Пойкилотермные (холоднокровные) насекомые зависят от температуры окружающей среды. Чтобы пережить зиму, они обычно применяют пассивные стратегии: зарываются в почву и впадают в спячку либо накапливают криопротекторы и замерзают, останавливая биохимические процессы в теле.
Снежные мухи нарушают это правило. Зимой они выходят на поверхность снега и быстро бегают при температурах ниже нуля. Биологи не понимали, какие молекулярные механизмы позволяют столь мелким животным сохранять подвижность и защищать внутренние жидкости от кристаллизации льда.
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.
Параллельно исследователи протестировали работу генов снежной мухи на модельных организмах. Они встроили один из найденных генов, кодирующий белок-антифриз (CaAFP-1), в ДНК дрозофил и заморозили их личинки на три минуты при минус 10 градусах. В другом эксперименте вырастили культуру клеток с рецептором TRPA1, который отвечает у насекомых за восприятие химических раздражителей и боли. С помощью метода локальной фиксации потенциала (патч-кламп) биологи измерили, как рецептор реагирует на перекись водорода — главный побочный продукт клеточного стресса на холоде.
Геномный анализ показал, что у снежной мухи разрослись семейства генов, отвечающие за расщепление жиров в митохондриях и пероксисомах. Эксперимент с термопарами подтвердил эту находку физиологически. В ответ на резкое охлаждение живые мухи кратковременно поднимали внутреннюю температуру тела примерно на один градус и удерживали ее несколько минут. Сверчки на такое оказались не способны и просто остывали вместе с пластиной.
Исследователи предположили, что мухи греются за счет «холостой» работы митохондрий, сжигающих жировые запасы. Даже минимальный нагрев дает насекомому время, чтобы не заледенеть изнутри и успеть спрятаться под снег при резком ухудшении погоды.
От кристаллов льда муху защищают четыре типа собственных белков-антифризов. Пересадка всего одного гена CaAFP-1 повысила выживаемость личинок дрозофил при отрицательной температуре с 12,3% до 55,9%.
Кроме того, муха адаптировалась к опасным побочным эффектам холода. Интенсивная работа митохондрий производит много свободных радикалов (перекиси водорода). У обычных насекомых эти молекулы активируют рецептор TRPA1 и вызывают боль. Измерения токов на клеточных мембранах показали, что болевой рецептор у снежной мухи в 35 раз менее чувствителен к перекиси, чем у дрозофилы.
Выживание в экстремальном холоде требует скоординированной перестройки всего организма на молекулярном уровне. Снежные мухи доказывают, что микроскопические насекомые не всегда полагаются на пассивную зимовку. Они активно противостоят морозу, комбинируя метаболический обогрев, химическую защиту ото льда и глубокую перенастройку сенсорных систем.