Хаусман К., Хюльсман H., Радек Р. Протистология

Подождите немного. Документ загружается.

18 Введение и общие сведения о протистах

INFl SIONSTHIFA\(]\\E1N

\()|.1.кочм»:\к ohcvmsmkn.

KIN BUCK IN DAS T1F.FERE ORGAN1SCHB LEBEN

DEB N VII It.

о.

chkistun

(H)Tthuhd

кит-лики»;

a яры»

nwt МПФМЫЯ

van

тт.тштштт

юи»шщ

МММТАММ.

SUtiOUUTT ц

(fhrislintt (5pilfrir5 (fbrrnbrrq

0>nfa(ion*tburcb<n.

FKIKDKH'li

Wll.ll

К L У

Рис. 4. Титульная страница наиболее известной книги Кристиана Эренберга (а) и атласа

иллюстраций к ней (б).

кого сомнения, Эренберг является од-

ним из столпов протистологии — на-

столько важен его вклад в зоологиче-

скую систематику и микропалеонтоло-

гию. Он показал, что меловые обрывы

состоят из микроорганизмов — преиму-

щественно диатомовых

— и описал

множество свободноживущих протис-

тов. Названия ряда хорошо известных

родов — наследие его выдающейся на-

учной продуктивности: Actinophrys,

Amoeba, Arcella, Bodo, Carchesium,

Chlamydomonas, Cryptomonas, Dino-

bryon, Euglena, Euplotes, Loxodes,

Nassula, Peridinium, Prorodon, Spiro-

stomum, Synura и другие.

Около 1840 года воззрения Эрен-

берга были подвергнуты резкой крити-

ке со стороны Дюжардена и немецкого

зоолога Карла Зибольда, которые пола-

гали, что животное может состоять из

одной клетки. Зибольд пытался решить

проблему переопределением простей-

ших как животных, в которых различ-

' Опечатка в оригинале. Меловые залежи сформированы не силикатными, а известковыми фос-

силиями. Среди последних преобладают раковинки фораминифер и чешуйки гаптомонад из от-

ряда Coccolithophorida. — Прим. ред.

Исторический обзор протистологических исследований 19

ные системы органов ярко не выраже-

ны и которые состоят из одной клетки.

Со временем его концепция была при-

нята, и он стал именно тем человеком,

который впервые отделил простейших

от многоклеточных животных. Интерес-

но также отметить, что первое опреде-

ление клетки было дано в результате

изучения живых фораминифер. В 1861

году немецкий анатом Макс Шульце

(Max Schultze, 1825-1874), который

предложил четырехокись осмия в каче-

стве фиксатора для клеток и тканей, дал

классическое описание клетки как ма-

ленького комочка протоплазмы с распо-

ложенным в центре ядром.

Хотя в нашу задачу не входит пере-

числение всех ученых, оставивших

свой след в протозоологии, для завер-

шения ретроспективы все же должны

быть упомянуты следующие из них: не-

мецкий ботаник Генрих де Бари

(Heinrich Anton de Вагу, 1831-1888),

который изучал слизевиков; французс-

кий врач Чарльз Лаверан (Charles Louis

Alphonse Laveran, 1845-1922), который

открыл малярийных паразитов в Ита-

лии и в 1907 году стал лауреатом Но-

белевской премии за свои работы о вы-

зывающих заболевания простейших;

швейцарский зоолог Эдуард Клапаред

(Edouard Claparede, 1832-1871), кото-

рый вместе со своим соавтором Иоган-

ном Лахманом (Johannes Lachmann)

выпустил впечатляющую монографию

по инфузориям и ризоподам; англий-

ский зоолог Вильям Севилл Кент (Wil-

liam Savill Kent, 1845-1908) с его изве-

стным «Руководством по инфузориям»

(Manual of the Infusoria); немецкий зоо-

лог Рихард Гертвиг (Richard Hertwig,

1850-1937), который выяснил поведе-

ние ядер при конъюгации цилиат; рус-

ский протозоолог Владимир Тимофее-

вич Шевяков (1859-1930), который изу-

чал акантарий; немецкий ботаник Георг

Клебс (George Klebs, 1857-1918) с его

исследованиями жизненного цикла жгу-

тиконосцев; немецкий зоолог и парази-

толог Рудольф Лейкарт (Rudolf Leukart,

1822-1898), который установил таксон

Sporozoa; немецкий специалист по сол-

нечникам и кокцидиям Фриц Шаудинн

(Fritz Richard Schaudinn, 1871-1906); не-

мецкий зоолог Франц Шульце (Franz

Eilhard Schulze, 1840-1917) с его иссле-

дованиями ризопод; экперт по радиоля-

риям Э. Геккель, который описал более

4000 видов и сопроводил оные изящны-

ми иллюстрациями; французский зоо-

лог Эдуард Бальбиани (Edouard Gerard

Balbiani, 1823-1899) как первый проти-

столог-генетик; немецкий зоолог Отто

Бючли (Otto Butschli, 1848-1920), кото-

рого с легкой руки Клиффорда Добел-

ла (Clifford Dobell, 1951) зовут «архи-

тектором протозоологии» и кто был

первым, написавшим всеобъемлющий

(в трех томах) учебник по протозоо-

логии.

Большинство ранних протозоологи-

ческих исследований проводилось в

Европе, но к концу XIX века протистов

стали изучать по всему миру. В 1879

году Жозеф Лейди (Joseph Leidy) и в

1888 году Альфред Стоукс (Alfred С.

Stokes) написали монографии о про-

стейших Северной Америки. Эти пио-

неры переоткрыли многих протистов,

уже известных в Европе, и описали не-

мало новых видов. На рубеже XX сто-

летия были накоплены солидные зна-

ния о свободноживущих протистах и

уже начали накапливаться сведения о

20 Введение и общие сведения о протистах

Таблица 1. Важные даты протистологии

Период 1: Использование микроскопов для обнаружения мелких невидимых

организмов или клеток

А. Левенгук (1675)

Период 2: Таксономические исследования

Период 3: Осознание протистов как одноклеточных организмов

С. Зибольд (СТ. von Siebold) (1845):

Животные с неопределенной формой и простой организацией, у которых

различные системы органов нечетко дифференцированы, могут быть пред-

ставлены одной единственной клеткой. Простейших можно

разделить на ризопод и инфузорий.

Доктрина саркоды и теория протоплазмы:

Ф. Дюжарден (F. Dugardin) (1835) и X. Моль(Н. von Mohl) (1846)

Обоснование клеточной доктрины:

М. Шульце (М. Schultze) (1861, 1863): клетка — это маленький комочек

протоплазмы с ядром в центре.

Изучение простейших объединяется с клеточной биологией

и эмбриологией

Период 4: Объединение протозоологии с нарождающейся паразитологией

Простейшие как патогены

С. Нагели (C.W. von Naegeli) (1857): пебрина — нозематоз шелкопряда,

Nosema bombycis

Г. Гольдфус (G.A. Goldfuss) (1818): Protozoa

А. Д'Орбиньи (A. D'Orbigny) (1826): Foraminifera

X. Эренберг (Chr. G. Ehrenberg) (1838):

свободноживущие и ископаемые простейшие

Е. Груби (Е. Gruby) (1843):

Trypanosoma (в лягушках)

Лёш (F. Losch) (1875):

амебная дезинтерия (Entamoeba

histolytica)

Sporozoa

малярия и ее возбудитель (Plasmodium)

Myxosporidia (= Myxozoa)

Microsporidia (= Microspora),

Sarcosporidia

Trypanosoma gambiense —

возбудитель сонной болезни

P. Лейкарт (R. Leuckart) (1879):

Лаверан (A. Laveran) (1880):

O. Бючли (О. Butschli) (1881):

Бальбиани (G. Balbiani) (1882): Ж

Ж. Даттон (J.E. Dutton) (1902):

Период 5:

Организационное оформление науки протистологии

Основание зоологических лабораторий протозоологами Германии

О. Бючли (О. Butschli), Гейдельбергский университет (1878)

Исторический обзор протистологических исследований 21

Таблица 1. Окончание

Ф.Е. Шульце (F.E. Schulze), Берлинский университет (1884)

Р. Гертвиг (R. Hertwig), Мюнхенский университет (1885)

Ф. Шаудин (F. Schaudinn) (1902): основатель и издатель первого протистоло-

гического журнала «Archiv fur Protistenkunde», с 1988 года продолжается как

«Protist».

Ф. Шаудин (1904): основание протозоологических лабораторий в Reichsge-

sundheisamt в Berlin-Lichterfelde, в 1906 году основание кафедры протозооло-

гических исследований в институте морских и тропических болезней (сейчас

Bernhard-Nocht-lnstitute) в Гамбурге.

В.А. Догель (1908)': основание протистологической школы в С.-Петербурге.

М. Гартман (М. Hartmann) (1914): основание кафедры протистологии в Био-

логическом институте Кайзера Вильгельма в Berlin-Dahlem.

Организационное оформление протистологии на международном

уровне

1947: в США основано Общество протозоологов — в настоящее время это

международная организация с несколькими национальными секциями; с 1954

года издает журнал «Journal of Protozoology» (в 1993 переименован в «Journal

of Eukaryotic Microbiology").

1963: основан польский журнал «Acta Protozoologica»

1968: основан французский журнал «Protistologica» (в 1987 продолжает изда-

ваться в Германии как «Еигореап Journal of Protistology")

1972: основано Международное общество ЭВОЛЮЦИОННОЙ протистологии

(International Society of Evolutionary Protistology — ISEP)

1999: основан русский журнал «Protistology»

1961, Прага: созван Первый международный конгресс протозоологов, после

которого конгрессы собирались каждые 4 года: 1965 в Лондоне, 1969 в Ле-

нинграде, 1973 в Клермон-Ферране, 1977 в Нью-Йорке, 1981 в Варшаве, 1985

в Найроби, 1989 в Цукубе, 1993 в Берлине, 1997 в Сиднее, 2001 в Иерусали-

ме/Зальцбурге, 2005 в Гуанчжоу, 2009 в Рио-де-Жанейро.

' Ошибочно помещен среди германских ученых. История российской протистологии начинает-

ся значительно раньше (см. Карпов, 2001; Fokin, 2001). — Прим. пер.

С 1922 по 1929 год в Московском университете издавался журнал «Архив Русского общества

протистологов» (Archives de la Societe Russe de Protistologie), который был закрыт по полити-

ческим причинам. Он был основан на базе Русского протистологического общества Г. Эпштей-

ном и Ж. Леонтьевым. В состав зарубежной редакционной коллегии входили: М. Hartmann,

A. Pascher, J. Oltmanns, Е. Laveran, Е. Chatton, R. Ross и P. Manson. — Прим. пер.

22 Введение и общие сведения о протистах

многих паразитических и патогенных

формах. В ряде случаев была собрана

значительная информация по сложным

жизненным циклам некоторых из этих

организмов.

К 1900 году было накоплено доста-

точно знаний, требующих обобщений и

новых учебников, поэтому Гари Кал-

кинс (Gary Natan Calkins, 1901 и 1933),

Франц Дофляйн (Franz Doflein, 1901,

1909, 1911, 1916), а затем Эдуард Райхе-

нов (Eduard Reichenov, 1929 и 1953) от-

реагировали текстами, не только содер-

жащими необходимую описательную

информацию, но и привнесшими знания

по общей биологии протистов. Таким

образом, протистология настолько по-

полнилась в общебиологическом отно-

шении, что смогла влиться в другие био-

логические дисциплины, ориентирован-

ные на изучение организма (табл. 1).

Хотя описание новых видов продол-

жалось, было обнаружено, что протис-

ты являются идеальной моделью для

изучения общих принципов биологии.

В частности, клеточная биология много

выиграла от изучения особенностей од-

ноклеточных организмов. Заметными

преимуществами являются легкость

культивирования этих организмов, кото-

рые обычно отличаются высокой скоро-

стью роста и, соответственно, коротким

периодом генерации. Как только научи-

лись получать массовые культуры про-

тистов, они стали популярными объек-

тами исследований в молекулярной био-

логии и биохимии. Существует, однако,

ряд уникальных особенностей этих

организмов, которые еще не были оце-

нены в полной мере, и мы постараемся

использовать страницы этой книги, что-

бы их продемонстрировать.

Мы хотели бы завершить этот исто-

рический обзор краткой историей наи-

более важного прибора в развитии про-

тистологии: микроскопа. У Левенгука он

был довольно прост — немногим слож-

нее, чем обычное увеличительное стек-

ло (см. рис. 26). Некоторые из конструк-

ций тех лет выглядели весьма экзотично

(рис. 5). К концу XIX века микроскопы

приняли внешний облик современных.

Очевидно, однако, что для формирова-

ния четкого и информативного изобра-

жения важна не форма прибора, а опти-

ка. Огромный прогресс был достигнут

в первой половине XIX века: около 1830

года оптика была усовершенствована до

такой степени, что опытный микроско-

пист мог получить разрешение изобра-

жения примерно 1 мкм. Теперь уже не

нужно было иметь такой острый (воз-

можно, экстраординарный) глаз, как у

Левенгука. По сути именно прогресс в

конструкции линз дал возможность

наблюдать клеточное ядро; в Европе

1830-х годов клетка и субклеточные

структуры стали известны благодаря ис-

пользованию этих улучшенных прибо-

ров. Иммерсионные объективы стали

обычными около 1880 года, что позво-

лило получить большее увеличение при

усилении яркости и высоком разреше-

нии. Применение апохроматических

объективов и соответствующих компен-

сирующих окуляров позволило скоррек-

тировать хроматическую аберрацию и

приблизить степень разрешения мик-

роскопа к современному уровню при-

мерно в 1885 году. Позже, около 1932

года, были сконструированы первые фа-

зово-контрастные микроскопы, позво-

лившие наблюдать тонкие детали живых

клеток. Это был настоящий прорыв для

Исторический обзор протистологических исследований 23

протистологов и клеточных биологов,

отмеченный Нобелевской премией гол-

ландскому изобретателю Фрицу Церни-

ке (Frits Zernike). Сегодня мы распола-

гаем различными приспособлениями

для микроскопов — яркое поле, темное

поле, фазовый контраст, флуоресцент-

ная и дифференциально-интерференци-

онная контрастная микроскопия, — ко-

торые являются рутинными инструмен-

тами при исследовании одноклеточных.

Особое значение в наше время име-

ют электронные микроскопы. Просве-

чивающий электронный микроскоп

стал реальным инструментом для про-

тозоологов в середине 1950-х, когда тех-

ника приготовления препаратов улуч-

шилась до такой степени, что можно

было получать значимые результаты.

Это открытие также было отмечено

Нобелевской премией, которую немец-

кий физик Эрнст Руска (Ernst Ruska)

получил в 1986 году. Конструирование

сканирующего электронного микроско-

па немецким физиком Манфредом фон

Арденом (Manfred von Ardenne) в сере-

дине 1960-х обеспечило получение гра-

фической информации об особенностях

поверхности протистов и их общей

морфологии. Эти электронные микро-

скопы обеспечили новый, небывалый

размах в изучении протистов.

Клеточная организация протистов

Одноклеточные протисты имеют в

целом такую же организацию, как и

клетки других эукариот. При помощи

электронной микроскопии можно най-

ти некоторые отличия в структуре и ко-

личестве органелл у разных протистов,

но можно обнаружить такие отличия и

в клетках многоклеточных эукариот.

Почти не известно органелл, которые

присутствовали бы исключительно в

клетках протистов.

Однако появляется все больше дан-

ных, что протисты представляют собой

группу организмов с ярко выраженной

тенденцией ко вторичному упрощению

или даже полной утрате органелл. В хо-

де эволюции типичные для эукариот-

ных организмов митохондрии и харак-

терные для фототрофных эукариот пла-

стиды могут редуцироваться, и об их

былом наличии будут свидетельство-

вать лишь несколько генов, перенесен-

ных и сохранившихся в ядерном гено-

ме. Примечательно, что к таким проти-

стам принадлежат медицински значи-

мые паразиты, например Entamoeba и

Giardia, которые вторично утратили ми-

тохондрии. Трипаносоматиды' и ооми-

цеты утратили пластиды, типичные для

их предков, а у Apicomplexa есть апи-

копласт — остаток бывшей пластиды.

Мембраны

и компартменты

Одна из принципиальных характе-

ристик эукариотной клетки — компарт-

См. примечание 2 на с. 76. — Прим. ред.

ментализация цитоплазмы за счет мем-

бран (рис. 6, 7). Как и любая живая

клетка, протист отделен от внешней

среды клеточной мембраной (рис. 8).

Электронно-микроскопические иссле-

дования показывают, что она имеет ти-

пичное трехслойное строение, как лю-

бая биологическая мембрана. Скопле-

ния регулярно расположенных транс-

мембранных белков были обнаружены,

например, у некоторых инфузорий (рис.

8е). Функция этих скоплений еще неиз-

вестна.

Снаружи плазматическая мембрана

обычно покрыта мукоидным слоем, или

гликокаликсом (рис. 8). В его состав

иногда входят более длинные филамен-

ты, называемые гликостилями, форма

которых видоспецифична (рис. 8, в-д).

Гликокаликс состоит из олигосахарид-

ных цепочек гликопротеинов мембраны

и гликолипидов. Порой гликокаликс

обладает упорядоченной структурой, но

она в этом случае не обязательно соот-

ветствует распределению трансмемб-

ранных белков. Он участвует в инфор-

мационной системе клетки, ведь имен-

но в этом слое находятся рецепторные

молекулы. Более того, гликокаликс по-

зволяет клетке избирательно поглощать

растворенные вещества из окружающей

среды. Захваченные молекулы транс-

портируются внутрь клетки при помо-

щи различных механизмов, которые в

настоящее время изучаются.

У некоторых цилиат из гипотрих и

тинтиннид на поверхности клетки есть

мембраноподобная структура — пери-

лемма (см. рис. 24е). Она выглядит как

Клеточная организация протистов 25

Рис. 6. Ультраструктурная организация эвглениды Entosiphon sulcatum: an — ротовой ап-

парат, ми — митохондрия, пв — пищеварительная вакуоль, шэр — шероховатый эндо-

плазматический ретикулум. Увел.: 25 ОООх.

26 Введение и общие сведения о протистах

Рис. 7. Срез бесцветной крип-

томонады Goniomonas. Пред-

ставлены основные элементы

клетки простейшего (кроме

жгутика): аг — диктиосома ап-

парата Гольджи, ми — митохон-

дрия, пм — плазматическая

мембрана, св — сократитель-

ная вакуоль, эж — эжектосомы,

эр — эндоплазматический ре-

тикулум, я — ядро. Увел.:

ЮОООх.

плазматическая мембрана, но на самом

деле это наружная, внеклеточная по-

кровная структура с неизвестной функ-

цией. У диатомовых водорослей остат-

ки клеточной мембраны окружают до-

мик (см. рис. 71).

В дополнение к гликокаликсу у раз-

личных протистов встречаются чешуй-

ки (рис. 9), фибриллярные образования

и даже структуры, подобные клеточной

стенке. Встречаются также внеклеточ-

ные панцири (лорики), иногда весьма

замысловатой конструкции.

Внутриклеточные мембранные сис-

темы протистов, а именно эндоплазма-

тический ретикулум, лизосомы, перок-

сисомы (микротельца) (рис. 10), аппа-

рат Гольджи (рис. 11), митохондрии

(рис. 12) и пластиды (рис. 13, 14), по-

хожи на таковые клеток наземных рас-

тений и многоклеточных животных.

Стоит заметить, что представители про-

тистов имеют самое маленькое и самое

большое среди эукариот количество ци-

стерн в аппарате Гольджи: одна или две

у Tetrahymena (Ciliophora) в период ве-

Клеточная организация протистов 27

Рис. 8. Плазмалемма

(пл) различных протис-

тов. Гликокаликс Amoe-

ba proteus, окрашенный

FITC-Con А (а); амеба

Vampyrella lateritia с вой-

локоподобным материа-

лом (вм) на поверхности

(б); поверхность Vannella

simplex в сканирующем

электронном микроско-

пе (в), поперечный срез

ее плазмалеммы в про-

свечивающем электрон-

ном микроскопе (г) и

схема строения структу-

рированного гликокалик-

са с гликостилями (д).

Упорядоченное располо-

жение внутримембран-

ных частиц у инфузории

Cyclidium (е) (в и г — лю-

безно предоставлены

Э. Хаусман, Берлин; е —

любезно предоставлен

К.Ф. Барделе, Тюбин-

ген). Увел.: а — 150х,

6—185 ОООх, в — 7 500х,

г — 150 ОООх, д —

100 ОООх.

гетативного роста и до 30 и более у

Trichonympha (Hypermastigida).

Три типа нестандартных органелл

представлены гликосомами, гидрогено-

сомами и митосомами. Гликосомы —

сферические или эллипсоидальные пу-

зырьки размером 0,2-0,3 мкм, не обла-

дающие отличительными морфологи-

ческими признаками, — встречаются

только у трипаносоматид (рис. 15). Одна

клетка Trypanosoma brucei содержит

порядка тридцати таких органелл. Три-

паносоматиды, населяющие кровенос-

ное русло хозяина, поглощают глюкозу

и разлагают ее до пирувата, используя

для этого семь гликолитических фермен-

тов, которые содержатся в гликосомах.

Гликолиз в этих органеллах идет эффек-

тивнее, чем в цитозоле, где он осуще-

ствляется у всех остальных эукариот.

Возможно, гликосомы эволюционно

связаны с пероксисомами, которые от-

сутствуют у трипаносоматид. По после-

дним данным, гликосомы содержат бел-