Sexuální proces u nálevníků je jedinečný fenomén ve světě živých bytostí. Nemají sex pro rozmnožování nebo potěšení, jejich cílem je zvýšení genetické rozmanitosti. Vědci z Petrohradské univerzity spolu s kolegy z Polska a Francie studovali sexuální proces u pěti druhů nálevníků ze skupiny Paramecium aurelia a dokázali přesně zjistit, jaké genetické mechanismy se za tímto fenoménem skrývají. Výsledky zveřejnil prestižní vědecký časopis Genome Biology and Evolution.
Sexuální proces je jedním z nejdůležitějších mechanismů pro zachování genetické rozmanitosti živých věcí. Vznik pohlavního systému se ukázal být nejdůležitějším krokem ve vývoji eukaryot. Nálevníci jsou nejznámější protistové se složitým systémem „pohlaví“ (pářících se typů). Rozmnožují se dělením napůl a toto dělení nijak nesouvisí se sexuálním procesem (konjugací). Sexuální proces u nálevníků spočívá ve výměně haploidních jader, která se spojí, což vede k vytvoření stejného diploidního genomu u každého účastníka. Poté je tento genom uložen v „pohlavním“ jádru (mikronukleus) a dochází k rozsáhlým přestavbám v somatickém jádře (makronukleu), ve kterých nezůstává prakticky žádná nekódující „odpadní“ DNA. Dvě buňky tedy vstoupí do konjugace a dvě buňky zůstanou na konci. Po sexuálním procesu se počet buněk nezvětšuje, ale jsou již odlišné od těch, které byly spárovány. Zaprvé jsou nyní geneticky identičtí a zadruhé se jejich genotypy liší od jejich „rodičovských“.
Nakreslíme-li analogii s člověkem (u kterého sexuální proces také vždy nevede k rozmnožování), můžeme si to představit, jako by se oba partneři po aktu lásky stali dvojčaty a zároveň se proměnili ve své vlastní děti. – ve skutečnosti byli znovuzrozeni.
Jeden z autorů studie, profesor katedry mikrobiologie Petrohradské státní univerzity, kandidát biologických věd Alexey Potekhin
Vědci strávili několik let studiem charakteristik pohlavního procesu pěti druhů pantoflíčků z rodu Paramecium a zjišťováním, jak je zajištěna přítomnost dvou „pohlaví“ v buňkách, které nemají žádné sexuální vlastnosti. „Ciliates přistupují k otázkám sexu neortodoxním způsobem. Například různé druhy Paramecium mají vícenásobné a binární systémy typů páření. Mnoho typů páření výrazně rozšiřuje možnosti výběru sexuálního partnera – hlavní věc je, že se nejedná o buňku stejného genotypu (se stejným typem páření) a binární systémy jsou „bisexualitou“, která je známá. nás. Jak ukázala praxe, dvě pohlaví jsou docela dost,“ říká Alexey Potekhin.
Ciliates řady druhů Paramecium jsou rozděleny do dvou typů: „sudé“ (E) a „liché“ (O) – velmi podmíněně je lze nazvat zástupci různých „pohlaví“, protože do páření vstupují pouze buňky různých typů. proces. Jak se však poznají, se dlouho nevědělo. Klíčem k řešení byl gen mtA, dříve objevený v Paramecium tetraurelia. Kóduje protein umístěný na řasinkách buněk „sudého“ typu páření v okamžiku, kdy je buňka připravena k pohlavnímu procesu. Tento protein umožňuje buňce rozpoznat nálevníky druhého, „lichého“ typu páření, a takové buňky se mohou vzájemně propojovat. Gen mtA pracuje s pomocí dalších dvou proteinů, mtB a mtC, které kódují specifické transkripční faktory pro mtA. Buňka, která je schopna syntetizovat všechny tři proteiny, bude mít typ párování E, a pokud něco nefunguje, pak typ párování O.
K očištění somatického genomu od všeho nepotřebného používají nálevníci mechanismus genomického skenování pomocí speciálních malých RNA k porovnání starého známého pracovního genomu a nového, který se tvoří po sexuálním procesu. V důsledku toho jsou z nového genomu odstraněny všechny sekvence DNA, které nebyly ve starém genomu, poté je staré makronukleus zničeno a řízení života buňky přechází na nové makronukleus. “Zároveň se genotyp nových jader liší od toho rodičovského, jak by měl být výsledkem sexuálního procesu,” poznamenává Alexey Potekhin.
Studie byla podpořena grantem Ruské nadace pro základní výzkum 19-04-00710a.
Právě pomocí genomového skenování nálevníci druhu Paramecium tetraurelia cytoplazmaticky zdědí typ páření, to znamená, že v buňce potomka bude stejný jako u rodiče. „Buňky s pářícím typem O nemají ve svém genomu funkční gen mtA, protože sekvence DNA obsahující promotor (startovací místo) a začátek genu mtA má náhodnou podobnost s transpozony (takzvané skokové geny, které tvoří významná část nepotřebné DNA buňky) a může být odstraněn z makronukleového genomu jako nepotřebný. Pokud k tomu dojde, pak v následujících generacích bude tato sekvence vždy odstraněna během vývoje makronukleu, protože již byla ztracena ze „šablony“. Výsledkem je, že gen mtA je tichý a buňka zdědí páření typu O,“ říká Alexey Potekhin.
Cytoplazmatická dědičnost typů páření je charakteristická pro několik dalších sourozeneckých druhů komplexu Paramecium aurelia: P. biaurelia, P. sexaurelia, P. septaurelia, P. octaurelia, P. decaurelia a P. dodecaurelia. V nové studii vědci ukázali, že tyto druhy, navzdory jejich blízkému vztahu, používají stejný mechanismus, ale různé způsoby, jak dosáhnout „bisexuality“. Několik druhů používá stejnou metodu jako P. Tetraurelia – epigeneticky zděděnou deleci (nebo chromozomální přeuspořádání) fragmentu obsahujícího promotor a začátek sekvence genu mtA. U P. sexaurelia naopak konec genu mtA prochází stejným „chybným“ přeskupením. U dvou druhů, P. biaurelia a P. septaurelia, mohou být různé fragmenty genu mtB zaměněny za „odpadní“ DNA, bez které gen mtA nemůže fungovat. Konečným výsledkem takových přeuspořádání je ve všech případech nepřítomnost proteinu mtA a buňky s těmito delecemi budou mít párovací typ O.
Když jsem byl studentem, před 25 lety, byl jsem ohromen tím, že pro malou skupinu nálevníků existují až tři způsoby, jak zdědit typy páření (nenajdete takovou rozmanitost mezi všemi mnohobuněčnými živočichy). A pak to byla absolutní záhada, protože nikdo neměl ani ponětí o genomovém skenování nebo genech typu páření.
Profesor katedry mikrobiologie Petrohradské státní univerzity, kandidát biologických věd Alexey Potekhin
„A skutečnost, že naše skupina mohla významně přispět ke studiu tohoto fenoménu, ve mně vyvolává pocit hrdosti na dosažený vědecký výsledek. Bylo to skutečné vědecké hledání,“ zdůrazňuje vědec.
U jiného druhu, P. tredecaurelia, se typy páření dědí nikoli přes cytoplazmu, ale klasicky, v souladu s Mendelovými zákony. Vědci zjistili, že rozdílem mezi klony O a E typů páření u tohoto druhu je ztráta jednoho nukleotidu v promotoru genu mtA u klonů typu E. V genomu P. tredecaurelia není žádný funkční gen mtB, a jeho roli hraje další transkripční faktor. Provedené experimenty umožnily zjistit, že vazebné místo pro tento neznámý faktor je přesně lokalizováno v oblasti promotoru s jednonukleotidovou delecí a gen mtA působí pod takovým promotorem. Pokud nedojde k žádné deleci, pak místo není rozpoznáno a gen mtA nemůže být exprimován. Stejné vazebné místo v promotoru genu mtA je charakteristické pro tři další druhy komplexu Paramecium aurelia a všechny nemají gen mtB.
„To znamená, že ve vývoji této skupiny došlo několikrát k přechodům z jednoho systému regulace páření na jiný. S různými řešeními je výsledek vždy stejný: v každé přirozené populaci musí být buňky dvou typů páření. V evoluci Paramecia, jak se ukázalo, se může uchytit jakékoli schéma zachování heterosexuality – a to jak za účasti různých genů, tak také zahrnujících různá přeskupení v rámci stejných genů. To ukazuje, jak důležitý je sexuální proces i pro jednobuněčné organismy,“ zdůrazňuje Alexey Potekhin.
Nálevníci patří do třídy nejlépe organizovaných prvokových mikroorganismů. Žijí ve stojatých mělkých vodách. Pokud je porovnáme s jinými skupinami prvoků, pak mají nálevníky složitější stavbu.
Vlastnosti mikroorganismů
Třída pantoflíčků je považována za jednu z nejvíce organizovaných. Jsou poměrně velké: jejich velikost může dosáhnout 0,5 mm. Své jméno dostaly díky svému tvaru, který vzhledem připomíná podrážku boty.
Pantoflí nálevníci jsou vždy v pohybu. Přitom plavou tupým koncem napřed. Jejich rychlost pohybu je vysoká – asi 2,5 mm za sekundu. To znamená, že urazí vzdálenost 5-10násobku délky vlastního těla. Trajektorie jejich pohybu je navíc velmi specifická: pohybují se nejen rovně, ale také provádějí rotační pohyby podél podélné osy doprava.
Tyto mikroorganismy lze ředit v malých akváriích. K tomu stačí obyčejné luční seno naplnit vodou z jezírka. V takové tinktuře se tvoří množství jednoduchých mikroorganismů. Nálevníky lze zpravidla detekovat i pod mikroskopem. Fotografie tohoto mikroorganismu umožňují pochopit, proč dostal takové jméno.
Zajištění provozu
Tělo těchto mikroorganismů je protáhlé a vypadá jako podrážka pumpy. Přední konec je úzký, nejširší část je zadní třetina. Tělo je rovnoměrně pokryto řasinkami, které jsou uspořádány v řadách. Těchto mikroorganismů je na těle asi 10 tisíc. Všechny pracují synchronně – dělají pohyby podobné vlnám. Ciliates se pohybují díky těmto koordinovaným pohybům.
Každý si toto stvoření pamatuje s jasným, zapamatovatelným jménem.
Každá řasa při pokojové teplotě vykoná asi 30 pohybů podobných veslu za sekundu. Vibrační vlna začíná od přední části těla a jde dozadu. Současně se podél těla tohoto mikroorganismu vyskytují 2-3 vlny kontrakcí. Všechny řasinky představují jeden funkční celek – jejich akce jsou vzájemně koordinovány, to již dlouho potvrzuje věda biologie. Pantoflíček se může pohybovat různými směry a různou rychlostí. Dokáže reagovat na změny vnějšího prostředí změnou směru pohybu.
Externí funkce
Biologové konvenčně nazývají jednu ze stran těla řasinek pobřišnice. Na této části je uvnitř hluboká drážka. Je to periorální otvor a nazývá se peristome. Na jeho zadní straně jsou ústa a hltan. Na stěnách peristomu jsou řasinky delší. Jedná se o speciální lapací zařízení, které vhání potravu do ústního otvoru brvitého střevíčku.
Vnějším obalem mikroorganismu je buněčná membrána, což je tenká elastická skořápka. Je to ona, kdo poskytuje konstantní tvar těla, který odlišuje pantoflíček od ostatních skupin prvoků. 7. třída ve školách studuje tyto mikroorganismy. Právě v této době se děti učí, že každá řasa má poměrně složitou strukturu.
Struktura
Při bližším zkoumání pantoflíčku brvitého můžete vidět, že jeho tělo je zřetelně rozděleno do dvou vrstev. Vnější kryt je světlejší. Říká se tomu ektoplazma. Vnitřní vrstva je tmavší a má zrnitou strukturu. Říká se tomu endoplazma. Povrchová vrstva ektoplazmy je skořápka, která je zodpovědná za to, že nálevníci mají vždy stejný tvar – střevíc. Fotografie pořízená pod elektronovým mikroskopem umožňuje vidět hustou skořápku zvanou pelikula.
Jeden z nejtypičtějších široce známých zástupců ciliárních druhů.
Ve vnější vrstvě mezi řasinkami jsou kolmé tyčinky. Říká se jim trichocysty a plní ochrannou funkci. Při podráždění jsou trichocysty náhle vymrštěny silou a tvoří tenké dlouhé nitě. S jejich pomocí je dravec, který se snaží zaútočit na botu, poražen. Nové trichocysty rostou místo použitých trichocyst.
Vlastnosti jídla
Třída pantofle ciliate je považována za jednu z nejžravějších. Proces jejich krmení se zastaví až během rozmnožování. Ústní otvor těchto mikroorganismů je vždy otevřený. Proto je tok částic potravy, které vstupují do úst, prakticky nepřerušený.
Během pohybu řasinky vytvářejí neustálý proud vody kolem těla řasenky. S ním se potrava dostává ústním otvorem do hltanu a hromadí se na jeho dně. Spolu s malým množstvím vody se částice potravy vzdalují od dna hltanu a přecházejí do cytoplazmy. V tomto případě se vytvoří trávicí vakuola. Poté, co se oddělí od hltanu, dělá určitou cestu podél těla nálevníku po dobu jedné hodiny.
Nejprve se vakuola pohybuje směrem k zadní části těla. Poté, co popsal malý oblouk, se začne pohybovat směrem k přední hraně. Vakuola se pak začne pohybovat po obvodu těla.
Zpracování potravy v těle těchto mikroorganismů je ukončeno na určitém místě. Zde vycházejí nestrávené zbytky. To odlišuje mikroorganismy, jako jsou nálevníky, zelené euglena a améby. První z nich má přesně definované místo, ve kterém dochází k procesu separace. Jedná se o tzv. břišní stěnu. Ale například v amébě může proces defekace probíhat kdekoli.
Proces zpracování potravin
Při pohybu se trávicí enzymy neustále dostávají do vakuoly a natrávená potrava se již vstřebává do cytoplazmy. Biologie rozlišuje několik fází procesu trávení. Po vytvoření speciální vakuoly začne pantoflíček produkovat speciální enzymy.
Pokud se v prvních okamžicích obsah trávicího orgánu neliší od prostředí, pak se po nějaké době změní. Prostředí ve vakuole se okyselí a začne proces trávení. Poté se obraz změní. Uvnitř vakuol se prostředí stává mírně zásaditým. Tyto podmínky jsou nezbytné pro pokračování trávení. Poměr trvání kyselé a zásadité fáze se může lišit v závislosti na povaze potraviny. Ale zpravidla první část tvoří ne více než ¼ celého období trávení potravy. Proces absorpce potravy se zastaví v době, kdy se střevlík brvitý rozmnožuje.
Vylučovací systém
Tělo pantoflíčku brvitého obsahuje nejen trávicí vakuoly. Existují také speciální vylučovací orgány. Říká se jim kontraktilní vakuoly. U všech nálevníků lze nalézt dva takové vylučovací orgány: jeden se nachází v první a druhý v poslední třetině těla. Každý z nich má speciální strukturu.
Vakuoly se skládají z centrální nádrže a vedoucích kanálů, které k nim vedou. Jejich pracovní cyklus začíná plněním radiálně umístěných kanálů kapalinou. Jejich obsah se nalije do nádrže a z ní přes speciální pór vychází.
V tomto okamžiku se kanály začnou znovu plnit kapalinou. V tomto případě se přední a zadní vakuoly postupně stahují. Intenzita jejich práce závisí na podmínkách prostředí. Při pokojové teplotě tento cyklus proběhne za 10-15 sekund.
Funkční vlastnosti
Stejně jako ostatní prvokové mikroorganismy má střevíčník nálevník buněčné jádro. Ale ve struktuře je to znatelně odlišné. Jaderný aparát je pozoruhodný tím, že nálevníci mají dva různé typy jader. To je jeden z jejich hlavních rozdílů od ostatních mikroorganismů. Ve středu těla (v oblasti peristomu) se nachází velké jádro. Obvykle má vejčitý tvar. Říká se mu také makronukleus. V jeho blízkosti se nachází další jádro, které je několikanásobně menší. Říká se tomu mikronukleus. Rozdíl ale není jen ve velikosti, výrazně se liší i jejich struktura.
V makronukleu je počet chromozomů několik setkrát větší než v mikronukleu. Proto se množství chromozomové látky (chromatinu) v nich výrazně liší. Mimochodem, studiem reprodukce nálevníků pantoflíčků můžete zjistit, že se na tomto procesu podílejí obě jádra.
K produkci potomků stačí pouze jeden mikroorganismus. Ale za určitých podmínek začíná proces konjugace. Toto je název pro sexuální reprodukci nálevníků. Stojí za zmínku, že tento proces je poměrně zdlouhavý.
Asexuální reprodukce
Experimentálně byl studován způsob reprodukce nálevníků. Když je jeden jedinec přesazen do samostatného akvária, po dni už tam najdete 2 nebo 4 mikroorganismy. Období aktivního plavání a krmení končí prodlužováním těla brvitosti. Přesně uprostřed se objevuje prohlubující se zúžení, které slouží jako místo pro rozdělení jednoho mikroorganismu na dva. Celý proces dělení za příznivých podmínek trvá asi hodinu.
Nepohlavní rozmnožování nálevníků pantoflíčků probíhá následovně: ještě předtím, než se na těle objeví zúžení, jaderný aparát se začne zdvojnásobovat. Nejprve se dělí mikrojádra, pak přichází řada na makrojádra. V tomto případě se proces dělení malého jádra podobá mitóze a proces dělení velkého jádra amitóze.
Během tohoto procesu dochází k výrazné hluboké restrukturalizaci těla. Vytvářejí se dva hltany, dva ústní otvory a dva peristoma. Bazální jádra řasinek pokrývajících tělo se také dělí. Těla vzdělaných jedinců jsou jimi díky tomu pevně pokryta.
Sexuální reprodukce
V některých případech lze pozorovat proces konjugace. Jedná se o pohlavní rozmnožování nálevníku. Děje se to následovně: dva mikroorganismy se k sobě přiblíží a přitisknou své břišní stěny k sobě. V této podobě pokračují v plavání asi 12 hodin. Poté se oddělí. Zároveň se v těle nálevníků rozpadá velké jádro a postupně se rozpouští v cytoplazmě. Mikrojádra se nejprve dělí, ale některá jádra vzniklá během tohoto procesu se téměř okamžitě rozpadají. V každé řasence účastnící se procesu zůstávají 2 jádra. Jeden z nich zůstává na místě a druhý se přesune do partnera a splyne s jádrem, které již měl pantoflíček.
Forma rozmnožování, která probíhá tímto způsobem, zajišťuje křížové oplodnění. Pohlavní jádra buněk se spojí. V důsledku toho se v řasence vytvoří zvláštní struktura zvaná synkaryon. Jedná se o složité jádro, které se jednou nebo vícekrát dělí a mění se na makrojádra. Po obnovení normálního jaderného aparátu nálevníků pokračuje proces nepohlavní reprodukce.
Je důležité pochopit, že tento způsob množení střevíčníků nevede ke zvýšení populace, ale ke zvýšení dědičné diverzity.
