Хаусман, Хюльсман, Радек - Протистология (2010 г.)

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

организм как векторный раздражитель, давая, таким образом, важную инфор­ мацию о свойствах среды (рис. 337в). Под давлением отбора протесты выра­ ботали адекватные поведенческие отве­ ты на предъявление градиентных и век­ торных раздражителей. Классификация двигательных реакций в целом опира­ ется на рассмотренную классификацию раздражителей. Двигательные реакции подразделяются на кинезы (регулирова­ ние скорости и случайное изменение направления после завершения попят­ ного движения; рис. 337а, б) и таксисы (направленное перемещение; рис. 337в). Реакции третьего класса — тропизмы — присущи только сидячим орга­ низмам; тропизмы преимущественно проявляются в росте, пространственно ориентированном по отношению к раз­ дражителю.

Терминология

Прежде чем приводить примеры по­ веденческих реакций на различные сти­ мулы, определим термины.

Кинезы

Градиентные, или диффузные сти­ мулы, например свет, температура, хи­ мическое раздражение, вызывают кине­ зы. Клетка воспринимает относитель­ ную интенсивность стимула и регулиру­ ет свою двигательную активность. Ответное увеличение скорости принято называть положительным кинезом, а уменьшение — отрицательным кинезом. Эти два варианта объединяются терми­ ном ортокинез (рис. 337а). Последнему противопоставляют клинокинез — дви­

гательная реакция на внешний раздра­ житель, выражающаяся в изменении ча­ стоты смены направления движения (рис. 3376). Сила тяжести — векторный раздражитель, но инфузории реагируют на нее ненаправленным движением; эта реакция выделена в самостоятельный класс — таксокинез (см. ниже).

В основе кинеза лежит регулярное измерение интенсивности стимула и сравнение с предшествующими величи­ нами. Действуя таким образом, клетка получает возможность адекватно реаги­ ровать на факторы, распределяющиеся в среде градиентно и к тому же меняю­ щиеся во времени (температура воды, концентрация химического вещества и т.п.). У протиста, приближающегося к источнику химического аттрактанта, периоды поступательного перемещения реже прерываются реверсиями. Эта кар­ тина напоминает движение бактерии — хаотическое, но с тенденцией смещения по градиенту раздражителя. Когда про­ тест удаляется от аттрактанта, частота реверсий возрастает, а периоды посту­ пательного перемещения становятся короче. В отличие от прокариот, проте­ сты способны регулировать скорость локомоции. Скорость плавания возрас­ тает при движении к аттрактанту и па­ дает, когда клетка удаляется от него. Все сказанное, но с обратным знаком относится к ситуации, когда химическое вещество — репеллент. Один и тот же фактор будет привлекать или отпугивать протиста в зависимости от своей интен­ сивности. Так, слишком высокая или слишком низкая интенсивность стиму­ ла (возьмем тепло в качестве примера) будет отпугивать протистов, и они сме­ стятся в зону с оптимальными проме-

400 Избранные главы общей протистологии

жуточными величинами. Итак, кинез — это не строго направленная локомотор­ ная реакция; как координация в про­ странстве посредством кинезов, так и аккумуляция особей в градиенте стиму­ ла — процессы вероятностные по сво­ ей природе.

Таксисы

Таксис — это строго направленное перемещение по отношению к источни­ ку векторного стимула (к источнику — положительный таксис; от источника — отрицательный). Протисты проявляют таксисы лишь в ответ на очень немно­ гие раздражители: силу тяжести, направ­ ленный свет и электрическое поле. Де­ ло в том, что для распознавания направ­ ления вектора нужны специальные «прицельные» устройства, а протисты слишком малы по размеру, чтобы раз­ местить их. Обладающее зрением мно­ гоклеточное животное способно воспри­ нимать направление лучей света, а при помощи статоцистов животные различа­ ют верх и низ, в то время как малый объем одноклеточного организма не по­ зволяет соответствующим образом раз­ местить рецепторы. И все же, в силу определенных структурных и функцио­ нальных особенностей своей организа­ ции протисты способны проявлять так­ сисы (гальванотаксис, гравитаксис, фо­ тотаксис). Вывод о том, что определен­ ная локомоторная деятельность являет собою таксис, делается исключительно на основе феноменологии поведения и независимо от того, известен ли меха­ низм передачи сигнала. Часто об этом механизме можно судить по морфологи­ ческим проявлениям и физиологическим

откликам, но лишь для немногих объек­ тов весь каскад событий на субклеточном уровне прослежен достаточно детально (см. гальванотаксис, фототаксис).

Таксокинез

Земное тяготение оказывает влия­ ние на поведение протистов, и изучение этого влияния показало, что принятое деление локомоторных реакций на ки­ незы и таксисы не всегда приемлемо. Общеизвестно, что только астрономи­ ческие объекты, такие как Земля и Луна, обладают достаточной массой, чтобы создать значительное гравитаци­ онное поле. В качестве стимула сила тяжести имеет как векторные, так и гра­ диентные свойства. Сила земного тяго­ тения всегда действует в одном направ­ лении и в этом смысле представляет собой векторный раздражитель. Одна­ ко перепады силы тяжести на земной поверхности столь малы, что живые существа в пределах биосферы не спо­ собны их уловить, и в этом смысле зем­ ное тяготение — градиентный фактор. Показано, что ряд инфузорий и жгути­ коносец Euglena регулируют скорость движения относительно вектора силы тяжести, a Paramecium даже изменяет частоту реверсий. Эти локомоторные поведенческие акты являются кинезами по определению (см. выше) и, соответ­ ственно, оправданно использование термина гравикинез. Однако в данном случае организм не имеет возможности ориентироваться по изменению интен­ сивности сигнала во времени и про­ странстве (как того требует определе­ ние кинеза), потому что сила земного тяготения неизменна в масштабе не-

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.

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-

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

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.

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

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) .

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-