Protistologia

Агамное размножение Apicomplexa начинается с появления гаплоидных клеток, спорозоитов (рис. 3 0 3 а ) , кото­ рые развиваются из зиготы. Спорозоиты 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

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 — микрогамонт — продуцирует путем шизогонии много мелких микрогамет (рис. ЗОЗе), а гамонт второго типа — макрогамонт — трансформируется непосред­ ственно в макрогамету. Микро- и мак­ рогаметы сливаются, формируя дипло­ идную зиготу. Она развивается в устой­ чивую к внешним воздействиям спору1, 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), гамонтогамия (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-

ферическое поколение) крупнее, чем начальная камера агамонта (микросфе­ рическое поколение)2 (рис. 305). Допол­ нительное, третье поколение — мегалосферический шизонт — отмечено у многих видов Foraminifera. У Heterostegina depressa эти шизонты являются потомством микросферического ага­

монта. Поэтому предполагается, что этот вид фораминифер обладает триморфным жизненным циклом, который включает три четкие фазы: микросфе­ рический агамонт, мегалосферическин шизонт и мегалосферический гамонт.

Чередование гаплоидной и дипло­ идной фаз реализуется в жизненных

Рис. 305. Схема жизненного цикла ф о р а м и ­ н и ф е р : д и м о р ф н ы й ж и з н е н н ы й ц и к л ( с п л о ш н ы е с т р е л к и ) в к л ю ч а е т р а з в и т и е г а п л о и д н о г о г а м о н т а , н а с м е н у к о т о р о м у приходит д и п л о и д н ы й м н о г о я д е р н ы й ага - монт; гипотетический триморфный жизнен ­ ный цикл ( п у н к т и р н ы е с т р е л к и ) включает также с т а д и ю шизонта (по Рётгеру).

способных к спариванию особей морфовида был введен специальный тер­ мин — синген. Таким образом, сингены представляют собой генетически изолированные виды, которые очень трудно идентифицировать по фенотипическим 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 caudatum входят 16 сингенов с двумя типами

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

Рис. 306. Конъюгация у Paramecium caudatum: м а к р о н у к л е у с ы (ма) п а р т н е р о в е щ е видны, тогда как оба микронуклеуса (стрел­ ки) конъюганта пока плохо заметны (любез­ но предоставлен Х.-Д. Гёрцом, Ш т у т г а р т ) . Увел.: 350х.

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 конъюгировать 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 сингенами случаются генетические обмены.

Типы спаривания нестабильны у некоторых видов. Blepharisma japoniсит может менять тип спаривания при прохождении полового процесса: осо­ би, образовавшиеся в результате серии постгамных делений одного эксконъюганта, иногда принадлежат разным ти­ пам спаривания. У Paramecium multimicronucleatum (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 цитоплазматических 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 (гамоны), 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+, M g " 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

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 (G15 G2), к которым восприимчи­ вы соответственно два типа рецепторов (Rj, R2). 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 г а м о н I, к о т о р ы й вызывает р е а к ц и ю 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, R2, тогда как тип спарива­ ния II описывается формулой G2 Rr

Euplotes octocarinatus имеет 10 типов спаривания и четыре гамона (G,, G2, G3, G4), для которых предполагается нали­ чие четырех рецепторов (R , R2, R3, R4). Все варианты поведенческих реакций клеток, принадлежащих к различным типам спаривания, можно объяснить комбинацией гамонов и рецепторов. Например, тип спаривания, секретирующий гамоны 1 и 2 и восприимчивый к гамонам 3 и 4, будет описан форму­ лой Gp G2, R3, R4; другой тип спарива­ ния, сам не выделяющий гамонов, но реагирующий на все гамоны, имеет формулу R,, R2, R3, R4.

(2) Гипотеза самоузнавания предпо­ лагает, что каждая клетка имеет рецеп­ тор для выделяемого ею же гамона

(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-

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).

sea, Myxogastrea, Dictyostela; см. рис. 56, 179, 180) и инфузории Sorogena (см. рис. 226) при голодании продуцируют плодовые тела, состоящие из инцистированных клеток. Когда плодовые тела лопаются, сухие цисты распространя­ ются по воздуху.

Другие протисты формируют цисты с тонкими, относительно проницаемы­ ми стенками, которые подразделяются

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-

Рис. 309 . Стадия морфогенеза Paramecium с двумя ротовыми аппаратами; разрывы в кинетах обозначили б у д у щ у ю борозду де­ ления клетки (из: Iftode et al.: Development 105 [1989] 191). Увел.: 600x.

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 вампиреллидная амеба Lateromyxa gallica,

в жизненном цикле встречаются все эти три типа цист.

Факторы, вызывающие инцистирование, у разных видов различны. Гетеролобозная амеба Naegleria gruberi инцистируется при высыхании. Acanthamoeba 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 инцистировании 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 цилиатура, у Colpoda резорбируются буккальные структуры и соматические реснич­ ки. Деградация кортекса во время инци­ стирования наиболее выражена у окситрих — их клетки в зрелых цистах полностью лишены ресничек и кинетосом с корешками.

Пути передачи ведущего к эксцистированию 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-