Protistologia

Пузулы, возможно, выполняют осморегуляторную 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

Рис. 245. Траектории движения и скорость плавающих клеток Paramecium в отсутствие с т и м у л о в ( и н т е р п р е т а ц и я в и д е о з а п и с и продолжительностью 2,5 секунды). Траек­ т о р и и имеют форму левозакрученной вин­ товой спирали д л и н о й до 4 м м . * = ревер­ сия биения ресничек (попятное движение ( л ю б е з н о п р е д о с т а в л е н Г. М а х е м е р о м и Р. Брокером, Бохум).

Реснички и жгутики

Реснички и жгутики — это нитевид­ ные структуры длиной от 0,3 до не­ скольких микрон. Они отходят от кинетосом, 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- т о с о м а , пл — п л а з м а л е м м а . У в е л . : а —

1 200х, 6 - 3 2 ОООх.

1

Рис. 247. Схема ундулирующего движения жгутика (а) и реснички (б) (по Сатиру).

ротрубочки (А-трубочка1) с 13 протофиламентами и прилегающей неполной микротрубочки (В-трубочка) с 10 протофиламентами, так что у них 3 протофиламента общие.

От каждой А-трубочки отходят пар­ ные, похожие на руки структуры (динеиновые ручки), которые направлены к

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 гранулу2; 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 цию3. Количество, место расположения

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 м е м б р а ­ не р е с н и ч к и , пл — плазмалемма (б — из: Dentler: Int. Rev. Cytol. 72 [ 1 9 8 2 ] 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 синглетов. 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, нексиновые 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 аксонемой 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-

Р и с . 2 5 1 . М о д е л ь п о к а з ы в а е т м е х а н и з м скольжения наружных дуплетов микротру ­ бочек относительно д р у г 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 динеиновой 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 Са2+.

Удивительно плавное изгибание реснички или жгутика должно быть

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

1

а

- О

б

Рис. 253. Схема форм биения жгутиков: вид с б о к у и с в е р х у , а — п л о с к а я в о л н а ; б — трехмерная волна.

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-

Рис. 255 . Б и о э л е к т р и ч е с к и е и д в и г а т е л ь ­ ные явления при реакции избегания у Para­ mecium, вызванные точечным воздействи ­ е м . С к о р о с т ь плавания п р о п о р ц и о н а л ь н а размерам стрелок. Реснички изображены в заключительной фазе рабочего удара метахрональной волны (исключение: исходная синхронная реверсия ресничек (4) и инактивированные реснички (7, 8). Переориен ­ тация при повороте в конце попятного д в и ­ ж е н и я ( 4 - 7 ) п р о и з в о л ь н а и я в л я е т с я р е ­ зультатом в р е м е н н о г о п р е к р а щ е н и я б и е ­ ния ресничек (7, 8) (из: M a c h e m e r 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 внутримембранных 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 органелл. 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 Oligohymenophorea или в циррах брюхоресничных инфузорий, движутся в высшей степе­ ни согласованно, или синхронно. Воз­ никает впечатление, будто это единое

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 нейрофибриллярными элементами (что-то вроде «нейро­ нов» на субклеточном уровне). Эти идеи основывались на результатах импрегна­ ции серебром, которая выявляла неко­ торые из фибриллярных систем инфрацилиатуры 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

Р и с . 2 5 6 . М е т а х р о - нальные в о л н ы р е с ­

165). Увел.: 2 OOOx.

один сильный аргумент против коорди­ нации движения посредством нейрофибриллярной 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 метахронии (рис. 257). Когда эффективный удар идет в направлении фазового сдви­ га, она называется симплектической метахронией, которая часто обнаружи-

г

Р и с . 2 5 7 . С х е м а т и ч е с к о е и з о б р а ж е н и е форм волны при биении ресничек, а — с и м - плектический удар, б — антиплектический удар, в — лейоплектический удар, г — дексиоплектический удар (по Сли).