Как умирают в теплой воде

Глобальные изменения климата уже сегодня подрывают основы крупных экосистем и приводят к гибели целых видов животных и растений. Особенно уязвимыми в условиях изменения климата оказываются пойкилотермные организмы, температура которых зависит от температуры окружающей среды.

Морская звезда «подсолнух»

Фото: Getty Images

Весь их жизненный цикл, образ жизни и функционирование определяются главным образом температурным фактором среды обитания. К таким животным относятся и морские беспозвоночные, в частности, морские звезды, с массовым вымиранием которых пытаются бороться океанологи из лаборатории Фрайдей-Харбор Вашингтонского университета (Сиэтл). Американские ученые запустили программу воспроизводства и реинтродукции морской звезды «подсолнух», самой крупной и быстро передвигающейся морской звезды, ранее обитавшей вдоль всего североамериканского тихоокеанского побережья, ныне оказавшейся на грани вымирания из-за резкого потепления морской воды. В своей лаборатории океанологи пытаются как раз приспособить морские звезды к жизни в более теплой воде. Как морские беспозвоночные реагируют на аномальные изменения температурных условий и от чего именно они гибнут?

Особенности клеточных мембран

Причину следует искать на молекулярном, а точнее, на надмолекулярном уровне организации и функционирования клеточных мембран. Ни один жизненно важный процесс, протекающий на клеточном уровне, не обходится без прямого или косвенного участия мембран, а значит, от их функционирования во многом зависит работа всего организма в целом.

Ключевую роль при взаимодействии клетки с другой клеткой или окружающей средой играет липидный матрикс мембраны, непосредственно взаимодействующий с внешним миром. Липиды мембран — это биологические мезогены, то есть вещества, которые при определенных условиях самоорганизовываются в жидкокристаллическую надмолекулярную структуру. Благодаря своей амфифильной структуре (гидрофильная «головка», несущая, как правило, два гидрофобных остатка жирных кислот) липиды мембран реорганизуются в водной среде, образуя бислойный ансамбль. Состав жирных кислот липидов, образующих мембранный бислой, для большинства таксонов морских беспозвоночных — генетически закрепленная характеристика.

Внутри липидного бислоя жирнокислотные «хвосты» двух соседствующих монослоев обращены друг к другу: будучи гидрофобами, они избегают контакта с водой. А полярные, гидрофильные «головки», наоборот, охотно взаимодействуют с водой на поверхности бислоя. В результате формируется надмолекулярная кооперативная система («один за всех и все за одного»), работающая по принципу «все или ничего», что особенно четко проявляется при изменении температуры.

На уровне клетки липидный бислой мембраны выполняет функцию термосенсора: при изменениях температуры внешней среды он запускает механизм обратной связи, регулирующий степень вязкости мембранных липидов. Этот жизненно важный для эктотермных организмов механизм называется гомеовязкостной адаптацией. Благодаря ему мембрана может приспосабливаться к температурным колебаниям — и клетка продолжает функционировать. Таким образом, эффективность термоадаптации эктотермных организмов, их выживаемость при изменениях температуры определяются главным образом адаптационными процессами в липидах мембран.

Герметичность оболочки

Полвека тому назад американский ученый Майкл Синенски высказал предположение, что компенсаторное приспособление липидного матрикса клеточных мембран к воздействию температурных изменений состоит в поддержании его вязкости на оптимальном для функционирования мембран уровне — на уровне жидкокристаллического состояния. Позднее ученые Дальневосточного федерального университета (профессора кафедры биохимии и биотехнологии Наталия Санина и Эдуард Костецкий) обнаружили, что такую стратегию термоадаптации используют не только морские беспозвоночные, но и морские макрофиты (водоросли и травы).

При низких температурах липидный бислой находится в кристаллоподобном гелевом состоянии, в котором подвижность молекул заторможена. При повышении температуры энергия, поступающая извне, заставляет отдельные углеводородные звенья жирнокислотных цепей липидов вращаться вокруг одиночных связей. В результате в этих цепях появляются изгибы, препятствующие плотной упаковке липидных молекул. При достижении критического числа молекул с этой новой конформацией вся масса нагреваемого липида переходит скачком из фазы кристаллоподобного состояния геля в динамичную жидкокристаллическую фазу, то есть происходит фазовый переход. Описанный процесс характеризуется значительным теплопоглощением. Именно в динамичном и одновременно упорядоченном жидкокристаллическом состоянии липидный бислой способен играть и структурную, и функциональную роль в мембранах. Последняя из них как раз состоит в обеспечении такой вязкости липидного окружения для мембранных белков, которая является оптимальной для выполнения их жизненно важных функций (ферментативной, энергопреобразующей, транспортной и т. д.).

Таким образом, температура главного фазового перехода липида зависит прежде всего от химической структуры его жирнокислотных «хвостов». Увеличение их длины способствует повышению температуры фазового перехода, а цис-двойные связи, наоборот, существенно понижают ее. Цис-двойные связи вследствие своей более жесткой структуры более склонны к искривлению жирнокислотных цепей и снижению плотности упаковки соответствующих липидов.

Интересно, что довольно распространенное представление о том, что чем больше количество двойных связей в жирнокислотных цепях липида, тем ниже его температура фазового перехода, давно опровергнуто, в том числе благодаря ученым ДВФУ: как оказалось, между количеством двойных связей в жирнокислотных цепях и понижением температуры фазового перехода нет прямой зависимости. То есть все не так просто.

Губительная фаза

Морская звезда Sunflower star

Фото: Getty Images

Первые работы по изучению фазовых переходов в связи с сезонным изменением (от зимы к лету) состава жирных кислот основных фосфолипидов морских беспозвоночных позволили высказать предположение о наиболее вероятной причине массовой гибели морских организмов при резком изменении температурного режима морской воды, а также вести целенаправленный поиск фосфолипидов с определенными термодинамическими параметрами, необходимыми для проведения исследований в области криобиологии, иммунологии, фармакологии и других фундаментальных и прикладных областях.

Если изменения в жирнокислотном составе липидов происходят недостаточно быстро, то вязкость липидного матрикса мембран не может поддерживаться на оптимальном уровне. В результате ухудшается физиологическое состояние морских беспозвоночных (равно как и других эктотермных организмов) вплоть до их гибели при резком повышении температуры морской воды. Иными словами, морские беспозвоночные и макрофиты потому так чувствительны к температурным изменениям внешней среды, что при превышении оптимальной для них температуры начинается изотропное плавление их основных мембранообразующих липидов. А это, в свою очередь, приводит к частичному или полному нарушению упорядоченной структуры жидкокристаллического липидного матрикса клеточных мембран. Фазовое состояние фосфолипидов биологических мембран, как и других мезогенных соединений, может изменяться под влиянием температуры, претерпевая, кроме главного фазового перехода кристалл (гель)—жидкий кристалл, еще и низкоэнергетический переход жидкий кристалл—изотропная фаза, в которой липиды находятся в разупорядоченном (жидком) состоянии. Первый переход имеет отношение к низкотемпературной адаптации эктотермных организмов и достаточно интенсивно изучается. Второй переход может быть связан с адаптацией к высоким температурам, но практически не изучен применительно к липидам природного происхождения.

Что видно в микроскоп

Влияние сезонных изменений температуры на состав жирных кислот главных фосфолипидов и их фазовые переходы (кристалл—жидкий кристалл—изотропное состояние) исследуют, в частности, при помощи метода дифференциальной сканирующей калориметрии (от слова «калория») (ДСК) в сочетании с поляризационной микроскопией.

Калориметрическое исследование фосфолипидов морских беспозвоночных, включая морскую звезду Distolasterias nipon, выявило на ДСК-термограммах низкоинтенсивные пики в области 40–60°С (летние образцы) и 20–30°С (зимние образцы) после хорошо выраженной области главного фазового перехода кристалл—жидкий кристалл. Поляризационная микроскопия подтвердила наше предположение о том, что эти пики соответствуют изотропным переходам исследованных фосфолипидов. Начало фазового перехода жидкий кристалл—изотропный расплав определяли в линейно поляризованном свете по температуре, при которой поле наблюдения начинало темнеть; а конец изотопного плавления фиксировали по температуре, когда все поле становилось черным.

Оказалось, что, как правило, сезонные изменения в молекулярной структуре главных липидов мембран морских беспозвоночных одновременно влияют как на температуру перехода кристалл—жидкий кристалл, так и на температуру изотропного перехода этих липидов.

Температура начала изотропного перехода главных фосфолипидов морских беспозвоночных, взятых в летний период, колебалась от 30° до 44°С, а в зимний — примерно от 22° до 40°С. Поэтому вполне возможно, что при температурах, близких к началу изотропного плавления или выше, нарушение различных функций мембран может произойти из-за общего или даже локального понижения вязкости липидного матрикса.

В перегретой морской воде многим видам не выжить

При Южной осцилляции (феномен Эль-Ниньо) вдоль побережья Перу и Эквадора наблюдается катастрофическое усиление теплого течения: с регулярностью раз в шесть-восемь лет поверхность океана разогревается на 10–14°С выше средней температуры, что приводит к массовой гибели морских беспозвоночных и промысловых рыб. В 1988 году в Баренцевом и Северном морях под влиянием теплого течения зимой резко повысилась температура морской воды и погибло все живое — вплоть до придонных растений. В августе 1984 года в бухтах Витязь и Троица Японского моря, когда температура морской воды достигала 24–26°С, ученые Дальневосточного федерального университета также наблюдали низкую физиологическую активность иглокожих (к которым относятся и морские звезды) моллюсков, оболочников и даже гибель кольчатых червей. Еще более чувствительны к повышению температуры антарктические беспозвоночные, для которых 6°С является летальной температурой.

Исходя из полученных результатов, можно предположить, что резкое повышение температуры морской воды в летний и особенно в зимний сезоны может повлечь за собой гибель животного или ухудшение его физиологического состояния в зависимости от быстроты действия адаптационных механизмов, направленных на поддержание жидкокристаллического состояния липидного матрикса биологических мембран.

Поляризационно-микроскопические исследования главных мембранных липидов из актинии, мидии и морской звезды, собранных зимой при 0°С и затем акклимированных к 18,5°C, показали, что температура начала изотропного перехода фосфолипидов существенно повысилась. Так, фосфолипиды из морских звезд, собранных зимой, были в изотропном состоянии уже при комнатной температуре. После тепловой акклимации животных изотропный переход фосфолипидов начинался с более высокой температуры (30–32°С).