Ученые из США и Швеции провели расшифровку генома Chionea alexandriana – бескрылой мухи-долгоножки, способной сохранять активность при минусовой температуре. Исследование показало, что для защиты от холода насекомое использует эндогенный обогрев, синтезирует белки, обладающие антифризными свойствами, и демонстрирует пониженную восприимчивость нервной системы к окислительному стрессу. Благодаря этим приспособлениям муха может перемещаться по снежному покрову даже при температуре до минус семи градусов Цельсия.
Температура окружающей среды оказывает значительное влияние на пойкилотермных (холоднокровных) насекомых. Для выживания в зимний период они, как правило, используют неактивные методы: уходят в почву, где впадают в спячку, или накапливают криопротекторы, позволяющие им замерзнуть и приостановить биохимические реакции в организме.
Снежные мухи не соответствуют этому правилу. В зимний период они появляются на поверхности снега и способны быстро передвигаться даже при отрицательных температурах. Ученые-биологи долгое время не могли понять, какие молекулярные процессы обеспечивают сохранение подвижности у столь маленьких существ и предохраняют их внутренние жидкости от замерзания.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Current Biology, секвенировали полный геном мухи Chionea alexandriana и сравнили его с ДНК других насекомых, включая холодоустойчивого антарктического комара Belgica antarctica и обыкновенную дрозофилу. Затем проверили способность мух к выработке собственного тепла. Биологи приклеили насекомых к пластине Пельтье, вставили им в грудку микротермопары и резко охладили поверхность до минус восьми градусов Цельсия. Для контроля использовали мертвых мух и сверчков аналогичного размера.
В ходе исследований ученые также проверили функциональность генов снежной мухи, используя модельные организмы. Один из идентифицированных генов, отвечающий за синтез белка-антифриза (CaAFP-1), был интегрирован в геном дрозофил, после чего личинки подвергались замораживанию на три минуты при температуре минус 10 градусов. В отдельном эксперименте была создана культура клеток, содержащих рецептор TRPA1, который у насекомых участвует в восприятии химических раздражителей и болевых ощущений. С применением методики локальной фиксации потенциала (патч-кламп) исследователи оценили реакцию рецептора на перекись водорода – основной продукт клеточного стресса, возникающего при воздействии холода.
Генетические исследования выявили расширение групп генов, контролирующих расщепление жиров в митохондриях и пероксисомах у снежной мухи. Физиологические аспекты этого открытия были подтверждены экспериментом с использованием термопар. При резком понижении температуры живые снежные мухи кратковременно повышали температуру своего тела примерно на один градус Цельсия и поддерживали её в течение нескольких минут. Сверчки не продемонстрировали подобной способности, а лишь остывали одновременно с охлаждающейся пластиной.
Ученые пришли к выводу, что мухи используют так называемую «холостую» работу митохондрий, расходуя жировые ресурсы для получения тепла. Даже незначительный такой нагрев позволяет насекомым избежать переохлаждения и найти укрытие под снегом в случае внезапного изменения погодных условий.
Для защиты от кристаллов льда муху используют четыре различных типа собственных белков, обладающих антифризными свойствами. Введение всего одного гена CaAFP-1 позволило увеличить процент выживания личинок дрозофил при низких температурах с 12,3% до 55,9%.
Снежная муха также приспособилась к негативным последствиям воздействия низких температур. Активная деятельность митохондрий приводит к образованию большого количества свободных радикалов, в частности перекиси водорода. В типичных для насекомых ситуациях эти молекулы воздействуют на рецептор TRPA1, вызывая ощущение боли. Анализ электрических токов на клеточных мембранах выявил, что у снежной мухи болевой рецептор в 35 раз менее восприимчив к перекиси по сравнению с рецептором у дрозофилы.
Преодоление экстремально низких температур вынуждает организм адаптироваться на клеточном уровне. Снежные мухи демонстрируют, что даже крошечные насекомые способны не только к пассивному перенесению холодов, но и к активной борьбе с ними, используя метаболический нагрев, химическую защиту от кристаллизации и существенные изменения в работе органов чувств.