że polska nauka niesporczakiem stoi. Poważne badania prowadzą też Dania, Włochy, Japonia i USA. W Polsce mamy trzy ośrodki. U nas skupiamy się na ewolucji, taksonomii, biogeografii i płci. W Poznaniu na taksonomii i kryptobiozie, a w Katowicach – na anatomii, histologii i reprodukcji. Oni tam kroją niesporczaki! – mówi Łukasz, a mnie zastanawia, jak można pokroić takie maleństwo. – Najpierw trzeba je zatopić w specjalnym wosku, potem pokroić diamentowym ostrzem na cieniutkie plasterki. Wymaga to mnisiej cierpliwości – tłumaczy ekspert.

– Polska ma najwięcej tardigradologów na świecie. Do opisania co piątego gatunku niesporczaka przyczynił się polski badacz. W Poznaniu naukowcy przeszczepili fragmenty DNA niesporczaków drożdżom. I te drożdże polecą w kosmos razem z drugim w historii polskim astronautą Sławoszem Uznańskim-Wiśniewskim.

Jak to się stało, że jesteśmy tacy mocni w te niesporczaki?

– Ja i Łukasz Kaczmarek z Uniwersytetu Adama Mickiewicza zainteresowaliśmy się nimi niezależnie w podobnym czasie. I jakoś tak poszło – słyszę.

Celem poprzedniego projektu realizowanego w Krakowie było przetestowanie hipotezy: „wszystko jest wszędzie, ale środowisko wybiera”. 

– Przez stulecia badaczom wydawało się, że mikroorganizmy mogą się łatwo rozprzestrzeniać – choćby z wiatrem. Obserwacje mikroskopowe zdawały się to potwierdzać – podobne osobniki znajdywano wielokrotnie w odległych zakątkach planety. Kiedy jednak zaczęliśmy badać ich DNA, okazało się, że dzielą je miliony lat ewolucji, a większość z nich zasiedla ograniczone regiony geograficzne. Zatem nie: nie wszystko jest wszędzie.

Po co komu samce

Proszę rozmówcę, by opowiedział o nowym projekcie zatytułowanym „Naprawdę przetrwasz sama?”, dotyczącym ewolucji płci u niesporczaków.

– Niesporczaki są w nim modelem do odpowiedzi na szerokie pytanie: czy gatunki mogą sobie dobrze radzić bez samców? – zaczyna opowieść Łukasz. – Ono odnosi się do całości życia złożonego, eukariotycznego. Niesporczaki są fajnym modelem, bo są takie gatunki, które rozmnażają się płciowo, są gatunki wyłącznie partenogenetyczne, czyli złożone tylko z samic, są i takie, które niedawno przeszły na rozmnażanie bezpłciowe, i w końcu takie, które raz na kilka pokoleń produkują samce. Robią tak też mszyce – w sezonie wegetacyjnym przechodzą na partenogenezę, samice produkują wyłącznie córki, dlatego mogą tak szybko kolonizować rośliny. Jesienią znów pojawiają się samce.

– A czy te pokolenia samic niesporczaków od milionów lat nie są słabsze genetycznie? – przerywam rozmówcy.

– No właśnie, to jest kluczowe pytanie – odpowiada Łukasz. – Wydaje nam się, że płeć istnieje, by mieszać genomy, bo to daje konkretne korzyści ewolucyjne. Dlatego niesporczaki nazywamy skandalem ewolucyjnym, podobnie jak niektóre pradawne linie wrotków. Nasz projekt stara się odpowiedzieć na pytanie, czy niesporczaki rzeczywiście nic nie mieszają w tych swoich genach. Wiemy, jak wygląda genom organizmów, które mieszają geny, i jak powinien wyglądać taki, który ewoluuje bez mieszania.

– Czyli najpierw sprawdzacie, czy niesporczynki jednak nie kręciły z kimś na boku? – upewniam się. Łukasz przytakuje. – A czy mogą kręcić same ze sobą, jeśli nie robią tego z samcami? – dopytuję.

– Jeden z moich przyjaciół z Włoch zajmuje się wrotkami. Nie jest to jeszcze wynik potwierdzony, ale jest możliwe, że dzieworodne wrotki uprawiają, jak to określił, lesbijską nekrofilię – odpowiada Łukasz.

– Wrotki, podobnie jak niesporczaki, też są w stanie wejść w anhydrobiozę, ale, jak już wiemy, nie zawsze im się udaje z tego wybudzić – kontynuuje badacz. – I czasami taki organizm się rozpada, uwalniając swoje DNA do środowiska. Z kolei inny organizm, gdy wraca do życia, często musi naprawić swoje DNA. I czasem jak obok gdzieś na mchu leży taka rozbita samica wrotka czy też niesporczaka, to ta wzbudzająca się może skorzystać z jej martwego DNA. Nie ma kopulacji, ale genomy się mieszają. Sytuacja, w której można zjeść ciastko i mieć ciastko. Można rozmnażać się bez samców, nie tracąc energii i zasobów na ich produkcję, a jednocześnie nie ponosić negatywnych konsekwencji braku rekombinacji DNA.

– I myślisz, że tak to się właśnie potoczyło? – pytam.

– To jest najbardziej prawdopodobny scenariusz. Formalnie ta lesbijska nekrofilia nazywa się horyzontalnym transferem genów, bo następuje między równorzędnymi osobnikami, w przeciwieństwie do wertykalnego, kiedy przekazujesz geny potomstwu. To nie musi być przekaz między dwoma takimi samymi organizmami – niesporczak może zainkorporować DNA bakteryjne, którego na mchu też jest mnóstwo. Tak powstają naturalne organizmy transgeniczne. To oczywiście wymaga zbiegu określonych okoliczności, więc to nie jest tak, że wydarza się to bardzo często. Ale być może wystarczy, by wydarzyło się raz na ileś tam pokoleń, by dać ewolucji materiał do zabawy z taką linią genetyczną i dzięki temu ona nie wymiera.

Madonna wśród niesporczaków

Pytam mojego rozmówcę o jego ulubione gatunki.

– Wybrałbym te, które odkryłem i nazwałem na cześć osób, które cenię. Paramacrobiotus magdalenae został nazwany na cześć mojej mamy, bo odkryliśmy go w Ameryce Środkowej, którą kocha. Inny to Doryphoribius dawkinsi, nazwany na cześć Richarda Dawkinsa, bo m.in. dzięki jego książkom pod koniec podstawówki zafascynowałem się biologią ewolucyjną. Ten gatunek ma tzw. gibbozity, czyli takie bulki na grzbiecie i po bokach. Trochę przypomina smoka – wybrałem go na logo sympozjum niesporczakowego w Krakowie. Ma też fajny cytrynowy kolor. No i Barbaria – to już cały rodzaj, nie gatunek – nazwany na cześć prof. Barbary Węglarskiej, która wprowadziła mnie w świat niesporczaków. Jeden gatunek nazwałem na cześć piosenkarki Madonny. Barbaria madonnae ma niesamowitą strukturę płytek na pancerzu – pod mikroskopem wyglądają jak rozgwieżdżone niebo, a Madonna jest przecież gwiazdą.

– Tak bardzo lubisz Madonnę? – pytam.

– Ubóstwiam! Nawet tytuł grantu „Naprawdę przetrwasz sama?” zaczerpnąłem z jej piosenki „Jump”. Jest tam wers: „My sisters and me”, a potem powtarzane: „I can make it alone”. No właśnie – czy taka niesporczynka i jej siostry naprawdę mogą przetrwać same?