Кровь — замечательный материал: она должна оставаться жидкой внутри кровеносных сосудов и при этом как можно быстрее свертываться вне них, чтобы остановить кровотечение. Химический каскад, который делает это возможным, хорошо изучен для крови позвоночных. Но гемолимфа, эквивалент крови насекомых, имеет совершенно другой состав: в ней явно отсутствуют эритроциты, гемоглобин и тромбоциты, а также имеются амебоподобные клетки, называемые гемоцитами, вместо лейкоцитов для иммунной защиты.
Как и кровь, гемолимфа быстро свертывается вне организма. Как это происходит, долгое время оставалось загадкой. Теперь ученые-материаловеды показали в Frontiers in Soft Matter, как с этим подвигом справляются гусеницы моли-сфинкса Каролины. По словам авторов, это открытие имеет потенциальное применение в медицине человека.
«Здесь мы показываем, что эти гусеницы, называемые табачными роговыми червями, могут заклеивать раны за минуту. Они делают это в два этапа: сначала, через несколько секунд, их жидкая, похожая на воду гемолимфа становится «вязкоэластичной» или слизистой, а затем капающая гемолимфа втягивается обратно в рану», — сказал старший автор исследования Константин Корнев из Университета Клемсона. «Затем гемоциты агрегируют, начиная с поверхности раны и продвигаясь вверх, чтобы охватить покрывающую пленку гемолимфы, которая в конечном итоге превращается в корку, закрывающую рану».
Взрослые табачные роговые черви, готовые к окукливанию, имеют длину от 7,5 до 10 см. Они содержат лишь незначительное количество гемолимфы, которая обычно свертывается в течение нескольких секунд, что затрудняет изучение обычными методами.
По этим причинам Корневу и его коллегам пришлось разработать новые методы для настоящего исследования и работать быстро. Несмотря на это, процент неудач при самых сложных манипуляциях был огромен (до 95%) и требовал множества попыток.
Они удерживали отдельных роговых червей в пластиковом рукаве и делали легкие раны на одной из псевдоножек каждой гусеницы через окно в рукаве. Затем они коснулись капающей гемолимфы металлическим шариком, который оторвался, образовав гемолимфатический «мост» (около двух миллиметров в длину и сотни микрометров в ширину), который впоследствии сузился и сломался, образуя сателлитные капли. Корнев и его команда снимали эти события с помощью камеры с высокой частотой кадров и макрообъектива, чтобы детально изучить их.
Эти наблюдения показали, что в течение первых примерно пяти секунд после начала течения гемолимфа вела себя аналогично воде: технически — как ньютоновская жидкость малой вязкости. Но в течение следующих 10 секунд гемолимфа претерпела заметные изменения: она теперь не разрывалась мгновенно, а образовывала длинный мост за падающей каплей. Обычно кровотечение полностью прекращается через 60–90 секунд после того, как на ране образуется корка.
Корнев и его коллеги дополнительно изучили свойства потока гемолимфы, поместив никелевый наностержень длиной 10 микрометров в каплю свежей гемолимфы. Когда вращающееся магнитное поле заставляло наностержень вращаться, его задержка относительно магнетизма давала оценку способности гемолимфы удерживать стержень за счет вязкости.
Они пришли к выводу, что уже через несколько секунд после выхода из организма гемолимфа гусеницы из маловязкой превращается в вязкоупругую жидкость.
«Хорошим примером вязкоупругой жидкости является слюна», — сказал Корнев. «Когда вы размазываете каплю между пальцами, она ведет себя как вода: ученые-материаловеды скажут, что она чисто вязкая. Но благодаря наличию в ней очень крупных молекул, называемых муцинами, слюна образует мостик, когда вы раздвигаете пальцы. Поэтому это правильно. называется вязкоэластичным: вязким при сдвиге и эластичным при растяжении».
Кроме того, ученые использовали оптическую фазово-контрастную и поляризационную микроскопию, рентгеновскую визуализацию и моделирование материалов для изучения клеточных процессов, посредством которых гемоциты агрегируются, образуя корку на ране. Они сделали это не только с бабочками-сфинксами Каролины и их гусеницами, но и с 18 другими видами насекомых.
Результаты показали, что гемолимфа всех изученных видов одинаково реагировала на сдвиг. Но ее реакция на растяжение у богатой гемоцитами гемолимфы гусениц и тараканов, с одной стороны, и бедной гемоцитами гемолимфы взрослых бабочек и мотыльков - с другой: капли растягивались, образуя мостики для первых двух, но сразу же сломался для последнего.
«Превращение гемолимфы в вязкоупругую жидкость, по-видимому, помогает гусеницам и тараканам остановить любое кровотечение, втягивая капающие капли обратно в рану за несколько секунд», — сказал Корнев. «Мы пришли к выводу, что их гемолимфа обладает необычайной способностью мгновенно изменять свойства своего материала. В отличие от насекомых, производящих шелк, и пауков, у которых есть специальный орган для выработки волокон, эти насекомые могут производить нити гемолимфы в любом месте при ранении».
Ученые пришли к выводу, что ключевую роль во всех этих процессах играют гемоциты. Но почему гусеницам и тараканам нужно больше гемоцитов, чем взрослым бабочкам и мотылькам, до сих пор неизвестно.
«Наши открытия открывают двери для разработки быстродействующих загустителей человеческой крови. Нам не обязательно копировать точную биохимию, но мы должны сосредоточиться на разработке лекарств, которые могли бы превращать кровь в вязкоупругий материал, останавливающий кровотечение. Мы надеемся, что наши открытия помогут помогут решить эту задачу в ближайшее время», - сказал Корнев.
