Самые маленькие многоклеточные существа на Земле
Одноклеточные водоросли построили сложный глаз из хлоропластов и митохондрий
Сделать камерный глаз, обладающий роговицей, радужной оболочкой, линзой и сетчаткой, можно и из компонентов единственной клетки. Для этого представители динофлагеллят семейства Warnowiidae используют сложным образом объединенные органеллы — митохондрии, эндоплазматическую сеть и бывшие хлоропласты, потерявшие способность фотосинтезировать.
Рис. 1. Сравнение микробных глаз. a — динофлагеллята семейства Warnowiidae, b — хламидомонада, c — спора гриба Blastocladiella. Пояснения в тексте. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature
Глаз — это классический пример сложного органа, состоящего из разных тканей, который приносит организму пользу как целое. Еще Дарвину задавали вопросы о том, как сложный глаз животных мог постепенно сформироваться в ходе эволюции. На что Дарвин отвечал, что сложные органы вполне могут образовываться постепенно, потому что даже несовершенные глаза могли давать организму небольшие преимущества. Например, светочувствительные клетки, не снабженные дополнительными приспособлениями, могут помочь только в общих чертах определить направление света. Но и это уже лучше, чем полная слепота.
Интересно, что такой классический образец сложного органа, как камерный глаз, может развиться даже у одноклеточного организма. Такими глазами со всеми необходимыми компонентами — роговицей, радужной оболочкой, линзой и сетчаткой — обладают представители планктона — динофлагелляты семейства Warnowiidae.
Одноклеточные существа со сложными глазами в цитоплазме клеток были описаны еще в начале двадцатых годов прошлого века (см. Charles Atwood Kofoid & Olive Swezy, 1921. The free-living unarmored dinoflagellata). Тогда исследователям и в голову не могло прийти, что такие сложные глаза принадлежат самому микробу. Поэтому было решено, что глаза в цитоплазме — это недопереваренные остатки медуз, которыми планктон питается. Такая гипотеза долго сохранялась, потому что представители динофлагеллят семейства Warnowiidae очень редки. Кроме того, до сих пор не подобраны условия для культивации этих микроорганизмов в лаборатории, из-за чего их и в наши дни сложно исследовать.
К счастью, за прошедшую сотню лет арсенал биологических методов резко расширился. Теперь ученые могут извлечь много полезной информации даже из считаных клеток. Для единственной клетки сейчас можно проанализировать последовательности ДНК, уровни экспрессии генов и даже количества некоторых белков. Только с развитием чувствительных и точных генетических методов ученые аккуратно доказали, что сложные глаза динофлагеллят — это их собственная разработка, а не остатки их жертв.
Международная команда исследователей собрала несколько десятков клеток динофлагеллят семейства Warnowiidae у побережья Японии и Канады. Ученые выделили отдельные компоненты микробных глаз и проанализировали состав их нуклеиновых кислот. Оказалось, что «сетчатка» глаза динофлагеллят представляет собой часть сложной системы хлоропластов, которые перестали работать по специальности (динофлагелляты семейства Warnowiidae давно утратили способность к фотосинтезу). Тем не менее в них по старой памяти продолжали функционировать несколько генов, специфичных для хлоропластов.
Даже если у микроорганизмов нашли структуру, очень похожую на сложный глаз, где гарантии, что она реагирует на свет? Исследования показывают, что реагирует. Во-первых, недавно было показано, что морфология «сетчатки» глаза динофлагеллят семейства Warnowiidae зависит от освещенности (см.: S. Hayakawa et al., 2015. Function and Evolutionary Origin of Unicellular Camera-Type Eye Structure). Под действием света внутренние мембранные пузырьки этой органеллы становились более вытянутыми и плоскими. В той же работе в «сетчатке» этих динофлагеллят обнаружили экспрессию гена родопсина, напоминающего бактериальный. Белки этой группы позволяют чувствовать направление света и другим микроорганизмам, у которых есть простые глазки, — например, хламидомонаде, а также грибу Blastocladiella, плавающие споры которого тоже снабжены фоточувствительными сенсорами. Но бывают и другие механизмы восприятия света: например, эвглены используют светочувствительный белок аденилатциклазу, активируемую под действием света.
У всех микроорганизмов, обладающих глазами, эти органы устроены по-разному. У хламидомонады, как и у динофлагеллят семейства Warnowiidae, на свет реагирует часть хлоропласта (только хлоропласт у них рабочий). Светочувствительное пятнышко на краю хлоропласта хламидомонады содержит родопсин, который частично экранируют гранулы с пигментами каротиноидами (рис. 1). Экранировать светочувствительные сенсоры хотя бы с одной стороны необходимо, чтобы организм мог определять направление света. У других «зрячих» микроорганизмов — эвглен — глазок никак не связан с хлоропластами. У эвглен фоточувствительные белки встроены в специальные плотные стопки мембран у основания жгутика. Направленность света обеспечивают гранулы с пигментом гематохромом. В спорах гриба Blastocladiella устройство фотосенсора похожее — родопсины располагаются в мембранных органеллах по соседству со жгутиком, а неподалеку от них находятся липидные везикулы, вероятно, тоже обеспечивающие направленность света, падающего на фоточувствительные органеллы.
Интересно, что пластиды, на основе которых у разных одноклеточных независимо развивались «глаза», имеют разное происхождение: так, у динофлагелляты Warnowiidae и у криптофитовой водросли Guillardia пластиды вторичные (происходят от симбиотической красной водоросли — представителя эукариот), а у Chlamydomonas — первичные, из симбиотической цианобактерии. Это еще один аргумент в пользу того, что «глаза» на основе пластид развивались у одноклеточных эукариот много раз независимо. Среди одноклеточных вообще много примеров конвергентного развития глаз из разных «подручных» материалов (часто из пластид, но не всегда, часто с использованием родопсинов, но тоже не всегда).
Во всех микробных глазках, исследованных до этого, обнаруживаются только некие упрощенные аналоги сетчатки (мембраны с реагирующими на свет белками, а также пигментные гранулы, заменяющие собой пигментные клетки сетчатки многоклеточного глаза). А динофлагелляты семейства Warnowiidae на этом не остановились и добавили к своему глазу еще и линзу, состоящую из мембран эндоплазматической сети, фокусирующую свет на «сетчатке» (рис. 2). Линза значительно улучшает резкость изображения. Также у глаза динофлагеллят появилась оболочка — роговица, состоящая, как выяснили ученые, из множества связанных в единую систему митохондрий. Получается интересный и достаточно редкий пример конвергенции на двух уровнях жизни — одноклеточном и многоклеточном. Интересно, что в создании сложного глаза микроорганизма задействованы и оба типа эндосимбионтов (хлоропласты и митохондрии), и его собственные мембраны (эндоплазматическая сеть).
Рис. 2. Трехмерная реконструкция глаза одноклеточного организма семейства Warnowiidae. Сеть бывших хлоропластов, частью которой является «сетчатка» глаза, окрашена красным, линза — желтым, а «роговица», состоящая из соединенных в единую сеть митохондрий — синим. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Динофлагелляты семейства Warnowiidae питаются другими представителями планктона, в том числе и другими динофлагеллятами. Ученые предполагают, что глаз помогает им следить за движениями своих жертв, на которых Warnowiidae могут охотиться с помощью клеточных «гарпунов» — нематоцист. Некоторые из динофлагеллят, которыми питаются Warnowiidae, флуоресцируют. Поэтому их может быть достаточно хорошо видно, нужно только иметь глаза. Так что вполне возможно, что скоро мы узнаем ответ на вопрос, видят ли микробы друг друга.
Еще один заметный признак динофлагеллят — это постоянно конденсированные хромосомы, поляризующие свет. Позволяет ли сложный глаз Warnowiidae различать поляризованный свет, еще предстоит проверить. Но внутреннее устройство их «сетчатки» с сотнями параллельно ориентированных мембранных пузырьков действительно сходно с поляризаторами, которые используются, к примеру, в солнечных очках и линзах фотоаппаратов.
Источники:
1) Gregory S. Gavelis, Shiho Hayakawa, Richard A. White III, Takashi Gojobori, Curtis A. Suttle, Patrick J. Keeling & Brian S. Leander. Eye-like ocelloids are built from different endosymbiotically acquired components // Nature. Published online 01 July 2015. Doi: 10.1038/nature14593.
2) Thomas A. Richards & Suely L. Gomes. Protistology: How to build a microbial eye // Nature. Published online 01 July 2015. Doi:10.1038/nature14630. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье.)
Юлия Кондратенко
http://elementy.ru/novosti_nauki/432523/Odnokletochnye_vodor...
Радиолярии: Одноклеточные, что совершеннее человека
У нас еще не выходили статьи про простейших. Оно и понятно, эти мелкие твари мало чем способны удивить, но и среди подобных организмов находятся интересные существа. Итак, радиолярии.
Эти одноклеточные существа живут в теплых океанических водах в качестве планктона. Известно 8 тысяч видов радиолярий, и у всех свои причуды.
Скорее всего, вы мало что о них слышали, а многие так вообще не подозревали об их существовании. Оно и не удивительно, ведь согласно российской образовательной программе, на них отведено чуть больше, чем нихрена. Так чем же примечательны эти маленькие, практически никому не известные существа? Скелет. Серьезно, часто ли вы видели одноклеточных, у которых на полном серьёзе был минеральный скелет и при том не какая-нибудь наружная хрень, а внутренний? Чёрт возьми, Джонни, эти хитрые твари научились строить даже его. На самом деле, он у них необычайно красив, и при том у каждого вида он свой, уникальный.
Кстати, интересный факт, данные простейшие имеют до 1600 (!) хромосом (наибольшее их количество среди всех живых существ), что примерно на 1553 больше, чем у тебя (хотя если ты понял эту шутку, то у тебя их 1554). Размеры очень варьируются, от 40 микрометров до 1 миллиметра.
Кушают они всякую микроскопическую органику. Также радиолярии регулярно создают симбиозы с автотрофами и с их помощью получают энергию. Некоторые радиолярии даже засовывают в себя одноклеточную водоросль, чтобы та мутила фотосинтез и производила кислород для хозяина.
Секс у них строго индивидуальное занятие, и, после просмотра соответствующих видеороликов, радиолярии либо просто делятся, либо образуют споры (как грибочки).
После смерти скелеты этих существ образуют огромные известковые отложения. На данный момент человеку известно столько их разновидностей и периодов жизни их видов, что их наличие в осадочных породах довольно точно говорит о возрасте отложения. К подобному методу датировки ископаемых часто прибегают палеонтологи.
А теперь предлагаю еще немного насладиться красотой микромира:
Кстати, у них есть даже свой собственный Колизей!)
С вами была Книга животных и Радиолярии.
Основная тусовочка у нас во Вконтакте: https://vk.com/knigajivotnih
Покедова!
Эволюция
БМ выдал перерисовки с 9gag, я пощу перевод оригинального авторского комикса.
Яйцеклетки, на старт! За сперматозоидом - бегом марш!
В прошлом посте хороший комментарий: «У меня бывшая подруга такая. В последнюю нашу встречу она меня поучала: "Запомни, ещё ни одна яйцеклетка не бегала за сперматозоидом. Так что пусть парни проявляют инициативу".
Коммент напомнил мне одну историю, которая случилась еще в годы моей учебы. Я тогда училась на журфаке и довольно тесно общалась с небольшой компанией девочек с филфака.
Вот про одну из них я расскажу. Одна барышня обладала такими же примерно представлениями о межполовом общении, что и подруга из комментария. Тоже считала, что негоже девушке проявлять инициативу и делать первые шаги. Мужиков на свете много. Ты знай себе, выгляди красиво, привлекай самцов. Пусть они предлагают себя, а я буду выбирать, кому вручить абонемент на доступ к комиссарскому телу.
И вот эту именно сентенцию очень любила высказывать в подтверждение своих взглядов: яйцеклетка за сперматозоидом не бегает!
Выглядела эта девочка в свои 19 или 20 лет очень неплохо, так что и трудов особых ей прилагать было не нужно: парни вокруг нее вились, как мухи вокруг… ммм, ну скажем, варенья. Потому ей и в голову не приходило за кем-то бегать.
Причем эта юная дева выпендривалась этой своей продвинутой мудростью перед всеми одногруппницами, всех поучала. Типа, смотрите и учитесь, девки, как надо мужиками вертеть. Он к тебе – давай дружить? А ты ему – ты кто таков, парниша? Чем ты лучше остальных? Пусть, мол, покажет сперва, на что он готов ради меня. Пусть сводит меня в ресторан, пусть катает меня всюду на машине, пусть дарит цветы. Мужик должен всем своим видом демонстрировать горячее желание заполучить женщину! Вот и пусть демонстрирует изо всех сил. А если силенок не хватит – ну, значит, адью. Рыбки в море еще немало.
Ну и вот как-то раз девочки с филфака собрались отмечать день рождения. И меня тоже пригласили. То-сё, винишко, салатики, скромное студенческое застолье, постепенно переходящее в попойку. Как это обычно бывает, речь зашла о парнях (о чем еще могут поговорить девочки-филологи к третьей бутылке?) Эта барышня тоже сидела с нами, и принялась, по своему обыкновению, учить всех уму-разуму. Дескать, ничего вы не понимаете в жизни. Гоняетесь за парнями, как дурочки. А ведь яйцеклетка за сперматозоидом не бегает! Так-то!
А на празднике присутствовала одна из подружек именинницы, которая училась не то в медвузе, не то еще в каком-то вузе биологической направленности. И она ей говорит: дорогая, а ты вообще зачем себя с яйцеклеткой сравниваешь?
Ты вообще знаешь, как там у яйцеклетки вот это всё происходит?
Ты думаешь, она там сидит, цаца такая, и выбирает себе подходящий сперматозоид? Типа: нет, из этого дурак получится, из этого нищеброд, из этого некрасивый – все валите лесом. А вон сперматозоид-будущий олигарх, вот его-то я и жду.
Так, что ли?..
Да нифига подобного.
Яйцеклетку получит не самый лучший сперматозоид. Не самый красивый, не самый хитрожопый умный, даже не самый быстрый. А просто тот, который первым к ней попадет. И никого она там выбирать не будет. С цветами он пришел, без цветов – без разницы. Просто один какой-то добрался – и все, раздвигай булки, подруга, будем щас ребенка делать.
И никто яйцеклетку не спрашивает: хочет она или не хочет. В настроении или нет. Устраивает – не устраивает. Никто у нее не поинтересуется, какие у нее там запросы и пожелания. Она вообще никакого права голоса не имеет.
Хочешь себя сравнивать с яйцеклеткой, которая за сперматозоидами не бегает?
Ок. Тогда выйди на улицу с табличкой: «Готова к оплодотворению». Какой мужик первым подойдет и предложит переспать – с ним и иди. Причем сразу. Без всяких там конфетно-букетных. И кстати, вы теперь вместе навсегда. Совет да любовь.
А если тебе такой подход не нравится – тогда запомни.
Ты – не яйцеклетка, а мужчина – не сперматозоид.
Вы сложные многоклеточные существа, с развитым мозгом, с достаточно высоким интеллектом. Вы способны осмысливать окружающую вас реальность, способны действовать в соответствии с тем, что происходит вокруг. Планировать свои действия. Строить долговременные отношения с партнером.
Яйцеклетка и сперматозоид на это не способны, они – всего лишь клетки организма. Но от них этого и не требуется, у них задача в жизни всего одна. А ты – взрослый человек с мозгами.
Так почему ты, выстраивая свои отношения с другими людьми, берешь себе за образец поведения тупую клетку из, простите, известного женского места?..
И метафору эту про яйцеклетку и сперматозоид – забудь навсегда. Это просто унизительно для женщины, сравнивать себя с безмозглой клеткой, у которой единственное назначение в жизни – быть оплодотворенной.
После такой отповеди та барышня слегка притихла и надулась. Однако спорить не стала, а при первой удобной возможности тихо слилась с вечеринки.
Не знаю, что было с ней дальше – поменялись ли у нее убеждения или нет. Но лично я вот эту коротенькую лекцию запомнила навсегда.
Добавлю еще от себя пять копеек.
Нужно ли бегать за парнями или не нужно – это, конечно, пусть каждая девушка сама для себя решает.
Главное, я считаю – чтобы она могла обосновать свои убеждения, не ссылаясь на примеры из жизни одноклеточных.
Так-то.