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

Подождите немного. Документ загружается.

348 Избранные главы общей протистологии

Рис. 303. Схематическое изображение основных стадий жизненного цикла Apicomplexa:

а — спорозоит; б — участок шизонта; в — мерозоит; г — макрогамонт; д — микрогаг/

е — микрогамета (по нескольким авторам).

Агамное размножение Apicomplexa

начинается с появления гаплоидных

клеток, спорозоитов (рис.

303а),

кото-

рые развиваются из зиготы. Спорозои-

ты проникают в клетки хозяина (за ис-

ключением некоторых грегарин, пара-

зитирующих внеклеточно), где они ста-

новятся трофозоитами. У большинства

грегарин трофозоиты непосредственно

трансформируются в гамонты, которые

Ядро и половое размножение 349

дают начало гаметам. У других Apicom-

plexa трофозоиты вырастают в крупные

клетки (рис. 3036). Они называются

шизонтами или меронтами, потому что

подвергаются особому типу множе-

ственного деления — шизогонии, — ко-

торой предшествует ряд ядерных деле-

ний. Клетка хозяина разрушается, и из

нее выходит множество инфекционных

клеток, мерозоитов (рис. ЗОЗв). Они

могут повторять цикл роста и множе-

ственного деления, что приводит к мас-

совой аккумуляции инвазионного нача-

ла. Некоторые клетки вместо шизонтов

становятся гамонтами (рис. ЗОЗг, д),

давая начало фазе полового размноже-

ния. Гамонт первого типа — микрога-

монт — продуцирует путем шизогонии

много мелких микрогамет (рис. ЗОЗе),

а гамонт второго типа — макрога-

монт — трансформируется непосред-

ственно в макрогамету. Микро- и мак-

рогаметы сливаются, формируя дипло-

идную зиготу. Она развивается в устой-

чивую к внешним воздействиям спору

которая способна инфицировать нового

хозяина.

Паразит пищеварительного тракта

лягушек Opalina ranarum (см. рис. 64а)

имеет много одинаковых диплоидных

ядер. Многоядерные цисты покидают

кишечный тракт взрослой лягушки вме-

сте с фекальными массами (рис. 646).

Из воды цисты попадают в кишечник

головастика, где претерпевают мейоз и

дают одноядерные гаметы разного раз-

мера. В результате слияния микрогаме-

ты с макрогаметой формируется зигота.

После инцистирования зигота способна

заразить другого головастика.

Для актинофриидных солнечников

характерна автогамия. Трофонт Actino-

phrys sol при голодании инцистируется

(рис. 304) и делится на две диплоидные

клетки. Их ядра приступают к мейозу,

в результате чего в каждой клетке фор-

мируются четыре гаплоидных ядра, из

которых три дегенерируют. Слияние

клеток ведет к формированию диплоид-

ной зиготы. При благоприятных услови-

ях она дает начало вегетативной клет-

ке. Автогамия известна для некоторых

цилиат и фораминифер, а также для ра-

ковинной амебы Arcella.

Жизненный цикл многих форами-

нифер включает чередующиеся стадии

диплоидного многоядерного агамонта и

гаплоидного одноядерного гамонта,

иногда внешне неотличимые. Типы по-

лового размножения фораминифер

весьма разнообразны даже среди близ-

кородственных видов. Это может быть

гаметогамия (Elphidium crispum), гамон-

тогамия (Glabratella sulcata) и автога-

мия (некоторые виды Rotaliella).

Раковинки гамонтов и агамонтов

часто отличаются по размерам и форме,

а также по диаметру начальной камеры.

У большинства таких диморфных ви-

дов начальная камера гамонта (мегалос-

Ни одна из стадий развития споровиков не называется спорой. Зигота претерпевает серию

делений, первое из которых мейотическое; пролиферация клеток сопровождается сложными

морфогенетическими процессами. Эта репродуктивная фаза — спорогония — имеется в жиз-

ненном цикле всех Apicomplexa. У тех споровиков, которые задействуют контаминативный спо-

соб заражения, в результате спорогонии формируются стадии, одетые резистентной оболочкой.

Таковы

ооцисты и спороцисты кокцидий и гаметоцисты

грегарин.

— Прим. ред.

350 Избранные главы общей протистологии

Рис. 304. Половой процесс (автогамия = педогамия) у Actinophrys sol (1); после инцисти-

рования ядро претерпевает мейоз (2-9)

; гаметы (10) сливаются и после кариогамии (11)

формируют зиготу (12) (по Белару). Увел.: 540х.

ферическое поколение) крупнее, чем

начальная камера агамонта (микросфе-

рическое поколение)

(рис. 305). Допол-

нительное, третье поколение — мега-

лосферический шизонт — отмечено у

многих видов Foraminifera. У Hetero-

stegina depressa эти шизонты являются

потомством микросферического ага-

монта. Поэтому предполагается, что

этот вид фораминифер обладает три-

морфным жизненным циклом, который

включает три четкие фазы: микросфе-

рический агамонт, мегалосферическин

шизонт и мегалосферический гамонт.

Чередование гаплоидной и дипло-

идной фаз реализуется в жизненных

Неточная характеристика преобразований, предшествующих формированию гамет. Две гаме-

ты в цисте Actinophrys sol формируются в результате одного митотического деления и затем дв\~\-

ступенчатого мейоза: 2-3 — митоз, формируются два гамонта; 4-7 — редукционное деление

мейоза, отделяется направительное тельце; 8-9 — эквационное деление мейоза, отделяется на-

правительное тельце. Каждый гамонт дает начало одной гамете. — Прим. ред.

Зигота невелика по размерам, и именно она строит начальную камеру раковин микросфери-

ческой генерации; тогда как клетка, сформировавшаяся в результате шизогонии (агамета), крупнее

зиготы и строит более объемную начальную камеру раковин мегалосферической генерации. —

Прим. ред.

Ядро и половое размножение 351

Рис. 305. Схема жизненного цикла форами-

нифер: диморфный жизненный цикл

(сплошные стрелки) включает развитие

гаплоидного гамонта, на смену которому

приходит диплоидный многоядерный ага-

монт; гипотетический триморфный жизнен-

ный цикл (пунктирные стрелки) включает

также стадию шизонта (по Рётгеру).

циклах и других организмов, в частно-

сти, у некоторых гаптомонад (например,

Hymenomonas carterae) и определенных

нитчатых зеленых водорослей (напри-

мер, Cladophora). Для чего возникло

чередование фаз, доподлинно неизвест-

но, но стратегически оно сочетает вы-

годы полового и бесполого размноже-

ния.

Конъюгация у инфузорий

Конъюгация инфузорий представля-

ет собой особую форму гамонтогамии.

Две клетки соединяются на некоторое

время (рис. 306) и обмениваются гапло-

идными ядрами.

Далеко не все особи одного морфо-

логического вида могут скрещиваться

между собой. Для обозначения всех

способных к спариванию особей мор-

фовида был введен специальный тер-

мин — синген. Таким образом, синге-

ны представляют собой генетически

изолированные виды, которые очень

трудно идентифицировать по фенотипи-

ческим признакам. В пределах сингена

выделяют так называемые типы спари-

вания. В норме конъюгация происходит

только между особями, принадлежащи-

ми к разным, но комплементарным ти-

пам спаривания.

Сингены включают разное количе-

ство типов спаривания. Например, в

состав морфовида Paramecium cauda-

tum входят 16 сингенов с двумя типами

Рис. 306. Конъюгация у Paramecium cauda-

tum: макронуклеусы (ма) партнеров еще

видны, тогда как оба микронуклеуса (стрел-

ки) конъюганта пока плохо заметны (любез-

но предоставлен Х.-Д. Гёрцом, Штутгарт).

Увел.: 350х.

352 Избранные главы общей протистологии

спаривания в каждом (бинарная систе-

ма типов спаривания). Сингены у Para-

mecium bursaria содержат от 4 до 8 ти-

пов спаривания. Клетка, принадлежа-

щая к одному из них, может конъюги-

ровать с особями всех других типов

спаривания в пределах сингена (множе-

ственная система типов спаривания).

Методы молекулярно-биологиче-

ских исследований (в частности, сопо-

ставление изоферментных спектров или

анализ нуклеотидной последовательно-

сти генов) позволяют различать синге-

ны и определять родственные связи.

Прогресс в изучении сингенов в даль-

нейшем, возможно, приведет к ревизии

классификации Ciliophora на уровне

рода и вида. Уже сейчас сингены груп-

пы P. aurelia воспринимаются как 14 ре-

альных биологических видов, каждый

со своим собственным названием. Си-

туация с Paramecium caudatum более

запутанна, т.к. между некоторыми синге-

нами случаются генетические обмены.

Типы спаривания нестабильны у

некоторых видов. Blepharisma japoni-

сит может менять тип спаривания при

прохождении полового процесса: осо-

би, образовавшиеся в результате серии

постгамных делений одного эксконъю-

ганта, иногда принадлежат разным ти-

пам спаривания. У Paramecium multi-

micronucleatum (клон cycler) активность

гена mt+, детерминирующего тип спа-

ривания, контролируется циркадными

ритмами. Тип спаривания Paramecium

aurelia определяется в процессе разви-

тия макронуклеуса в постконъюгантах,

т.е. под влиянием различных цитоплаз-

матических факторов.

После окончания полового процес-

са представители большинства видов

инфузорий должны пройти через опре-

деленное количество циклов агамного

размножения, прежде чем они «созре-

ют» и вновь будут готовы приступить к

конъюгации. Кроме того, на готовность

к конъюгации влияют такие эндогенные

и экзогенные факторы, как питание,

свет, температура и состав среды.

Инфузории секретируют в воду спе-

циальные индукторы спаривания (гамо-

ны), которые способны связываться с

поверхностью клетки. Гамоны позволя-

ют особям определять потенциального

партнера и объединяться в пары. Спа-

ривание можно вызвать эксперимен-

тально химическими веществами (на-

пример, К

, Mg" и Cs

у Paramecium

caudatum).

Особи Blepharisma intermedium.

принадлежащие к типу спаривания I.

выделяют гамон I — в данном случае,

гликопротеин. Он действует даже при

исключительно низкой концентрации

60 нг/л. Гамон I связывается с поверх-

ностными рецепторами клеток типа

спаривания И, что изменяет свойства

клеточной поверхности и поведение

этих особей, обеспечивая таким обра-

зом условия для слияния мембран.

Клетки типа спаривания II в ответ вы-

деляют гамон II (блефаризмин) небел-

ковой природы, который по структуре

похож на нейромедиатор серотонин.

Гамон II меняет свойства поверхности

клеток типа спаривания I (рис. 307) и

является аттрактантом для клеток это-

го типа. В результате партнеры прили-

пают друг к другу своими ресничками,

а через несколько часов клетки слива-

ются в зоне контакта.

Спариванию многих инфузорий (на-

пример, Paramecium aurelia, Euplotes

Ядро и половое размножение 353

crassus, Tetrahymena thermophila) долж-

но предшествовать касание клеток, т.к.

вещества, индуцирующие подготовку к

конъюгации, у них расположены в мем-

бране определенных ресничек. Эти ин-

дукторы еще не выделены и биохими-

чески не охарактеризованы. Когда клет-

ки комплементарных типов спаривания

касаются друг друга, их реснички сли-

паются (стадия агглютинации). Затем

особи разворачиваются параллельно

одна другой, образуя пару. Между парт-

нерами устанавливается стабильный

контакт в околоротовой области. Рес-

нички в зоне контакта дегенерируют, и

происходит слияние мембран с образо-

ванием цитоплазматического мостика

между партнерами. У Paramecium

caudatum такой мостик формируется

примерно через 3 часа после контакта

(см. рис. 306).

Из всех попыток объяснить взаимо-

действие преконъюгантов и гамонов,

упомянем здесь только две гипотезы.

(1) Гипотеза «гамон-рецептор» была

предложена для Blepharisma japonicum,

а позднее обобщена применительно ко

всем инфузориям. По этой гипотезе, в

каждой системе типов спаривания коли-

чество гамонов соответствует числу

специфических рецепторов на поверх-

ности клетки. Связывание гамона с

рецептором вызывает реакцию спарива-

ния. Тип спаривания особи определяет-

ся тем, какое сочетание гамона и типа

рецепторов она несет. У Blepharisma

japonicum два типа спаривания. Пред-

полагается, что этот вид имеет всего два

гамона (G

), к которым восприимчи-

вы соответственно два типа рецепторов

(Rj, R

). Тип спаривания I выделяет га-

мон I и экспрессирует рецептор, специ-

Рис. 307. Растворимые гамоны у Blepharis-

ma: схема воздействий и реакций. Клетка,

принадлежащая к типу спаривания I, выде-

ляет гамон I, который вызывает реакцию

конъюгации и секрецию гамона II в компле-

ментарном типе спаривания II. В свою оче-

редь, гамон II вызывает реакцию конъюгации

в клетках типа спаривания I (по Майаке).

фичный гамону II; поэтому его форму-

ла будет G, R

, тогда как тип спарива-

ния II описывается формулой G

Euplotes octocarinatus имеет 10 типов

спаривания и четыре гамона (G,, G

, G

), для которых предполагается нали-

чие четырех рецепторов (R , R

, R

Все варианты поведенческих реакций

клеток, принадлежащих к различным

типам спаривания, можно объяснить

комбинацией гамонов и рецепторов.

Например, тип спаривания, секретиру-

ющий гамоны 1 и 2 и восприимчивый

к гамонам 3 и 4, будет описан форму-

лой G

, R

; другой тип спарива-

ния, сам не выделяющий гамонов, но

реагирующий на все гамоны, имеет

формулу R,, R

, R

(2) Гипотеза самоузнавания предпо-

лагает, что каждая клетка имеет рецеп-

тор для выделяемого ею же гамона

354 Избранные главы общей протистологии

(своего гамона). Связывание своего га-

мона с рецептором подавляет конъюга-

цию, тогда как связывание другого га-

мона (гамона комплементарного типа

спаривания) с тем же рецептором дей-

ствует в противоположном направле-

нии, уменьшая ингибирующий эффект

своего гамона. Эту гипотезу подтверж-

дают наблюдения за Euplotes raikovi.

Например, было показано, что связыва-

ние своего гамона с клеткой у Euplotes

raikovi конкурентно ингибирует реак-

цию спаривания, запущенную гамоном

комплементарного типа. Впрочем, неко-

Рис. 308. Схема основных ядерных преобразований в ходе конъюгации инфузорий (а) и

постгамных делений ядер у Paramecium caudatum (б): частичное слияние конъюгантов (1);

мейоз микронуклеусов (ми) (2-4); три из четырех гаплоидных ядер разрушаются; остав-

шееся ядро делится митотически на два гаметических ядра (одно стационарное, другое

мигрирующее) (5); клетки обмениваются мигрирующими ядрами (6), которые сливаются

со стационарными ядрами и формируют синкарион в каждом партнере (7); поскольку мак-

ронуклеусы (ма) разрушаются

, каждый из двух эксконъюгантов (8) содержит только один

диплоидный синкарион (ск). б — набор ядер интерфазной клетки восстанавливается после

серии постгамных ядерных и клеточных делений (по Грелю).

Не вполне верно. Старый макронуклеус запускает процесс созревания новых; он окончатель-

но исчезает значительно позже — перед первым цитокинезом эксконъюганта, в момент, когда

судьба макронуклеарных зачатков определена. — Прим. ред.

Ядро и половое размножение 355

торые явления процесса преконъюга-

ции еще не вполне понятны.

Спаривание клеток инициирует

ядерные перестройки. Мейотическое и

последующие несколько митотических

делений (точное число меняется от вида

к виду) микронуклеуса приводят к об-

разованию гаплоидных ядер (рис. 308а).

Из них остаются только два, стационар-

ное и мигрирующее, остальные ядра

разрушаются. Мигрирующие ядра пере-

ходят в клетку-партнера по цитоплазма-

тическому мостику. Здесь каждое из

них сливается со стационарным ядром,

формируя диплоидный синкарион; пос-

ле этого клетки расходятся. Макронук-

леусы в ходе конъюгации разрушаются.

Исходный набор макронуклеусов и

микронуклеусов восстанавливается из

синкариона в эксконъюгантах, т.е. пос-

ле расхождения клеток (рис. 3086). У

одних видов синкарион дифференциру-

ется в макронуклеарный и микронукле-

арный зачатки непосредственно после

первого же деления, у других это про-

исходит после нескольких ядерных и

клеточных делений. Митотические де-

ления синкариона могут приводить к

формированию дополнительных ядер,

впоследствии деградирующих. У мно-

гих видов развитие постконъюганта в

вегетативную клетку — это сложный

морфогенетический процесс, в ходе ко-

торого происходит многоступенчатая

реорганизация соматической и ротовой

инфрацилиатуры (например, у гипот-

рих). У инфузорий, характеризующих-

ся серией постгамных делений синка-

риона, в ходе этих делений формирует-

ся избыточное количество ядер. Экспе-

рименты на Paramecium показывают,

что судьба ядра (будет оно развиваться

дальше или деградирует) зависит от его

позиции в постконъюганте.

У большинства видов конъюганты

морфологически неразличимы. Однако

у ряда сидячих цилиат, например перит-

рих и хонотрих, спариваются клетки

разного размера. Часто происходит так

называемая тотальная конъюгация, в

ходе которой все содержимое клетки

(ядро и цитоплазма) мелкого подвижно-

го микрогамонта перетекает в клетку

крупного сидячего макрогамонта

Тотальная конъюгация — это, в сущности, гамонтогамная копуляция инфузорий. Настойчи-

вое использование термина «конъюгация», во-первых, отражает традицию протозоологов под-

черкивать особый статус «приматов мира одноклеточных» — инфузорий, во-вторых, позволяет

сохранить характеристику типа Ciliophora: «половой процесс протекает по типу конъюгации». —

Прим. ред.

356 Избранные главы общей протистологии

Морфогенез и размножение

(Мария Мулиш)

Многие протисты меняют свое

строение в ответ на внутренние и внеш-

ние сигналы. Если эти изменения со-

провождаются резорбцией или, наобо-

рот, построением новых частей орга-

низма или органелл, этот процесс назы-

вают морфогенезом (рис. 309).

Факультативные

изменения

морфологии клетки

Факультативные изменения морфо-

логии клетки происходят в ответ на воз-

действие внешних факторов (соленос-

ти, температуры, рН или доступности

пищевых ресурсов) и включают форми-

рование цист, изменения размеров клет-

ки или трансформацию типа клетки (на-

пример, амебоидная клетка трансфор-

мируется в жгутиковую).

Инцистирование

и эксцистирование

Многие протисты переживают не-

благоприятные условия, к примеру вы-

сыхание или голодание, формируя цис-

ты — покоящиеся стадии с толстыми

прочными стенками. Устойчивые к вне-

шним воздействиям цисты характерны

для почвенных протистов. У паразити-

ческих протистов (например, Apicom-

plexa), такие клетки называются спора-

ми, которые часто представляют собой

инвазионную стадию. Слизевики (Асга-

sea, Myxogastrea, Dictyostela; см. рис.

56, 179, 180) и инфузории Sorogena (см.

рис. 226) при голодании продуцируют

плодовые тела, состоящие из инцисти-

рованных клеток. Когда плодовые тела

лопаются, сухие цисты распространя-

ются по воздуху.

Другие протисты формируют цисты

с тонкими, относительно проницаемы-

ми стенками, которые подразделяются

Рис. 309. Стадия морфогенеза Paramecium

с двумя ротовыми аппаратами; разрывы в

кинетах обозначили будущую борозду де-

ления клетки (из: Iftode et al.: Development

105 [1989] 191). Увел.: 600x.

Морфогенез и размножение 357

на несколько типов. В цистах размноже-

ния идет деление клеток, в цистах пи-

тания клетка переваривает пищу, в ци-

стах спаривания происходит копуляция.

У некоторых протистов, таких как вам-

пиреллидная амеба Lateromyxa gallica,

в жизненном цикле встречаются все эти

три типа цист.

Факторы, вызывающие инцистиро-

вание, у разных видов различны. Гете-

ролобозная амеба Naegleria gruberi ин-

цистируется при высыхании. Acantha-

moeba инцистируется в ответ на избы-

ток кислорода, отсутствие пищи или

пересев на минеральную среду, содер-

жащую соли кальция и магния. Предпо-

лагается, что все эти факторы блокиру-

ют S-фазу, препятствуя синтезу ДНК.

В начале процесса инцистирования

клетка Acanthamoeba округляется. Мно-

гие клеточные компоненты (митохонд-

рии, гранулы запасных веществ) дегра-

дируют, а усиленная активность сокра-

тительной вакуоли приводит к обезво-

живанию цитоплазмы. За этим следует

формирование двухслойной стенки ци-

сты и синтез специфичных для этой

стадии РНК и ферментов. Наконец, по-

чти вся метаболическая активность пре-

кращается, и в таком покоящемся состо-

янии циста способна сохранять жизне-

способность несколько лет.

Стенка цисты формируется за счет

либо экзоцитоза ее предшественников,

либо синтеза фибрилл хитина или цел-

люлозы на клеточной поверхности.

Синтезируемые в аппарате Гольджи

предшественники, по-видимому, уча-

ствуют в построении стенки цисты у

паразитического жгутиконосца Giardia

lamblia, актинофриидного солнечника

Actinophrys sol, некоторых разнореснич-

ных инфузорий (Stentor, Fabrea, Blepha-

risma) и перитрих (Epistylis), но, очевид-

но, не вовлечены в формирование стен-

ки цисты цилиат Hyalophysa chattoni и

Euplotes muscicola.

Роль синтеза РНК и белков в инци-

стировании изучалась у инфузорий. В

ходе инцистирования обычно наблюда-

ются глубокие морфологические и фи-

зиологические изменения, например

уменьшение объема клетки (потери до

80%), высокая автофагическая актив-

ность и существенные перестройки в

макронуклеусе. В нем происходит

уменьшение числа ядерных пор, кон-

денсация хроматина, утрата части ДНК,

смена характера метилирования ДНК,

изменение ядрышка и переупаковка

хроматина. Идет более или менее выра-

женная деградация клеточных корти-

кальных структур. Так, у Frontonia и

Euplotes кортекс остается без измене-

ний, у Pseudomicrothorax происходит

разборка пароральной цилиатуры, у

Bursaria исчезает буккальная цилиату-

ра, у Colpoda резорбируются буккаль-

ные структуры и соматические реснич-

ки. Деградация кортекса во время инци-

стирования наиболее выражена у оксит-

рих — их клетки в зрелых цистах

полностью лишены ресничек и кинето-

сом с корешками.

Пути передачи ведущего к эксцис-

тированию сигнала неясны. Экспери-

ментальные исследования инфузории

Colpoda позволяют предположить, что

растворимые в среде вещества, такие

как органические кислоты и сахара,

проникают сквозь стенку цисты и сти-

мулируют эксцистирование. Они накап-

ливаются во время инцистирования и

разрушаются при старении цисты. Ак-