Video 1. Video af et bjørnedyr. Læg mærke til kløerne for enden af benene og de to små sorte øjne.

Hvad er et bjørnedyr?

Et bjørnedyr, hvis latinske navn er ”tardigrade” (tardum =  langsom, grado = gående), er et hvirvelløst dyr, typisk mellem 0,1 mm og 1 mm langt. De kan altså næsten ikke ses med det med det blotte øje, og man skal derfor bruge et mikroskop for at kunne observere dem. De har en aflang krop, et hoved, ofte med øjne og otte ben med lange kløer for enden. Ser man på dem i mikroskopet ligner de næsten små bjørne, som bevæger sig langsomt rundt.

På trods af at de er så små, har de både hjerne, muskler, fordøjelsessystem og nervesystem lige som andre dyr. Der er dog nogle afgørende forskelle mellem bjørnedyrs fysiologi og for eksempel menneskers: Bjørnedyr har ikke et cirkulations- eller respirationssystem. Det vil sige, at de hverken har et hjerte eller blodsystem, som transporterer oxygen og næringsstoffer rundt i deres krop. Bjørnedyr har heller ikke lunger, for de trækker ikke vejret, som vi mennesker gør det. Oxygen trænger blot ind gennem deres hud. Næringsstoffer fra føden og oxygen kan på trods af det manglende cirkulationssystem fordele sig ud til alle cellerne, fordi bjørnedyrs krop udgør et åbent hulrum, hvor kropsvæske kan bevæge sig frit rundt mellem alle cellerne. Denne transport rundt i kroppen forstærkes, når dyret bevæger sig rundt.

Bjørnedyr er som alle andre levende organismer opbygget af celler, mere præcist mellem ca. 1000 og 40.000 celler. Til sammenligning består et voksent menneske af ca. 10¹⁴ = 100.000.000.000.000 celler. Mennesker har altså mange flere celler end bjørnedyrene, men celletypen er den samme – begge er opbygget af såkaldte eukaryote celler. Denne celletype indeholder en cellekerne, kaldt nukleus, hvor arvematerialet ligger. Ud over det har eukaryote celler forskellige membranomsluttede organeller, som for eksempel mitokondrier, som står for cellernes energiproduktion. Der findes en anden type celle, nemlig prokaryote celler. De er karakteriseret ved hverken at have en kerne eller membranomsluttede indre organeller. Denne celletype har dermed en mere simpel opbygning end eukaryote celler. Bakterier er eksempler på prokaryote organismer.  Det er en almindelig teori, at de første celler lignede prokaryote celler, som de ser ud i dag. Senere i livets udvikling opstod den eukaryote celletype ud fra de prokaryote.

Video 2. Video af en anden type bjørnedyr. Hovedet er nederst i venstre hjørne og det lille dyr bevæger sig langsomt frem ved hjælp af sine otte ben.

 

Figur 12. Ser man nærmere på bjørnedyrenes kløer, opdager man, at de er lange og krumme. Dette billede er taget med et scanning-elektronmikroskop.

Figur 13. Et bjørnedyr set fra siden og nedefra. Figurerne viser, at det lille dyr blandt andet har otte ben, et fordøjelsessystem bestående af mund, svælg og mave-tarmkanal, en hjerne, øjne og et hulrum til æg. 

Figur 14. Til venstre kan man se en eukaryot celle med cellekerne og membranomsluttede organeller. Det er netop eukaryote celler, som bjørnedyr er opbygget af. Til højre ses en prokaryot celle, altså den type celle, som for eksempel bakterier består af.

Arter af bjørnedyr

Der findes omkring 1200 beskrevne arter af bjørnedyr, men forskere regner med, at der eksisterer langt flere – måske helt op mod 10.000 arter. Overordnet er bjørnedyr opdelt i to klasser, Eutardigrada og Heterotardigrada. Heterotardigrada har som regel et ydre ”skjold”, som antageligt beskytter dyret og får eventuel udtørring til at ske langsommere.  Inden for denne klasse findes både arter, som lever i havet og på landjorden. Eutardigrada har ofte ikke noget ydre ”skjold” og lever næsten udelukkende på land.
Forskere har fremsat en teori om, at bjørnedyr opstod og udviklede sig i havet. Da det primært er dyr fra klassen af Heterotardigrada, der lever i havet, vil disse bjørnedyr ligne de oprindelige bjørnedyr mest. Nogle af de tidlige hav-bjørnedyr har sandsynligvis engang bevæget sig op på land og dermed koloniseret både landjord og ferskvandsområder. Ud fra de nye land-bjørnedyr kan den anden klasse, nemlig Eutardigrada, have udviklet sig gennem mange års evolution.
”Livets stamtræ”, også kaldt det fylogenetiske træ, er en oversigt over, hvordan forskellige levende organismer er i familie med hinanden. På dette stamtræ er bjørnedyrene placeret tæt ved rundorme og leddyr. Der er dog stadig ikke enighed om den præcise position, altså om bjørnedyr er tættest i familie med rundorme eller leddyr.

Figur 15. Et bjørnedyr af klassen Eutardigrada til venstre og til højre et bjørnedyr af klassen Heterotardigrada.

Som det ses på figur 15, kan bjørnedyr fra de to klasser, Eutardigrada og Heterotardigrada, se meget forskellige ud. Mest tydeligt er formen og farven af dyret, som kan variere meget mellem forskellige arter. Det er pigmenter, som giver dem deres brunlige og orange farver. Bjørnedyr, der lever på landjorden, er normalt farvede, mens de, der lever i havet, er farveløse eller hvide. Dyrene på billederne er fundet i mos fra et tag i Nordsjælland i Danmark, og er altså begge arter, som lever på landjorden.
Bjørnedyret af klassen Heterotardigrada har et ydre skjold, som dog ses mest tydeligt på figur 16. Bemærk også de lange ”følehår”, som bjørnedyrene af klassen Heterotardigrada har.
På begge billeder i figur 15 er bjørnedyrenes hoved opad, mens det er i øverste venstre hjørne på figur 16. På alle tre billeder ses bjørnedyrene fra oven.

Føde

Bjørnedyr er en vigtig del af fødekæden i det mikroskopiske miljø, som eksempelvis en mospude udgør. Der findes både kød- og planteædende bjørnedyr, som bidrager forskelligt til økosystemet. Planteæderne lever hovedsageligt af saft fra mos- og algeceller, som de suger ud ved hjælp af deres munddele. Rov-bjørnedyrene kan derimod også spise mikroskopiske dyr som rundorme og hjuldyr og endda mindre arter af bjørnedyr. Herudover kan de indtage bakterier og gærceller. Bjørnedyr har også fjender. Snegle, som lever i områder, hvor der også findes bjørnedyr, spiser nemlig de mikroskopiske dyr. Desuden kan mikroskopiske svampe angribe bjørnedyr og leve af næringsstofferne fra dyrets krop.

Formering

Bjørnedyr kan formere sig på forskellige måder alt efter hvilken art, der er tale om. Fælles er dog, at alle bjørnedyr lægger æg. Æggene kan se meget forskellige ud, og skallen er ofte beklædt med fine strukturer i forskellige former. Udseendet af skallerne er derfor vigtig for artsbestemmelsen af bjørnedyr.

Figur 17. Skallen på bjørnedyrs æg har ofte fine strukturer, som kan variere meget alt efter arten af bjørnedyr.

Afhængig af arten og af hvor nem adgang dyret har til føde, producerer bjørnedyr alt mellem et par æg og op til omkring 40. Bjørnedyret kan enten lægge æggene frit i omgivelserne eller i dyrets eget ydre skjold eller hud, som det kan smide, ligesom når slanger skifter ham. Det tager mellem 30 og 90 dage for fosteret at udvikle sig, før ægget klækkes.

Figur 16. Et billede taget med scanning-elektronmikroskop af et bjørnedyr af klassen Heterotardigrada. Man kan tydeligt se skjoldpladerne og benene i bagenden af dyret (højre side af billedet).

Figur 18. Bjørnedyr kan lægge æg i sit eget ydre skjold eller hud. På billedet kan du se, at et bjørnedyr har smidt sit ydre skjold og lagt tre æg i det. Læg mærke til, at man kan se omridset af, hvor bjørnedyrets ben og klør har siddet, før det forlod skjoldet. Der er tre forskellige måder hvorpå, formeringen kan ske: 1. partenogenese, 2. selv-fertilisering og 3. kønnet formering.

 

1. Partenogenese er en form for ukønnet formering, hvor hunnernes æg udvikler sig til nye bjørnedyr uden at blive befrugtet af en han. Hunnerne behøver altså ikke at parre sig for at få unger. Denne form for formering kan være en fordel, hvis der kun er få bjørnedyr i et område, eller hvis der er begrænset tid til at formere sig, for eksempel på grund af et miljø med hurtig udtørring. Faktisk kan et enkelt bjørnedyr kolonisere et helt nyt område alene, fordi det ikke er afhængig af andre individer for at kunne formere sig. Man regner med, at de forskellige arter af bjørnedyr er blevet – og til stadighed bliver – spredt over kloden ved hjælp af vinden eller båret af dyr. Hvis et enkelt dyr ankommer til et nyt beboeligt område, kan dette individ altså bare formere sig og skabe en helt ny koloni af bjørnedyr på det sted. Det er en smart egenskab, men der er også en ulempe ved denne formeringsform. Når de hunlige ægceller ikke bliver befrugtet, sker der nemlig ikke en blanding af gener fra hannen og hunnen. Der opstår dermed ikke den variation i afkommets arvemateriale, der ellers ville, hvis æggene var blevet befrugtet. Forskellighed i ungernes arvemateriale vil fremskynde den evolutionære udvikling og dermed resultere i en hurtigere og bedre tilpasningsevne.
2. En anden type formering er selv-fertilisering. Denne form har visse ligheder med partenogenese, idet et enkelt individ kan formere sig alene. Der er dog den væsentlige forskel, at selv-fertiliserende arter er det, man kalder hermafroditter. Samme individ kan altså producere både han- og hunlige kønsceller og dermed befrugte sig selv. Lidt populært sagt er disse dyr både hanner og hunner på samme tid. Via selv-fertilisering kan et enkelt dyr kolonisere et nyt område, ligesom de arter, der formerer sig via partenogenese. Dog vil der forekomme større genetisk variation i afkommet, fordi der sker en blanding af gener (overkrydsning af kromosomer) fra den han- og hunlige kønscelle, selvom de er produceret af samme dyr. Regnorme og snegle er eksempler på andre dyr, som ligeledes er hermafroditter.
3. Den sidste måde, hvorpå bjørnedyr kan formere sig, er kønnet formering. Denne formeringstype kender vi bl.a. fra pattedyr, herunder mennesket. Hunnens ægcelle skal her befrugtes af hannen og de to individer skal derfor parre sig for at få afkom. Der skal altså både et han- og hun-bjørnedyr til for at kolonisere et område. Til gengæld opnås der en god forskelligartethed iblandt ungerne, da arvematerialet fra to individer blandes.

Partenogenese og lidt sjældnere, selv-fertilisering er udbredt blandt arter af bjørnedyr, som lever på landjorden, for eksempel i mos og lav, eller i ferskvand. Kønnet formering derimod er mere udbredt blandt arter, som lever i havene.

 

 

Levesteder

Bjørnedyr lever overalt på kloden. De har nemlig tilpasset sig på en sådan måde, at de kan leve i selv de mest barske miljøer – endda mere barske end der naturligt findes nogen steder her på Jorden. Man har fundet bjørnedyr dybt, dybt nede i havet på flere kilometers dybde, hvor der er koldt, mørkt og højt tryk, i tidevandszoner, hvor der skiftevis er saltvand og helt udtørret, i de højeste bjerge for eksempel Himalaya, i tropiske regnskove, i den iskolde indlandsis i Grønland og i de mest tørre ørkener. Det er imidlertid ikke kun disse ekstreme steder, som bjørnedyr har gjort til deres hjem. De lever nemlig også i helt almindelige søer og skove her i Danmark, og måske endda i din baghave. De trives nemlig godt i mos og lav, der ofte er fugtigt, og som desuden huser de organismer, som bjørnedyr spiser.

Figur 19. Bjørnedyr lever overalt på Jorden – selv på de mest barske steder kan man finde de små dyr.

Hvilke ekstremer kan bjørnedyr overleve?

Det, som bjørnedyr er mest kendt for, er deres fantastiske evne til at overleve under selv de mest ekstreme forhold. Faktisk er de sandsynligvis det mest hårdføre dyr i verden. Det varierer dog fra art til art, hvor meget de kan tåle at blive udsat for. Det er især bjørnedyr, som lever på landjorden, der har tilpasset sig en ekstrem livsform, mens bjørnedyr i havet som hovedregel ikke kan overleve lige så meget.
Det er imidlertid rigtig imponerende, hvad de mange hårdføre arter kan tåle. Eksempelvis kan de overleve ekstrem kulde i længere tid. Omkring det absolutte nulpunkt, altså ved 0 kelvin = -273,15 °C, ligger alle molekyler næsten stille, og derfor vil kemiske reaktioner gå usandsynligt langsomt. Eftersom der sker et hav af kemiske reaktioner hvert sekund i levende organismer, kan de ikke overleve sådanne lave temperaturer – og dog! Det kan bjørnedyr. De kan nemlig tåle at blive nedkølet til ca. -270 °C i omkring et døgn for derefter at blive tøet op og så leve videre. Ved en lidt ”højere” temperatur, nemlig -200 °C, kan bjørnedyr blive opbevaret i op mod 2 år og herefter blive vækket til live igen. Det er langt lavere temperaturer, end der overhovedet findes her på Jorden, hvor kulderekorden ”kun” er målt til at være -93,2 °C. Lavere temperaturer er kun mulige at frembringe i laboratorier. Det er altså besynderligt at bjørnedyr kan overleve så unaturligt lave temperaturer.

Opvarmning kan de små dyr også klare. Temperaturer op til 70 °C i længere tid kan de sagtens tåle, men ved højere temperaturer falder andelen af overlevende. Dog kan de i kort tid overleve helt op til 150 °C, altså langt over kogepunktet for vand.

Det er ikke kun ekstreme temperaturer, som bjørnedyr kan tåle, men også både højt og lavt tryk. De kan nemlig leve på bunden af dybhavet i ned til 7 kilometers dybde, hvor trykket er omkring 700 atm, altså ca. 700 gange så højt, som ved havoverfladen (hvor trykket er på 1 atm). Dyrene lever også på den højeste bjergkæde på jorden, Himalaya, med tinder på over 8 kilometers højde. Her er trykket meget lavt, nemlig kun omkring 0,3 atm. Selv i vakuum, altså i et ”lufttomt rum”, med et tryk på 0 atm, kan bjørnedyr overleve.

Dyrene kan herudover tåle over 1000 gange så meget ioniserende stråling som mennesker. Det indbefatter for eksempel stråling fra radioaktive stoffer og kosmisk stråling fra rummet. Man har estimeret at en dødelig dosis af ioniserende stråling for mennesker vil ligge på omkring 4 Gy, mens forsøg har vist, at nogle bjørnedyr kan overleve helt op til 8000 Gy. Stråling kan i nogle former passere gennem fast stof, som for eksempel levende organismer, og derved afsætte store mængder energi i atomerne. Det kan for eksempel ødelægge proteiner og DNA, og i høje doser kan strålingen dermed nemt være dødelig for organismen. Ude i rummet er der både utroligt lavt tryk, koldt, og der er intet til at beskytte mod de forskellige former for stråling. Det er netop forhold, som bjørnedyr har udviklet sig til at kunne overleve, så de burde i teorien kunne klare en tur ud i rummet uden alle de beskyttelsesmidler, som astronauter bliver nødt til at anvende – og det kan de faktisk! I 2007 blev udtørrede bjørnedyr nemlig sendt i kredsløb omkring Jorden i 12 dage, rejsende i en lille boks uden på en satellit. Da bjørnedyrene kom ned fra deres rumrejse, kunne mange af dem vækkes til live igen.

Høje saltkoncentrationer, som under normale omstændigheder ville drive en dødelig mængde vand ud af dyrene på grund af osmose, og nedsænkning i 96 % alkohol er andre ekstreme forhold, som bjørnedyr kan tåle. Desuden kan de overleve uden vand i et udtørret dvalestadie i adskillige år, hvorefter de kan vækkes til live med lidt vand. Det er en helt utrolig evne, dels fordi aktive bjørnedyr har brug for en tynd vandfilm omkring sig og dermed ikke kan klare sig uden vand, dels fordi de ikke spiser i hele dvaleperioden. Det mest utrolige er dog, at der faktisk ikke sker nogen målelige biologiske processer i dyrene i denne periode – de er praktisk talt døde. Dvaletilstanden kan variere meget i længde, fra få timer til mange år.

Dette bevirker, at dyrene har meget forskellige levetider. Hvis et bjørnedyr slet ikke går i dvaletilstand i løbet af sit liv, vil det kunne leve omkring 1 år. Afhængig af længden og antallet af dvaleperioder vil andre individer kunne leve mellem 1 år op til mere end 20 år.

Det er således de mest utrolige forhold, bjørnedyr er i stand til at overleve, men hvad er grænsen for deres kunnen? Og hvordan er de i stand til det? Netop disse spørgsmål prøver lektor Nadja Møbjerg og hendes forskerhold på Københavns Universitet at give et svar på i et projekt startende i 2015. Med bjørnedyret som modelorganisme er det nemlig det overordnede mål for projektet at forstå, hvordan avancerede livsformer har tilpasset sig ekstreme miljøer.

Figur 20. Osmose er udligning af koncentrationsforskellen af et stof på hver side af en halvgennemtrængelig membran.

Den ekstraordinære overlevelsesevne

Bjørnedyr kan overleve de mest utrolige ting som for eksempel længere ophold i -270 °C, det høje tryk i dybhavet og mere end 1000 gange højere ioniserende stråling end mennesket. Men hvorfor er de i stand til det? Hvilke mekanismer i bjørnedyrenes krop gør det muligt for dem at overleve alle disse ekstreme forhold? Svaret på disse spørgsmål er komplekst, og alle mekanismer er ikke kortlagt og forstået endnu. Dog har mange års forskning givet en hel del viden inden for feltet. Overordnet set er det bjørnedyrs evne til at gå i dvale, som gør dem i stand til at overleve. Denne dvaletilstand kaldes på fagsprog, kryptobiose, hvilket betyder ”krypto” = skjult, ”biosis” = livsform. Når leveforholdene bliver for ugunstige, kan bjørnedyr nemlig trække sig sammen til en tøndeform ved at trække ben og hoved ind under sig og gå i dvale. Det er dog ikke helt dvale, som vi kender det fra eksempelvis rigtige bjørne, der går i vinterhi. Bjørnedyrs dvaletilstand kan nærmere beskrives som et dødsstadie, de kan vækkes fra igen. Metabolismen går nemlig i stå, og der er ingen umiddelbare tegn på, at de er i live. Men det er de! Når forholdene igen bliver gode, vågner bjørnedyrene op og lever tilsyneladende videre, som om ingenting var hændt.

Figur 21. Et bjørnedyr af klassen Heterotardigrada i det aktive stadie på billede A og i tøndeform på billede B. Dette bjørnedyr er i dvaletilstanden anhydrobiose. På billedet af bjørnedyret i tøndeformen (B) ses det ydre skold, som er karakteristisk for Heterotardigrada. Et bjørnedyr af klassen Eutardigrada i det aktive stadie på billede C og i tøndeformen på billede D. Dette bjørnedyr er gået i dvaletilstanden anhydrobiose.

 

 

Der findes fire former for kryptobiose, som bjørnedyr er i stand til at indtræde i: 1. anhydrobiose = liv uden vand, 2. kryobiose = koldt liv, 3. anoxybiose = liv uden oxygen og 4. osmobiose = liv ved (osmotisk) tryk.

1. Anhydrobiose er den bedst kendte form for kryptobiose og er almindeligt forekommende hos mange arter af bjørnedyr. Som den direkte oversættelse antyder, indfinder dyrene sig i denne form for dvaletilstand i perioder med tørke. Det kan ske ofte; i nogle miljøer flere gange dagligt. Bjørnedyr kræver nemlig et tyndt lag af vandfilm omkring sig, for at leve i det aktive stadie. Er vand ikke til stede, for eksempel hvis mosklumpen, som den bor i, udtørres af solen, vil den danne en lille uformelig bold, altså en tøndeform. I denne tilstand mister bjørnedyret det meste af vandet i sin krop, faktisk helt op omkring 96 %. Samtidig går alle biologiske processer i stå, og bjørnedyret er reduceret til en livløs, indtørret mikroskopisk kugle. Netop i denne tilstand er den utrolig hårdfør og kan tåle de mange ekstreme forhold. Dvalens længde afhænger af det omkringværende miljø – når der atter er vand til stede, lever bjørnedyret op igen. Det kan ske efter mindre end en time, men dvalen kan også vare i mange år. Helt op til 120 års anhydrobiose er blevet observeret. Jo længere tid i dvale og jo mere ekstreme forhold bjørnedyret udsættes for i denne periode, desto lavere er sandsynligheden dog for, at det kan vækkes til live igen. At vende tilbage til det aktive stadie tager ganske kort tid; mellem et par minutter og nogle få timer. Bjørnedyr kan gå i anhydrobiose i alle stadier i dens liv, selv æg kan udtørre og gå i dvale. Ligesom de voksne dyr, kan æggene dermed klare meget ekstreme forhold.
2. Kryobiose betyder som nævnt ”koldt liv” og begrebet dækker over en form for kryptobiose, som skyldes meget lave temperaturer. Nedfryses et bjørnedyr, trækker det sig sammen til en tøndeform ligesom ved anhydrobiose og kan så tåle den hårde kulde. Normalt vil der dannes iskrystaller i cellerne, da de indeholder store mængder vand, og det vil ødelægge cellerne. Det sker fordi vand udvider sig, når det fryser til is – det er derfor, at for eksempel isterninger flyder ovenpå i et glas vand. Det sker bare ikke i bjørnedyr. Man mener nemlig, at de kan danne nogle anti-fryse-molekyler, som forhindrer det. Derfor kan dyrene tåle at leve nede i indlandsisen i Grønland, blive sænket ned i flydende nitrogen (-196 °C) i flere timer og endda blive frosset ned til omkring det absolutte nulpunkt (-273,15 °C).
3. Osmobiose er endnu en form for dvaletilstand, hvor bjørnedyret danner en tøndeform. Denne tilstand fremkommer som en reaktion på et miljø, der medfører en osmotisk ubalance mellem bjørnedyrets celler og omgivelserne. Det kan eksempelvis ske i en lille inddampet vandpøl ved havet med meget høj saltkoncentration. Normalt vil den store forskel i saltkoncentration mellem bjørnedyrets celler og det omgivende saltvand få vand til at strømme ud af cellerne. At miste meget vand fra cellerne er ikke godt for bjørnedyret, og det ville nok dø af det, hvis det ikke var fordi, det er i stand til at danne en tøndeform. I denne tilstand er bjørnedyrets skal nemlig uigennemtrængelig for molekyletransport drevet af osmose, og det kan derfor tåle at være i omgivelser, hvor saltkoncentrationen er meget høj. Der er for eksempel fundet bjørnedyr i Det Døde Hav, der har en saltkoncentration på omkring 33 %. Til sammenligning er saltkoncentrationen i havene omkring Danmark mellem 1 % og 3,3 %.
4. Anoxybiose er den fjerde form for kryptobiose. Dette er en tilstand, som bjørnedyrene indtræder i, når der ikke er oxygen til stede. Til forskel fra mennesket kan de nemlig leve i længere tid helt uden oxygen. De danner ikke en tøndeform, som i de andre former for dvale, men svulmer derimod lidt op. Det skyldes, at de optager vand fra det omkringværende miljø, fordi den manglende oxygen forstyrrer den osmotiske regulering.

Selvom bjørnedyr både danner en tøndeform ved anhydrobiose, kryobiose og osmobiose er mekanismerne, som holder dyret i live formentlig ikke ens. Der må være udviklet specielle strategier tilpasset de forskellige forhold.

Video 3. En video af et bjørnedyr af klassen Eutardigrada, der går i dvaletilstanden, anhydrobiose og derved danner en tøndeform.

Video 4. En video af samme bjørnedyr af klassen Eutardigrada, der vækkes fra dvaletilstanden, anhydrobiose og derved bliver aktiv igen. Dette gøres ved at hælde vand på bjørnedyret.

Mekanismerne bag

De mekanismer, som gør overlevelse i dvaletilstanden mulig, er ret komplekse og ikke fuldt forståede. Der er antageligt flere forskellige typer af mekanismer, som virker samtidig, men på forskellige måder. Det tyder også på, at der kan være forskel på overlevelsesstrategierne arterne imellem. En ting er i hvert fald sikkert; bjørnedyr må være i stand til at beskytte de livsvigtige makromolekyler i deres celler, for at kunne overleve de ekstreme forhold. Der må nemlig ske en hel del skade på cellernes dele, mens dyret er i tøndestadiet, og disse ødelæggelser skal enten forhindres med dannelsen af beskyttende stoffer under tøndeformationen eller repareres, når det vender tilbage til det aktive stadie. Forskere har gennem mange eksperimenter opdaget forskellige mekanismer, som netop beskytter eller reparerer cellekomponenter. Disse vil højst sandsynligt være en del af bjørnedyrets overlevelsesmekanismer. I de følgende afsnit beskrives forskellige former for mekanismer, som kan tænkes at spille en rolle i bjørnedyr.

Trehalose-ophobning

Det er kendt fra andre dyrearter, for eksempel krebsdyret ”ferejer”, at sukkerstoffet trehalose kan beskytte cellekomponenter som membranen, DNA og proteiner mod ødelæggelse under udtørring eller ugunstige osmotiske forhold. Trehalose erstatter en del af vandet i cellerne og kan enten påvirke makromolekylerne direkte via hydrogenbindinger og på den måde stabilisere dem, eller modvirke det osmotiske tryk, sådan at for eksempel cellestørrelsen bevares. Sukkerstoffet kan også danne en glasagtig struktur, som forhindrer bevægelse i cellerne. Da celledelene på den måde bliver ”fastlåst”, forhindres det, at proteinerne foldes ud og dermed ødelægges. Derudover kan de ikke klumpe sig sammen til store ufunktionelle proteinophobninger.
Da denne mekanisme er kendt i andre dyrearter, vil det være nærliggende at forestille sig, at bjørnedyr også gør brug af denne trehalose-effekt. Forsøg har dog vist, at der ikke ophobes mere end maksimalt 2,9 % trehalose i bjørnedyr, og at nogle arter faktisk slet ikke forøger mængden af sukkerstoffet under udtørring. Trehalose-ophobning er altså ikke en universel beskyttelsesmekanisme i bjørnedyr, men har måske en effekt hos nogle arter.

Figur 22. Trehalose er et sukkerstof, som består af to sammenbundne glukose-molekyler.

Heat shock-proteiner

Heat shock-proteiner er en gruppe af proteiner, som hjælper til en korrekt foldning af både nydannede og forkert foldede proteiner. De beskytter også proteiner mod ødelæggelse af foldningen under forhold med stress, eksempelvis høje temperaturer eller udtørring. Netop disse egenskaber vil være meget brugbare for bjørnedyr, og det er derfor nærliggende at forestille sig, at denne slags proteiner spiller en stor rolle. Der er da også fundet en hel del forskellige heat shock-proteiner (forkortes Hsp) i bjørnedyr. For eksempel øges antallet af heat shock-protein 70 (Hsp 70), når de vækkes til live efter at have været udtørret, altså have været i anhydrobiose. Forskere har derfor foreslået, at denne proteinfamilie er med til den efterfølgende reparation – måske ved at hjælpe ødelagte proteiner til en korrekt foldning.

Figur 23. Heat shock-proteiner hjælper blandt andet ødelagte proteiner til at folde korrekt igen. Det kan for eksempel være proteiner, som udsættes for høje temperaturer og dermed udfoldes.

 

 

LEA-proteiner

LEA-proteiner er en forkortelse for ”late embryogenesis abundant proteiner”, som direkte kan oversættes til ”proteiner, der er talrigt til stede ved sen fosterudvikling”. Disse proteiner blev nemlig første gang opdaget i de sene udviklingstrin i frø fra planter – deraf navnet. Det har dog senere vist sig at proteinerne findes i adskillige andre former for liv, og at de spiller en vigtig rolle, når organismerne udsættes for tørke. LEA-proteiner forhindrer nemlig andre proteiner i at klumpe sig sammen, når organismen udtørrer. De virker sandsynligvis som en fysisk barriere mellem ødelagte proteiner, der ellers nemt kunne danne store ufunktionelle protein-klumper i cellerne. LEA-proteiner er for eksempel blevet fundet i rundorme (nematoder), som er relativt tæt beslægtet med bjørnedyr. LEA-proteiner kan altså formodentlig spille en rolle hos bjørnedyr. Der mangler en del forskning på området, så deres indvirkning er stadig uvis. Dog er der fundet et protein fra denne familie i bjørnedyrsarten Milnesium tardigradum. Herudover er der detekteret to nye proteinfamilier, som har nogle af de samme egenskaber som LEA-proteiner. Disse proteiner er kun fundet i bjørnedyr, og det kan derfor tænkes, at bjørnedyr har udviklet en hidtil ukendt form for proteiner til at håndtere ugunstige situationer forårsaget af udtørring.

DNA-reparation

Når bjørnedyr befinder sig i dvaletilstanden vil cellekomponenter som proteiner og DNA efterhånden blive ødelagt, fordi alle biologiske processer står stille, og der derfor ikke dannes nye. Jo længere tid dyret er i dvale, jo større bliver skaderne derfor.
I dvaletilstanden kan bjørnedyr tåle at blive udsat for ekstreme forhold, som vil øge skaderne på cellekomponenterne. Eksempelvis kan de tåle omkring 1000 gange så meget ioniserende stråling som mennesket og kan også overleve en tur i rummet, hvor de udsættes for store mængder kosmisk stråling. Stråingen vil på sin vej gennem dyrene afsætte en stor mængde energi, som via ionisering og excitation af atomer vil ødelægge proteiner og DNA.
Da bjørnedyr kan overleve på trods af disse ødelæggelser – som ville være dødbringende for mennesker – må de besidde et utroligt effektivt reparationssystem. I helt almindelige menneskeceller sker der i løbet af et døgn ca. ½ million skader på DNA. Derfor har menneskeceller en række DNA-reparationsmekanismer, for at undgå sygdomme, der skyldes ændringer på DNA’et, såsom kræft. Dette omfatter blandt andet et stort proteinkompleks, som kan reparere DNA via homolog rekombination. Et af de vigtige enzymer i dette kompleks hedder Rad51 og står for udveksling af DNA fra et skadet område og DNA fra et tilsvarende uskadt område, der kan bruges som skabelon for reparationen.

Figur 24. Hvis der sker skader på DNA’et, kan reparationen ske via homolog rekombination. Forsøg tyder på, at netop homolog rekombination spiller en stor rolle for bjørnedyrs særlige overlevelsesevner.

 

 

Man har lavet et eksperiment, som viser, at der faktisk dannes Rad51 i bjørnedyr, og at det dannes i meget større mængder, når dyrene bliver udsat for stråling, altså når der sker mange skader på DNA’et. Disse resultater tyder kraftigt på, at Rad51 og derved homolog rekombination spiller en helt afgørende rolle i bjørnedyrs evne til at overleve.

En ret interessant opdagelse omkring bjørnedyrs overlevelse efter at være udsat for stråling er, at de dyr, som ikke er i dvaletilstand, men er fuldt aktive, kan overleve lige så meget stråling – hvis ikke mere – som de, der er i tøndeform. Det er derfor sikkert ikke beskyttelsesmekanismerne forbundet med dvalestadiet, som gør bjørnedyr så modstandsdygtige over for stråling, men derimod selve DNA-reparationssystemet, som kun fungerer, mens dyrene er aktive.

Samspil mellem mekanismer

Selvom der endnu er lang vej til helt at forstå mekanismerne bag bjørnedyrs utrolige overlevelsesevne, har forskere en række forslag til mulige overlevelsessystemer, og de er beskrevet ovenfor. Det er imidlertid meget sandsynligt, at det ikke er én mekanisme, som står bag, men en hel række, som spiller sammen. Der kan også meget vel være forskelle i specifikke mekanismer arterne imellem.

 

Hvad kan vi lære af bjørnedyr?

Bjørnedyr besidder en række biologiske egenskaber, som gør dem i stand til at overleve ekstreme forhold. Dette er meget relevant at forske i, fordi samfundet vil kunne have stor gavn af opdagelserne. Vi kan nemlig lære en hel del af bjørnedyr. Tag for eksempel bjørnedyrs utroligt effektive DNA-reparationssystem. Hvis man fandt ud af præcis, hvordan det fungerer, kunne man lave en medicin mod sygdomme som skyldes skader på DNA’et, som for eksempel kræft.

Bjørnedyrs evne til at udtørre helt, altså gå i anhydrobiose, kan også inspirere til idéer inden for den medicinske verden. Kunne man efterligne anhydrobiose i biologisk materiale og dermed lukke ned for alle biologiske processer, ville det blive muligt at opbevare for eksempel celler eller endda hele donororganer i meget længere tid end i dag. Det kunne måske endda ske ved stuetemperatur, så den meget dyre nedkøling kunne spares væk. En måde, hvorpå dette kan lade sig gøre, er ved at erstatte vandet i cellerne med sukkerstoffet trehalose. Stoffet danner nemlig en glasagtig struktur i cellerne, som forhindrer bevægelse. Dermed beskyttes cellen, og den kan opbevares i lang tid uden at blive ødelagt. Forsøg har dog vist, at det ikke tyder på, at trehalose er en vigtig overlevelsesmekanisme hos alle bjørnedyr, så der kan måske findes andre smarte mekanismer, som opdages en gang i fremtiden.
Det er ikke kun celler, som man er interesseret i at kunne opbevare over længere tid. Det gælder også proteiner, herunder både opbevaring af enzymer og proteinbaseret medicin. Proteiner har nemlig naturligt en begrænset levetid, hvilket er helt essentielt for evnen til hurtig regulering via proteiner i kroppens celler. Det er imidlertid meget upraktisk i medicin og i industrien, hvor produkter hurtigt bliver for gamle.
Tørre vacciner og tørt blod ville også være store gennembrud, som igen bygger på anhydrobiose. Både blod og vacciner er på væskeform og skal opbevares nedkølet for at kunne holde sig. Denne nedkøling er dyr og uhensigtsmæssig for miljøet, fordi der skal bruges energi til at holde køleskabe til opbevaring i gang. Herudover kan det i nogle tilfælde være umuligt at holde vacciner og blod på køl som anvist.  Det gælder for eksempel i ulande, der ikke altid har kolde transport- og opbevaringsfaciliteter til rådighed. Det vil derfor være til stor gavn at kunne udtørre vacciner og blod på samme måde, som når bjørnedyr går i anhydrobiose, og dermed have produkter, som kan holde i lang tid uden at blive holdt på køl.
Inden for fødevareindustrien kan bjørnedyrs evne til udtørring inspirere til en metode, hvorved holdbarheden af mad kan forøges. Det kunne eksempelvis være nyttigt i mad, der sendes som nødhjælp.

Man ved på nuværende tidspunkt langt mest om bjørnedyrs anhydrobiosiske dvalestadie, og det vil derfor naturligt give inspiration til flest idéer. Man har dog også kigget noget på de små dyrs evne til at overleve nedfrysning – altså at gå i dvaletilstanden kryobiose. En efterligning af processerne i dette stadie vil kunne bruges i medicinske sammenhænge, for eksempel ved nedfrysning af biologisk materiale. Det kan også bruges i fødevarer, som opbevares på frost. Det kan eksempelvis være med til at bibeholde konsistens og smag i frosset kød.

Engang langt ude i fremtiden vil man måske på ægte science fiction-manér kunne lægge mennesker i dvale ligesom bjørnedyr og så vække personen til live i fremtiden. Det kunne man for eksempel gøre med mennesker, der lider af en uhelbredelig sygdom, som man håber på, kan blive kureret engang i fremtiden. Astronauter, der skal på lange rejser ud i rummet, der vil tage mange, mange år, vil også kunne blive lagt i dvale på turen, sådan at de ikke er alt for gamle, når de kommer frem.
Der er lang tid til, at sådanne ting måske vil kunne lade sig gøre, men hvis det engang bliver muligt, vil man også blive nødt til at overveje en række etiske spørgsmål. Er det for eksempel etisk forsvarligt at lægge en person i dvale i 100 år, for derefter at vække denne til live og kurere vedkommendes sygdom, så personen måske kan leve videre i mange år? Man vil derved forlænge denne persons liv betydeligt, men vil det være korrekt at gøre mennesket til herre over liv og død på den måde? Og hvad med det stadigt stigende antal mennesker på Jorden? – Befolkningtallet vil jo øges eksplosivt på denne måde.

Selvom bjørnedyr er bittesmå, og umiddelbart ikke påvirker vores hverdag i noget mærkbart omfang, vil man sandsynligvis kunne bruge viden omkring dem til mange forskellige medicinske og fødevaremæssige formål, som vil kunne gavne samfundet gevaldigt.

Bjørnedyr og mennesker

Vi mennesker kan altså lære meget af de biologiske processer i bjørnedyrs celler. Selvom der er en verden til forskel mellem mennesker og bjørnedyr, har vi en helt grundlæggende ting tilfælles, nemlig celletypen. Begge organismer er opbygget af eukaryote dyreceller. Vi er dermed grundlæggende ens og har mange af de samme mekanismer og cellesystemer. Det gør det meget lettere at overføre idéer, der tager udgangspunkt i bjørnedyr, til udvikling af produkter, som mennesker kan bruge. Hvis det var en bakterie, altså en prokaryot celle, som man ville imitere for at lave eksempelvis medicin til mennesker, kunne det blive en del mere besværligt, fordi cellesystemerne ofte ikke er helt ens.