398 Избранные главы общей протистологии
сочетания поступательного плавания по пологой винтовой спирали и периоди ческих реверсивных движений1. 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 . 3 3 7 . Т и п ы с т и м у л и р о в а н н ы х д в и г а тельных реакций протиста на примере све тового воздействия (hv): а — (орто-)кинез: с к о р о с т ь д в и ж е н и я увеличивается внутри о с в е щ е н н о й з о н ы ( п о с л е д о в а т е л ь н ы е изображения клетки разнесены на большее р а с с т о я н и е ) ; б — к л и н о к и н е з : с м е н а н а п р а в л е н и й д в и ж е н и я у с и л и в а е т с я внутри освещенной зоны; в — таксис: клетка пово рачивает прямо к (или от) источнику света;
г— реакция избегания: по д о с т и ж е н и и гра
ни ц ы с в е т о в о г о пятна клетка м е н я е т 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
1 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.
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.
Поведение протистов |
4 0 1 |
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 д в и ж е н и я Paramecium в т е м н о м поле и л л ю с т р и р у ю т постепенную адаптацию к воздействию химического агента. Клетки были введены пипеткой в раствор 20 мМ KCI в точке, отмеченной звездочкой (*). В растворе их поверхность была м о м е н 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 с о с т о я н и ю мембраны Paramecium.
402 Избранные главы общей протистологии
Рис. 339 . Траектории движения Paramecium в зависимости от напряжения электрическо го поля (ги — г и п е р п о л я р и з а ц и я клеточной м е м б р а н ы , де — д е п о л я р и з а ц и я клеточной мембраны) . Все траектории были записаны в течение 5 секунд о с в е щ е н и я в темном поле, следовательно, длина пути пропорциональна скорости плавания. Траектории ранжированы так, чтобы показать изменение характера д в и ж е н и я 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 п р е р ы вается с м е н о й направления движения (обратите внимание на изломы траекторий) . Заме тим, что увеличение частоты изменений направления движения происходит при уменьше нием скорости движения вперед (из: M a c h e m e r and Sugino: С о т р . 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 гомеостаза. 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
Рис. 340 . Привыкание Spirostomum к меха ническому р а з д р а ж е н и ю . Представлено в форме вероятности (р) сокращения клетки в ответ на механическое раздражение. Сти
мул предъявляется |
п е р и о д и ч е с к и ; о б щ а я |
п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь |
(t) к а ж д о г о э к с п е р и |
мента составляет около 12 минут, а — ве роятность с о к р а щ е н и я постепенно падает и выходит на асимптоту, которая соответ ствует 100% - ному привыканию; при отсут ствии р а з д р а ж е н и й в течение о п р е д е л е н ного времени (At), привыкание частично ут рачивается ( 3 3 % на р и с у н к е ) , б — тот же э к с п е р и м е н т , но обратите внимание, что, когда предъявление раздражителя возоб н о в л я е т с я , к л е т к и б ы с т р е е д о с т и г а ю т 100% - ного привыкания; феномен называют т р е н и р о в а н н о с т ь ю , в — е д и н с т в е н н о е сильное (шоковое) раздражение полностью снимает привыкание и даже г и п е р с е н с и б и лизирует клетку (феномен отвыкания); если далее предъявлять р а з д р а ж е н и е по п р е жней схеме, то клетка вновь д е м о н с т р и р у 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
вэлектрическом 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 гиперполяризована. 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
Поляризация |
Частота |
|
мембраны |
биений |
|
+ <• |
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3 4 1 . Гальванотаксис у Paramecium, |
а — в постоянном электрическом поле (катод ввер |
ху) клетки плывут по н а п р а в л е н и ю к |
катоду (концы т р а е к т о р и й выделены черным), б — |
электромеханическая основа гальванотаксиса. I: клетка в постоянном электрическом поле |
о б р а щ е н а передним концом (а) |
к катоду ( - ) . Клетка всегда принимает эту так называе |
мую о р т о д р о м н у ю о р и е н т а ц и ю в |
результате т о г о , что т р а н с м е м б р а н н ы й потенциал, у п |
р а в л я ю щ и й б и е н и е м ресничек, под воздействием электрического поля становится г р а диентным (Депол. — деполяризована, Гиперпол. — гиперполяризована; белая зона — рес нички бьют назад, черная зона — реснички бьют вперед; ш и р и н а зоны пропорциональна скорости биения) . Клетка плывет вперед, поскольку б ь ю щ и х назад ресничек больше . II, III: На клетке, передне-задняя ось которой неперпендикулярна эквипотенциалям (парал лельны штриховым линиям), возник пояс ресничек (выделен), с о з д а ю щ и й разворачива ю щ е е усилие, которое приведет клетку в о р т о д р о м н у ю 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 о р и е н т а ц и ю III и за т е м , е с т е с т в е н н о , в о р и е н т а ц и ю I (из: M a c h e m e r : Galvanotaxis: G r u n d l a g e n 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, Climacostomum) или даже параллельно к линиям равного потенциала (Loxodes).
что реснички простейших воспринима ют механическое раздражение. Однако электрофизиологические исследования
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 механорецепторные 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,
Рис. 342. Топология механической чувстви тельности у Paramecium (слева: нормаль ная к л е т к а , н е с у щ а я р е с н и ч к и ; с п р а в а : клетка, лишенная ресничек, п е р е д н и й по люс клетки вверху). Показаны места укола мембраны микроиглой (стрелки) и следую щ и й за этим с т и м у л и р у ю щ и м воздействи е м ответ . В о з б у ж д е н и е п е р е д н е г о конца приводит к деполяризации клеточной мем б р а н ы , а з а д н е г о — к г и п е р п о л я р и з а ц и и . Чувствительность к д е п о л я р и з а ц и и (Са 2 + - 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 м е х а н о р е ц е п т о р н ы х каналов каждого типа . Сравнение кривых левой и правой ко лонок показывает, что мембрана тела клет ки чувствительна к механическим в о з д е й ствиям, а ступенчатый потенциал действия возникает только, когда присутствует мем брана ресничек (из: Ogura and Machemer: J. С о т р . Physiol. 135 [1980] 233) .
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 х е м о с е н с о р н у ю 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 изза 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-