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Tardigrades: animals with superpowers

The smallest bears in the world have almost superhero abilities. Actually, they are not bears: water bears is the popular name of tardigrades. They are virtually indestructible invertebrates: they can survive decades without water or food, to extreme temperatures and they have even survived into outer space. Meet the animal that seems to come from another planet and learn to observe them in your home if you have a microscope.

WHAT IS A TARDIGRADE?

Oso de agua (Macrobiotus sapiens) en musgo. Foto coloreada tomada con microscopio electrónico de barrido (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes
Water bear (Macrobiotus sapiens) in moss. Colored photo taken with a scanning electron microscope (SEM). Photo by Nicole Ottawa & Oliver Meckes

Tardigrades or water bears, are a group of invertebrates 0.05-1.5 mm long that preferably live in damp places. They are especially abundant in the film of moisture covering mosses and ferns, although there are oceanic and freshwater species, so we can consider they live anywhere in the world. Even a few meters away from you, in the gap between tile and tile. In one gram of moss they have find up to 22,000 individuals. They are found in Antarctica under layers of 5 meters of ice, in warm deserts, hot springs, in mountains 6,000 meters high and abyssal ocean depths: they are  extremophiles. It is estimated that over 1,000 species exist.

MORPHOLOGY

Its popular name refers to their appearance, and the scientific name to their slow movements. Their bodies are divided into five segments: cephalic, with its tube-shaped mouth (proboscis) with two internal stilettos and sometimes simple eyes (ommatidia) and sensory hairs, and the remaining 4 segment with a pair of legs per segment. Each leg has claws for anchoring to the ground.

Vista ventral de un tardígrado donde seobservan los cinco segmentos del cuerpo. Foto de Eye Of Science/Photo LIbrary
Bottom view of a Tardigrade where the five segments of the body are observed. Colored photo taken with a scanning electron microscope (SEM). Photo by Eye Of Science/Science Photo Library
Tardigrade. Coloured scanning electron micrograph (SEM) of a freshwater tardigrade or water bear (Echiniscus sp.). Tardigrades, are tiny invertebrates that live in coastal waters and freshwater habitats, as well as semi-aquatic terrestrial habitats like damp moss. They require water to obtain oxygen by gas exchange. In dry conditions, they can enter a cryptobiotic tun (or barrel) state of dessication to survive. Tardigrades feed on plant and animal cells and are found throughout the world, from the tropics to the cold polar waters.
Tardigrade (Echiniscus sp.) In which you can see the claws. Colored photo taken with a scanning electron microscope (SEM). Photo de Eye Of Science/Science Photo Library

Look at this video of Craig Smith to see tardigrade’s movements in more detail:

FEEDING

With its mouth stilettos, tardigrades perforate plants and absorbe the products of photosynthesis, but they can also feed absorbing the cellular content of other microscopic organisms such as bacteria, algae, rotifers, nematodes… Some are predators too and can eat whole microorganisms.

Their digestive system is basically the mouth and a pharynx with powerful muscles to make sucking motions that opens directly into the intestine and anus. Some species defecate only when they shed.

Detalle de la boca de un tardígrado. Foto de
Detail of the mouth of a tardigrade. Colored image of scanning electron microscope (SEM). Photo by Eye Of Science/Science Photo Library

INTERNAL ANATOMY

They have no circulatory or respiratory system: gas exchange is made directly by the body surface. They are covered by a rigid cuticle which can be of different colors and is shed as they grow. With each moult, they lose oral stilettos, to be segregated again. They are eutelic animals: to grow they only increase the size of their cells, not their number, that remains constant throughout life

REPRODUCTION

Tardigrades generally have separate sexes (are dioecious) and reproduce by eggs (are oviparous), but there are also hermaphrodites and parthenogenetic species (females reproduce without being fertilized by any male). Fertilization is external and development is direct: they don’t have larval stages.

tardigrade egg, ou tardigrad
Tardigrade egg. Colored image of scanning electron microscope (SEM). Photo by Eye of Science/Science Photo Library

TARDIGRADE’S RECORDS

The tardigrades are incredibly resilient animals that have survived the following conditions:

  • Dehydration: they can survive for 30 years under laboratory conditions without a single drop of water. Some sources claim that resist up to 120 years or have been found in ice 2000 years old and have been able to revive, although it is likely to be an exaggeration.
  • Extreme temperature: if you boil one tardigrade survives. If you put it to temperatures near the absolute zero (-273ºC), survives. Their survival rate ranges from -270ºC to 150ºC.
  • Extreme pressure: they are capable of supporting from vacuum to 6,000 atmospheres, ie 6 times the pressure in the deepest point on Earth, the Mariana Trench (11,000 meters deep).
  • Extreme radiation: tardigrades can withstand bombardment of radiation at a dose 1000 times the lethal to a human.
  • Toxic substances: if they are immersed in ether or pure alcohol, survive.
  • Outer space: tardigrades are the only animals that have survived into space without any protection. In 2007 the ESA (European Space Agency) within the TARDIS project (Tardigrades In Space) left tardigrades (Richtersius coronifer and Milnesium tardigradum) for 12 days on the surface of the Foton-M3 spacecraft and they survived the space travel. In 2011 NASA did the same placing them in the outside of the space shuttle Endeavour and the results were corroborated. They survived vacuum, cosmic rays and ultraviolet radiation 1,000 times higher than that of the Earth’s surface. The project Biokis (2011) of the Italian Space Agency (ASI) studied the impact of these trips at the molecular level.

HOW DO THEY DO THAT?

The tardigrades are able to withstand such extreme conditions because they enter cryptobiosis status when conditions are unfavorable. It is an extreme state of anabiosis (decreased metabolism). According to the conditions they endure, the cryptobiosis is classified as:

  • Anhydrobiosis: in case of environmental dehydration, they enter a “barrel status” because adopt barrel shaping to reduce its surface and wrap in a layer of wax to prevent water loss through transpiration. To prevent cell death they synthesize trehalose, a sugar substitute for water, so body structure and cell membranes remain intact. They reduce the water content of their body to just 1% and then stop their metabolism almost completely (0.01% below normal).

    Tardígrado deshidratado. Foto de Photo Science Library
    Tardigrade dehydrated. Photo by Photo Science Library
  • Cryobiosis: in low temperatures, the water of living beings crystallizes, it breaks the structure of cells and the living being die. Tardigrades use proteins to suddenly freeze water cells as small crystals, so they can avoid breakage.
  • Osmobiosis: it occurs in case of increase of the salt concentration of the environment.
  • Anoxybiosis: in the absence of oxygen, they enter a state of inactivity in which leave their body fully stretched, so they need water to stay perky.

Referring to exposures to radiation, which would destroy the DNA, it has been observed that tardigrades are able to repair the damaged genetic material.

These techniques have already been imitated in fields such as medicine, preserving rat hearts to “revive” them later, and open other fields of living tissue preservation and transplantation. They also open new fields in space exploration for extraterrestrial life (Astrobiology) and even in the human exploration of space to withstand long interplanetary travel, ideas for now, closer to science fiction than reality.

ARE THEY ALIENS?

The sparse fossil record, the unclear evolutionary relatedness and great resistance, led to hypothesis speculating with the possibility that tardigrades have come from outer space. It is not a crazy idea, but highly unlikely. Panspermia is the hypothesis that life, or rather, complex organic molecules, did not originate on Earth, but travelled within meteorites in the early Solar System. Indeed, amino acids (essential molecules for life) have been found in meteorites composition, so panspermia is a hypothesis that can not be ruled out yet.

Foto de Eye Of Science/Photolife Library
Photo by Eye Of Science/Photolife Library

But it is not the case of tardigrades: their DNA is the same as the rest of terrestrial life forms and recent phylogenetic studies relate them to onychophorans (worm-like animals), aschelminthes and arthropods. What is fascinating is that is the animal with more foreign DNA: up to 16% of its genome belongs to fungi, bacteria or archaea, obtained by a process called horizontal gene transfer. The presence of foreign genes in other animal species is usually not more than 1%. Could be this fact what has enabled them to develop this great resistance?

DO YOU WANT TO SEARCH TARDIGRADES BY YOURSELF AND OBSERVE THEM IN ACTION?

Being so common and potentially livIng almost anywhere, if you have a simple microscope,  you can search and view living tardigrades by yourself:

    • Grab a piece of moss of a rock or wall, it is better if it is a little dry.
    • Let it dry in the sun and clean it of dirt and other large debris.
    • Put it upside down in a transparent container (such as a petri dish),  soak it with water and wait a few hours.
    • Remove moss and look for tardigrades in the water container (put it on a black background for easier viewing). If lucky, with a magnifying glass you’ll see them moving.
    • Take them with a pipette or dropper, place them on the slide and enjoy! You could see things like this:

REFERENCES

MIREIA QUEROL ALL YOU NEED IS BIOLOGY

Tardígrados: Animales con superpoderes

Los osos más pequeños del mundo tienen capacidades dignas de superhéroes. En realidad, no son osos propiamente dichos: los osos de agua en realidad son los tardígrados. Son animales invertebrados prácticamente indestructibles: sobreviven décadas sin agua ni alimento, a temperaturas extremas e incluso han sobrevivido al espacio exterior. Conoce al animal que parece llegado de otro planeta y aprende a observarlo en tu casa si dispones de un microscopio.

¿QUÉ ES UN TARDÍGRADO?

Oso de agua (Macrobiotus sapiens) en musgo. Foto coloreada tomada con microscopio electrónico de barrido (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes
Oso de agua (Macrobiotus sapiens) en musgo. Foto coloreada tomada con microscopio electrónico de barrido (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes

Los tardígrados u osos de agua, son un grupo de invertebrados de 0,05-1,5 mm que viven preferiblemente en lugares húmedos. Son especialmente abundantes en la película de humedad que recubre musgos y helechos, aunque no faltan especies oceánicas y de agua dulce, por lo que podemos considerar que viven en cualquier parte del mundo. Incluso a escasos metros de ti, en el hueco entre baldosa y baldosa. En un gramo de musgo se han llegado a encontrar hasta 22.000 ejemplares. Se han encontrado en la Antártida bajo capas de 5 metros de hielo, en desiertos cálidos, en fuentes termales, en montañas de 6.000 metros de altura y a profundidades oceánicas abisales. Se trata pues de animales extremófilos. Se calcula que existen más de 1.000 especies.

MORFOLOGÍA

Su nombre popular hace referencia a su aspecto y el científico a la lentitud de sus movimientos. Tienen el cuerpo dividido en 5 segmentos: el cefálico, donde tienen la boca en forma de trompa (probóscide) con dos estiletes internos y en ocasiones ojos simples  (omatidios) y pelos sensoriales,  y los 4 restantes con un par de patas por segmento. Cada pata posee unas garras para anclarse al terreno.

Vista ventral de un tardígrado donde seobservan los cinco segmentos del cuerpo. Foto de Eye Of Science/Photo LIbrary
Vista ventral de un tardígrado donde se observan los cinco segmentos del cuerpo. Imagen coloreada de microscopio electrónico de barrido (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library
Tardigrade. Coloured scanning electron micrograph (SEM) of a freshwater tardigrade or water bear (Echiniscus sp.). Tardigrades, are tiny invertebrates that live in coastal waters and freshwater habitats, as well as semi-aquatic terrestrial habitats like damp moss. They require water to obtain oxygen by gas exchange. In dry conditions, they can enter a cryptobiotic tun (or barrel) state of dessication to survive. Tardigrades feed on plant and animal cells and are found throughout the world, from the tropics to the cold polar waters.
Tardígrado (Echiniscus sp.) en el que se le pueden observar las garras. Imagen coloreada de microscopio electrónico de barrido (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

Observa en este vídeo de Craig Smith los movimientos del tardígrado con más detalle:

ALIMENTACIÓN

Gracias a los estiletes de su boca, perforan los vegetales de los que se alimentan y succionan los productos de la fotosíntesis, pero también pueden alimentarse absorbiendo el contenido celular de otros organismos microscópicos como bacterias, algas, rotíferos, nematodos… Algunos son depredadores y pueden ingerir microorganismos enteros.

Su aparato digestivo es básicamente la boca, una faringe con potentes músculos para hacer los movimientos de succión que se abre directamente al intestino y el ano. Algunas especies sólo defecan cuando mudan.

Detalle de la boca de un tardígrado. Foto de
Detalle de la boca de un tardígrado. Imagen coloreada de microscopio electrónico de barrido (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

ANATOMÍA INTERNA

No poseen aparato circulatorio ni respiratorio: el intercambio de gases se hace directamente por la superficie del cuerpo. Están cubiertos por una cutícula rígida que puede ser de distintos colores y que van mudando a medida que crecen. Con cada muda, pierden los estiletes bucales, que serán segregados de nuevo. Son organismos eutélicos: para crecer solamente aumentan el tamaño de sus células, no su número, que permanece constante a lo largo de su vida

REPRODUCCIÓN

Los tardígrados en general tienen sexos separados (son dioicos) y se reproducen por huevos (son ovíparos), pero también hay especies hermafroditas y partenogénenéticas (las hembras se reproducen sin ser fecundadas por ningún macho). La fecundación es externa y su desarrollo es directo, es decir, no presentan fases larvarias.

tardigrade egg, ou tardigrad
Huevo de tardígrado. Imagen coloreada de microscopio electrónico de barrido (SEM). Foto de Eye of Science/Science Photo Library

LOS RÉCORDS DE LOS TARDÍGRADOS

Los tardígrados son animales increíblemente resistentes que han superado las siguientes condiciones:

  • Deshidratación: pueden sobrevivir durante 30 años en condiciones de laboratorio sin una sola gota de agua. Hay fuentes que aseguran que resisten hasta 120 años o que se han encontrado en hielos de 2000 años de antigüedad y han podido revivir, aunque probablemente sean exageraciones.
  • Temperaturas extremas: si hierves un tardígrado, sobrevive. Si lo sometes a temperaturas de casi el cero absoluto (-273ºC), sobrevive. Su rango de supervivencia va de -270ºC a 150ºC.
  • Presión extrema: son capaces de soportar desde el vacío hasta  6.000 atmósferas, es decir, 6 veces la presión que hay en el punto más profundo de la Tierra, la Fosa de las Marianas (11.000 metros de profundidad).
  • Radiación extrema: los tardígrados pueden soportar bombardeos de radiación en una dosis 1000 veces superior a la letal para un humano.
  • Sustancias tóxicas: si se les sumerge en éter o alcohol puro, sobreviven.
  • Espacio exterior: los tardígrados son los únicos animales que han sobrevivido al espacio exterior sin protección alguna. En 2007 la ESA (Agencia Espacial Europea), dentro del proyecto TARDIS (Tardigrades In Space) expuso tardígrados (Richtersius coronifer y Milnesium tardigradum) durante 12 días en la superficie de la nave Foton-M3 y sobrevivieron al viaje espacial. En 2011 la NASA hizo lo propio colocándolos en el exterior del transbordador espacial Endeavour y se corroboraron los resultados. Sobrevivieron al vacío, a los rayos cósmicos y a una radiación ultravioleta 1000 veces superior a la de la superficie terrestre. El proyecto Biokis (2011)  de la Agencia Espacial Italiana (ASI) estudió el impacto de estos viajes a nivel molecular.

¿CÓMO LO HACEN?

Los tardígrados son capaces de resistir estas condiciones tan extremas porque entran en estado de criptobiosis cuando las condiciones son desfavorables. Es un estado extremo de anabiosis (disminución del metabolismo). Según las condiciones que tienen que soportar, la criptobiosis se clasifica en:

  • Anhidrobiosis: en caso de deshidratación del medio, entran en “estado de tonel” ya que adoptan forma de barril para reducir su superficie y se envuelven en una capa de cera para evitar la pérdida del agua por transpiración. Para evitar la muerte de las células, sintetizan trehalosa, un azúcar que sustituye al agua de su cuerpo y mantiene intacta la estructura de las membranas celulares. Reducen el contenido de agua de su cuerpo hasta sólo un 1% y seguidamente detienen su metabolismo casi por completo (0,01% por debajo de lo normal).

    Tardígrado deshidratado. Foto de Photo Science Library
    Tardígrado deshidratado. Foto de Photo Science Library
  • Criobiosis: en caso de someterse a bajas temperaturas, el agua de casi cualquier ser vivo cristaliza, rompe la estructura de las células y el ser vivo muere. Pero los tardígrados utilizan proteínas que congelan bruscamente el agua de las células en forma de pequeños cristales, con lo que logran evitar su rotura.
  • Osmobiosis: se da en caso de aumento de la concentración salina del medio.
  • Anoxibiosis: en caso de falta de oxígeno, entran en un estado de inactividad en el que dejan su cuerpo totalmente estirado, por lo que necesitan agua para mantenerse turgentes.

En el caso de las exposiciones  a las radiaciones, que destruirían el ADN, se ha observado que los tardígrados son capaces de reparar el material genético dañado.

Estas técnicas ya han sido imitadas en campos como la medicina, conservando órganos de ratas para posteriormente “revivirlos” y pueden abrir otras vías de conservación de tejidos vivos y trasplantes. También abren nuevos campos en la exploración espacial de vida extraterrestre (astrobiología) e incluso en la exploración humana del espacio para resistir largos viajes interplanetarios, en ideas por el momento, más cercanas a la ciencia ficción que a la realidad.

¿SON EXTRATERRESTRES?

El escaso registro fósil, su parentesco evolutivo poco claro y su gran resistencia, provocaron hipótesis que especulaban con la posibilidad que los tardígrados hayan venido del espacio exterior.  No se trata de una idea descabellada, aunque altamente improbable. La panspermia es la hipótesis por la cual la vida, o mejor dicho, las moléculas orgánicas complejas, no se originaron en la Tierra, sino que llegaron gracias a meteoritos durante los inicios del Sistema Solar. De hecho, se han encontrado meteoritos con aminoácidos (moléculas indispensables para la vida) en su composición, por lo que la panspermia es una hipótesis que no se puede descartar todavía.

Foto de Eye Of Science/Photolife Library
Foto de Eye Of Science/Photolife Library

Pero no es el caso de los tardígrados: su ADN es igual al del resto de seres vivos terrestres y los últimos estudios filogenéticos los emparentan con los onicóforos (animales parecidos a gusanos), asquelmintos y artrópodos. Lo fascinante es que es el animal con más ADN ajeno: hasta el 16% de su genoma pertenece a hongos, bacterias o arqueas, obtenidos por un proceso llamado transferencia genética horizontal. La presencia de genes ajenos en otras especies animales no suele ser más del 1%. ¿Será esto lo que le ha permitido desarrollar esta gran resistencia?

¿QUIERES BUSCAR TARDÍGRADOS POR TI MISMO Y OBSERVARLOS EN ACCIÓN?

Al ser tan comunes y habitar potencialmente casi cualquier lugar, si dispones de un microscopio, por sencillo que sea, puedes buscar y ver tardígrados vivos con tus propios ojos:

    • Coge un trozo de musgo de una roca o muro, mejor si está un poco seco.
    • Déjalo secar al sol y límpialo de tierra y otros restos grandes.
    • Ponlo al revés en un recipiente transparente (como una placa de Petri), empápalo con agua y déjalo reposar unas horas.
    • Retira el musgo y busca los tardígrados en el agua del recipiente (ponlo en un fondo negro para ver más fácilmente). Si hay suerte, con una lupa podrás verlos moverse.
    • Cógelos con una pipeta o cuentagotas, colócalos en el portaobjetos y a ¡disfrutar! Podrías ver cosas parecidas a ésta:

Mireia Querol Rovira

REFERENCIAS