Хаусман, Хюльсман, Радек - Протистология (2010 г

18 Введение и общие сведения о протистах

INFl SIONSTHIFA\(]\\E1N

\ ( ) | . 1 . к о ч м » : \ к o h c v m s m k n .

(fhrislintt (5pilfrir5 (fbrrnbrrq

KIN B U C K I N D A S T 1 F . F E R E O R G A N 1 S C H B L E B E N

D E B N VII It.

0>nfa(ion*tburcb<n.

о. c h k i s t u n ( H ) T t h u h d кит-лики»;

a	яры»	F K I K D K H ' l i Wll.ll К L У
n w t М П Ф М Ы Я van тт.тштштт ю и » ш щ М М М Т А М М .
SUtiOUUTT	ц

6

Рис. 4. Титульная страница наиболее известной книги Кристиана Э р е н б е р г а (а) и атласа иллюстраций к ней (б).

кого сомнения, Эренберг является од­			Chlamydomonas,		Cryptomonas, Dino-
ним из столпов протистологии — на­			bryon,	Euglena,	Euplotes,	Loxodes,
столько важен его вклад в зоологиче­			Nassula, Peridinium, Prorodon, Spiro-
скую систематику и микропалеонтоло­			stomum,	Synura и	другие.
гию. Он показал, что меловые обрывы			Около 1840 года воззрения Эрен­
состоят из микроорганизмов — преиму­			берга были подвергнуты резкой крити­
щественно диатомовых1 — и описал			ке со стороны Дюжардена и немецкого
множество свободноживущих протис­			зоолога Карла Зибольда, которые пола­
тов. Названия ряда хорошо известных			гали, что животное может состоять из
родов — наследие его выдающейся на­			одной клетки. Зибольд пытался решить
учной	продуктивности:	Actinophrys,	проблему переопределением			простей­
Amoeba,	Arcella, Bodo,	Carchesium,	ших как животных, в которых различ-

' Опечатка в оригинале. Меловые залежи сформированы не силикатными, а известковыми фоссилиями. Среди последних преобладают раковинки фораминифер и чешуйки гаптомонад из от­ ряда Coccolithophorida. — Прим. ред.

Исторический обзор протистологических исследований

19

ные системы органов ярко не выраже­ ны и которые состоят из одной клетки. Со временем его концепция была при­ нята, и он стал именно тем человеком, который впервые отделил простейших от многоклеточных животных. Интерес­ но также отметить, что первое опреде­ ление клетки было дано в результате изучения живых фораминифер. В 1861 году немецкий анатом Макс Шульце (Max Schultze, 1825-1874), который предложил четырехокись осмия в каче­ стве фиксатора для клеток и тканей, дал классическое описание клетки как ма­ ленького комочка протоплазмы с распо­ ложенным в центре ядром.

Хотя в нашу задачу не входит пере­ числение всех ученых, оставивших свой след в протозоологии, для завер­ шения ретроспективы все же должны быть упомянуты следующие из них: не­ мецкий ботаник Генрих де Бари (Heinrich Anton de Вагу, 1831-1888), который изучал слизевиков; французс­ кий врач Чарльз Лаверан (Charles Louis Alphonse Laveran, 1845-1922), который открыл малярийных паразитов в Ита­ лии и в 1907 году стал лауреатом Но­ белевской премии за свои работы о вы­ зывающих заболевания простейших; швейцарский зоолог Эдуард Клапаред (Edouard Claparede, 1832-1871), кото­ рый вместе со своим соавтором Иоган­ ном Лахманом (Johannes Lachmann) выпустил впечатляющую монографию по инфузориям и ризоподам; англий­ ский зоолог Вильям Севилл Кент (Wil­ liam Savill Kent, 1845-1908) с его изве­ стным «Руководством по инфузориям» (Manual of the Infusoria); немецкий зоо­ лог Рихард Гертвиг (Richard Hertwig, 1850-1937), который выяснил поведе­

ние ядер при конъюгации цилиат; рус­ ский протозоолог Владимир Тимофее­ вич Шевяков (1859-1930), который изу­ чал акантарий; немецкий ботаник Георг Клебс (George Klebs, 1857-1918) с его исследованиями жизненного цикла жгу­ тиконосцев; немецкий зоолог и парази­ толог Рудольф Лейкарт (Rudolf Leukart, 1822-1898), который установил таксон Sporozoa; немецкий специалист по сол­ нечникам и кокцидиям Фриц Шаудинн (Fritz Richard Schaudinn, 1871-1906); не­ мецкий зоолог Франц Шульце (Franz Eilhard Schulze, 1840-1917) с его иссле­ дованиями ризопод; экперт по радиоля­ риям Э. Геккель, который описал более 4000 видов и сопроводил оные изящны­ ми иллюстрациями; французский зоо­ лог Эдуард Бальбиани (Edouard Gerard Balbiani, 1823-1899) как первый проти- столог-генетик; немецкий зоолог Отто Бючли (Otto Butschli, 1848-1920), кото­ рого с легкой руки Клиффорда Добелла (Clifford Dobell, 1951) зовут «архи­ тектором протозоологии» и кто был первым, написавшим всеобъемлющий (в трех томах) учебник по протозоо­ логии.

Большинство ранних протозоологических исследований проводилось в Европе, но к концу XIX века протистов стали изучать по всему миру. В 1879 году Жозеф Лейди (Joseph Leidy) и в 1888 году Альфред Стоукс (Alfred С. Stokes) написали монографии о про­ стейших Северной Америки. Эти пио­ неры переоткрыли многих протистов, уже известных в Европе, и описали не­ мало новых видов. На рубеже XX сто­ летия были накоплены солидные зна­ ния о свободноживущих протистах и уже начали накапливаться сведения о

20 Введение и общие сведения о протистах

Т а б л и ц а 1 . В а ж н ы е д а т ы п р о т и с т о л о г и и

П е р и о д 1 : И с п о л ь з о в а н и е м и к р о с к о п о в д л я о б н а р у ж е н и я м е л к и х н е в и д и м ы х о р г а н и з м о в и л и к л е т о к

А. Левенгук (1675)

П е р и о д 2 : Т а к с о н о м и ч е с к и е и с с л е д о в а н и я

Г.Гольдфус (G.A. Goldfuss) (1818): Protozoa

А. Д'Орбиньи (A. D'Orbigny) (1826): Foraminifera

X. Э р е н б е р г (Chr. G. Ehrenberg) (1838):

с в о б о д н о ж и в у щ и е и ископаемые п р о с т е й ш и е

П е р и о д 3 : О с о з н а н и е п р о т и с т о в как о д н о к л е т о ч н ы х о р г а н и з м о в

С. Зибольд ( С Т . von Siebold) (1845):

Животные с неопределенной формой и простой организацией, у которых различные системы органов нечетко д и ф ф е р е н ц и р о в а н ы , могут быть пред­ ставлены одной единственной клеткой. Простейших можно разделить на р и з о п о д и инфузорий .

Доктрина саркоды и теория протоплазмы:

Ф. Дюжарден (F. Dugardin) (1835) и X. М о л ь ( Н . von Mohl) (1846)

Обоснование клеточной д о к т р и н ы :

М. Ш у л ь ц е ( М . Schultze) ( 1 8 6 1 , 1863): клетка — это маленький комочек протоплазмы с ядром в центре.

Изучение простейших объединяется с клеточной биологией и э м б р и о л о г и е й

П е р и о д 4 : О б ъ е д и н е н и е п р о т о з о о л о г и и с н а р о ж д а ю щ е й с я п а р а з и т о л о г и е й

П р о с т е й ш и е как патогены
Е. Груби (Е. Gruby) (1843):	Trypanosoma	(в	лягушках)
С. Нагели (C.W. von Naegeli) (1857):	пебрина — нозематоз шелкопряда,
	Nosema	bombycis
Ф Л ё ш (F. Losch) (1875):	амебная дезинтерия			(Entamoeba
	histolytica)
P. Лейкарт (R. Leuckart) (1879):	Sporozoa
A. Лаверан (A. Laveran) (1880):	малярия и ее возбудитель (Plasmodium)
O. Бючли (О. Butschli) (1881):	Myxosporidia (=		Myxozoa)
Ж Бальбиани (G. Balbiani) (1882):	Microsporidia (= Microspora),
	Sarcosporidia
Ж. Даттон (J.E. Dutton) (1902):	Trypanosoma	gambiense		—
	возбудитель с о н н о й болезни

П е р и о д 5 : О р г а н и з а ц и о н н о е о ф о р м л е н и е н а у к и п р о т и с т о л о г и и О с н о в а н и е з о о л о г и ч е с к и х л а б о р а т о р и й п р о т о з о о л о г а м и Г е р м а н и и

О. Бючли (О. Butschli), Гейдельбергский университет (1878)

Исторический обзор протистологических исследований

21

Т а б л и ц а 1 . О к о н ч а н и е

Ф.Е. Ш у л ь ц е (F.E. Schulze), Берлинский университет (1884) Р. Гертвиг (R. Hertwig), Мюнхенский университет (1885)

Ф. Ш а у д и н (F. Schaudinn) (1902): основатель и издатель первого протистоло - гического журнала «Archiv fur Protistenkunde», с 1988 года продолжается как «Protist».

Ф. Ш а у д и н (1904): основание протозоологических л а б о р а т о р и й в Reichsgesundheisamt в Berlin-Lichterfelde, в 1906 году основание кафедры протозооло ­ гических исследований в институте морских и тропических болезней (сейчас Bernhard-Nocht-lnstitute) в Гамбурге.

	В.А. Догель (1908)': основание протистологической школы в С.-Петербурге.
	М. Гартман ( М . Hartmann) (1914): основание кафедры п р о т и с т о л о г и и в Био ­
	логическом институте Кайзера Вильгельма в Berlin-Dahlem.
	О р г а н и з а ц и о н н о е о ф о р м л е н и е п р о т и с т о л о г и и н а м е ж д у н а р о д н о м
	у р о в н е
	1947: в С Ш А о с н о в а н о О б щ е с т в о п р о т о з о о л о г о в — в н а с т о я щ е е время это
	международная организация с несколькими национальными секциями; с 1954
	года издает журнал «Journal of Protozoology» (в 1993 переименован в «Journal
	of Eukaryotic Microbiology") .
	1963: основан польский журнал «Acta Protozoologica»
	1968: основан французский журнал «Protistologica» (в 1987 продолжает изда­
	ваться в Германии как «Еигореап Journal of Protistology")
	1972: о с н о в а н о М е ж д у н а р о д н о е о б щ е с т в о Э В О Л Ю Ц И О Н Н О Й п р о т и с т о л о г и и
	(International Society of Evolutionary Protistology — ISEP)
	1999: основан русский журнал «Protistology»2 .
	1 9 6 1 , Прага: созван Первый международный конгресс протозоологов, после
	которого к о н г р е с с ы с о б и р а л и с ь каждые 4 года: 1965 в Л о н д о н е , 1969 в Ле ­
	нинграде, 1973 в Клермон - Ферране, 1977 в Нью-Йорке, 1981 в Варшаве, 1985
	в Найроби, 1989 в Цукубе, 1993 в Берлине, 1997 в Сиднее, 2001 в Иерусали ­
	ме/Зальцбурге, 2005 в Гуанчжоу, 2009 в Рио - де - Жанейро .
'	Ошибочно помещен среди германских ученых. История российской протистологии начинает­
ся значительно раньше (см. Карпов, 2001; Fokin, 2001). — Прим. пер.
1	С 1922 по 1929 год в Московском университете издавался журнал «Архив Русского общества

протистологов» (Archives de la Societe Russe de Protistologie), который был закрыт по полити­ ческим причинам. Он был основан на базе Русского протистологического общества Г. Эпштейном и Ж. Леонтьевым. В состав зарубежной редакционной коллегии входили: М. Hartmann, A. Pascher, J. Oltmanns, Е. Laveran, Е. Chatton, R. Ross и P. Manson. — Прим. пер.

22 Введение и общие сведения о протистах

многих паразитических и патогенных формах. В ряде случаев была собрана значительная информация по сложным жизненным циклам некоторых из этих организмов.

К 1900 году было накоплено доста­ точно знаний, требующих обобщений и новых учебников, поэтому Гари Калкинс (Gary Natan Calkins, 1901 и 1933), Франц Дофляйн (Franz Doflein, 1901, 1909, 1911, 1916), а затем Эдуард Райхенов (Eduard Reichenov, 1929 и 1953) от­ реагировали текстами, не только содер­ жащими необходимую описательную информацию, но и привнесшими знания по общей биологии протистов. Таким образом, протистология настолько по­ полнилась в общебиологическом отно­ шении, что смогла влиться в другие био­ логические дисциплины, ориентирован­ ные на изучение организма (табл. 1).

Хотя описание новых видов продол­ жалось, было обнаружено, что протис­ ты являются идеальной моделью для изучения общих принципов биологии. В частности, клеточная биология много выиграла от изучения особенностей од­ ноклеточных организмов. Заметными преимуществами являются легкость культивирования этих организмов, кото­ рые обычно отличаются высокой скоро­ стью роста и, соответственно, коротким периодом генерации. Как только научи­ лись получать массовые культуры про­ тистов, они стали популярными объек­ тами исследований в молекулярной био­ логии и биохимии. Существует, однако, ряд уникальных особенностей этих организмов, которые еще не были оце­ нены в полной мере, и мы постараемся использовать страницы этой книги, что­ бы их продемонстрировать.

Мы хотели бы завершить этот исто­ рический обзор краткой историей наи­ более важного прибора в развитии про­ тистологии: микроскопа. У Левенгука он был довольно прост — немногим слож­ нее, чем обычное увеличительное стек­ ло (см. рис. 26). Некоторые из конструк­ ций тех лет выглядели весьма экзотично (рис. 5). К концу XIX века микроскопы приняли внешний облик современных. Очевидно, однако, что для формирова­ ния четкого и информативного изобра­ жения важна не форма прибора, а опти­ ка. Огромный прогресс был достигнут в первой половине XIX века: около 1830 года оптика была усовершенствована до такой степени, что опытный микроскопист мог получить разрешение изобра­ жения примерно 1 мкм. Теперь уже не нужно было иметь такой острый (воз­ можно, экстраординарный) глаз, как у Левенгука. По сути именно прогресс в конструкции линз дал возможность наблюдать клеточное ядро; в Европе 1830-х годов клетка и субклеточные структуры стали известны благодаря ис­ пользованию этих улучшенных прибо­ ров. Иммерсионные объективы стали обычными около 1880 года, что позво­ лило получить большее увеличение при усилении яркости и высоком разреше­ нии. Применение апохроматических объективов и соответствующих компен­ сирующих окуляров позволило скоррек­ тировать хроматическую аберрацию и приблизить степень разрешения мик­ роскопа к современному уровню при­ мерно в 1885 году. Позже, около 1932 года, были сконструированы первые фа- зово-контрастные микроскопы, позво­ лившие наблюдать тонкие детали живых клеток. Это был настоящий прорыв для

Исторический обзор протистологических исследований

23

протистологов и клеточных биологов, отмеченный Нобелевской премией гол­ ландскому изобретателю Фрицу Цернике (Frits Zernike). Сегодня мы распола­ гаем различными приспособлениями для микроскопов — яркое поле, темное поле, фазовый контраст, флуоресцент­ ная и дифференциально-интерференци­ онная контрастная микроскопия, — ко­ торые являются рутинными инструмен­ тами при исследовании одноклеточных.

Особое значение в наше время име­ ют электронные микроскопы. Просве­ чивающий электронный микроскоп стал реальным инструментом для про­ тозоологов в середине 1950-х, когда тех­

ника приготовления препаратов улуч­ шилась до такой степени, что можно было получать значимые результаты. Это открытие также было отмечено Нобелевской премией, которую немец­ кий физик Эрнст Руска (Ernst Ruska) получил в 1986 году. Конструирование сканирующего электронного микроско­ па немецким физиком Манфредом фон Арденом (Manfred von Ardenne) в сере­ дине 1960-х обеспечило получение гра­ фической информации об особенностях поверхности протистов и их общей морфологии. Эти электронные микро­ скопы обеспечили новый, небывалый размах в изучении протистов.

24

Клеточная организация протистов

Одноклеточные протисты имеют в целом такую же организацию, как и клетки других эукариот. При помощи электронной микроскопии можно най­ ти некоторые отличия в структуре и ко­ личестве органелл у разных протистов, но можно обнаружить такие отличия и в клетках многоклеточных эукариот. Почти не известно органелл, которые присутствовали бы исключительно в клетках протистов.

Однако появляется все больше дан­ ных, что протисты представляют собой группу организмов с ярко выраженной тенденцией ко вторичному упрощению или даже полной утрате органелл. В хо­ де эволюции типичные для эукариотных организмов митохондрии и харак­ терные для фототрофных эукариот пла­ стиды могут редуцироваться, и об их былом наличии будут свидетельство­ вать лишь несколько генов, перенесен­ ных и сохранившихся в ядерном гено­ ме. Примечательно, что к таким проти­ стам принадлежат медицински значи­ мые паразиты, например Entamoeba и Giardia, которые вторично утратили ми­ тохондрии. Трипаносоматиды' и оомицеты утратили пластиды, типичные для их предков, а у Apicomplexa есть апикопласт — остаток бывшей пластиды.

Мембраны и компартменты

Одна из принципиальных характе­ ристик эукариотной клетки — компарт-

1 См. примечание 2 на с. 76. — Прим. ред.

ментализация цитоплазмы за счет мем­ бран (рис. 6, 7). Как и любая живая клетка, протист отделен от внешней среды клеточной мембраной (рис. 8). Электронно-микроскопические иссле­ дования показывают, что она имеет ти­ пичное трехслойное строение, как лю­ бая биологическая мембрана. Скопле­ ния регулярно расположенных транс­ мембранных белков были обнаружены, например, у некоторых инфузорий (рис. 8е). Функция этих скоплений еще неиз­ вестна.

Снаружи плазматическая мембрана обычно покрыта мукоидным слоем, или гликокаликсом (рис. 8). В его состав иногда входят более длинные филаменты, называемые гликостилями, форма которых видоспецифична (рис. 8, в-д). Гликокаликс состоит из олигосахаридных цепочек гликопротеинов мембраны и гликолипидов. Порой гликокаликс обладает упорядоченной структурой, но она в этом случае не обязательно соот­ ветствует распределению трансмемб­ ранных белков. Он участвует в инфор­ мационной системе клетки, ведь имен­ но в этом слое находятся рецепторные молекулы. Более того, гликокаликс по­ зволяет клетке избирательно поглощать растворенные вещества из окружающей среды. Захваченные молекулы транс­ портируются внутрь клетки при помо­ щи различных механизмов, которые в настоящее время изучаются.

У некоторых цилиат из гипотрих и тинтиннид на поверхности клетки есть мембраноподобная структура — перилемма (см. рис. 24е). Она выглядит как

Клеточная организация протистов

25

Рис. 6. Ультраструктурная организация эвглениды Entosiphon sulcatum: an — ротовой ап ­ парат, ми — м и т о х о н д р и я , пв — пищеварительная вакуоль, ш э р — шероховатый э н д о - плазматический ретикулум. Увел.: 25 ОООх.

26 Введение и общие сведения о протистах

Рис. 7. Срез бесцветной крип - т о м о н а д ы Goniomonas. П р е д ­ с т а в л е н ы о с н о в н ы е э л е м е н т ы к л е т к и п р о с т е й ш е г о ( к р о м е жгутика): аг — д и к т и о с о м а ап ­ парата Гольджи, ми — митохон­ д р и я , пм — п л а з м а т и ч е с к а я м е м б р а н а , св — с о к р а т и т е л ь ­ ная вакуоль, эж — эжектосомы, эр — э н д о п л а з м а т и ч е с к и й ре - т и к у л у м , я — я д р о . У в е л . : ЮОООх.

плазматическая мембрана, но на самом деле это наружная, внеклеточная по­ кровная структура с неизвестной функ­ цией. У диатомовых водорослей остат­ ки клеточной мембраны окружают до­ мик (см. рис. 71).

В дополнение к гликокаликсу у раз­ личных протистов встречаются чешуй­ ки (рис. 9), фибриллярные образования и даже структуры, подобные клеточной стенке. Встречаются также внеклеточ­ ные панцири (лорики), иногда весьма замысловатой конструкции.

Внутриклеточные мембранные сис­ темы протистов, а именно эндоплазма­ тический ретикулум, лизосомы, пероксисомы (микротельца) (рис. 10), аппа­ рат Гольджи (рис. 11), митохондрии (рис. 12) и пластиды (рис. 13, 14), по­ хожи на таковые клеток наземных рас­ тений и многоклеточных животных. Стоит заметить, что представители про­ тистов имеют самое маленькое и самое большое среди эукариот количество ци­ стерн в аппарате Гольджи: одна или две у Tetrahymena (Ciliophora) в период ве-

Клеточная организация протистов

27

		Р и с . 8 . П л а з м а л е м м а
	а	(пл)		р а з л и ч н ы х п р о т и с ­
		тов .		Гликокаликс			Amoe­
		ba	proteus,			о к р а ш е н н ы й
		F I T C - C o n А ( а ) ; а м е б а
		Vampyrella lateritia с вой -
		локоподобным материа ­
		лом (вм) на поверхности
		(б);		поверхность Vannella
		simplex в			с к а н и р у ю щ е м
		э л е к т р о н н о м м и к р о с к о ­
		пе (в), поперечный с р е з
		ее п л а з м а л е м м ы в п р о ­
		с в е ч и в а ю щ е м электрон ­
		н о м		м и к р о с к о п е			(г) и
		схема строения структу­
		рированного гликокалик-
		са с г л и к о с т и л я м и ( д ) .
		Упорядоченное располо ­
		ж е н и е в н у т р и м е м б р а н -
		ных частиц у и н ф у з о р и и
		Cyclidium			(е)	(в и г — л ю ­
		б е з н о п р е д о с т а в л е н ы
		Э. Хаусман, Берлин; е —
		л ю б е з н о п р е д о с т а в л е н
		К.Ф. Б а р д е л е , Т ю б и н ­
		г е н ) . У в е л . : а — 1 5 0 х ,
		6 — 1 8 5 ОООх, в — 7 500х,
		г	—		150 ОООх,		д —
		100 ОООх.

гетативного роста и до 30 и более у Trichonympha (Hypermastigida).

Три типа нестандартных органелл представлены гликосомами, гидрогеносомами и митосомами. Гликосомы — сферические или эллипсоидальные пу­ зырьки размером 0,2-0,3 мкм, не обла­ дающие отличительными морфологи­ ческими признаками, — встречаются только у трипаносоматид (рис. 15). Одна клетка Trypanosoma brucei содержит порядка тридцати таких органелл. Три-

паносоматиды, населяющие кровенос­ ное русло хозяина, поглощают глюкозу и разлагают ее до пирувата, используя для этого семь гликолитических фермен­ тов, которые содержатся в гликосомах. Гликолиз в этих органеллах идет эффек­ тивнее, чем в цитозоле, где он осуще­ ствляется у всех остальных эукариот. Возможно, гликосомы эволюционно связаны с пероксисомами, которые от­ сутствуют у трипаносоматид. По после­ дним данным, гликосомы содержат бел-