Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Получение и некоторые свойства искусственной эндоцитобиотической ассоциации амеб и хлорелл

ВАК РФ 03.00.25, Гистология, цитология, клеточная биология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Карпов, Александр Семенович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Определение области исследования.

1.1.1 Базовые понятия.

1.1.2 Таксономические границы.

1.1.3 Феноменологические границы: факультативность и облигатность.

1.2 Закономерности распространения симбиоза низших беспозвоночных с водорослями

1.2.1 Концепции и проблемы в анализе таксономического разнообразия организмов, формирующих мжсотрофные симбиотические ассоциации.

1.2.2 Макротаксономические закономерности.

1.3 Симбиоз с зоохлореллами: эволюционный или экологический механизм?

1.4 Естественные (природные) и искусственные ассоциации в изучении симбиоза.

1.5 Симбиоз низших беспозвоночных с водорослями: этапы формирования ассоциации при заражении.

1.5.1 Фагоцитоз.

1.5.2 Избегание переваривания хозяином.

1.5.3 Созревание пернальгальной вакуоли.

1.5.4 Поддержание симбиоза.

1.6 Попытки формирования искусственного симбиоза амеб с зоохлореллами—

Введение Диссертация по биологии, на тему "Получение и некоторые свойства искусственной эндоцитобиотической ассоциации амеб и хлорелл"

Начало данному исследованию положил случайно обнаруженный факт переживания зоохлорелл - экс-симбионтов инфузории Paramecium bursaria в цитоплазме амеб рода Amoeba /Афонькин, Гудков, 1989/. Необычность этого факта заключалась прежде всего в том, что на момент его регистрации не было известно ни одной природной сим-биотической ассоциации представителей этого рода с зелеными водорослями (подобные ассоциации не найдены и по сей день - см. раздел 1.6). Более того, все известные попытки заразить амеб зоохлореллами в лабораторных условиях оказывались безуспешными /Goetsch, Scheming, 1926; Корас, 1959; Lorch, 1973; Jeon, Lorch, 1982/. Возможно, именно поэтому явление, обнаруженное нашими коллегами, было воспринято как нечто отличное от симбиоза и определено термином "переживание". Настоящая работа первоначально планировалась как изучение феномена переживания, но не симбиоза. Явление переживания было отнесено на счет нарушения процессов распознавания во взаимодействии "хищник - жертва" в рамках более общей проблематики межклеточного узнавания у простейших.

Диссертационная работа была начата и проводилась в лаборатории цитологии одноклеточных организмов Института цитологии РАН (зав. лаб. чл.-корр. РАН проф. Ю.И.Полянский, позднее - д.б.н. И.Б.Райков) во время прохождения аспирантуры под руководством д.б.н. А.Л.Юдина. Существенное влияние на планирование работы и ход экспериментов оказало наличие в лаборатории уникальной коллекции амеб различных видов и штаммов. Благодаря интенсивным исследованиям сотрудников лаборатории с использованием этой коллекции нам была доступна информация о характеристиках многих штаммов.

Не менее существенным для успеха работы явилась возможность использовать коллекции клонов парамеций лаборатории кариологии простейших и коллекции штаммов хлорелл лаборатории микробиологии БиНИИ СПбГУ.

Первоначально замысел исследования строился в рамках общелабораторной темы "Изучение межклеточных взаимодействий и эпигенетической наследственности у одноклеточных эукариот" (руководитель темы: в.н.с. д.б.н. А.Л.Юдин). Переживание рассматривалось как этап на пути к возникновению более "совершенного" симбиоза, а формирование симбиотической ассоциации - как результат успешного распознавания хозяином потенциального симбионта. Задача состояла в выявлении факторов, способствующих переживанию, путем изучения вариабильности этого явления на коллекции штаммов эндобионтов и хозяев. Однако неожиданный успех заражения одного из 6 штаммов амеб (Amoeba amazonas), в результате которого сформировался полноценный устойчивый симбиоз (см. разделы 4.3-4.4), изменил первоначальный план исследования, а также взгляды автора на проблему становления симбиоза. Морфологические исследования, проведенные совместно с А.В.Гудковым и ДВ.Чистяковой (БиНИИ СПбГУ), показали практически полную идентичность строения этой новообразованной ассоциации тому, что наблюдается в природных ассоциациях (см. раздел 4.3). Существенным поводом для смены концепции послужило также выявление и изучение целого спектра явлений - от переживания до устойчивой ассоциации, - которые рассматривались нами как различные проявления симбиоза (см. раздел 4.1). На этом этапе исследование было поддержано стипендией Международного научного фонда и Российской академии естественных наук по проблеме "Биоразнообразие".

Еще одним важным фактором, повлиявшим на развитие темы, явились полевые исследования на о. Валаам, которые изначально планировались для поиска симбионтсо-держащих амеб и пополнения коллекции лаборатории. В водоемах Валаамского архипелага было обнаружено большое разнообразие симбионтсодержащих простейших и беспозвоночных. Непосредственно в процессе полевого исследования было установлено, что заражение чужеродными симбионтами при хищничестве или просто при совместном культивировании простейших - довольно обычное явление /Карпов и др., 1991/. Таким образом, проблема переживания симбионтов в новом хозяине и формирования новообразованного симбиоза стала рассматриваться в экологическом контексте.

Вместе с тем, огромное количество наблюдений и экспериментальных фактов, разрозненных и порою противоречивых, настойчиво требовали выработки концептуальной модели исследуемого явления.

Первая попытка обобщения выразилась в построении математической модели детерминированного роста эндоцитобионтов в популяции клеток-хозяев со случайным делением (см. раздел 4.5). Математическое описание динамики популяций было предложено и реализовано в виде программы С.В.Стаховым (ИНЦ РАН). Предполагалось, что постепенное развитие модели позволит перейти от изучения динамики популяций и их устойчивости к исследованию возможностей эволюции ассоциаций. Однако модель была построена на очень сложной математической основе (в ней сочетались детерминистический и стохастический подходы), что ограничило возможность исследований в данном направлении. Тем не менее проведенное нами исследование свойств модели оказалось полезным для проверки некоторых гипотез о механизмах устойчивости симбиоза.

Построение концептуальной модели было продолжено в связи с работой, которая велась параллельно основному исследованию, - составлением списка простейших, со7 держащих зоохлорелл. Исследования, проведенные на основе полученного списка (см. главу 3), позволили установить ряд таксономических закономерностей встречаемости симбиоза с зелеными водорослями и определить место изучаемой ассоциации "амебы -зоохлореллы" в спектре явлений симбиоза. Мы посчитали необходимым включить это материал в диссертацию, поскольку только в свете определенного теоретического подхода, подтверждаемого экспериментально, представленные нами данные становятся частью общей картины явления симбиоза.

Результаты работы доложены: в 1990 г. - на заседании кафедры зоологии беспозвоночных СПбГУ и на заседании ВОПР; в 1992 году - на съезде ВОПР в г. Витебске; в 1993 г. - на юбилейной конференции, посвященной 125-летию СПбОЕ; в 1998 г. - на совместном заседании лабораторий микробиологии и зоологии беспозвоночных БиНИИ СПбГУ; в 1999 г. - на совместном научном заседании Лаборатории цитологии одноклеточных организмов, Лаборатории морфологии клетки и Лаборатории цитологии опухолевого роста ИНЦ РАН. 8

Заключение Диссертация по теме "Гистология, цитология, клеточная биология", Карпов, Александр Семенович

3.6 Заключение.

Полученные результаты позволяют сделать несколько важных выводов:

• чем выше частота встречаемости данного рода в природе, тем больше вероятность находки симбионтсодержащего представителя этого рода;

• представления о распространении и потенциальных возможностях формирования симбиоза в значительной степени зависят от несистематических, случайно добываемых в ходе фаунистических и таксономических исследований сведений;

• потенция формировать симбиоз является примитивным признаком и изначально присутствует в различных крупных таксонах низших беспозвоночных; это свойство исчезает в эволюции по мере специализации организмов, предположительно в результате возрастания защищенности внутриклеточной среды, специализации механизмов фагоцитоза, а также в результате экологической специализации, которая препятствует встрече с потенциальным эндобионтом;

• важной характеристикой выраженности потенции к симбиозу является разнообразие формируемых факультативных и облигатиых ассоциаций;

• в зависимости от условий среды отбор может способствовать как повышению избирательности хозяина по отношению к потенциальным эндобиовггам, так и ее снижению;

• о специализированности ассоциации можно судить по соотношению между выраженностью признака "способность к формированию симбиоза" у данного вида-хозяина (степень облигатности ассоциации) и в пределах рода, к которому он принадлежит (доля "зеленых" видов);

• в настоящее время нельзя исключить возможность формирования симбиоза даже у наиболее продвинутых и специализированных групп простейших (из числа обладающих фагоцитозом);

• из шести возможных экспериментальных моделей эндоцитобиоза в современной литературе, в основном, представлены две.

78

Сформулировавшие выводы подтверждают потенциальную возможность осуществления сипгеза искусственной ассоциации с участием достаточно специализированного хозяина - одноклеточного организма - и характерного эндоцитобионта - зоохлорелл. Вместе с тем, в литературе практически отсутствуют экспериментальные данные, полученные на факультативных ассоциациях (модели V и VI, раздел 3.5.2, табл. 3.5.2). Поэтому нами была поставлена задача продолжить изучение закономерностей эндо-симбиоза на ранее не исследовавшихся моделях.

Поскольку для организмов, обладающих фагоцитозом, не существует принципиальных запретов на формирование симбиоза с зелеными водорослями, и потенции к формированию симбиоза проявляются на уровне рода, объектом дальнейшего экспериментального исследования нами была выбрана коллекция клонов амеб, репрезентативно представляющая внутриродовое и внутривидовое разнообразие рода Amoeba.

79

Гдава 4 Сшхе;о1Л1еследовани<е^

4.1 Начальные этапы взаимодействия потенциальных партнеров в эндосимбирзе

Приступая к исследованию, мы имели лишь информацию о возможности переживания - неустойчивого кратковременного существования хлорелл в амебах после фагоцитоза симбионтсодержащего хозяина (парамеции) /Афонькин, Гудков, 1989/. Поэтому на первом этапе внимание было сосредоточено на изучении начальных этапов взаимодействия партнеров с целью выявить факторы, препятствующие и способствующие формированию симбиоза. Основным подходом являлось наблюдение процессов заражения (проникновения эндобионта в клетку-хозяна) с использованием максимально возможного спектра взаимодействующих организмов. Такой подход, по нашему мнению, позволяет выявить большее разнообразие реакций клеток-хозяев, чем при модификации условий эксперимента или биохимической модификации потенциальных эндобионтов. Поскольку изначально не было известно, способны ли амебы непосредственно фагоцитировать водоросли, одной из важных задач исследования был поиск вектора, пригодного для заражения амеб, а также условий заражения, благоприятствующих формированию симбиотической ассоциации.

4.1.1 Фагоцитоз симбионтсодержащих инфузорий как начальная стадия установления симбиоза у амеб

Переживание зоохлорелл в цитоплазме Amoeba borokensis было обнаружено при кормлении амеб симбионтсодержащими инфузориями Paramecium bursaria /Афонькин, Гудков, 1989/, поэтому на первом этапе в качестве пищевого объекта (вектора, доставляющего потенциальных эндобионтов в клетку через пищеварительный цикл) была выбрана инфузория P. bursaria (клон D9-24, см. табл. 2.1.2.).

4.1.1.1 Захват и фагоцитоз инфузории-хозяина.

Мы исследовали возможность переживания зоохлорелл - симбионтов P. bursaria в цитоплазме амеб 18 штаммов (табл.4.1.1), хранящихся в коллекции лаборатории цитологии одноклеточных организмов ИНЦ РАН. Сведения об использованных штаммах приведены в главе "Материалы и методы" (табл. 2.1).

80

При проведении экспериментов оказалось, что представители обоих штаммов А. \enmgradensis (8Ь и Бм) не едят Р. Ьигяапа. Поэтому в данном разделе главы сведения о судьбе водорослей в цитоплазме этих простейших не приводятся. Для остальных амеб (табл. 4.1.1) Р. Ьигчапа была вполне приемлемой пищей.

Амебы разных штаммов существенно различались по характеру протекания начальных этапов пищеварительного цикла после заглатывания особи Р. Ъигьапа, и их условно можно было разделить на 4 группы (табл. 4.1.1). К первой группе были отнесены амебы, у которых практически не наблюдалось дробления, сегментации исходной пищеварительной вакуоли. Во вторую группу ("слабодробящих") были включены штаммы амеб, в цитоплазме которых через 18-24 ч после захвата одной особи Р. Ьигяагга из исходной пищеварительной вакуоли образовывалось 2-15 вакуолей. У представителей третьей группы ("среднедробящих") из одной пищеварительной вакуоли формировалось 20-30, а у амеб четвертой группы ("сильнодробящих") - 30-50 более мелких вакуолей.