Во время зимней прогулки по лесам Аляски вы можете переступить через нечто похожее на мёртвую лягушку, запертую под листьями. Её глаза затуманены льдом, сердце не бьётся, а лёгкие ничего не делают.

И всё же эта лягушка жива.

Весной она оттает, проснётся и улетит, будто зима никогда не наступила. Для учёных, пытающихся сохранить человеческие органы вне тела, этот трюк заставляет многих задуматься.

Лягушка, нарушающая правила жизни и смерти

Древесные лягушки — Lithobates sylvaticus , также известный как Rana sylvatica — живут севернее, чем любая другая амфибия, даже за Северным полярным кругом. В отличие от большинства лягушек, они не зимуют под водой. Они прячутся под опавшей листвой и поддаются холоду.

Когда температура опускается ниже нуля, до 65–70 процентов воды в их теле превращается в лёд. Дыхания и нервной активности больше нет.

«По сути, это животное клинически мёртво», — сказала Шеннон Тессье из Массачусетской общей больницы, чьи исследования черпают уроки у животных, устойчивых к замерзанию Учёный.

«Если держать замороженную лягушку, она буквально как камень», — добавила Раша Аль-Аттар, биолог из лаборатории Тессье. Учёный .

Затем, когда температура поднимается, лягушка оттаивает и возобновляет свою жизнь. «И начинаем двигаться [their] как будто ничего не произошло», — сказал Аль-Аттар.

Эта способность эволюционировала как тщательно спланированный каскад изменений, защищающих клетки от жестокости замораживания. Как вы можете представить, эта способность звучит очень полезно для многих вещей, которые нам нужны; некоторые из которых могут спасти десятки тысяч жизней каждый год.

Домашний антифриз: сахар, мочевина и выживание

Замораживание обычно убивает клетки, разрывая их изнутри. Образуются ледяные кристаллы, прокалывающие мембраны клеток и вызывая коллапс хрупких структур. Люди не могут выжить в этом процессе, поэтому крионика остаётся научной фантастикой. Пока что.

Древесные лягушки, однако, поступают иначе. Они заставляют лёд образовываться вне своих клеток, а не внутри. В то же время их печень наполняет организм глюкозой. Почки перестают выделять мочу, позволяя мочевине накапливаться в крови. Вместе сахар и мочевина действуют как криопротекторы — буквально натуральный антифриз.

Этот биохимический коктейль предотвращает уменьшение или разрыв клеток во время замерзания и оттаивания. Этот процесс происходит не один раз. В дикой природе лягушки проходят через повторяющиеся циклы замерзания и оттаивания на протяжении всей зимы.

«Мы предполагаем, что именно паттерн замерзания в естественных условиях, включающий несколько циклов замораживания и оттаивания, вызывает высокие концентрации глюкозы, накапливающуюся в тканях аляскинских древесных лягушек», — написал Дон Ларсон из Института арктической биологии Университета Аляски в Фэрбенксе и его коллеги в исследовании 2014 года. Исследование Ларсона было одним из первых, изучавших экологическую физиологию и поведение морозостойких древесных лягушек, зимующих в естественных условиях.

«Наши результаты показывают, что аляскинские древесные лягушки могут выживать в заморозке до 7 месяцев при минимальных температурах ниже -18°C», — сообщила команда Ларсона.

Только сибирские саламандры (Salamandrella keyserlingii ) соперничают с ними. Эти рептилии также оттаивают и оживают с приходом весны, демонстрируя удивительную устойчивость к температурам до -50°C (-58°F).

Не все лягушки замерзают одинаково

Лесные лягушки не одни в этой ледяной стратегии. Серые древесные лягушки Коупа (Hyla chrysoscelis ) также переживают замораживание и последующие циклы оттаивания, но зависят от другого химического состава. Вместо глюкозы они накапливают глицерин.

«То, что на самом деле делает глицерин, — это [it] криозащита клеток от физического воздействия при замораживании и оттаивании», — сказала Карисса Крейн из Университета Дейтона в интервью Учёный .

Глицерин равномерно распространяется по мембранам клеток, предотвращая опасные водные нарушения при оттаивании лягушки. Команда Крейна обнаружила, что клетки лягушек, приспособленных к холоду, гораздо реже лопаются под стрессом, чем клетки у более тёплых лягушек.

«Одна из причин, почему этот организм для нас очень интересен, заключается в том, что этот глицериновый механизм был показан в других системах как очень хороший криопротектор», — сказал Крейн.

Учёные уже используют глицерин для сохранения микробов и сперматозоидов. То, что лягушки могут предложить, — это метод безопасного, многократного и масштабного применения в живом организме.

От опавшего листа до операционных

Для трансплантологов время — враг. После удаления у донора большинство органов остаются жизнеспособными всего несколько часов.

«Вы кладёте орган в мешок со льдом и бежите к получателю. Это примерно несколько часов», — сказал Коркут Уйгун из Массачусетской общей больницы.

Это короткое окно формирует всю систему трансплантации. Органы нельзя запасать или отправлять гибко. В США около 13 человек умирают каждый день, ожидая трансплантации.

Но аляскинские лягушки утверждают, что это ограничение не неизбежно.

Тонер, Уйгун, Тессье и их коллеги начали переводить лягушачьи стратегии в медицину. Они не пытаются превратить людей в амфибий. Вместо этого теперь они внимательно изучают этих животных в поисках подсказок о том, как эту фантастическую способность можно использовать для хранения органов.

Один из уроков — контроль льда. Лягушки позволяют льду образовываться в предсказуемых местах. Вдохновлённые этим, исследователи выявили бактериальные продукты, которые способствуют образованию льда вне клеток, уменьшая повреждения во время замерзания.

Ещё один урок — глюкоза. Древесные лягушки используют огромные дозы сахара, которые могут отравить человеческие клетки. Поэтому команда Тонера разработала модифицированный аналог глюкозы, который клетки не могут метаболизировать.

Обходной путь сработал. Используя аналог вместе с контролируемым охлаждением, учёные сохраняли печень крыс до четырёх дней. Позже они пересадили почку свиньи, которая была заморожена более недели. Недавно эту границу увеличили до десяти дней.

Замедление жизни, чтобы спасти её

Криопротекторы — лишь часть истории. Лягушки тоже отключаются в себе, так как их метаболизм падает до полного выживания.

Вдохновившись этим, команда Тонера лечила клетки млекопитающих препаратами, замедляющими биосинтез перед замораживанием. Клетки, обработанные таким образом, лучше пережили оттаивание, чем необработанные.

Многие животные — от спящих медведей до спящих семян — выживают в суровых условиях, уменьшая жизнь, а не сражаясь с окружающей средой напрямую.

«Нет никакой магической молекулы», — сказал Уйгун. «Это нужно организовать, потому что природа действительно так и поступает [it]. Есть некоторая координация, немного хореографии.»

Будущее, построенное на замороженном времени

Древесные лягушки не думают о листах ожидания на пересадку. Они замерзают, потому что зимой этого требует. Но исследования их стратегии выживания приходят в момент, когда медицина готова слушать.

Исследователи видят будущее, в котором органы проходят по настоящей цепочке поставок. Хирурги могли бы планировать операции за несколько дней или недель вперёд. Представьте, что донорские органы путешествуют через континенты. Сопоставление доноров и реципиентов стало бы более точным и менее тревожным.

Вернувшись в лес, лягушка сначала оттаивает в мозге и сердце. Через несколько часов жизнь возобновляется. То, что выглядит как воскрешение, на самом деле является подготовкой — напоминанием о том, что эволюция уже решила многие проблемы, которые люди только начинают задать.

В некоторых случаях будущее медицины застыло у нас под ногами, ожидая весны.