Сложные системы микроорганизмов

Сложные системы микроорганизмов

Несмотря на то что устройство микроорганизмов кажется примитивным, оно включает в себя строение и функционирование многих жизненно важных систем и органов:

• своеобразные сенсорные системы, в том числе живые приборы, позволяют микроорганизму воспринимать изменения окружающего и внутреннего мира, чтобы адекватно реагировать на полученные раздражения;

• органы движения обеспечивают различные, зачастую целенаправленные, перемещения одноклеточной особи в пространстве и все действия, связанные с ее жизненными потребностями;

• системы координации и управления – сложные комплексы, которые осуществляют организацию и руководство деятельностью всех процессов, систем и элементов даже такого миниатюрного организма.

Кроме того, все микроорганизмы, как и любые живые существа, имеют свои поведенческие особенности. То есть у представителя каждого вида существуют отличные от других врожденные действия и их различные вариации как результат адекватного реагирования на воздействие среды. Сюда входят, например, пищевое поведение, преимущественно связанное с добыванием пропитания; защитное поведение, реализующее оборонительные и защитные возможности организма; репродуктивное поведение и другие поведенческие проявления.

Поведение микроорганизмов в основном строится по наследственной программе – это инстинктивное поведение. И в то же время некоторые из микроорганизмов способны накапливать индивидуальный опыт, приобретать определенные навыки, что соответствует генетически обусловленному поведению на основе научения. Например, те же инфузории, которые, на первый взгляд, кажутся простыми созданиями, способны научиться сортировать взвешенные в воде мелкие частички, отправляя в «рот» съедобные и выбрасывая остальные.

Рассмотрим более детально удивительные возможности систем микроорганизмов, а также для сравнения примеры, демонстрирующие уникальные способности и самостоятельные действия живых клеток.

Как собраться в многоклеточный организм. У некоторых видов амеб существуют две фазы жизнедеятельности:

• фаза их жизни в виде отдельных самостоятельных клеток со всеми функциями одноклеточного организма. Они обитают в теплой влажной среде и питаются бактериями;

• фаза, в которой амебы собираются вместе, образуя многоклеточный организм. Эта вторая фаза связана с недостатком их пищи – бактерий. Так, например, образуется слизистый грибок миксомицет-диктиостелиум.

Сначала его будущие клетки живут самостоятельно, ползая по почве в виде миксамеб. Затем, когда наступают неблагоприятные условия для их жизнедеятельности, одна или несколько этих амеб начинают выделять вещество акразин. Это служит сигналом для их сородичей, и они начинают ползти навстречу друг другу. Ведь рецепторы акразина имеются на поверхности всех амеб. Кто назначает некоторых амеб на роль главных организаторов коллектива, ученым не известно.

Собравшиеся вместе миксамебы готовы к сборке нового организма. И в этом им помогают структурные и молекулярные приспособления, позволяющие клеткам узнавать друг друга и ассоциироваться. Миксамебы постепенно образуют многоклеточный плазмодий, который становится червеобразным слизевиком. Он превращается в маленький грибок с округлой головкой, где находятся споры. Головка гриба стоит на тонкой ножке, а сам он не более двух миллиметров.

Интересно, что этот многоклеточный организм собирается из отдельных клеток-амеб буквально на глазах. Причем благодаря генетической информации процесс самосборки исключает хаотичность при их взаимодействии. Идут строго упорядоченные и отлаженные механизмы формирования отдельных органов и всего организма в целом.

Новое живое существо имеет уже свои жизненные задачи – пережить период с недостатком пищи и произвести на свет споры. При благоприятных условиях во влажной среде из спор появятся молодые миксамебы. И таким образом замкнется жизненный цикл этих маленьких, премудро созданных животных.

Восстановление целого организма из его части. В условиях предыдущего эксперимента с миксамебами ученые решили сократить количество сливающихся клеток до половины. И оказалось, что из этой половины миксамеб получился той же формы грибок, но вдвое меньшего размера. Когда оставили четвертую часть клеток, они вновь собрались в совсем маленький грибок со всеми присущими ему формами.

Это говорит о том, что каждая клетка несет информацию о форме тела грибка данного вида, которую нужно совместно сложить.

Правда, существует предел, когда клеток для построения миксо-мицета не хватает.

Не менее интересны опыты, проведенные с плоскими червями планариями. В эксперименте планарию разрезали на множество кусочков произвольных размеров и оставили их в покое. И оказалось, что клетки в каждом кусочке ткани планарий стали изменять свою специализацию и перестраиваться в целое животное.

Прошло три недели, и по дну сосуда поползли едва заметные глазу планарии-крошки разных размеров. У них, к радости сердобольных исследователей, была даже видна головка с глазами и расставленными в стороны обонятельными «ушками». Эти животные продемонстрировали, что способны воспроизвести свой облик даже из 1/300 части тела планарий.

В этом эксперименте открылся еще один немаловажный факт: каждое новое существо восстановилось из разного количества клеток в зависимости от размера отрезанного кусочка тела планарий. Но все организмы получились как по одному «чертежу». Значит, во всяком кусочке ткани появлялся организующий центр, который, используя клеточную информацию о форме целого организма, управлял его сборкой из существующего количества клеток.

Подобные опыты ставились и с одноклеточными существами – с крупными, в 2 миллиметра длиной, инфузориями спиростомами. Инфузорию разрезали микроскальпелем на 60 частей, и по прошествии определенного времени каждый кусочек восстанавливался в целый организм.

Но как это возможно? – спросите вы. Ведь вся генетическая информация об этом одноклеточном организме как раз и заключена в его единственной клетке. И 1/60 часть инфузории должна была содержать только малую часть данных о будущем живом существе. Но это факт, и он еще раз показывает нам сложность и совершенство сотворенного микромира.

А вот еще эксперимент, в котором участвует инфузория трубач размером около 0,5 мм. Если ее разрезать на части, то в течение нескольких часов полученные кусочки округлятся и начнут быстро превращаться в трубачей меньших размеров.

Здесь также происходит восстановление одноклеточного существа из его малой части. Вначале идет сложнейший процесс изменения специализации различных участков бывшего тела трубача. Каждая часть в пространстве даст свою форму. Например, в том кусочке, где было скопление ресничек, происходит сужение конца трубача, а в другом – наоборот.

Многочисленные исследования и выдвинутые теории так и не смогли ответить на вопросы – какие приборы следят за формой восстанавливающейся клетки, откуда подается команда, как вести себя той или иной части клетки и т. п.

Координация движений. Хотя простейшие, как явствует из классификации, принадлежат к наиболее примитивно устроенным живым организмам, однако это не всегда соответствует действительности. Достаточно посмотреть на грациозные плавательные движения инфузорий, которые осуществляются благодаря координированным биениям ресничек.

Организованное движение подразумевает существование у этих организмов системы, которая служит аналогом нервной системы у высших животных. Это относится ко всем простейшим с координируемыми движениями. Однако нервной системы как таковой у них нет. Вместо нее имеются нервоподобные волокна, нейрофибриллы, идущие от контролирующего центра к усикам.

Так, клетки эуплотеса имеют очень высокую степень координации движения для такого, казалось бы, примитивного простейшего. То же самое можно сказать и в отношении обычных инфузорий. Экспериментально доказано, что нейроподобные волокна у них функционируют так же, как и нервы. Специальным инструментом, применяемым в клеточной хирургии, на клетке были сделаны надрезы между контролирующим центром и усиками. После этого клетки утрачивали способность к координированному движению. Аналогичные надрезы в других местах клетки не влияли на координацию движения, если целостность нейро-фибрилл не нарушалась.

Биохимический парадокс. Подобно множеству других одноклеточных форм, тетрахимена передвигается с помощью ресничек и питается более мелкими организмами, главным образом бактериями. Тщательные исследования показали, что для жизнедеятельности тетрахимены необходимы те же аминокислоты, минеральные соли, витамины и сахара, что и для высокоразвитого животного.

Однако это микроскопическое живое творение не может синтезировать необходимые химические соединения. Поэтому тут мы имеем дело с развитым одноклеточным гетеротрофным (от греч. heteros – другой) организмом, который с точки зрения биохимии почти так же сложен, как и животное, состоящее из триллионов клеток.

Так ли уж проста тетрахимена как форма жизни?

«Разборчивая» туфелька. Эти одноклеточные организмы тоже не так примитивны, как можно было бы думать. Так, парамеция туфелька глотает далеко не все, что попадается ей на пути. У туфельки хорошо развит вкус, и то, что ей не нравится, во временные «желудки» к ней не попадает. Парамеции вылавливают из воды бактерий, лакомятся растертым куриным желтком и почему-то охотно поглощают краситель кармин, в отличие от крупинок серы и микроскопических кристалликов солей.

Чтобы выяснить, каким образом пищевые вещества оказываются «во рту» парамеций и каким образом туда не попадают несъедобные частички, провели следующий эксперимент.

В каплю воды, где плавали инфузории, ввели смесь из равных частей тщательно размельченного кармина и серы. В микроскоп было отчетливо видно, что реснички ротовой впадины без разбора загоняли в глотку все, что плавало на воде, но красные частички кармина скапливались на дне глотки и через каждые минуту-пол-торы попадали во вновь образующиеся «желудочки», а желтые частицы серы, не задерживаясь, выбрасывались наружу.

Однако разгадать, как удается туфельке рассортировать взвешенные в воде частички, пока не удалось.

Действие «боевых стрел» инфузорий. Удивительно сложные защитные устройства и действия присущи инфузории-туфельке.

Кроме многочисленных ресничек, инфузория получила и бессчетное количество стрекательных палочек – трихоцист (от греч. trichos – волос). Они представляют собой цитоплазматические органеллы особой «конструкции» (из белковых телец длиной 2–6 микрометров) с плотными острыми наконечниками. Трихоцисты выполнены как боевые стрелы и предназначены в основном для защиты жизни миниатюрного животного.

Эти устройства предусмотрительно спрятаны в глубине крохотных отверстий на одноклеточном теле инфузории. А в цитоплазме они находятся в полной готовности, располагаясь перпендикулярно поверхности тела.

Стоит только коснуться тела инфузории даже тончайшим волоском, как это миниатюрное животное тотчас же ответит на раздражение залпом своего стрекательного оружия. При выстреле эти белковые тельца вытягиваются в нить длиной 20–60 микрометров, увеличиваясь в 10 раз. Поскольку наконечники «стрел» маленькой инфузории, так же как и стрелы индейцев, содержат ядовитое вещество, то они отравляют нападающего.

Трудно себе представить, какая мощная генетическая программа заложена в этом животном, так несправедливо называемом простейшим. В этой программе заключена не только «документация» на изготовление «боевых стрел» довольно сложного строения и яда определенного химического состава, но и определен сам защитный механизм скоординированного залпа. Ведь он обеспечен целым комплексом целесообразных устройств и согласованных действий цитоплазматических образований, заменяющих одноклеточным животным мышцы.

Как видите, даже одноклеточное существо не оставлено Творцом беззащитным.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.