Protistologia

тивация эксцистирования у Acanthamoeba зависит от синтеза РНК и белка. Уси­ ление внутриклеточной активности со­ провождается поглощением воды за счет осмоса. Клетка выходит наружу через специальное отверстие в стенке цисты или прободает ее, используя со­ ответствующие ферменты. Инцистированные клетки инфузорий, кортекс ко­ торых частично или полностью разоб­ ран, должны пройти морфогенез эксци­ стирования. Инфузория Coniculostomum monilata претерпевает три агамных де­ ления, прежде чем полностью восстано­ вит видоспецифичные особенности цилиатуры вегетативной клетки.

Полиморфизм

Полиморфизм — это существова­ ние в пределах одного вида или клона нескольких четко различающихся форм особей.

Инфузории многих родов (напри­ мер, Blepharisma, Stylonychia, Dileptus)

полиморфны. При голодании они пре­ вращаются в карликов, которые почти в 100 раз меньше нормальных форм. На­ против, особи Blepharisma становятся гигантами (рис. 310), если обычную для них пищу (бактерий) заменить крупны­

ми пищевыми объектами (например, инфузориями). Размеры сложных или составных органелл (рядов ресничек, оральных структур) и у карликов, и у гигантов изменяются пропорционально размерам клетки, тогда как отдельные клеточные элементы (например, кинетосомы) остаются неизменными. Если ротовой аппарат особи увеличивается настолько, что способен вместить клет­ ку средних размеров того же вида, ги­ гантская клетка становится канниба­ лом. В то же время, как только им ока­ зывается доступна более мелкая пища, гигантские клетки быстро возвращают­ ся к нормальным размерам. Это дости­ гается за счет уменьшения интервала между делениями.

При бактериальной диете ротовое отверстие Tetrahymena vorax становит­ ся непропорционально маленьким (микростомная форма). Наоборот, ее ротовой аппарат увеличивается, когда она питается инфузориями (макростомная форма). Фаза развития культуры тоже накладывает определенные огра­ ничения на спектр возможных измене­ ний размера ротового аппарата. Макростомные клетки обычно появляются, когда плотность культуры уже не увели-

чивается, и, если их не кормить, могут стать каннибалами. Таким образом, морфологическая изменчивость дает возможность одним особям выживать за счет других.

Виды рода Euplotes изменяют фор­ му в присутствии определенных хищни­ ков (рис. 311). Например, в присутствии инфузории Lembadion клетки Euplotes octocarinatus образуют крыловидные боковые выросты и дорсальные гребни (рис. 3116, в), которые предохраняют эуплотесов от поглощения хищником. Хищник выделяет вещество, по-видимо­ му, полипептид, который вызывает ре­ организацию цитоскелета Euplotes.

Гетеролобозные амебы Naegleria и Tetramitus способны радикально изме­ нять организацию клетки (рис. 312).

При благоприятных условиях они пита­ ются и размножаются как амебоидные клетки. В ответ на высыхание или го-

S^jgjZ* ^ Д е л е н и е

Трансформация

Эксцистирование

Рис. 312 . Схема жизненного цикла Naegle­ ria gruberi (по Фултону).

лодание они инцистируются. Уменьше­ ние ионной силы среды вызывает дифференцировку амебоидных клеток в жгутиковые. В ходе этого процесса экспрессируются определенные гены (в частности, тубулина и кальмодулина) и происходит глубокая перестройка цитоскелета: осуществляется сборка кинетосом и перемещение их к месту дефи­ нитивной локализации, затем отрастают жгутики. У Naegleria жгутиковая стадия не способна к размножению; это вре­ менная и факультативная стадия в жиз­ ненном цикле, которая при подходящих условиях превращается в амебоидную. У Tetramitus, однако, особи питаются и размножаются на обеих стадиях.

Циклические

трансформации

Циклической трансформацией на­ зывают регулярную и облигатную сме­ ну морф в течение жизненного цикла. Важно отметить, что смена морфологи­ ческой организации зачастую сопряже­ на со сменой биотопа. Так, паразити­ ческие организмы формируют на раз­ ных стадиях развития разные структу­ ры, которые позволяют организму реализовать задачу, специфичную для конкретной стадии жизненного цикла: выжить во внешней среде, проникнуть в клетку хозяина, защититься от протеолитических ферментов хозяина или от его иммунной реакции. Стадии цикла имеют определенные названия. Питаю­ щиеся стадии (трофонты) чередуются с непитающимися (например, цистами); прикрепленные протисты, чтобы обес­ печить расселение вида, производят

подвижных, зачастую неспособных пи­ таться особей (бродяжек).

Солнечник Clathrulina elegans произ­ водит жгутиконосцев, которые затем трансформируются в амебоидные фор­ мы. Осев, каждая из них выделяет стебе­ лек, образует лорику и обретает привыч­ ную форму солнечника (см. рис. 210).

Прикрепленные инфузории претер­ певают метаморфоз при образовании расселительных стадий. Взрослые Suctoria (см. рис. 130, 131) лишены рес­ ничек и прикреплены к субстрату. Такой трофонт отпочковывает подвижную плавающую клетку с ресничками (бро­ дяжку), которая оседает на субстрат, резорбирует реснички и формирует щупальца.

Трофонты инфузорий фолликулинид (см. рис. 118) имеют хитиновый домик и ведут прикрепленный образ жизни, пи­ таясь мелкими взвешенными в воде час­ тицами. Фильтрацию осуществляет вы-

Рис. 313 . Схема ж и з н е н н о г о цикла Eufolliculina uhligi: 1 — трофонт, 2 - 4 — деление. 5 — бродяжка, 6 - 1 0 — ф о р м и р о в а н и е до ­ мика и м е т а м о р ф о з , 11 — реорганизация (из: Mulisch and Patterson: Protistologica 19 [1983] 235) .

двигающийся из домика ротовой аппа­ рат в форме двух лопастей, обрамленных длинной адоральной полосой мембранелл. При делении трофонта образуют­ ся две морфологически различные осо­ би: бродяжка (безротая клетка с корот­ кой спиральной мембранеллой) и тро­ фонт (рис. 313). Бродяжка покидает материнский домик и, осев, секретирует новый (см. рис. 220), после чего она резорбирует спиральную мембранеллу и развивается в трофонта (рис. 313).

Многие паразитические протисты изменяют свою морфологию, когда про­ никают в нового хозяина или в новую ткань (см. рис. 51, 52). Например, кинетопластида Trypanosoma представлена лейшманиальной, лептомонадной, критидиальной и трипаносомной формами (см. рис. 51). Лептомонадная и критидиальная формы паразитируют преиму­ щественно в беспозвоночных, трипаносомная форма — в позвоночных живот­ ных. Лейшманиальная форма паразити­ рует внутриклеточно у позвоночных и внеклеточно у беспозвоночных. Когда критидиальную форму Trypanosoma mega переносят в сыворотку позвоноч­ ных, она трансформируется в трипаносомную, которая характерна для позво­ ночных животных. Такие эксперименты показывают, что трансформация проис­ ходит под влиянием среды.

Инфузории апостоматы — паразиты различных беспозвоночных — развива­ ют в течение своего сложного жизнен­ ного цикла целый ряд различных форм (рис. 314). Трофонт питается на хозяи­ не, растет, но не размножается. Затем он трансформируется в так называемый томонт, который в результате последо­ вательных делений (обычно внутри ци-

Рис. 314. Схема ж и з н е н н о г о цикла апосто - м а т н о й и н ф у з о р и и Polyspira delagei: 1 — п р о т о м и т , 2 — томит, 3 — и н ц и с т и р о в а н - ный форонт на жабрах рака, 4 — м о л о д о й т р о ф о н т , 5 — в з р о с л ы й т р о ф о н т , 6 — т о ­ м о н т , 7 - 8 — п о с л е д о в а т е л ь н ы е д е л е н и я (палинтомия) (по Львову).

сты) продуцирует мелкие клетки — томиты. Томит самостоятельно плавает и затем прикрепляется к хозяину-пере­ носчику, где инцистируется. Инцистированная особь, именуемая форонтом, дает начало новым трофонтам. Напри­ мер, форонт Spirophrya subparasitica

прикрепляется к веслоногому рачку, а трофонты развиваются и растут в гид­ роидном полипе после того, как тот заг­ лотит рачка.

Чередование одноклеточных и мно­ гоклеточных стадий известно для мно­ гих протистов, в частности для инфузо­ рий Zoothamnium alternans и Z. arbuscula (см. рис. 144). Свободноплавающая клетка (в данном случае она называет­ ся цилиоспора) оседает на субстрат и секретирует стебелек; на этой стадии клетка способна инцистироваться. Вет­ вящаяся древовидная колония развива­ ется в результате серии делений, кото­ рые сопровождаются неполным обособ-

362 Избранные главы общей протистологии

Рис. 315. Схемы основных стадий жизнен­ ного цикла Zoothamnium: а — колония Z. alternans с микрозооидами (миз), макрозооидами (маз) и цилиоспорой (цеп); б — формирование колонии у Z. arbuscula: 1 — цилиоспора с телотрохом (тт), перистомом (пер) и скопулой (ско); 2 — оседание и инцистирование; 3 — продукты первого деле­ ния; 4 — дифференциация на микро- и макрозооиды после второго деления (а — по Саммерсу, б — по Фурсенко).

лением клеток, поэтому все особи коло­ нии связаны общим стебельком (рис. 315). Не все деления равномерны: в основании боковых ветвей колонии раз­ виваются крупные клетки — макрозооиды, — тогда как на боковых ветвях формируются мелкие особи — микрозооиды. Делиться способны только тер­ минальные клетки. Макрозооиды же образуют поясок ресничек (телотрох) и превращаются в цилиоспоры, которые основывают новые колонии. Некоторые из микрозооидов трансформируются в подвижных гамонтов, которые конъюгируют1 с определенными макрозооидами. Этот процесс также дает начало цилиоспорам.

Диктиостелиды питаются и размно­ жаются в форме мелких амеб. При го­

лодании эти клетки приступают к реа­ лизации жесткой программы преобразо­ ваний, включающей несколько много­ клеточных стадий (рис. 316). Через не­ сколько часов после истощения пище­ вых ресурсов некоторые клетки начина­ ют периодически выделять сигнальные молекулы, которые у Dictyostelium discoideum (см. рис. 180) представлены циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). Окружающие клетки, проявляя положительный хемотаксис, начинают двигаться к источнику цАМФ и, в свою очередь, также выделяют цАМФ. Пос­ ле этого клетки в течение нескольких минут не реагируют на дальнейшие вол­ ны цАМФ. Они соединяются друг с другом, образуя центростремительные потоки, которые, в конце концов, слива­ ются в одном агрегационном центре. Агрегат из десятков тысяч амеб форми­ рует мигрирующий псевдоплазмодий (слизевик). Со временем псевдоплазмо­ дий трансформируется в плодовое те­ ло — сорокарп, — состоящее из обра­ зованного мертвыми вакуолизированными клетками стебелька и венчающей его споровой массы. После эксцистирования каждая спора дает начало одной аме­ боидной клетке.

Судьба клеток Dictyostelium discoideum определяется в самом начале про­ граммы развития. Есть свидетельства, что предрасположенность к дифференцировке в споры или стебельковые клетки возникает уже в начале голо­ дания: клетки, начавшие голодать на ранней фазе клеточного цикла, с боль­ шой вероятностью станут предспоровыми клетками, а нехватка пищи на по-

здних этапах клеточного цикла поста­ вит их на путь дифференцировки в предстебельковые клетки. Оба типа кле­ ток отличаются по содержанию каль­ ция в цитоплазме, адгезивности и чув­ ствительности к цАМФ. На ранних этапах агрегации предспоровые и пред­ стебельковые клетки распределены случайным образом, но в процессе раз­ вития псевдоплазмодия они перерас­ пределяются. Предстебельковые клетки мигрируют к переднему кончику псев­ доплазмодия, а предспоровые клетки остаются в его основании. Молекуляр- но-биологические исследования позво­ лили идентифицировать несколько ти­ пов предстебельковых клеток (рис. 316). Похоже, клетки становятся сте­

бельковыми в результате последова­ тельной экспрессии определенных ге­ нов (pstA и pstB). Наиболее далеко за­ шедшие в процессе дифференцировки предстебельковые клетки (pstAB) рас­ положены в центре переднего кончика псевдоплазмодия. Когда миграция сли­ зевика прекращается, именно эти клет­ ки синтезируют полую внеклеточную трубку. Предстебельковые клетки миг­ рируют по этой трубе к основанию, где они дифференцируются в стебельковые клетки, которые увеличиваются в раз­ мерах и погибают. Этот процесс (в не­ которых отношениях напоминающий гаструляцию в эмбриогенезе живот­ ных) поднимает задние споровые клет­ ки над субстратом. Если участок, со-

364 Избранные главы общей протистологии

держащий предстебельковые клетки, экспериментально отделить от псевдо­ плазмодия, обе части развиваются в нормальные пропорциональные плодо­ вые тела. Таким образом, хотя предсте­ бельковые и предспоровые клетки отли­ чаются друг от друга и от вегетативных клеток по молекулярным, биохимиче­ ским и цитологическим особенностям, их судьба еще может измениться в ре­ зультате дедифференцировки и редифференцировки.

Дифференцировку культивируемых клеток можно вызвать, воздействуя на них комбинацией цАМФ и низкомоле­ кулярного липофильного белка из се­ мейства DIF (differentiation inducing factor — фактор, вызывающий диффе­ ренцировку). Белок DIF I стимулирует превращение амеб в предстебельковые клетки, а высокие концентрации цАМФ необходимы для экспрессии генов, спе­ цифичных для предспоровой диффе­ ренцировки. Есть данные, что присут­ ствующие в псевдоплазмодии аммоний и аденозин действуют как морфогенетические индукторы, регулируя соотноше­ ние и положение стебельковых и споро­ вых клеток в агрегате.

Размножение идет по половому или агамному пути у Discoideum murocoides

в зависимости от условий культивиро­ вания. В ветви цикла, включающей по­ ловой процесс, формируются макроци­ сты. Их формирование и последующее деление включает слияние половых клеток и последующий мейоз. Вся пос­ ледовательность событий запускается этиленом. Это вещество, обнаруженное у нескольких видов диктиостелид, изве­ стно как мощный гормон у различных растений.

Хорошим примером циклической трансформации служит жизненный цикл Myxogastrea, который достаточно детально описан в главе 2. В этом цик­ ле закономерно сменяют друг друга споры, амебоидные и жгутиковые клет­ ки, амебоидная зигота и плазмодий, формирующий плодовые тела (см. рис. 179).

Деление клетки

Большинство протистов размножа­ ется делением на две или более равные дочерние клетки. Другие протисты (на­ пример, сидячая инфузория Eufolliculina; см. рис. 313) продуцируют дочер­ ние клетки, различающиеся по размерам или форме. Дочерние клетки иногда отличаются от материнской и по внут­ реннему строению (например, у орга­ низмов со сложным жизненным циклом из Apicomplexa). Представители самых разных групп претерпевают деление внутри цист размножения. Неполное расхождение дочерних клеток ведет к формированию колонии (многие сидя­ чие инфузории перитрихи) или времен­ ной цепочки клеток (у ряда динофлагеллат и инфузорий) (см. рис. 80е), 146).

Бинарное деление

Деление на две одинаковые дочер­ ние клетки — самая обычная форма размножения протистов. Серия повтор­ ных бинарных делений без промежу­ точной фазы роста — палинтомия — присутствует в жизненном цикле мно­ гих паразитических протистов, в част­ ности, Toxoplasma; в результате форми-

руется множество очень мелких дочер­ них клеток.

Чтобы образовались две идентич­ ные дочерние клетки, все органеллы должны быть удвоены до начала или в ходе деления и распределены между продуктами деления поровну. Последо­ вательность событий при расхождении удвоенных органелл часто видоспецифична. Элементы контрактильной сис­ темы (чаще всего акто-миозиновой) участвуют в разделении дочерних кле­ ток — цитокинезе, — располагаясь по кругу под бороздой деления. Кариоки­ нез идет одновременно с цитокинезом.

Клетки без очевидной полярности (в частности, клетки солнечников) обыч-

Рис. 317 . Схемы б и н а р н о г о деления рако­

но делятся в плоскости деления ядра. У Dimorpha mutatis аксоподии отходят от центра организации микротрубочек (ЦОМТа), называемого аксопластом. Во время митоза аксопласт делится попо­ лам и затем деградирует, при этом и большинство аксоподии исчезает. Ак­ сопласт и аксоподиальные микротрубоч­ ки вновь возникают в конце телофазы.

Ураковинных амеб плоскость кле­ точного деления определяется плоско­ стью отверстия раковинки (устья). Цитоплазматический вырост высовывает­ ся в это отверстие и строит новую ра­ ковинку — зеркальное отображение материнской (рис. 317а).

УAmelia vulgaris раковинка строит­ ся за счет текагенных гранул, которые предварительно синтезируются в аппа­ рате Гольджи. Перед делением оба ядра (арцелла двуядерна) и все текагенные гранулы скапливаются в цитоплазме вблизи устья раковины. Эта масса ци­ топлазмы выпячивается через устье, формируя почку. Оба ядра делятся митотически в процессе формирования почки. Текагенные гранулы выстраива­ ются под ее плазматической мембраной

изатем одновременно выводятся нару­ жу. Снаружи эти элементы набухают, сливаются в сплошной слой с геометри­ чески правильной текстурой, состоя­ щий из кератиноподобного белка. Фор­ ма новой раковинки задается поверхно­ стью почки и псевдоподиями, которые на этом этапе облегают ее снаружи. По завершении строительства новой рако­ винки, обе сохраняют супротивное по­ ложение, прилегая устьями одна к дру­ гой, а цитоплазма продолжает перерас­ пределяться между клетками, пока не завершится деление.

У жгутиконосцев место выхода жгу­ тиков определяет передний полюс клет­ ки; борозда деления углубляется спере­ ди назад. Двужгутиковые виды, такие как Euglena, перед делением формиру­ ют две пары жгутиков. В процессе де­ ления ядра, веретено которого перпен­ дикулярно продольной оси клетки, па­ ры жгутиков расходятся в стороны, и, в конце концов оказываются разделенны­ ми проградирующей бороздой (рис. 3176). Перед делением клетки кинетосомы удваиваются и дают начало новым жгутикам и ассоциированным с ними цитоскелетным элементам. Положение и ориентация нового цитоскелета и но­ вых кинетосом зависит от расположе­ ния старых кинетосом, поэтому счита­ ется, что последние играют важную роль в морфогенезе.

Окрашенные жгутиконосцы (жгути­ ковые формы водорослей) в большин­ стве случаев несут пару жгутиков, кото­ рые различаются по выполняемым функ­ циям и по принадлежащим им дополни­ тельным структурам. В частности, раз­ личаются корешки обоих жгутиков. Структуры, составляющие такой много­ компонентный жгутиковый аппарат, проходят путь становления в течение более чем одного клеточного цикла; в этом смысле говорят о «созревании» структур жгутикового аппарата. Напри­ мер, у Nephroselmis olivacea один жгу­ тик короткий, а другой длинный (рис. 318). Перед делением клетки заклады­ ваются две новые кинетосомы. Они дают начало коротким жгутикам дочер­ них клеток. Родительский же короткий жгутик, перешедший в одну из дочер­ них клеток, трансформируется в длин­ ный. Следовательно, кинетосома Neph-

Рис. 318 . Схема цикла развития жгутика у празиномонады Nephroselmis olivacea: и н ­ терфазная клетка имеет длинный (1) и ко­ роткий (2) жгутики . Перед д е л е н и е м клет­ ки появляются две новых кинетосомы (2' и 22 ). От них отрастают короткие жгутики. Ко­ роткий жгутик родительской клетки удлиня­ ется и становится длинным жгутиком одной из дочерних клеток (по Мелконяну).

roselmis olivacea в первом поколении дает начало короткому жгутику, а во втором и последующих поколениях эта кинетосома несет длинный жгутик.

Все Hypermastigida имеют множе­ ство жгутиков. В то же время, в опре­ деленной зоне клетки лежат так назы­ ваемые привилегированные кинетосо­ мы (их три или четыре у Joenia; см. рис. 44). Из всех кинетосом только эти уд­ ваиваются перед цитокинезом, а осталь­ ные резорбируются. У трихомонад и некоторых гипермастигид жгутики и ассоциированные с ними корешки, включая аксостиль, удваиваются и рас­ ходятся к противоположным полюсам клетки, а деление клетки завершается на заднем ее конце (рис. 317в).

У Volvox асимметричное деление клетки приводит, вероятно, к дифференцировке клеток. Колония Volvox carteri состоит из множества мелких жгутико­ вых клеток и нескольких крупных без­ жгутиковых. При этом, только крупные клетки (репродуктивные клетки, гонидии) способны делиться и давать новые

колонии, тогда как мелкие (соматичес­ кие) со временем погибают. Оба типа клеток появляются в результате асим­ метричного деления и представляют собой обособленные клеточные линии. Если в результате мутации или микро­ хирургического эксперимента крупные клетки (более 8 мкм в диаметре) ока­ жутся в той зоне молодой колонии, ко­ торая в норме дает мелкие соматичес­ кие клетки, они все равно станут реп­ родуктивными. Поэтому считается, что судьбу клеток Volvox carteri определяет их размер.

Деление инфузорий сопровождают сложные морфогенетические процессы. Обычно особи делятся перпендикуляр­ но продольной оси клетки (см. рис. 114а). Показано, что в детерминации плоскости деления каким-то образом участвуют Са2+ и кальмодулин. Форми­ рующаяся из передней части материн­ ской особи дочерняя клетка (протер), как правило, наследует старый набор связанных с кортексом органелл: обыч­ но ротовой аппарат, иногда сократи­ тельную вакуоль и порошицу. Задняя дочерняя клетка (опист) должна сфор­ мировать эти структуры заново (рис. 319). Для большинства инфузорий ха­ рактерна одинаковая ориентация переднезадней оси дочерних клеток. Одна­ ко при делении некоторых инфузорий оси протера и описта сильно смещены (например, у Halteria, Tintinnidium). Ве­ роятно, по этой причине деление клеток

Opercularia и Tintinnopsis subacuta ка­ жется продольным.

Почкование

Отделение одной или нескольких мелких дочерних клеток от крупной

Рис. 319 . Деление клетки Didinium nasutum: ранняя стадия (а) и д а л ь н е й ш е е развитие

(б) с д и ф ф е р е н ц и р о в к о й на п р о т е р (п) и о п и с т (о), дщ — дорсальная щеточка (лю ­

безно предоставлен К.Ф. Барделе, Т ю б и н ­

ген). Увел.: а - 250х, б - ЗООх.

материнской называется почкованием. Почкование характерно для прикреп­ ленных форм: почки дифференцируют­ ся в бродяжек. Экзогенное почкование у сукторий, перитрих и хонотрих вы­ глядит как формирование наружного выроста родительской клетки, который затем отделяется и становится дочерней клеткой. Ephelota gemmipara размножа­ ется множественным почкованием. На переднем полюсе клетки формируется крона из почек. Каждая почка получа­ ет фрагмент лопастного макронуклеуса и один микронуклеус. Последние на­ капливаются после множества митозов. Почки отделяются одновременно и ста­ новятся бродяжками. Другая инфузо­ рия, Tachyblaston ephelotensis, продуци­ рует множество почек последовательно (рис. 3206).

Эндогенное почкование встречается у некоторых представителей Suctoria. У Acineta tuberosa одна или несколько мелких дочерних клеток развиваются в выводковой сумке. Кольцевая борозда на апексе материнской клетки отделяет