Изменения в природных биологических системах - Федоров В.Д

3 культур обнаруживает четкую метахромазию. Однако, после осаж5 дения полифосфатов кислоторастворимой фракции барием в кис5 лых условиях надосадочной жидкости исследуемых бактерий эта фракция сохраняет метахромазию, что прямо указывает на ее «непо5 лифосфатную» природу. Поскольку за «неполифосфатную» метахро5 мазию могут быть ответственны макромолекулярные полисахариды, содержащие сульфоэфирные радикалы (типа мукоитинсерной кисло5 ты), то можно предполагать наличие подобного типа веществ в иссле5 дованных препаратах бактерий.

Вместе с тем растворы кислоторастворимых полифосфатов, полу5 ченных после обработки бариевых осадков катионитом, не обнаружи5 вают метахромазии (в некоторых опытах с Rhodopseudomonas palustris иногда удается получить незначительное метахроматическое окраши5 вание). Так как давно Эбелем (12) было показано, что метахроматичес5 кое окрашивание дают лишь сравнительно длинные цепи конденсиро5 ванных фосфатов (начиная с 8 фосфорных групп), то можно пола5 гать, что кислоторастворимые фракции исследуемых бактерий содер5 жат только низкие полимеры фосфатов (менее 8 групп). Отмеченное незначительное метахроматическое окрашивание в препаратах Rhodopseudomonas palustris, очевидно, может указывать на присут5 ствие в кислоторастворимой фракции данной бактерии некоторого ко5 личества полифосфатов более высокой степени конденсации.

В настоящей работе культура зеленых серобактерий была изучена более детально. Данные по возрастным изменениям содержания по5 лифосфатов в кислоторастворимой и кислотонерастворимой фракци5 ях культуры Chlorobium thiosulphatophilum представлены в табл. 2.

Таблица 2

ВОЗРАСТНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОТОРАСТВОРИМОГО И КИСЛОТОНЕРАСТВОРМОГО ЛАБИЛЬНОГО ФОСФОРА В КУЛЬТУРЕ ЗЕЛЕНЫХ СЕРОБАКТЕРИЙ CHLOROBIUM THIOSULPHATOPHILUM (в процентах на сухой вес обезжиренной бактериальной массы)

11

Полученные результаты свидетельствуют о том, что максимум на5 копления лабильного фосфора наблюдается в стационарной фазе рос5 та, когда процессы клеточного синтеза замедляются. В фазе логарифми5 ческого роста интенсивные процессы синтеза препятствуют сколько5 нибудь значительному накоплению полифосфатов. Особенно интерес5 но, что соотношение кислоторастворимых полифосфатов к кислотоне5 растворимым в lag5фазе и фазе логарифмического роста значительно смещены в сторону последних, т.е. более активных. Очевидно, такая закономерность является в известном смысле общей, так как она была показана уже на дрожжах (2), плесневых грибах (1) и бактериях (13).

Таким образом, полученные в настоящей работе аналитические данные показывают на присутствие полифосфатов в клетках изучен5 ных представителей 3 различных семейств фотосинтезирующих бак5 терий. Есть основания полагать, что полифосфаты кислоторастворимой фракции, в основном, являются низкополимерными. Изучение воз5 растных изменений в содержании полифосфатов различных фрак5 ций (культура Chlorobium thioaulphatophilum) подтверждает закономерности, обнаруженные ранее в других организмах.

Приношу самую глубокую благодарность профессору А.Н. Бе5 лозерскому и А.С. Спирину за большую помощь в выполнении на5 стоящей работы, а также И.С. Кулаеву — за искренний интерес, проявленный к работе, и постоянные консультации по ряду практи5 ческих вопросов, связанных с ее выполнением.

С п и с о к л и т е р а т у р ы

Белозерский А.Н., Кулаев И.С. Биохимия, 22, 30, 1957.

Ebel E.P. Bull. Soc. Chim. biol., 34, 321, 330, 491, 498, 1952.

Krishnan P.S., Damle S.P., Bajaj V. Arch. Biochem. and Biophys., 67,

№1, 1957.

Niklowitz W., Drews G. Arc. Mikrobiol., 23, 123, 1955/

Vatter A.E., Wolfe R.S. J. Bacteriol., 75, 480, 1958.

Vatter A.E., Wolfe .S. The Report of the VII Intern. Congr. Microbiol., Stockholm, 1958.

Van Niel C.B. Arch. Microbiol., 3, H. 1, 1931.

Larsen H. D. K. N. V. S. Skrifter, № 1, 1, 1953.

Weil!Malherbe H., Green R.H. Biochem. J., 49, 286, 1951.

Спирин А.С. Биохимия, 23, 656, 1958.

Chayen R., Chayen S.,Roberts E.R. Biochim. et biophys. acta, 16, 117, 1955.

Ebel E.R., Muller S. Exp. Cell. Res., 15, 21, 1958.

Mudd S., Yoshida A., Koike M. J. Bacteriol., 75, 224, 1958.

ДАН, 126, №2, 1959.

12

ОЗАКОНОМЕРНОСТИ ОТМИРАНИЯ КЛЕТОК

ВРАЗМНОЖАЮЩИХСЯ КУЛЬТУРАХ СИНЕ)ЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ ANABAENA VARIABILIS И

AMORPHONOSTOC PUNCTIFORME

Наблюдения за содержанием живых клеток с помощью трифе5 нил5тетразолийхлорида (ТТХ) в чистых культурах сине5зеленых во5 дорослей Anabaena variabilis и Amorphonostos punctiforme, развивающихся на минеральных средах, обнаружили, что во время лаг5фазы роста урожай водорослей слегка падал, процент содержа5 ния живых клеток в культурах повышался (табл. 1, рис. 1).

Таблица 1

ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ МЕРТВЫХ КЛЕТОК В РАЗВИВАЮЩИХСЯ КУЛЬТУРАХ СИНЕЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ ANABAENA VARIABILIS И AMORPHONOSTOC PUNCTIFORME

П р и м е ч а н и е : а – урожай водорослей в миллиграммах сухого веса биомассы на 1 л среды;

б – содержание мертвых клеток в процентах.

При микроскопировании культуры, находящейся в начале лаг5фазы роста, наблюдаются скопления деструктурированных, потерявших кон5 туры, автолизирующихся клеточных остатков, слипшихся в массы, напоминающие виноградные гроздья. При добавлении к среде ТТХ в скоплениях часто обнаруживаются короткие цепочки из целых клеток с кристаллами формазана, в то время как сама масса скоплений никог5 да не содержит таковых. Это хорошо согласуется с предположением,

13

Рис. 1. Корреляция между процентом живых клеток (а) и динамикой биомассы (б) в развивающихся культурах сине)зеленых водорослей

что в лаг5фазу роста автолизируются только мертвые клетки, внесенные в среду с инокулятом. К концу лаг5фазы гроздья клеточных остатков окончательно автолизируются и расплываются, что немедленно вызы5 вает падение биомассы и подъем процентного содержания живых кле5 ток в культурах водорослей. Во время логарифмической фазы на фоне роста биомассы водорослей процент живых клеток падает по довольно характерной кривой (табл. 1, рис. 1). Эта зависимость оказалась со5 вершенно неожиданной и требовала объяснений. Поскольку процент5 ное содержание является величиной относительной, для истолкования наблюдаемой корреляции было сделано следующее допущение: в каж5 дую генерацию размножающихся культур сине5зеленых водорослей от5 мирает приблизительно постоянный процент клеток. Далее мы вывели уравнение кривой, которому отвечает сделанное допущение.

Рис. 2.

14

Пусть в исходный момент t=0 общее количество клеток равно N. Пусть – доля отмирания клеток каждой генерации. Для простоты будем считать =const. Пусть а – число актов удвоения клеток в единицу времени. Тогда спустя t времени после начала процесса ве5 личину K=t/a можно рассматривать как число актов деления, про5 исшедших за время t. Составим следующую таблицу (см. табл. 2).

Легко видеть, что количество живых клеток в любой момент вре5 мени равно соответствующему члену геометрической прогрессии со знаменателем , первым членом и n=K+1:

(1)

Общее число мертвых клеток к любому моменту времени равно сумме членов геометрической прогрессии с тем же знаменателем и первым членом

примут вид:

(1a)

(2a)

Общее количество клеток после К делений равно сумме живых и мерт5вых клеток ко времени t, прошедшего с начала опыта

(3)

15

а доля мертвых клеток ( ) к моменту времени t :

(4)

Определим предельное значение при бесконечном числе деле5 ний . Так как 2а>1, то при , 2аk+1>>1. Поэтому единицей в уравнении можно пренебречь и

.

Разделив все члены на (2а)k+1, получим

Подставим в это уравнение ; тогда

(5)

Так как доля мертвых клеток не может быть больше единицы, из формулы (5) следует, что процесс образования живых клеток пре5 кратится при условии или .

Представим зависимость (t) из формулы (4) графически (рис. 2, кривая А).

Пусть сделанное допущение о постоянстве доли отмирающих кле5 ток в каждой генерации неверно, тогда биологически оправдан раз5 бор двух возможных вариантов:

1). При размножении клеток в культурах вовсе не образуется но5 вых порций мертвых клеток, а лишь присутствует та часть, которая попала в сре5ду вместе с инокулятом. Тогда графически это изобра5 зится кривой В (рис. 2), которая будет падать за счет «разбавления» числа внесенных мертвых клеток размножающимися живыми.

2). При размножении клеток , но закономерно изме5 няется со временем. Тогда может либо возрастать, либо падать. Допущение, что изменяется хаотически, не имеет биологического смысла. Если возрастает, то при достижении значения = 0,5 прирост живых клеток закончится, а при > 0,5 культура отомрет. В этом случае процесс прироста мертвых клеток можно изобразить кривой С, стремящейся к единице при

.

Если падает, то процент мертвых клеток будет падать при при5 росте биомассы, стремясь к нулю по кривой D (рис. 2) при

16

и условии, что начинает падать с момента t1, либо по кривой В, если падает с момента t = 0.

Если сделанное допущение приблизительно верно и количество отми5рающих клеток прямо пропорционально количеству живых клеток к любому моменту времени, то самым важным условием яв5

перимента может быть истолкована только сделанным допущением с той лишь поправкой, чтоне строго, а приблизительно посто5янна при прочих равных условиях (температура, рН среды, питание и т.д.). Но учитывая длительность периода наблюдения, действитель5 ное значение , по5видимому, все время достаточно близко к своему среднему значению.

Рис. 3. Изменение процентного содержания мертвых клеток в развивающихся культурах Anabaena (I,II) и Amorphonostoc (III,IV). I, III – опыт № 1; II, IV – опыт № 2

На рис. 3 представлены данные табл. 1 по изменению процента мертвых клеток в динамике развития водорослей. Для сравнения на этом же рисунке изображены две кривые, вычерченные по формуле (4), где выбрано произвольно (0,1 и 0,2 или 10 и 20%). Сравнение рис. 3 и 2 показывает, что полученные кривые более или менее точно (насколько это возможно в биологическом эксперименте) совпадают между собой по характеру, достигая плато к определенному време5 ни – окончанию логарифмической фазы роста культуры. Это можно истолковать только в плане справедливости сделанного допущения,

17

а именно: в ходе логарифмической фазы в размножающихся куль5 турах сине5зеленых водорослей Anabaena variabilis и Amorphonostoc punctiforme в каждый момент времени отмирает приблизительно постоянная доля от общего числа живых клеток. Каким образом можно объяснить механизм постоянства отмирания определенной доли живых клеток?

Казалось заманчивым допустить, что у каждой клетки отмирает строго определенное потомство, накопившее определенное число ле5 талей (например, 3, как это для простоты иллюстрации изображено на рис. 4). В этом случае можно представить, что материнская клет5 ка образует через интервалы времени (время жизни генерации) n дочерних клеток и после этого отмирает. Каждая дочерняя, после ее образования, сама становится материнской и производит потом5 ство сходным образом (рис. 4). При этом легко показать, что число мертвых клеток во времени в этом случае будет изменяться по кри5 вой, аналогичной кривой А на рис. 2. Биологически это представля5 ется весьма возможным, особенно, если учитывать, что положение выполняется лишь приблизительно верно, поскольку мы имеет дело

сживой клеткой (рис. 4).

Встационарную фазу роста на фоне замедления темпа прироста

биомассы отмирание клеток происходит, вероятно, с возрастающей , что приводит к довольно резкому изменению характера кривой в сторону С5типа (рис. 2). Аналогичным образом по типичной кривой С происходит отмирание клеток в культурах водорослей, выращен5 ных на минеральных средах и затем помещенных в темноту (кри5 вая Е рис. 3).

Таким образом, в настоящей работе показано, что при пересевах сине5зеленых водорослей в новую среду в течение лаг5фазы автоли5 зируются мертвые клетки, внесенные с инокулятом, что приводит к повышению доли живых клеток в культурах. Далее, в ходе интен5 сивного прироста биомассы водорослей происходит падение про5 центного содержания живых клеток вследствие отмирания приблизи5 тельно постоянной.

Установленные закономерности были получены на сине5зеленых водорослях, однако, вполне вероятно, что в той или иной степени они могут быть выражены и при размножении других одноклеточ5 ных организмов.

Приношу благодарность Б.Д. Сумму за помощь в выполнении работы.

Ли т е р а т у р а

Гусев М.В., Федоров В.Д. Микробиология, 31, № 3, 1962.

ДАН, 144, № 6, 1962.

18

Рис. 4. Предположительная схема отмирания клеток в культурах сине) зеленых водорослей

19

СИНЕ)ЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ И ЭВОЛЮЦИЯ ФОТОСИНТЕЗА

Введение

Несмотря на многолетние и многочисленные исследования жизне5 деятельности самых различных видов сине5зеленых водорослей, их филогенетическое положение в системе растительного царства до сих пор во многом неясно. Правда, в настоящее время уверенно можно уже сказать, что сине5зеленые водоросли, следуя непосредственно за царством бактерий, дали начало всем остальным растительным орга5 низмам, осуществляющим фотосинтез с выделением молекулярного кислорода. Но мы не располагаем пока достаточными сведениями, чтобы решить, какая именно группа водорослей произошла от Cyano5 phyta. Мнение ряда исследователей (Kylin, 1944; Dougherty, Allen, I960; Гудвин, 1961), согласно которому сине5зеленые водоросли дали начало багрянкам (Rhodophyta), покоится исключительно на данных о близком сходстве их пигментов, участвующих в фотосинтезе, и поэтому требует дополнительных доказательств.

С другой стороны, накопился, по5видимому, достаточный для обобщений материал, который позволяет конкретно указать на груп5 пы микроорганизмов, давших начало сине5зеленым водорослям.

В настоящей работе обсуждаются особенности фотосинтетичес5 ких аппаратов сине5зеленых водорослей и филогенетически пред5 шествующих им бактерий, утверждающие их эволюционное родство.

История вопроса

Впервые на эволюционное родство сине5зеленых водорослей и зе5 леных серобактерий указали в 1925 г. Гейтлер и Пашер (Geitler, Pascher, 1925). На основании многочисленных морфологических ис5 следований и визуального наблюдения за окраской большого числа зеленых микроорганизме Гейтлер и Пашер выделили особую таксо5 номическую группу Chlorobacteriaceae — Cyanochlorodinae, вклю5 чившую в себя желто5зеленые (бактерии) и сине5зеленые (водоросли) формы. Введение такой таксономической группы основывается на попытке представить Chlorobacteriaceae — Cyanochlorodinae, как бо5 ковую ветвь различных Cyanophyta, а также на наблюдении, что «желто5зеленые и бледно5зеленые формы связываются через все воз5 можные переходные оттенки с явно сине5зелеными типами». Однако Гейтлер и Пашер указывали, что «дальнейшие исследования дадут возможность расчленить Chlorobacteriaceae — Cyanochlorodinae на отдельные естественные компоненты». Позднее Прингсгейм (Prings5

20