Kokon prapłetwca pełen niespodzianek

Prapłetwiec abisyński (Protopterus aethiopicus) w Tokyo Tower Aquarium, George Berninger Jr., https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Leopard_lungfish_(Protopterus_aethiopicus)_close_-_GRB.JPG

Zdarzyło się wam kiedyś słyszeć o prapłetwcach? W mojej okolicy te zaopatrzone w płuca dwudyszne ryby z rodzaju Protopterus (prapłetwiec właśnie) zamieszkujące bagniste zbiorniki wodne Afryki tropikalnej “promował” swego czasu lokalny (trójmiejski) portal informacyjny materiałem o wdzięcznym tytule Prapłetwiec Kazimierz nic nie musi. Podlinkowane nagranie poświęcone było prapłetwcowi Kazimierzowi mieszkającemu w Akwarium Gdyńskim.i stanowiło część całej serii artykułów i nagrań po części reklamujących samą instytucję, po części zaś popularyzujących wiedzę przyrodniczą.

Prapłetwiec brunatny (Protopterus annectens); Mathae, CC-BY, https://pl.wikipedia.org/wiki/Prap%C5%82etwiec_brunatny#/media/Plik:G%C5%91tehal.jpg

Chociaż gdyński prapłetwiec rzeczywiście nic nie musi (“Kazimierz nic nie musi. U nas cały dzień odpoczywa” – stwierdza w materiale pracownik Akwarium), w naturze niekiedy prapłetwce od czasu do czasu coś tam jednak muszą. Wiecie, jak to w życiu (poza Akwarium), nikt cię nie nakarmi, jeśli się choć trochę nie postarasz. Od czasu do czasu prapłetwce muszą też zadbać o swoje bezpieczeństwo. Wymusza to na nich ich środowisko życia. Rozlewiska rzeczne zamieszkiwane przez prapłetwce potrafią okresowo wysychać i cóż wtedy robią pozbawieni wody krewniacy Kazimierza? Otóż spędzają porę suchą zagrzebani w norach i otoczeni ochronnym kokonem z zaschniętego śluzu. Śpią sobie, zredukowawszy metabolizm, czekając na lepsze czasy. Przechodzą w stan estywacji, takiego snu – w przeciwieństwie do zimowej hibernacji – letniego i potrafią tak czekać długo – miesiącami, a nawet latami. W ogóle im się zresztą nie dziwię, osobiście nawet nasze polskie lato niekiedy najchętniej przespałabym w jakiejś przytulnej chłodnej piwnicy, a one przecież mają gorzej. I choć poszczególne gatunki prapłetwców różnią się między sobą szczegółami (np. prapłetwiec czarny, Protopterus dolloi, norek nie kopie, jego “sen” zaś jest dużo płytszy, a metabolizm w mniejszym stopniu spowolniony), ich mechanizmy adaptacji do okresowych niedoborów wody są podobne.

Zambia; polowanie na prapłetwca w jego naturalnym środowisku – w naturze Kazimierz nie ma łatwo; Lord Mountbatten; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Catching_a_Lungfish.jpg

Nie, uspokajam, nie zmieniam swoich głównych zainteresowań ani tematyki strony na zoologię, jednak tkanki i narządy zwierzęce, czy to w swojej wersji prawidłowej, czy patologicznej, pozostają w centrum zainteresowań tego bloga nawet jeśli w grę wchodzi akurat zwierzę inne niż człowiek. Pisałam tu już o chorych nicieniach, pisałam o nowotworach u golców piaskowych, mogę się zająć także zdrowym prapłetwcem, zwłaszcza że badania śluzowych kokonów prapłetwców przyniosły ostatnio naprawdę interesujące rezultaty.

Wyjście kręgowców na ląd uchodzi za niezwykle istotny punkt naszej ewolucji, stąd też zmagania prapłetwców z nieprzyjaznym środowiskiem lądowym wciąż budzą zainteresowanie nauki. Dwudyszne (obecnie wyróżniamy trzy rodzaje ryb w obrębie tej grupy – Neoceratodus, australijski rogoząb, Lepidosiren, południowoamerykański prapłaziec, zwany czasem prapłetwcem południowoamerykańskim, i Protopterus właśnie obejmujący interesujące nas prapłetwce – jedynie pośród nich wyróżniamy więcej niż jeden gatunek) w ogóle są szczególnie interesującym obiektem badań nie tylko ze względu na ich relatywnie długą historię zapisu kopalnego (ponad 400 milionów lat), ale też z powodu ich kluczowej dla ewolucji kręgowców pozycji: są one prawdopodobnie – obok celakantów (na pewno kojarzycie latimerie) – rybami najbliżej spokrewnionymi z wyposażonymi w kończyny kręgowcami (tetrapodami, czyli czworonogami, do których też się zaliczamy), stanowią zatem ważny punkt odniesienia dla zrozumienia ich historii. Pamiętacie jeszcze choć z grubsza ze szkoły podział er geologicznych? Te ponad 400 milionów lat historii przypisywanych dwudysznym sytuuje nas w dewonie. To w dewonie właśnie pojawiły się pierwsze czworonogi i już wtedy nasze dzisiejsze prapłetwce pozostawiły po sobie norki, w których spędzały, estywując, niesprzyjające ich wymogom życiowym suche gorące okresy, choć późniejsze niż dewon okresy pozostawiły nam po nich więcej podobnych świadectw. Mamy do czynienia z przystosowaniem bardzo starym. To najstarsze znane nam takie struktury pozostawione przez kręgowce.

Schematyczne przedstawienia kopalnych norek prapłetwców z rodzaju Gnathorhiza; https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-02421-4_12

Gdy sięgniecie do piśmiennictwa naukowego, bez trudu znajdziecie artykuły czy to o przystosowaniach całego prapłetwcowego przewodu pokarmowego do przerywanego okresami suszy i snu życia, czy o konkretnych narządach lub ich elementach oraz ich adaptacjach – wątroba, śledziona, nerka czy może samo ciałko nerkowe, do wyboru, do koloru. Również skórze niezwykłej ryby badania poświęciły w ostatnich latach nieco uwagi. A skoro patrzy się na skórę, to także sztandarowej prapłetwcowej barierze ochronnej, jaką jest słynny śluzowy kokon, warto się przyjrzeć. Ale czemu tu się właściwie przyglądać? – spytacie może. Glut, jak glut, powiecie. Na… cóż drążyć temat? Ano okazało się, że było warto.

Ale zacząć musimy od struktur na oko mało ze skórą czy samym kokonem powiązanych.

Już od niemal wieku znamy pewną zadziwiającą właściwość prapłetwcowego organizmu. Wiecie co to granulocyty? To odmiana białych krwinek, których cytoplazma, ten cały glut wypełniający wnętrze komórki, zawiera liczne ziarnistości pełne przydatnych (zależnych od rodzaju granulocytu) związków chemicznych, a jądro komórkowe jest charakterystycznie podzielone na segmenty, stwarzając wrażenie wielojądrzastości. Mamy granulocyty my, mają je też prapłetwce. Granulocyty pływają sobie we krwi lub wędrują pozanaczyniowo pośród tkanek, zależnie od sytuacji i potrzeby reagując na rozmaite zagrożenia na różne sposoby – potrafią wypełzać poza światło naczyń krwionośnych i zabijać, a nawet pożerać niektóre patogeny (nie tylko bakteryjne), wydzielają, ale i unieczynniają najróżniejsze nie tylko środki mikrobobójcze, ale też mediatory zapalenia, potrafią wpływać na krzepnięcie krwi i przepuszczalność naczyń krwionośnych, umieją pochłaniać kompleksy antygen-przeciwciało, ot, bardzo przydatne i wielofunkcyjne komórki.

Ściana jelita prapłetwca gęsto upakowana czerwonawymi kropeczkami granulocytów (przykładowe wskazane strzałkami); https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0829

Warto pamiętać, że nie wszystkie granulocyty są przez cały czas przez organizm aktywnie użytkowane. W literaturze mówi się też o pewnej ich populacji marginalnej, przycupniętej po cichutku brzeżnie przy śródbłonku naczyń krwionośnych, zwłaszcza gdzieś w płucach, wątrobie czy śledzionie, tworzącej swoistą pulę rezerwową, wymieniającą się z resztą granulocytowej kompanii w razie potrzeby, uzupełniającej braki i niedobory. Prapłetwce dysponują czymś dalece bardziej imponującym, jeśli porównać rzecz z naszą skromną populacją marginalną – całymi wielkimi magazynami zapasowych granulocytów. Literatura opisuje zadziwiająco obfite granulocytarne depozyty tkankowe w prapłetwcowych jelitach, gonadach czy nerkach. Pytanie, po cóż właściwie im takie granulocytarne skarbczyki, nurtowało środowiska naukowe już od dawna – to w końcu niebagatelna inwestycja, wyprodukować i przechowywać takie na oko mało przydatne zapasy. Natura wszak nie lubi rozrzutności.

Już we wczesnych badaniach, w latach trzydziestych ubiegłego wieku, wysuwano sugestie, że być może to właśnie estywacja prapłetwców jest procesem, w którym większą, niż dotąd podejrzewano, rolę mógłby odgrywać układ odpornościowy zwierzaka, konkretniej zaś jego tajemnicze przechowywane na czarną godzinę granulocyty, nie pojawiły się jednak żadne twarde przesłanki mogące podobne koncepcje wesprzeć i uszczegółowić. Ot, pomysł, jak pomysł. Dopiero teraz udało się przeprowadzić badania, które pozwoliły ruszyć z nim dalej. Okazuje się, że ściana jelita czy nerka rzeczywiście utrzymują zapas białych krwinek u wolno pływających prapłetwców, jednak u okokonionej ryby drzemiącej podczas suszy w swej norce rzecz wygląda zupełnie inaczej. Trochę tylko granulocytów, trochę ubarwionych śmieci po nich pozostałych, trochę typowego dla prapletwca rusztowania z naczyń limfatycznych. Nadmiarowe białe krwinki opuściły magazyny i weszły do krwiobiegu. Ale czy tylko tam? Otóż nie, nie tylko, a nawet nie przede wszystkim – ich przewalające się przez naczynia krwionośne na początku stanu spoczynkowego tłumy to jedynie stan przejściowy. Znakomita ich część wędruje tylko nimi w stronę skóry zwierzęcia.

Nie od dziś wiemy, że skóra prapłetwca wchodzącego w tryb “lądowy” zmienia się zauważalnie. Nic w tym zaskakującego – w końcu to powierzchnia ciała właśnie wchodzi w największy kontakt z otoczeniem, które zmienia się dla wypchniętego na ląd organizmu dość dramatycznie. Zwierzątko dotąd wodne przechodzi w tryb lądowy. Jasne, nie sama tylko skóra je chroni i nie sama tylko skóra bierze udział w przygotowaniach – zwierzę, przygotowując się do fazy “spoczynkowej” wydziela też na przykład ogromne ilości śluzu poprzez skrzela, jednak i skóra ulega istotnej przebudowie. Najbardziej powierzchowne warstwy rybiego naskórka ulegają stopniowo spłaszczeniu, zastępując wcześniejsze dominujące w tej lokalizacji walcowate komórki śluzowe.

Skóra prapłetwca wolno pływającego (po lewej) zmienia się, przechodząc w  fazę spoczynkową; sam prapłetwiec zwija się, produkując olbrzymie ilości śluzu; czerwone strzałki wskazują na granulocyty, czarne na nowo powstałą warstwę powierzchownych płaskich komórek nabłonkowych; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2018.01259/full

Chmary czerwonawych granulocytów (obrysowane) napływają pod naskórek, a wskazana strzałkami błona podstawna ulega rozszczelnieniu i zaczyna odrywać się od naskórka; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0829

Jedocześnie naskórek zaczynają podminowywać migrujące z opuszczonych magazynów tkankowych granulocyty. Ich napływ wywołuje lokalny stan zapalny i poluzowuje oddzielającą ściśle w zwykłych warunkach nabłonek od skóry właściwej warstewkę błony podstawnej. Złuszczający się wskutek stanu zapalnego intensywniej “stary” naskórek wraz z częścią granulocytów i pokrywającym zwierzątko śluzem zaczynają współtworzyć kokon. Oczywiście taki poluzowany, oddzielający się od błony podstawnej i skóry właściwej naskórek stanowiłby potencjalne zagrożenie dla zdrowia i życia zwierzęcia (to w końcu przerwanie najbardziej podstawowej bariery ochronnej) – wokół, obok innych niebezpieczeństw, czai się w końcu także mnóstwo mikroorganizmów tylko czyhających na okazję, tu jednak prapłetwcowi w sukurs przychodzi pewna szczególna zdolność przybyłych do skóry granulocytów. Nie tylko prapłetwcowych zresztą, nasze też to umieją.

Tłum granulocytów łapiących małe zielone wrogie mikroby w swoje sieci; https://www.nature.com/articles/s41581-019-0163-2

Otóż potrafią one zarzucać na wroga sieci. Tak całkiem dosłownie – jednym z ciekawszych mechanizmów w ich arsenale obok wspomnianych ziarnistości pełnych potencjalnie zabójczej broni chemicznej są tzw. sieci NET (neutrophil extracellular traps – zewnątrzkomórkowe sieci – czy pułapki – neutrofilowe, neutrofile z nazwy to akurat jedna z odmian naszych granulocytów). Pułapki takie tworzone są przez pobudzone do działania – np. przez stające im na drodze mikroby – granulocyty, a składają się z nanizanych na nici DNA związków bakteriobójczych. W odpowiednich warunkach neutrofil wyrzuca ze swego wnętrza chromatynową sieć, która łapie napotkane bakterie, unieruchamia je, a następnie trawi. Na pewno jeszcze kiedyś wrócimy do granulocytarnych pułapek, pełnią one bowiem istotne funkcje także i w naszych organizmach, trudno się też nie zachwycić takim miniaturowym komórkowym Spidermanem plującym chromatynową pajęczyną, w tej chwili przejdźmy jednak do powstającego kokonu.

Podczas gdy naskórek powoli regeneruje się z komórek macierzystych w swej nowej, bardziej spłaszczonej, przydatniejszej poza wodą postaci, jednocześnie wciąż się złuszczając, a granulocyty nadal napływają, by utrzymywać stan pobudzenia, polować na mikroby i generalnie zajmować się swoimi granulocytowymi sprawami, struktura kokonu narasta i nabiera kształtu. Glut ze złuszczonego naskórka, śródbłonka naczyń krwionośnych i mas komórek zapalnych zatopionych w mieszaninie śluzu, substancji antybakteryjnych i wyplutych przez granulocyty nici DNA nadbudowuje się kolejnymi warstwami. Mijają dni. Z czasem proces zaczyna powoli wyhamowywać, uspokajać się. Naskórek regeneruje się ostatecznie w nowej, lepiej do środowiska dostosowanej formie, a ostateczna grubość naszego tak starannie formowanego ochronnego gluta osiąga 350 to 900 μm. To prawie milimetr.

Schematycznie przedstawione powstawanie kokonu prapłetwca; zwracają uwagę strzępki siateczki tworzonej przez wypluwane przez granulocyty pozakomórkowe DNA (eDNA) i wplątane w gluta substancje antybakteryjne (AMPs, antimicrobial peptides);  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0829

Kokon pod mikroskopem okazuje się mieć zadziwiająco uporządkowana budowę, przecinają go kanały (CH) i wysłane śródbłonkiem korytarze-naczynia (ELV) oddzielajace komórkowe gniazda (N) i skupiska; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0829

Dotąd na kokon prapłetwca spoglądano jak na martwą skorupę, czysto mechaniczną strukturę ochronną chroniącą głównie przed utratą wody. Najnowsze zgłębiające temat badanie opublikowane pod koniec roku 2021 przewraca ten pogląd do góry nogami – wszystko wskazuje na to, że był on głęboko niesłuszny. Oglądany pod mikroskopem glut okazuje się tworem żywym i aktywnym. Co więcej, określenie “glut” stanowi tu niejakie niedopowiedzenie, krzywdzące względem gluta zresztą, nie pozwala bowiem oszacować prawidłowo stopnia skomplikowania tworzonych przezeń struktur. To nie tylko bezładna mieszanina wspomnianych już elementów – poszczególne jej składowe nie tylko narastają, ale też osiągają pewien – niespodziewany – poziom uporządkowania. Komórki nabłonkowe i śródbłonkowe tworzą warstwy, tunele i kanały przecinane i połączone mniejszymi korytarzami, a wszędzie kłębią się tłumy granulocytów. Żywych i aktywnych. Plujących wokół swymi sieciami. Powstaje coś na kształt zupełnie nowej tkanki jednocześnie pozostającej wciąż częścią żywego zwierzęcia i odeń oddzielną. Prapłetwiec wysuwa swój układ odpornościowy na zewnątrz swego organizmu, otulając się nim niczym żywym płaszczem ochronnym – podkreślę jeszcze raz: zespół badawczy opisujący zjawisko nie zawahał się przed nazwaniem tej struktury zupełnie nową tkanką. Jeśli to nie jest fascynujące, to doprawdy nie wiem, co jest.

Uwięzione w kokonie bakterie (strzałki); https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0829

Oczywiście wciąż pozostaje wiele niewiadomych. Wiemy, że zawarte w kokonie prapłetwcowe komórki w większości są żywe i aktywne (w badanych próbkach zaledwie niewielki odsetek komórek okazywał się martwy lub umierający, standardowa zaś produkcja komórkowych białek w tych pozostałych zachodziła pełną parą). Wiemy, że kluczowe dla ochronnych właściwości kokonu są tłoczące się w jego obrębie granulocyty i ich pieczołowicie rozsnuwane sieci. Zespół badawczy testował tę koncepcję, próbując rozpuszczać chromatynowe nici odpowiednimi enzymami, co nie kończyło się dobrze dla tak potraktowanych zwierząt (oprócz infekcyjnych zmian skórnych rozwijały się też cechy uogólnionego zakażenia i sepsy mimo poza tym zachowanego fizycznie kokonu i obecnych komórek zapalnych). Badania bakteryjnego materiału genetycznego pokazały też olbrzymie ilości bakteryjnych resztek złapanych w granulocytarne pułapki kokonu, co dodatkowo potwierdza założenie ochrony mikrobiologicznej jako jednej z podstawowych funkcji tej szczególnej bariery. Czego nie wiemy zatem? Cóż… Przede wszystkim nie wiemy jak długo trwa taka aktywna ochrona i jak długo utrzymuje się żywa struktura kokonu. Prapłetwce potrafią pozostawać w swych norach długo, podczas gdy badania obejmowały jedynie pierwsze tygodnie procesu. Długość życia granulocytów – naszych przynajmniej – liczy się raczej w godzinach, ewentualnie dniach, nie miesiącach, któż wie zatem jakie są losy zadziwiającego okrywającego śpiącego prapłetwca przeciwbakteryjnego płaszcza. Może wyhamowuje on swój impet, z czasem rzeczywiście przekształcając się w martwą skorupę? A może zwierzę zasila go dostawami nowych aktywnych komórek? To kwestia wymagająca dalszych badań. Pozostaje czekać na kolejne doniesienia naukowe.

 

(Przypominam też, że patologów możecie śledzić również na fejsbuku – warto tam zaglądać, bo strona jest codziennie aktualizowana)

Literatura:

The lungfish cocoon is a living tissue with antimicrobial functions. RD Heimroth, E Casadei, O Benedicenti, CT Amemiya, P Muñoz, I Salinas; Science Advances 2021;7(47):eabj0829

Lungfish evolution and development. JMP Joss; General and Comparative Endocrinology 2006;148(3):285-9

Aestivation in the Fossil Record: Evidence from Ichnology. DI Hembree; 2010. In: Arturo Navas C., Carvalho J. (eds) Aestivation. Progress in Molecular and Subcellular Biology, vol 49. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-02421-4_12

Effects of Experimental Terrestrialization on the Skin Mucus Proteome of African Lungfish (Protopterus dolloi). RD Heimroth, E Casadei, I Salinas; Frontiers in Immunology 2018;9:1259