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

Подождите немного. Документ загружается.

288 Избранные главы общей протистологии

Рис. 244. Каналы пузулы у динофлагелла-

ты Oodinium. an — альвеолярные пластин-

ки (= амфиесмальные пластинки), ска —

собирающая камера, стр — собирающие

трубочки (по Кашону).

Пузулы, возможно, выполняют ос-

морегуляторную функцию, но они не

сокращаются или делают это только

спорадически. Поэтому существуют

сомнения, что пузулы вообще имеют

отношение к осморегуляции; для под-

тверждения этой их функции необходи-

мы убедительные доказательства, кото-

рые пока отсутствуют.

Подвижность

Все протесты подвижны на той или

иной стадии жизненного цикла (рис.

245). Подвижность включает перемеще-

ние, создание токов воды и внутрикле-

точные движения. Основные типы под-

вижности являются результатом актив-

ности ресничек или жгутиков (плава-

ние, потоки жидкости и т.д.). Процессы,

лежащие в основе подвижности проти-

стов, известны в общих чертах, деталь-

ные объяснения фундаментальных ме-

ханизмов или неудовлетворительны,

или в значительной мере спекулятивны.

Особенно это касается таких специали-

зированных форм движения, как сколь-

жение и определенные изменения фор-

мы тела.

Рис. 245. Траектории движения и скорость

плавающих клеток Paramecium в отсутствие

стимулов (интерпретация видеозаписи

продолжительностью 2,5 секунды). Траек-

тории имеют форму левозакрученной вин-

товой спирали длиной до 4 мм. * = ревер-

сия биения ресничек (попятное движение

(любезно предоставлен Г. Махемером и

Р. Брокером, Бохум).

Сравнительная морфология и физиология протистов 289

Реснички и жгутики

Реснички и жгутики — это нитевид-

ные структуры длиной от 0,3 до не-

скольких микрон. Они отходят от кине-

тосом, которые обычно расположены в

кортексе. Стержень жгутика и реснич-

ки (аксонема) покрыт плазматической

мембраной (рис. 246). Поэтому реснич-

ки и жгутики эукариот являются внут-

риклеточными органеллами, в противо-

положность внеклеточным жгутикам

прокариот. Большинство наших знаний

о строении и функции аксонемы осно-

вано на изучении жгутиков и ресничек

протистов.

Биение ресничек и жгутиков — бро-

сающееся в глаза явление, которое было

обнаружено уже на заре исследований

инфузорий и жгутиконосцев. На первый

взгляд, движение ресничек сильно от-

личается от движения жгутиков. Кажет-

ся, что жгутики формируют при биении

трехмерную волну, а реснички бьют в

одной плоскости (рис. 247). Однако бо-

лее детальные исследования выявили,

что реснички также формируют при

биении трехмерную волну, а некоторые

жгутики двигаются только в одной

плоскости.

Поперечные срезы ресничек и жгу-

тиков выявляют аксонему с характер-

ным набором микротрубочек, располо-

женных согласно формуле 9x2+2; аксо-

нема окружена плазматической мемб-

раной (рис. 248). В аксонеме девять

периферических двойных микротрубо-

чек (дуплетов) и две отдельные цент-

ральные микротрубочки (синглеты).

Каждый дуплет состоит из полной мик-

Рис. 246. Реснички на поверхности инфузо-

рии Homalozoon (а) и на продольном срезе

Paramecium (б), ак — аксонема, кс — кине-

тосома, пл — плазмалемма. Увел.: а —

1 200х, 6-32 ОООх.

а б

Рис. 247. Схема ундулирующего движения

жгутика (а) и реснички (б) (по Сатиру).

ротрубочки (А-трубочка

) с 13 протофи-

ламентами и прилегающей неполной

микротрубочки (В-трубочка) с 10 про-

тофиламентами, так что у них 3 прото-

филамента общие.

От каждой А-трубочки отходят пар-

ные, похожие на руки структуры (дине-

иновые ручки), которые направлены к

' Кинетосома и аксонема ресничек и жгутиков, конечно, образована микротрубочками, однако

по традиции их принято называть просто трубочками. — Прим. пер.

290 Избранные главы общей протистологии

Рис. 248. Ресничка на поперечном срезе (а) и на комбинированной схеме (б); в-е — трех-

мерные модели аксонемы {в-д) и дуплета периферических микротрубочек (е). А-тр —

А-трубочка, В-тр — В-трубочка, ди — динеиновые ручки, не — нексиновый мостик между

дуплетами, пм — плазматическая мембрана, рс — радиальная спица, цп — центральная

пара микротрубочек (б-е — по Хаусману и Градиасу). Увел.: а — 200 ОООх.

Сравнительная морфология и физиология протистов 291

Рис. 249. Основание

реснички: а — попе-

речный срез пере-

ходной зоны между

аксонемой и кинето-

сомой; в верхней ча-

сти видны дуплеты

аксонемы, в нижней

триплеты кинетосо-

мы; б — продольный

срез переходной

зоны и кинетосомы;

в — схема строения

переходной зоны; г —

звездчатая структура

в переходной зоне

Chlorophyta на попе-

речном срезе'; д —

переходная спираль

(пс) Heterokonta (в —

из: Dentler: Int. Rev.

Cytol. 72 [1982] 1).

Увел.: а и б-60 OOOx.

В-трубочке соседнего дуплета. Дуплеты

связаны друг с другом нексиновыми мо-

стиками, которые соединяют А-трубоч-

ку одного дуплета с В-трубочкой сосед-

него. Центральные трубочки окружены

материалом центральной оболочки, от

которой отходят радиальные спицы.

Они направлены к дуплетам и соединя-

ются с А-трубочкой. Все эти структуры

расположены вдоль аксонемы с опреде-

ленной периодичностью.

Организация кинетосомы иная.

Центральные микротрубочки реснички

упираются в аксиальную гранулу

; пе-

риферические же дуплеты продолжают-

ся в кинетосому, где дополняются

С-трубочкой. Как и В-трубочка, С-тру-

бочка представляет собой неполную

микротрубочку, которая имеет общие

протофиламенты с В-трубочкой (рис.

249). У инфузорий часто встречаются

кинетосомы без ресничек, которые об-

разуют пары с имеющими реснички.

Кинетосомы жгутиконосцев и инфузо-

рий связаны с микротрубочковыми и

филаментозными структурами, которые

имеют видоспецифичную организа-

цию

. Количество, место расположения

Схема содержит неточность: мостики соединяют дуплеты через один, а не через два и, таким

образом, формируют одну замкнутую ломаную линию, а не три треугольника. — Прим. пер.

Вместо аксиальной гранулы, или аксосомы, здесь могут располагаться и другие структуры; а у

многих протистов и вовсе отсутствуют какие-либо образования в основании центральных тру-

бочек. — Прим. пер.

Видоспецифичность корешков показана для очень немногих протистов. Эти элементы весьма

эволюционно консервативны и служат филогенетическими маркерами на уровне макро- и мега-

таксонов. — Прим. пер.

292 Избранные главы общей протистологии

Рис. 250. Дистальныи конец реснички: а —

вверху поперечный срез кончика реснички

с двумя центральными и А-трубочками; б —

схема кончика реснички: заякоривание цен-

тральной пары микротрубочек на мембра-

не реснички, пл — плазмалемма (б — из:

Dentler: Int. Rev. Cytol. 72 [1982] 1). Увел.:

85 OOOx.

на кинетосоме и организация этих эле-

ментов используются для определения

филогенетического родства между раз-

личными группами цилиат и жгутико-

носцев. Поскольку все реснички и жгу-

тики имеют общее происхождение,

вполне вероятно, что и некоторые из ас-

социированных с ними структур также

гомологичны. Это помогает находить

гомологичные жгутики в различных

таксономических группах протистов.

При делении клетки происходит так

называемая трансформация жгутиков:

в дочерних клетках один из жгутиков

двужгутиковой клетки (длинный и ак-

тивный) переходит в другое состояние

(короткий и неподвижный); трансфор-

мируются также и ассоциированные с

базальными телами корешковые струк-

туры. Например, в процессе деления

клетки гетероконтов опушенный двига-

тельный жгутик превращается в глад-

кий рулевой.

Кончик жгутика или реснички уст-

роен весьма специфично: В-трубочки

короче А-трубочек, а периферические

дуплеты короче центральной пары син-

глетов. Таким образом, срез через са-

мый кончик жгутика или реснички вы-

явит либо две центральные трубочки,

либо две центральные трубочки и де-

вять периферических А-трубочек (рис.

250а). Центральные трубочки прикреп-

ляются к плазматической мембране раз-

личными способами; способ крепления

видоспецифичен (рис. 2506).

Конфигурация микротрубочек аксо-

немы 9x2+2 чрезвычайно консерватив-

на. Диаметр аксонемы всегда 0,25 мкм.

и расположение таких дополнительных

элементов, как динеиновые ручки, не-

ксиновые мостики и радиальные спи-

цы, всегда имеет одинаковую периодич-

ность вдоль аксонемы. Однако есть и

отклонения от нормы. Жгутики гамет

некоторых грегарин и диатомовых име-

ют необычный набор микротрубочек в

аксонеме: 9x2+5, 9x2+0, 6x2+0 или

3x2+0. Клетки с такой абберантной ак-

сонемой еще подвижны, но гораздо

менее активны, чем протисты с нор-

мальным набором микротрубочек.

Асимметрия микротрубочек на сре-

зах кончика реснички и жгутика порож-

дает предположение, что их активность

определяется скольжением перифери-

ческих дуплетов друг относительно

друга (рис. 251). Доказательства сколь-

жения микротрубочек были получены

при ультраструктурных исследованиях

изогнутых в разных направлениях рес-

ничек. Конструкция из периферических

дуплетов и центральной пары микро-

Сравнительная морфология и физиология протистов 293

Рис. 251. Модель показывает механизм

скольжения наружных дуплетов микротру-

бочек относительно друг друга при изгиба-

нии реснички (по Сатиру).

трубочек, связанных нексиновыми мо-

стиками и радиальными спицами, пре-

образует скользящее движение пери-

ферических дуплетов в изгибание рес-

нички.

Динеиновые ручки, как сейчас уже

установлено, обладают АТФазной ак-

тивностью; именно они генерируют

усилие в ресничке и жгутике (рис. 252).

В состоянии покоя (неподвижности)

динеиновая ручка расположена перпен-

дикулярно обоим дуплетам и прикреп-

лена обоими концами. Когда АТФ свя-

зывается с динеином, ручка быстро от-

крепляется от В-трубочки и сильно сги-

бается. При гидролизе АТФ ручка вы-

тягивается вниз под углом около 40°.

Когда уходят продукты гидролиза

(АДФ+Ф), расправленная ручка при-

крепляется к новому сайту. Затем она

меняет свою конформацию, вновь пре-

вращаясь в перпендикулярный мостик

и сдвигая противоположный дуплет в

направлении вершины реснички. Этот

цикл — прикрепление, транслокация,

открепление и трансформация динеино-

вой ручки — повторяется с высокой

скоростью, примерно 50 раз в секунду.

Плазматическая мембрана реснички

обеспечивает равномерное распределе-

ние АТФ на всех уровнях аксонемы.

Известно, что динеиновая ручка состо-

ит по меньшей мере из пяти субъеди-

ниц, а ее работа является следствием

конформации субъединиц, зависящей от

наличия или отсутствия АТФ, АДФ+Ф

и Са

Удивительно плавное изгибание

реснички или жгутика должно быть

АДФ+Ф

(—T""~~*i \с—х—^

Рис. 252. Схема цикла работы динеиновых ручек: а — динеиновые ручки А-трубочки при-

крепляются к соседней В-трубочке в отсутствие АТФ; б — связывание АТФ с динеином

вызывает открепление и укорачивание динеиновой ручки; в, г — расщепление АТФ соче-

тается с наклоном ручки на угол приблизительно 40' и прикреплением к другому сайту

В-трубочки; д — возвращение динеиновой ручки в исходное состояние вызывает сдвиг

(скольжение) соседнего дуплета (по Сатиру).

294 Избранные главы общей протистологии

результатом слаженной работы различ-

ных ручек на разных дуплетах. Напри-

мер, если эффективный удар реснички

направлен влево, динеиновые ручки

верхних дуплетов (на поперечном сре-

зе) должны быть активны, а нижних

дуплетов — пассивны. Противополож-

ная ситуация должна иметь место при

возвратном ударе: активными должны

быть нижние дуплеты. Предполагается,

что центральные микротрубочки вы-

полняют регуляторную функцию. По

крайней мере, для некоторых ресничек

с трехмерным биением (например,

Paramecium) было показано, что цент-

ральная пара микротрубочек вращается

внутри центральной оболочки. Другие

исследователи полагают, что ротация

представляет собой пассивный процесс

и что центральные микротрубочки

лишь сообщают аксонеме дополнитель-

ную прочность.

Биение реснички подразделяется на

две фазы: эффективный удар и возврат-

ное движение (см. рис. 2476). Во вре-

мя эффективного удара ресничка оста-

ется практически прямой, изгибаясь

только в основании. При возвратном

движении ресничка изогнута по всей

длине, т.к. волна пробегает от основа-

ния к кончику реснички; причем рес-

ничка проходит вблизи поверхности

клетки. Во время эффективного удара

ресничка перемещает значительный

объем окружающей воды, а при воз-

вратном движении она захватывает

лишь небольшое ее количество. В ре-

зультате либо организм перемещается в

противоположном по отношению к эф-

фективному удару реснички направле-

нии, либо она движет воду в направле-

нии эффективного удара.

Движение жгутика может быть

иным. Описано множество вариан-

тов — от биения в одной плоскости до

спирального (винтового) удара (рис.

253). Синусоидальная волна жгутика

вызывает токи воды, которые переме-

щают организм вперед. Если жгутик

расположен на заднем конце клетки, то

синусоидальная волна направлена от

его основания к кончику. Если жгутик

отходит от переднего конца клетки, вол-

на часто направлена от кончика жгути-

ка к его основанию. В обоих случаях

особи плывут вперед. У простейших,

имеющих жгутики с мастигонемами

(как у Ochromonas, рис. 254), волна от

основания к кончику жгутика может пе-

ремещать организм по направлению к

кончику жгутика. Это происходит пото-

му, что мастигонемы, подобно веслам,

меняют гидродинамическое усилие на

обратное.

Существует множество различных

типов ресничной и жгутиковой подвиж-

ности, и у некоторых организмов они

меняются в зависимости от активности

- О

Рис. 253. Схема форм биения жгутиков: вид

сбоку и сверху, а — плоская волна; б —

трехмерная волна.

Сравнительная морфология и физиология протистов 295

Рис. 254. Мастигонемы хризомонад. а — длинный опушенный и короткий гладкий жгути-

ки Poterioochromonas; б — мастигонемы жгутика Paraphysomonas cylicophora; в — схема

расположения нескольких типов

мастигонем на длинном жгутике Ochromonas danica; г —

схема крепления трехчленных мастигонем

, или страминопилей (б — любезно предостав-

лен Б. Ледбитером, Бирмингем; в — по Буку). Увел.: а — 4 500х, 6—15 ОООх.

клетки. Например, некоторые реснички

используются как для движения, так и

для питания. В результате возникает

вопрос: как регулируется биение рес-

нички или жгутика? Реснички и жгути-

ки способны менять направление эф-

фективного удара. Это лучше всего

можно видеть на классическом приме-

ре реакции избегания у Paramecium

(рис. 255). Когда Paramecium наталки-

вается на препятствие, она резко отплы-

вает назад и после периода беспорядоч-

ного вращения уплывает в новом на-

правлении. Такое поведение объясняют

следующим образом: контакт с препят-

ствием вызывает деполяризацию плаз-

матической мембраны, соответст-

вующее изменение ее проницаемости

для кальция и затем всплеск концентра-

ции кальция в ресничках. В результате

меняется направление эффективного

удара, и клетка плывет назад. Сразу

после деполяризации мембраны начи-

нается вывод кальция из цитоплазмы, и

вскоре его уровень достигает той точки,

когда клетка не совершает поступатель-

ного движения ни назад, ни вперед. Ма-

лосогласованное биение ресничек при-

водит к постепенной переориентации

переднего конца особи (фаза беспоря-

Здесь два типа мастигонем: трехчленные одиночные на левой стороне жгутика и они же со-

браны в пучки по 2-4 на правой стороне, длинные простые волоски пучком на вершине жгути-

ка и они же редко распределены по всей его длине. — Прим. пер.

Назальная часть мастигонемы (черным) заякорена в периферической цитоплазме жгутика, сред-

няя полая часть мастигонемы увенчана на конце двумя-тремя терминальными филаментами. —

Прим. пер.

296 Избранные главы общей протистологии

Рис. 255. Биоэлектрические и двигатель-

ные явления при реакции избегания у Para-

mecium, вызванные точечным воздействи-

ем. Скорость плавания пропорциональна

размерам стрелок. Реснички изображены в

заключительной фазе рабочего удара мета-

хрональной волны (исключение: исходная

синхронная реверсия ресничек (4) и инак-

тивированные реснички (7, 8). Переориен-

тация при повороте в конце попятного дви-

жения (4-7) произвольна и является ре-

зультатом временного прекращения бие-

ния ресничек (7, 8) (из: Machemer and de

Peyer: Verh. Dtsch. Zool. Ges. 70 [1977] 86).

дочного вращения). Наконец, когда кон-

центрация кальция внутри клетки воз-

вращается к норме, инфузория снова

плывет вперед.

Предполагалось, что агрегаты внут-

римембранных частиц в основании рес-

нички представляют собой кальциевые

каналы, причем расположенные так,

будто соответствуют периферическим

дуплетам (см. рис. 249в). Однако де-

тальные наблюдения на других инфузо-

риях выявили иное, чем у Paramecium,

расположение этих агрегатов, часто не

соответствующее девятилучевой сим-

метрии. Роль кальция в регуляции рес-

ничной и жгутиковой активности пока-

зана во многих работах, поэтому впол-

не вероятно, что он может накапливать-

ся в определенных зонах внутри клетки.

Предполагается, что такими местами

служат субмембранные альвеолы. Если

так, то альвеолы выступают аналогом

саркоплазматического ретикулума ске-

летной мускулатуры позвоночных.

У ресничных и многожгутиковых

протистов не только регулируется бие-

ние отдельных ресничек и жгутиков, но

и координируется активность этих орга-

нелл. Это лучше всего видно на приме-

ре метахрональных волн ресничек

Paramecium и жгутиков Opalina. Каж-

дая ресничка Paramecium бьет с неболь-

шим сдвигом по фазе относительно би-

ения следующей реснички в кинете.

В соседних кинетах реснички, бьющие

синфазно, расположены наискось по

отношению к продольной оси тела. Это

дает характерную картину косого рас-

пространения волн (рис. 256). При дви-

жении клетки вперед метахрональные

волны движутся сзади и слева по на-

правлению вперед направо. В настоя-

щее время считается, что биение ресни-

чек координируют возникающие при их

взаимодействии гидродинамические

эффекты. Тесно ассоциированные друг

с другом реснички, как в пароральной

(ундулирующей) мембране Oligohyme-

nophorea или в циррах брюхоресничных

инфузорий, движутся в высшей степе-

ни согласованно, или синхронно. Воз-

никает впечатление, будто это единое

Сравнительная морфология и физиология протистов 297

Рис. 256. Метахро-

нальные волны рес-

ничек Paramecium

(из: Hausmann: Mikro-

kosmos 63 [1974]

165). Увел.: 2 OOOx.

целое. Ранее считалось, что в составе

таких сложных органелл реснички ме-

ханически связаны друг с другом, одна-

ко подтверждения этому отсутствуют.

Тщательные наблюдения показывают,

что цирры и мембранеллы состоят из

несвязанных, но предельно сближен-

ных ресничек; а механически связан-

ные реснички обнаружены лишь в еди-

ничных случаях.

Другая устаревшая гипотеза гласи-

ла, что ресничную активность коорди-

нирует так называемый нейромоториум

или даже «мозг» с нейрофибриллярны-

ми элементами (что-то вроде «нейро-

нов» на субклеточном уровне). Эти идеи

основывались на результатах импрегна-

ции серебром, которая выявляла неко-

торые из фибриллярных систем инфра-

цилиатуры инфузорий. Определенный

вес таким заключениям придавал тот

факт, что ранние методы импрегнации

протистов серебром исходно использо-

вались для окраски нейронов позвоноч-

ных. Со временем было показано, что

некоторые из межресничных связей

можно разрушить без последующей ут-

раты координации. Результаты элект-

рофизиологических экспериментов так-

же противоречили этой гипотезе. Еще

один сильный аргумент против коорди-

нации движения посредством нейро-

фибриллярной сети основан на наблю-

дениях за Mixotricha paradoxa. Этот

жгутиконосец обитает в кишечнике тер-

митов. Его поверхность покрыта спиро-

хетами-комменсалами. Спирохеты не

связаны друг с другом, но, тем не ме-

нее, двигаются метахронально, подоб-

но жгутикам Opalina.

Существуют разные формы мета-

хронии (рис. 257). Когда эффективный

удар идет в направлении фазового сдви-

га, она называется симплектической

метахронией, которая часто обнаружи-

k I

Рис. 257. Схематическое изображение

форм волны при биении ресничек, а — сим-

плектический удар, б — антиплектический

удар, в — лейоплектический удар, г — дек-

сиоплектический удар (по Сли).