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

Подождите немного. Документ загружается.

398 Избранные главы общей протистологии

сочетания поступательного плавания по

пологой винтовой спирали и периоди-

ческих реверсивных движений

. Для

протиста, огражденного от воздействия

ориентированных стимулов, подсчиты-

вают показатели периодов поступатель-

ного плавания и реверсий (длитель-

ность, периодичность, временное соот-

ношение). В дальнейшем, при изучении

влияния стимулов, эти показатели за-

кладывают как параметры спонтанного

(т.е. без внешних возмущений) локомо-

торного поведения этого протиста.

Направление движения изменяется

и под воздействием внешних факторов.

Таковыми будут механическое (столкно-

вение с преградой), химическое, терми-

ческое и световое раздражение. В этих

случаях реверсивное движение называ-

ется реакцией избегания (рис. 337г).

Реакция избегания не направленна по

отношению к источнику раздражения,

клетка уходит от него, меняя направле-

ние случайным образом, то есть мето-

дом проб и ошибок, до тех пор пока не

отплывет от источника раздражения.

Поведенческая реакция клетки час-

то бывает ответом на совместное воз-

действие и внутренних, и внешних фак-

торов. При этом одновременное дей-

ствие стимулов разного типа может

вызывать сложные поведенческие отве-

ты. В ближайшем будущем, вероятно,

экспериментаторы смогут привнести

ясность в вопросы: каковы факторы,

видоизменяющие поведенческие реак-

Рис. 337. Типы стимулированных двига-

тельных реакций протиста на примере све-

тового воздействия (hv): а — (орто-)кинез:

скорость движения увеличивается внутри

освещенной зоны (последовательные

изображения клетки разнесены на большее

расстояние); б — клинокинез: смена на-

правлений движения усиливается внутри

освещенной зоны; в — таксис: клетка пово-

рачивает прямо к (или от) источнику света;

г— реакция избегания: по достижении гра-

ницы светового пятна клетка меняет на-

правление поступательного движения слу-

чайным образом (по Сонг и Поф).

ции протистов, и какова вся цепь моле-

кулярных событий от раздражения до

ответа.

Внешний раздражитель называется

одномерным или градиентным, если он

характеризуются только интенсивнос-

тью. Таково, например, постепенное

увеличение температуры или освещен-

ности (рис. 337а, б, г). С другой сторо-

ны, интенсивность сигнала часто несет

информацию о направлении. Например,

сила тяжести или прямой свет опреде-

ленной длины волны воздействуют на

Реверсивное движение, или реверсия, состоит из фазы постепенно замедляющегося попятно-

го движения и из фазы, которую можно назвать «фазой неупорядоченного вращения»: клетка

совершает короткие неуверенные перемещения вперед и назад и при этом переднезадняя ось

несколько раз меняет свое направление. В результате ориентировка переднезадней оси изменя-

ется случайным образом. Затем организм возобновляет поступательное движение в новом на-

правлении. — Прим. ред.

Поведение протистов 399

организм как векторный раздражитель,

давая, таким образом, важную инфор-

мацию о свойствах среды (рис. 337в).

Под давлением отбора протесты выра-

ботали адекватные поведенческие отве-

ты на предъявление градиентных и век-

торных раздражителей. Классификация

двигательных реакций в целом опира-

ется на рассмотренную классификацию

раздражителей. Двигательные реакции

подразделяются на кинезы (регулирова-

ние скорости и случайное изменение

направления после завершения попят-

ного движения; рис. 337а, б) и таксисы

(направленное перемещение; рис. 337в).

Реакции третьего класса — тропиз-

мы — присущи только сидячим орга-

низмам; тропизмы преимущественно

проявляются в росте, пространственно

ориентированном по отношению к раз-

дражителю.

Терминология

Прежде чем приводить примеры по-

веденческих реакций на различные сти-

мулы, определим термины.

Кинезы

Градиентные, или диффузные сти-

мулы, например свет, температура, хи-

мическое раздражение, вызывают кине-

зы. Клетка воспринимает относитель-

ную интенсивность стимула и регулиру-

ет свою двигательную активность.

Ответное увеличение скорости принято

называть положительным кинезом, а

уменьшение — отрицательным кинезом.

Эти два варианта объединяются терми-

ном ортокинез (рис. 337а). Последнему

противопоставляют клинокинез — дви-

гательная реакция на внешний раздра-

житель, выражающаяся в изменении ча-

стоты смены направления движения

(рис. 3376). Сила тяжести — векторный

раздражитель, но инфузории реагируют

на нее ненаправленным движением; эта

реакция выделена в самостоятельный

класс — таксокинез (см. ниже).

В основе кинеза лежит регулярное

измерение интенсивности стимула и

сравнение с предшествующими величи-

нами. Действуя таким образом, клетка

получает возможность адекватно реаги-

ровать на факторы, распределяющиеся

в среде градиентно и к тому же меняю-

щиеся во времени (температура воды,

концентрация химического вещества и

т.п.). У протиста, приближающегося к

источнику химического аттрактанта,

периоды поступательного перемещения

реже прерываются реверсиями. Эта кар-

тина напоминает движение бактерии —

хаотическое, но с тенденцией смещения

по градиенту раздражителя. Когда про-

тест удаляется от аттрактанта, частота

реверсий возрастает, а периоды посту-

пательного перемещения становятся

короче. В отличие от прокариот, проте-

сты способны регулировать скорость

локомоции. Скорость плавания возрас-

тает при движении к аттрактанту и па-

дает, когда клетка удаляется от него.

Все сказанное, но с обратным знаком

относится к ситуации, когда химическое

вещество — репеллент. Один и тот же

фактор будет привлекать или отпугивать

протиста в зависимости от своей интен-

сивности. Так, слишком высокая или

слишком низкая интенсивность стиму-

ла (возьмем тепло в качестве примера)

будет отпугивать протистов, и они сме-

стятся в зону с оптимальными проме-

400 Избранные главы общей протистологии

жуточными величинами. Итак, кинез —

это не строго направленная локомотор-

ная реакция; как координация в про-

странстве посредством кинезов, так и

аккумуляция особей в градиенте стиму-

ла — процессы вероятностные по сво-

ей природе.

Таксисы

Таксис — это строго направленное

перемещение по отношению к источни-

ку векторного стимула (к источнику —

положительный таксис; от источника —

отрицательный). Протисты проявляют

таксисы лишь в ответ на очень немно-

гие раздражители: силу тяжести, направ-

ленный свет и электрическое поле. Де-

ло в том, что для распознавания направ-

ления вектора нужны специальные

«прицельные» устройства, а протисты

слишком малы по размеру, чтобы раз-

местить их. Обладающее зрением мно-

гоклеточное животное способно воспри-

нимать направление лучей света, а при

помощи статоцистов животные различа-

ют верх и низ, в то время как малый

объем одноклеточного организма не по-

зволяет соответствующим образом раз-

местить рецепторы. И все же, в силу

определенных структурных и функцио-

нальных особенностей своей организа-

ции протисты способны проявлять так-

сисы (гальванотаксис, гравитаксис, фо-

тотаксис). Вывод о том, что определен-

ная локомоторная деятельность являет

собою таксис, делается исключительно

на основе феноменологии поведения и

независимо от того, известен ли меха-

низм передачи сигнала. Часто об этом

механизме можно судить по морфологи-

ческим проявлениям и физиологическим

откликам, но лишь для немногих объек-

тов весь каскад событий на субклеточном

уровне прослежен достаточно детально

(см. гальванотаксис, фототаксис).

Таксокинез

Земное тяготение оказывает влия-

ние на поведение протистов, и изучение

этого влияния показало, что принятое

деление локомоторных реакций на ки-

незы и таксисы не всегда приемлемо.

Общеизвестно, что только астрономи-

ческие объекты, такие как Земля и

Луна, обладают достаточной массой,

чтобы создать значительное гравитаци-

онное поле. В качестве стимула сила

тяжести имеет как векторные, так и гра-

диентные свойства. Сила земного тяго-

тения всегда действует в одном направ-

лении и в этом смысле представляет

собой векторный раздражитель. Одна-

ко перепады силы тяжести на земной

поверхности столь малы, что живые

существа в пределах биосферы не спо-

собны их уловить, и в этом смысле зем-

ное тяготение — градиентный фактор.

Показано, что ряд инфузорий и жгути-

коносец Euglena регулируют скорость

движения относительно вектора силы

тяжести, a Paramecium даже изменяет

частоту реверсий. Эти локомоторные

поведенческие акты являются кинезами

по определению (см. выше) и, соответ-

ственно, оправданно использование

термина гравикинез. Однако в данном

случае организм не имеет возможности

ориентироваться по изменению интен-

сивности сигнала во времени и про-

странстве (как того требует определе-

ние кинеза), потому что сила земного

тяготения неизменна в масштабе не-

Поведение протистов 401

скольких миллиметров по вертикали.

Следовательно, проявляя гравикинез,

протисты должны полагаться на некие

векторные проявления гравитационно-

го поля (пока неизвестно, какие), а это

уже ключевой признак таксиса. Таким

образом, гравикинез занимает промежу-

точное положение между кинезом и

таксисом, возможно, иллюстрируя со-

бой эволюционный переход от более

примитивной стратегии кинеза к более

продвинутой стратегии таксиса.

Привыкание

и сходные явления

Выше были рассмотрены незамед-

лительные локомоторные реакции. Ча-

сто, однако, поведенческий ответ на

раздражитель меняется со временем.

Если интенсивность стимула резко из-

менилась, а затем остается на постоян-

ном уровне, то протист скорректирует

свое поведение таким образом, чтобы

приспособиться к новому уровню ин-

Рис. 338. Траектории движения Paramecium в темном поле иллюстрируют постепенную

адаптацию к воздействию химического агента. Клетки были введены пипеткой в раствор

20 мМ KCI в точке, отмеченной звездочкой (*). В растворе их поверхность была момен-

тально деполяризована, поэтому клетки быстро поплыли задним концом вперед (1). По-

пятное движение постепенно замедлялось и через 40 секунд перешло во вращение на ме-

сте (2). В течение последующих нескольких минут вращение сменилось на медленное пла-

вание по кругу (3) с постепенным усилением тенденции движения вперед (4-7). Стадия 7 —

это нормальная траектория плывущей вперед клетки (из: Machemer: J. Protozool. 36 [1989]

463). Сравните с рис. 339, где показан постепенный переход от сильной деполяризации

к нормальному состоянию мембраны Paramecium.

402 Избранные главы общей протистологии

Рис. 339. Траектории движения Paramecium в зависимости от напряжения электрическо-

го поля (ги — гиперполяризация клеточной мембраны, де — деполяризация клеточной

мембраны). Все траектории были записаны в течение 5 секунд освещения в темном поле,

следовательно, длина пути пропорциональна скорости плавания. Траектории ранжированы

так, чтобы показать изменение характера движения при постепенном изменении мемб-

ранного потенциала от гиперполяризации (слева) до сильной деполяризации (справа). А —

поступательное движение (а-з — вперед; и — стационарное вращение; к-н — назад). Б —

когда мембрана слабо деполяризована, поступательное движение вперед иногда преры-

вается сменой направления движения (обратите внимание на изломы траекторий). Заме-

тим, что увеличение частоты изменений направления движения происходит при уменьше-

нием скорости движения вперед (из: Machemer and Sugino: Сотр. Biochem. Physiol. 94A

[1989] 365).

тенсивности; и произойдет это через не-

сколько секунд, минут или часов (рис.

338). Без такой адаптации изменение

ионного состава воды (в результате ис-

парения или, наоборот, разведения) на-

рушило бы тонко настроенную систему

клеточного контроля и препятствовало

бы движению по градиенту раздраже-

ния, а также восприятию дополнитель-

ных стимулов. Двигательное поведение

инфузории формируется за счет био-

электрической составляющей контроля

биения ресничек (рис. 339) и основано

на работе контрактильных систем. Био-

электрическая регуляция биения ресни-

чек предполагает наличие определенно-

го исходного уровня трансмембранного

потенциала — так называемого потен-

циала покоя. Потенциал покоя контро-

лирует ионные каналы мембраны и

активность ферментов в рамках гомео-

стаза. Это исходное состояние для по-

следующих индуцируемых сдвигов

трансмембранного потенциала, которые

сигнализируют об интенсивности раз-

дражающего стимула.

Изменение поведенческой реакции

со временем строго подтверждено для

Поведение протистов 403

Рис. 340. Привыкание Spirostomum к меха-

ническому раздражению. Представлено в

форме вероятности (р) сокращения клетки

в ответ на механическое раздражение. Сти-

мул предъявляется периодически; общая

продолжительность (t) каждого экспери-

мента составляет около 12 минут, а — ве-

роятность сокращения постепенно падает

и выходит на асимптоту, которая соответ-

ствует 100%-ному привыканию; при отсут-

ствии раздражений в течение определен-

ного времени (At), привыкание частично ут-

рачивается (33% на рисунке), б — тот же

эксперимент, но обратите внимание, что,

когда предъявление раздражителя возоб-

новляется, клетки быстрее достигают

100%-ного привыкания; феномен называют

тренированностью, в — единственное

сильное (шоковое) раздражение полностью

снимает привыкание и даже гиперсенсиби-

лизирует клетку (феномен отвыкания); если

далее предъявлять раздражение по пре-

жней схеме, то клетка вновь демонстриру-

ет постепенное привыкание (из: Machemer:

BIUZ 18 [1988] 122).

ряда протистов. Такое изменение пове-

дения напоминает процесс научения у

высших организмов. Например, сенси-

билизированная к сильному механиче-

скому раздражению культура Stylony-

chia научается избегать шероховатых

поверхностей, но эта способность раз-

личать шероховатую и гладкую повер-

хность исчезает в течение часа. Еще

более яркий пример дают инфузории

Spirostomum и Stentor, клетка которых

способна к резкому сокращению. По-

вторяющееся через определенные ин-

тервалы времени механическое раздра-

жение через несколько минут приводит

к постепенному угасанию ответа (рис.

340). Это поведение имеет целый ряд

признаков, характеризующих привыка-

ние у высших организмов. В то же вре-

мя, образование связи между условным

и безусловным раздражителем (то есть

ассоциативное научение) никогда не

было достоверно показано для протис-

тов.

404 Избранные главы общей протистологии

Поведенческие

реакции

В следующих разделах приведены

примеры поведенческих реакций на

раздражения. Примеры сгруппированы

по типу стимула: электрический, меха-

нический, химический, термический и

световой.

Поведение

в электрическом поле

(гальванотаксис)

Постоянный электрический ток,

пропущенный через электролит с поме-

щенными в него клетками, возбуждает

их: благодаря распределению напряже-

ния по цепи последовательных сопро-

тивлений, которую представляет собой

клетка, обращенная к катоду сторона

клетки всегда деполяризована, а обра-

щенная к аноду всегда гиперполяризо-

вана. Раздражение электрическим то-

ком рутинно используется при работе

с проводящими тканями, такими как

нервная и мышечная, но только у под-

вижных ресничных и жгутиковых кле-

ток она вызывает особую поведенчес-

кую реакцию, названную гальванотак-

сисом (рис. 341а). Если создать элект-

рическое поле напряженностью около 2

В/см, то все случайным образом ориен-

тированные парамеции развернутся и

поплывут прямо к катоду (рис. 3416).

Изучение гальванотаксиса позволяет

понять механизм электрической (зави-

симой от потенциала) регуляции рес-

ничной активности. С другой стороны,

то, как характер биения ресничек посте-

пенно меняется в зависимости от вели-

чины приложенного напряжения (см.

рис. 339), помогает понять, почему ин-

фузории всегда ведут себя одинаково

под воздействием электрического поля.

У клетки Paramecium, проявляю-

щей гальванотаксис, количество нор-

мально бьющих ресничек в централь-

ной и обращенной к аноду зонах кле-

точной поверхности будет превосходить

количество реверсивно бьющих ресни-

чек в зоне, обращенной к катоду. Далее

рассмотрим ситуацию, когда протист

совершает обычное поступательное

движение. Для клетки, ориентирован-

ной перпендикулярно к линиям равно-

го потенциала (эквипотенциалям), раз-

дражитель осесимметричен; и, соответ-

ственно, распределение ресничек, бью-

щих в определенном направлении с

определенной интенсивностью, будет

осесимметричным; если клетка при

этом передним концом обращена к ка-

тоду (ортодромная ориентация), она

будет продолжать плыть по прямой впе-

ред (рис. 3416,1). У клетки, продольная

ось которой ориентирована под острым

или тупым углом к эквипотенциалям,

расположение одинаково работающих

ресничек не осесимметрично. В резуль-

тате этого дисбаланса клетка будет раз-

ворачиваться так, чтобы в итоге обрес-

ти ортодромную ориентацию (рис. 3416,

II—I, III—I).

От электрочувствительности клетки

зависит доля реверсивно бьющих рес-

ничек (или жгутиков); определенные

протисты при той же напряженности

поля будут двигаться к аноду (Opalina,

Chilomonas). У определенных групп

инфузорий имеются специализирован-

ные группы локомоторных ресничек,

сильно различающиеся по электрочув-

ствительности. Такие инфузории будут

Поведение протистов 405

Поляризация Частота

мембраны биений

<•

Рис. 341. Гальванотаксис у Paramecium, а — в постоянном электрическом поле (катод ввер-

ху) клетки плывут по направлению к катоду (концы траекторий выделены черным), б —

электромеханическая основа гальванотаксиса. I: клетка в постоянном электрическом поле

обращена передним концом (а) к катоду (-). Клетка всегда принимает эту так называе-

мую ортодромную ориентацию в результате того, что трансмембранный потенциал, уп-

равляющий биением ресничек, под воздействием электрического поля становится гра-

диентным (Депол. — деполяризована, Гиперпол. — гиперполяризована; белая зона — рес-

нички бьют назад, черная зона — реснички бьют вперед; ширина зоны пропорциональна

скорости биения). Клетка плывет вперед, поскольку бьющих назад ресничек больше. II,

III: На клетке, передне-задняя ось которой неперпендикулярна эквипотенциалям (парал-

лельны штриховым линиям), возник пояс ресничек (выделен), создающий разворачива-

ющее усилие, которое приведет клетку в ортодромную ориентацию. IV: Теоретически ан-

тидромная ориентация должна бы вызывать движение клетки к аноду (+), но самое сла-

бое отклонение от этого неустойчивого равновесия приводит клетку в ориентацию III и за-

тем, естественно, в ориентацию I (из: Machemer: Galvanotaxis: Grundlagen der elektro-

mechanischen Kopplung und Orientierung bei Paramecium. In: Praktische Verhaltensbiologie,

ed. by G.H.K. Zupanc, Parey, Berlin 1988).

406 Избранные главы общей протистологии

двигаться наискосок (Spirostomum, Cli-

macostomum) или даже параллельно к

линиям равного потенциала (Loxodes).

Реакции на механические

раздражители

Есть две основных разновидности:

реакции на прикосновение (фазический

стимул) и реакции в связи с постоянно

действующей силой тяжести (тониче-

ский стимул). Воздействие микроиглой

или даже струей жидкости из пипетки

на передний конец Stentor вызывает

деполяризацию и быстрое сокращение,

а после повторной стимуляции даже

попятное движение этой, в общем-то,

сидячей инфузории. У других инфузо-

рий деполяризующие механорецептор-

ные каналы расположены преимуще-

ственно в мембране переднего конца

клетки. Поэтому реакция избегания

Paramecium в случае, когда клетка, ска-

жем, натолкнется на препятствие, за-

пускается в результате механически

индуцируемой деполяризации мембра-

ны (см. рис. 255). Анализ распределе-

ния механочувствительных рецепторов

у цилиат (Paramecium, Stylonychia) вы-

явил чувствительную область на заднем

конце клетки, раздражение которой ве-

дет к гиперполяризации мембраны (рис.

342). Касание Paramecium сзади вызы-

вает усиление прямого биения ресничек

по той же схеме, что и в электрическом

поле (см. гальванотаксис), поэтому

клетка ускоренно плывет передним по-

люсом вперед.

Чувствительные органы многокле-

точных животных часто содержат нор-

мальные или рудиментарные реснички.

Исходя из этого, можно предположить,

что реснички простейших воспринима-

ют механическое раздражение. Однако

электрофизиологические исследования

Рис. 342. Топология механической чувстви-

тельности у Paramecium (слева: нормаль-

ная клетка, несущая реснички; справа:

клетка, лишенная ресничек, передний по-

люс клетки вверху). Показаны места укола

мембраны микроиглой (стрелки) и следую-

щий за этим стимулирующим воздействи-

ем ответ. Возбуждение переднего конца

приводит к деполяризации клеточной мем-

браны, а заднего — к гиперполяризации.

Чувствительность к деполяризации (Са

зависимая) уменьшается в направлении к

заднему полюсу клетки, а чувствительность

к гиперполяризации (К

-зависимая) умень-

шается в направлении к переднему полю-

су клетки; эти продольные градиенты обус-

ловлены постепенным изменением плотно-

сти механорецепторных каналов каждого

типа. Сравнение кривых левой и правой ко-

лонок показывает, что мембрана тела клет-

ки чувствительна к механическим воздей-

ствиям, а ступенчатый потенциал действия

возникает только, когда присутствует мем-

брана ресничек (из: Ogura and Machemer: J.

Сотр. Physiol. 135 [1980] 233).

Поведение протистов 407

Яг»*-*-. л~*"ч

Рис. 343. Комплекс дорсальных щетинок Euplotes vannus: основание каждой реснички ок-

ружают ампулы (а — показано белой стрелкой на живой клетке, б — схема отдельной рес-

нички); в — дорсальная щеточка Didinium предположительно выполняет хемосенсорную

функцию; г — булавовидные реснички дорсальной щеточки Didinium на ультратонком срезе

(б — по фон Гелей; в любезно предоставлен Дж.Трёгером, Берлин). Увел.: а — 1 ОООх, в —

500х, г - 17 500х.

показали, что это не так. Удаление всех

ресничек у живой клетки Paramecium

не препятствовало механорецепторной

деполяризации или гиперполяризации

мембраны (рис. 342). Более того, раз-

дражение неподвижных ресничек зад-

него конца Paramecium caudatum пока-

зало, что эти реснички сами не реаги-

руют на механическое раздражение, а

пассивно передают его высокочувстви-

тельной мембране заднего конца тела.

В то же время, существуют особые рес-

ничные органеллы (например, комплекс

дорсальных щетинок у гипотрих или

дорсальные щеточки с булавовидными

ресничками у некоторых цилиат), кото-

рые прямо или косвенно участвуют в

механорецепции (рис. 343).

Хорошо известная реакция на зем-

ное тяготение — отрицательный грави-

таксис (раньше его называли отрица-

тельным геотаксисом). «Отрицатель-

ный» здесь означает прочь от гравита-

ционного центра Земли, то есть вверх.

Это поведение легко наблюдать у Para-

mecium и других инфузорий. Некоторые

исследователи полагают, что разворачи-

вание клетки передним полюсом вверх

обусловлено чисто механическим эф-

фектом: крутящий момент возникает из-

за того, что точка приложения равно-

действующей силы не совпадает с цент-

ром тяжести. Крутящий момент возни-

кает также в результате локальных

различий в плотности цитоплазмы клет-

ки. Такое механистическое объяснение

природы гравитаксиса не кажется убе-

дительным в отношении Loxodes, инфу-

зории, которая перемещается, скользя

по поверхности. У Loxodes строго вер-