Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
Оплодотворение и образование межвидовых барьеров 7
Ультраструктура спермиев и проблемы систематики 10
Ультраструктура спермиев моллюсков 14
Спермин иглокожих 26
Филогенетический анализ двустворчатых моллюсков и голотурий . 34
2. Материал и методы 43
3. Результаты 47
3.1. Морфология яйцеклеток 47
3.2. Морфология спермиев 50
3.2.1. Спермин двустворчатых моллюсков 50
Mercenaria stimpsoni 50
Mactra chinensis 53
Yoldia notabilis 56
Yoldia keppeliana 59
Mizuhopecten yessoensis 63
Chlamys swifti 66
Chlamys farreri 70
Clinocardium ciliaium 77
Astarte borealis 81
3.2.2. Спермин голотурий 87
Cucumaria conicospermium 87
Semperiella drozdovi 90
3.3. Филогенетический анализ 93
4. Обсуждение 98
Морфология спермиев 98
Филогенетический анализ и эволюция спермиев 107
Выводы .125
Список литературы 126
- Ультраструктура спермиев и проблемы систематики
- Филогенетический анализ двустворчатых моллюсков и голотурий
- Морфология яйцеклеток
- Филогенетический анализ
Введение к работе
Актуальность проблемы
Формирование изолирующих приспособлений между видами - одна из
центральных проблем теории эволюции. Целую систему специальных
изолирующих приспособлений, поддерживающих целостность видов, составляют
репродуктивные механизмы. Эрнст Майр отводит важную роль
посткопуляциоииым механизмам репродуктивной изоляции, среди которых особую роль в препятствовании формирования межвидовых гибридов имеет процесс слияния гамет - оплодотворение [3 0]. Позже, Майр неоднократно подчеркивал важность цитологических исследований для понимания механизмов видообразования: "Для подавляющего большинства животных все еще не известно, какие именно изолирующие механизмы предотвращают скрещивание близкородственных видов. И натуралист, и цитолог, и генетик располагают неограниченными возможностями для открытий в этой области". [32, с. 69].
Позвоночные и беспозвоночные животные обладают видоспецифичным оплодотворением, которое заключается в том, что внутривидовые взаимодействия гамет более эффективны, чем межвидовые. Механизм этих взаимодействий исследуется давно, и в большинстве случаев изучению подвергалась мужская "часть". [162]
Блокирование оплодотворения может происходить в 4 ключевых точках этого процесса: 1) индукция акросомноЙ реакции компонентами поверхности яйца, 2) адгезия спермия на оболочках яйцеклетки, 3) проникновение спермия через яйцевые оболочки и 4) слияние мембран гамет. [121]
В этом процессе выделяется 2 уровня: клеточный и молекулярный. На молекулярном или биохимическом уровне ведущая роль отводится взаимодействию спермальньтх лектинов яиц и сперматозоидов. На цитологическом уровне особая роль в межвидовой изоляции принадлежит морфологии гамет. Спермальному отбору у животных в исследованиях последних лет уделяется все более пристальное внимание. [102]
Изучение строения гамет дает обширный материал для решения проблем репродуктивной изоляции на посткопуляционном уровне. Во многих работах показано, что слияние гамет обеспечивается взаимодействием особых
гликопротеииовых рецепторов. Изучение механизмов видоспецифичности оплодотворения ведется на примере двух "модельных" групп: комплекса видов морского ежа Echinometra mathaei, в котором выделяют до 4 обособленных видов, и 7 видах рода Haliotis, обитающих в западных прибрежных водах Северной Америки. Специфические белки гамет морских ежей, участвующие в оплодотворении и образовании межвидового барьера, называют биндинами. [121, 128, 129, 162, 176] У морских "ушек" такие белки представлены лизинами. [121]
Для более полного понимания принципа работы межвидовых барьеров на уровне взаимодействия гамет необходимо ультраструктурное исследование спермиев.
Двустворчатые моллюски и иглокожие - бентосные животные и обычно составляют важный компонент прибрежных сообществ, так как зачастую доминируют в биоценозах, достигая иногда значительной биомассы в несколько килограмм на кв. м. [S, 9]Большинство массовых видов употребляются человеком в пищу и являются объектами промысла и марикультуры, поэтому важность всестороннего их изучения очевидна.
Известно, что пока не было найдено двух видов животных с одинаковым строением сперматозоидов. Поэтому мужские гаметы неоднократно использовалось как для разделения видов-двойников, так и для уточнения таксономического статуса более высокого порядка. [2, 53, 58, 80, 98, 140] Однако необходимо отметить, что ультраструктура спермиев двустворчатых моллюсков изучена лишь у нескольких десятков из нескольких тысяч известных науке видов.
Таким образом, очевидно, что в свете значимости знания строения спермиев для таксономии и филогении, необходимо изучить ультраструктуру гамет у гораздо большего количества видов, чем это пока сделано.
Для иглокожих, в отличие от моллюсков, характерно относительное сходство строения сперматозоидов. У представителей пяти классов иглокожих описано всего два основных типа сперматозоидов - с конической и сферической формами головки спермиев. [19, 68] Исследования близкородственных видов у иглокожих немногочисленны. В настоящее время изучена ультраструктура сперматозоидов у немногим более 30 из приблизительно 2 тыс. известных науке видов голотурий. [19, 23, 68]
В классе голотурий встречаются оба типа сперматозоидов, однако основной
формой является сферическая. Конические сперматозоиды описаны как исключение лишь у двух видов рода Cucumaria: С. lubrica и С. pseudocurata . [60,
61]
Цели и задачи исследования
Целью работы было ультраструктурное изучение спермиев двустворчатых моллюсков и голотурий и выявление специфичности морфологии спермиев для таксонов разного уровня. Исходя из этого, были поставлены следующие задачи:
Изучить сперматозоиды представителей двустворчатых моллюсков из разных семейств, примитивных и эволюционно продвинутых.
Оценить специфичность морфологии спермиев двустворчатых моллюсков для таксонов разного уровня.
Исследовать ультраструктуру спермиев голотурий - представителей семейств Cucumariidae и Phyllophoridae.
Провести молекулярно-филогенетический анализ двустворчатых моллюсков и голотурий.
На основе молекулярно-филогенетического анализа провести сравнение морфотипов спермиев двустворчатых моллюсков и голотурий и определить тенденции их эволюции.
Научная новизна
Впервые описана ультраструктура сперматозоидов 10 видов двустворчатых моллюсков из 6 семейств и 3 отрядов: Yoldia notabilis, Y. keppeliana, Mizuhopecten yessoensis, Chlamys swifti, С farreri, С rosealba, Clinocardium ciliatum, Astarte borealis, Mactra chinensis, Mercenaria stimpsoni. Показано, что каждому из изученных семейств свойственен определенный тип морфологии спермиев. На основе собственных данных и анализа литературы представлен прототип и предложена схема эволюции спермиев двустворчатых моллюсков.
Описаны сперматозоиды 2 видов голотурий, в том числе и нового вида Cucumaria conicospermium. У этого вида обнаружена нехарактерная для рода Cucumaria форма спермиев.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Региональной конференции по актуальным проблемам морской биологии и экологии студентов, аспирантов и молодых ученых (Владивосток, ДВГУ 2000), на Конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых Научно-образовательного центра ДВГУ «Морская биота» (Владивосток, 2002), на Международной конференции "Mollusks of Northeastern Asia and Northern Pacific: Biodiversity, Ecology, Biogeography and Faunal History" (Владивосток, 2004), на научной сессии Института биологии моря Дальневосточного отделения Российской академии наук, на семинарах лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ и 1 принята в печать.
Структура диссертации
Диссертация изложена на 141 стр., содержит 48 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 176 названий.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю А.Л. Дроздову за руководство и помощь в написании работы. Также благодарю сотрудников лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН за критику и обсуждение материалов диссертации на этапе подготовки рукописи. Благодарю свою жену О.В. Тюрину и отца А.Н. Тюрина за поддержку в работе. Отдельную благодарность выражаю Н.М. Барановской, А.А. Вараксину и М.А. Ващенко за помощь в редактировании рукописи, а также А.А. Реунову за идейную помощь в работе.
Ультраструктура спермиев и проблемы систематики
Слово "сперматозоид" впервые появилось у Бэра в 1827 году. [47] Данный термин обычно используется для обозначения стадии мужских гамет после конденсации ядерного материала, но это определение не позволяет четко отличать "поздние" сперматиды от "ранних" сперматозоидов. Лучшим определением служит следующее: постмейотическая гаплоидная мужская половая клетка после ее выхода из семенного эпителия. [5, 6,47]
Отсутствие одинаковых сперматозоидов у двух, даже самых близких видов, привело исследователей к мысли о возможности использования морфологии мужских гамет в решении вопросов систематики и филогении. По мере накопления фактического материала строение спермиев начали использовать не только для уточнения, но и для построения систем в рамках отдельных таксонов. Данный метод нашел применение в таких группах животных, как: моллюски, круглые черви, членистоногие, рептилии и др.
Пристальное и целенаправленное изучение гамет моллюсков, в частности двустворчатых, началось примерно с 1955 года с работ Франзена "Сравнительное морфологическое изучение гаметогеиеза моллюсков". Через год он выпускает еще одну статью "О сперматогенезе, морфологии сперматозоидов и биологии оплодотворения среди беспозвоночных". [90, 91] В первой статье Франзен анализирует процесс сперматогенеза у б классов моллюсков (Polyplacophora, Solenogastres, Gastropoda, Lamellibranchia, Scaphopoda, Cephalopoda). Он также дает описание морфологии спермиев на светооптическом уровне.
В современной литературе накоплен обширный материал по морфологии спермиев различных групп растений и животных. Первым же, кто обратился к сравнительному изучению сперматозоидов, были шведский гистолог Ретциус и русский цитолог Кольцов.
Сходство цитологических процессов, имеющих место при развитии гамет, как в ходе сперматогенеза, так и овогенеза животных, относящихся к разным уровням и ветвям филогенетического древа, говорит о том, что цитологические закономерности гаметогенеза многоклеточных яшвотных сформировались на самых ранних этапах филогенеза многоклеточных животных. [5, 6]
Г. Ретциус, используя световой микроскоп, описал строение сперматозоидов у многих видов животных, как примитивных, так и высокоорганизованных, и выделил несколько типов их строения. [144] Ретциус установил общий план строения спермиев, а гипотетический спермий, строение которого соответствует этому общему плану, назвал "примитивным спермием". У "примитивного спермия" различают три части: головку, среднюю часть и хвост. Головка содержит сферическое ядро и акросому, средняя часть - две центриоли (проксимальную и дистальную) и одну или несколько митохондрий. От проксимальной центриоли берет начало жгутик.
Концепция "примитивного спермия" активно разрабатывалась другим шведским зоологом - Франзеиом, в своих исследованиях он использовал сначала методы световой микроскопии, а затем и электронной. На основании проведенных исследований он выделяет два основных типа сперматозоидов - примитивный и модифицированный. [92] Сперматозоиды, принадлежащие к примитивному типу, имеют округлую или коническую головку, простую акросому, короткий митохондриальный участок и длинный жгутик. Модифицированные сперматозоиды относятся к "развивающемуся" типу. Данное положение основывается на следующих фактах: примитивный тип встречается практически у всех типов животных, эти сперматозоиды приспособлены к наружному оплодотворению. Модифицированные сперматозоиды развиваются из "примитивных" во время сперматогенеза. Этой ate концепции придерживаются и такие известные цитологи того времени, как Бачетти и Афцелиус. В своей монографии, посвященной биологии спермиев многоклеточных животных, они дополняют схему филогенетического дерева, которую использовал Франзен для демонстрации встречаемости типов спермиев в различных систематических группах. Однако Бачетти и Афцелиус приводят некоторые возражения против концепции "примитивного спермия" Ретциуса. Одним из них является то, что у одноклеточных, в том числе и у колониальных, сперматозоиды такого типа не встречаются. Также под сомнение ставится первичность наружного оплодотворения у простейших. [27] Более удачным названием такого прототипа спермия следует считать "базовый" или "классический". Рассматривая проблему эволюции мужских гамет необходимо учитывать филогенетические и экологические аспекты. Эволюция спермиев коррелирует с эволюцией способов оплодотворения. Сходные условия наружного оплодотворения (продвижение спермиев в воде, наличие акросомы, разрушающей яйцевые оболочки) вызывает формирование сходных классических спермиев в разных группах животных. При переходе к внутреннему оплодотворению в разных группах животных наблюдается превращение классического спермия в модифицированный. [40, 46, 106]
Морфология спермиев у большинства животных носит адаптивный характер. В общем, строения спермиев зависит от строения яйцевых оболочек и характера оплодотворения. Это хорошо прослеживается на гаметах двустворчатых моллюсков [24], гастропод [98, 99], иглокожих [25, 42, 104], рыб, турбеллярий [55, 57] и др. В таких группах животных, как моллюски, круглые черви, членистоногие, морфология спермиев активно используется для систематики. [68, 105] Морфологию гамет часто используют для решения проблем систематики и филогенетики многоклеточных животных. Такой подход оказывается полезным для установления статуса семейств и отрядов [27, 14, ПО, 140], уточнения видовой принадлежности, а также при разделении близкородственных, морфологически очень сходных видов, в том числе видов-двойников [2, 15, 80]. Виды-двойники -это виды, которые не приобретают заметных морфологических различий в процессе эволюции, однако обнаруживают достаточную специфичность других признаков. [31]
Согласно современным представлениям, основанным в основном на молекулярно-генетических данных, билатеральные многоклеточные животные разделяются на 3 ветви - Deuterostomia, Lophotrochozoa и Ecdysozoa. [141] В настоящей работе было проведён сравнительный анализ ультраструктуры спермиев представителей всех этих трёх ветвей билатеральных животных. Были выбраны морские животные, имеющие наружное осеменение и живущие в одинаковых экологических биотопах. Основное внимание было сосредоточено на изучении спермиев двустворчатых моллюсков, принадлежащих к типу Mollusca -центральной группе Lophotrochozoa. В качестве представителей Deuterostomia были выбраны голотурии, принадлежащие к типу Echinodermata — центральной группе вторичноротых. В качестве представителей Ecdysozoa были выбраны мечехвосты, принадлежащие к типу Arthropoda - центральной группе этих животных. Лимулюсы обитают в прибрежье тропических морей и имеют наружное осеменение. Их гаметы хорошо изучены ранее и потому мы ограничились литературными данными по ультраструктуре гамет Limuhis. [166]
Филогенетический анализ двустворчатых моллюсков и голотурий
Кладистика - один их активно развивающихся подходов в сравнительном анализе в биологии. Сферой его приложения преимущественно является филогенетические таксономические направления.
Существует большое число различных методов реконструкции филогенетических дендрограмм на основе молекулярных данных. [135] Они могут быть разделены на два класса - методы, основанные на дистанциях и методы, основанные на индивидуальных, дискретных, признаках. Первая группа методов основана на расчете попарных эволюционных дистанций для всех анализируемых таксономических единиц (OUT) и последующей реконструкции филогенетической дендрограммы. Методы второй группы (maximum parsimony и maximum likelihood) используют для реконструкции дендрограммы дискретные признаки, например нуклеотиды в молекуле ДНК, анализируя эволюционные взаимоотношения последовательностей для каждой нуклеотидиой позиции. Необходимо отметить, что некоторая молекулярная информация (например, данные о ДНК-ДНК гибридизации) может существовать только в виде метрик расстояний, и поэтому такая информация используется только в контексте анализа эволюционных дистанций, т.е., в первой группе методов. Дискретные данные также могут быть использованы в контексте методов первой группы.
Реконструирование филогенетических дендрограмм - это статистическая задача, и получаемая дендрограмма - это всегда оценка настоящей филогении с определенной долей вероятности, также как арифметическое среднее, рассчитанное на основе некоторой выборки, является оценкой среднего генеральной совокупности. Очень часто видовая филогения не может быть установлена с большой долей вероятности, и поэтому прибегают к сравнению филогении общих генов изучаемых организмов. Построенная на основе этого сравнения филогенетическая модель называется генным деревом (gene tree), в противоположность видовому дереву (species tree), т.е., дендрограммы, отражающей реальную филогению изучаемой группы. Генное дерево может совпадать, либо не совпадать с видовым. Есть по крайней мере два источника ошибок, возникающих при построении дендрограмм на основе нуклеотидных или аминокислотных последовательностей: дендрограмма филогенеза будет некорректно построена, если существуют случайные или систематические ошибки в трактовке нуклеотидных или аминокислотных последовательностей дендрограмма филогенеза может быть некорректной в том случае если она правильно объясняет эволюцию нуклеотидных последовательностей, так как дупликации, горизонтальный перенос, и ранняя дивергенция генов могут поддерживать филогенетическую гипотезу, отличную от истинной. [125]
Явление ранней дивергенции генов (deep coalescence), например, может приводить к серьезным ошибкам при построении филогенетических моделей; поскольку при этом участок генома дивергирует и начинает независимо эволюционировать раньше, чем происходит дивергенция видов - таким образом последующий филогенетический анализ будет свидетельствовать в пользу более древнего момента разделения предкового вида на два дочерних. Наличие ранней дивергенции и дупликации генов - это только часть проблемы, другая часть заключается в невозможности выбрать последовательности, которые в действительности эволюционировали от одной предковой. Например, конфликт между генной и видовой филогениями был бы преодолен, если были бы известны оба аллеля (в случае «один ген + одни псевдоген») для всех изучаемых видов.
Этот источник ошибок не существовал бы вообще, если бы все нуклеотиды в геноме были бы связаны друг с другом на протяжении всей истории развития. что является таковым для геномов органелл. Однако благодаря внутри- и межхромосомной рекомбинации, ядерный геном состоит из множества разделенных участков сцепления, каждый из которых имеет свою эволюционную историю развития. [157] Некоторые авторы призывают анализировать имеющиеся данные сообща, в то время как другие предлагают обратное - никогда не смешивать в одной дендрограмме данные из различных источников. [135] Нейтральное положение было занято третьей группой авторов, соглашающихся с тем, что различные данные могут быть действительно проанализированы вместе лишь в том случае, если они являются ие слишком гетерогенными. Памило и Ней а также By исследовали условия, повышающие согласованность частных дендрограмм с общей моделью филогении. [139, 174] Они обнаружили любопытную закономерность: когда на внутренних узлах дендрограммы эффективный размер популяции мал, а расстояние между узлами достаточно велико, вероятность согласованности топологий максимизируется. Напротив, если расстояние между узлами дендрограммы стремится к нулю, в то время как эффективный размер популяции (т.е. ширина узлов) увеличивается до бесконечности, распределение индивидуальных дендрограмм приближается к характерному Марковскому распределению.
Последовательности, взятые у разных видов из одного участка сцепления скорее всего буду ассоциированы с одной определенной дендрограммой. Это значит, что последовательности из разных участков сцепления могут служить в качестве независимых источников информации о филогении видов. Это наводит на мысль, что парсимонийные дендрограммы могут и должны быть независимо построены на основе последовательностей из нескольких участков сцепления, а затем использованы для создания консенсусной модели филогении. Для разрешения этого вопроса Мэдисон и Слоуински предложили использовать метод парсимонии генных деревьев (gene tree parsimony), заключающийся в подгонке дендрограммы, основанной на одном участке сцепления, под общее филогенетическое дерево, и минимизации несоответствия между промежуточной и конечной дендрограммами. [125, 157]
Вся совокупность исследуемых объектов делится на "исследуемую группу" и "внешнюю группу". Первая служит собственно объектом анализа, для нее разрабатывается кладистическая гипотеза. Вторая представляет собой средство определения иерархии в структуре разнообразия исследуемой группы. В выделении исследуемой и внешней группы основное требование - их взаимное неперекрывание в некоем "генеалогическом пространстве", т. е. монофилия первой относительно второй.
Морфология яйцеклеток
Моллюски и иглокожие - это две древние группы целомических животных, возникших около 600 млн. лет назад. Их ископаемые остатки находят в кембрийских слоях, причём представители обеих этих групп без труда идентифицируются как соответствующие типы, принципиально не отличающиеся от современных представителей. Уже в кембрии эти животные обитали в сходных биотопах.
Моллюски - это один из наиболее разнообразных и специализированных типов животных. Они относятся к группе Spiralia или Trochozoa, к которой таюке относятся Plathelmintes, Nemertea, Sipuncula, Echiurida, Annelida. Моллюски играют важную роль в природных экосистемах, особенно морских. Многие из них имеют большую коммерческую ценность и потому логично, что им посвящено большое количество исследований. Тем не менее, вопрос о происхождении сестринских групп моллюсков не решен. [173] Нет устоявшихся представлений и о взаимоотношении таксонов, и об их филогении внутри типа моллюсков. Развитие филогенетики моллюсков получило новый толчок в последние десятилетия, благодаря распространению молекулярно-филогенетических методов.
По мере накопления данных по нуклеотидным последовательностям разных генов в генном банке, появляются новые работы, которые кажутся более убедительными по сравнению с первыми работами по молекулярной филогении двустворчатых моллюсков. [173] Одной из последних работ по филогении двустворчатых моллюсков является работа Гирибета и Вилера. [94] Она основана на анализе 18S рРНК (рис. 3).
Помимо молекулярных данных для филогенетического анализа используется морфологические признаки (конхиологические и анатомические, палеонтологические и цитологические). [95] Схемы, получаемые с использованием разных подходов дополняют и уточняют друг друга, взаимо дополняясь. Для цитологических филогенетических построений обычно используют ультраструктуру сперматозоидов. [95, 105, 106]
Спермин моллюсков демонстрируют очень высокие уровень разнообразия, несмотря на то, что почти все они относятся к "примитивным" спермиям по терминологии Г. Ретциуса и А. Франзена. [91, 144] Такие спермин характерны для животных с наружным осеменением. Эти термины используются до сих пор. Однако многие авторы полагают, что называть их "примитивными" не корректно. Предлагается называть их "классическими" спермиями или акваспермиями. [14, 63, 150] Согласно последним авторам среди "акваспермиев", следует различать "энтакваспермии" и "эктакваспермии" в зависимости от того, какое осеменение -наружное или наружи о-внутренние. Помимо акваспермиев различают "интраспермии", которые характерны животным с внутренним осеменением и не выбрасываются в воду. Терминология энтакваспермии, эктакваспермии и интраспермии достаточно часто используется в работах по изучению спермиев у животных. [74, 97] Очевидно, что для филогенетической реконструкции любой группы животных желательно, а иногда и необходимо, изучать морфология спермиев как близких видов, так и представителей таксонов более высохсого порядка.
В мире известно около 20 тыс. видов двустворчатых моллюсков. В Японском море обитает около 200 видов. Нами изучены представители 2 подклассов: Protobranchia и Ptenomorphia. К первому подклассу принадлежат представители отряда Nuculoida (сем. Yoldiidae), а к подклассу Ptenomorphia представители отрядов Ostreoida (сем. Pectinidae) и Veneroida (сем. Cardiidae, Astartidae, Mactridae, Veneridae). Спермин йолдий имеют сферическую головку, небольшую акросому и 5-6 митохондрий в средней части. Спермии представителей разных семейств из п/кл Ptenomorphia имеют вариабельную форму головки: коническую, бочонковидную, палочковидную, серповидную.
Двустворчатые моллюски исключительно водные животные. Очевидно, что водный образ жизни отражается на всех аспектах их организации и жизнедеятельности. Двустворчатые моллюски обладают только наружным осеменением и не имеют органов копуляции. Половые продукты выметываются в воду, где и происходит оплодотворение. Как указывают многие авторы, характер оплодотворения прямым образом влияет на строение гамет, в большей степени на более активных участников этого процесса - сперматозоиды. [24, 37, 55] В общих чертах необходимость движения в воде выражается в наличии длинного хвоста, хорошо развитых митохондрий и акросомы, предназначенной для разрушения яйцевых оболочек. Рассматриваемые в данной работе виды моллюсков являются морскими. Как видно из рисунков спермин Yoldia notabilis, Y. keppeliana, Mizuhopecten yessoensis, Chlamys swifti, C. farreri, C. rosealba, Clinocardium ciliatum, Astarte borealis, Mactra chinensis, Mercenaria stimpsoni имеют классическое строение. Они состоят из головки и хвоста, представленного жгутиком. Головка включает в себя акросому, ядро, митохондрии и центриолярный аппарат. Акросома состоит из акросомного пузырька и периакросомного материала. Периакросомный материал может содержать наряду с гранулярным компонентом фибриллярный и быть погруженным в апикальное углубление ядра. Ядро заполнено гомогенным электронно-плотным содержимым, иногда в ядре встречаются электронно-прозрачные лакуны. Митохондрии, как правило, сферические, могут частично погружаться с углубления базальной части ядра. Внутри кольца митохондрий лежат две взаимно перпендикулярные центриоли. В целом план строения спермиев является типичным для большинства исследованных видов двустворчатых моллюсков. [19] Однако, наряду с наличием общего плана строения, спермин описанных нами видов довольно сильно отличаются друг от друга.
Форма головки спермиев определяется в основном ядром, и является одним из основных диагностических признаков, который используется для уточнения систематического статуса некоторых таксонов и отдельных видов.
По мнению многих исследователей, одним из наиболее изменчивых органоидов спермиев двустворчатых моллюсков является акросома. [90, 117, 143] Акросома двух видов йолдий имеет довольно простое строение: конусообразный акросомный пузырек размером около 1 мкм накрывает собой периакросомный материал. Периакросомный материал не погружается в ядерное углубление и состоит только из слабо выраженного гранулярного компонента, фибриллярный компонент отсутствует. Такая простая организация акросомы характерна и для других представителей Protobranchia. В частности, у близкородственных Solemya reidi и видов из рода Nucula акросома организована по такому же плану: конусо- или чашеобразный акросомный пузырек, рыхлый, несвязанный периакросомный материал, отсутствует ядерное углубление. [96] Скорее всего, такие простые черты организации акросомы характерны для всей примитивной группы Protobranchia, но для подтверждения данного предположения необходима информация об ультраструктуре спермиев большего числа видов. Кроме того, отсутствие ядерного углубления не следует рассматривать, как примитивный признак. Ядерное углубление может отсутствовать и у видов из сем. Veneridae с достаточно развитой акросомой. [159]
Филогенетический анализ
У спермиев остальных видов митохондрий 4. Интересно, что у Mercenaria stimpsoni митохондрий 4, в то время как у ранее описанных видов из этого семейства (Veneridae) их 5. [159]
На возможность использования морфологии спермиев для систематики указывали многие авторы. Специфичность формы спермиев для некоторых семейств и подсемейств двустворчатых моллюсков отмечается разными авторами. Как уже отмечалось выше, форма головки спермиев может быть самой разнообразной: от бочонковидной до конусовидной и изогнутой. [16, 19, 24, 95]
Типичной формой спермиев для семейства гребешков (Pectinidae) как правило называется конусовидная. К описанным выше типам форм спермиев следует добавить еще два, описанные нами у исследованных видов. Это сферическая или слегка вытянутая у обоих видов рода Yoldia и бутылковидная у С. rosealba и М. yessoensis. Из рис. 17-21 видно, что бутылковидная форма весьма незначительно отличается от основной конусовидной.. Однако данные отличия вместе с другими характеристиками четко разграничивают спермин разных видов и подтверждают широко распространенное мнение о видоспецифичности мужских гамет. [168]
Многими отмечается факт увеличения размеров акросомы и спермия в целом с увеличением размера яйцеклеток и, как следствие, с увеличением толщины яйцевых оболочек. [19] Однако связь толщины и плотности яйцевых оболочек с размерами яйцеклеток и типом развития не следует абсолютизировать - яйцевые оболочки могут быть развиты и у видов с небольшими яйцеклетками и планктотрофной личинкой {Mytilus edulis, Crenomytilus grayanus). В то время как у видов рода Yoldia средний размер яиц колеблется в пределах 100-200 мкм у описываемых нами видов гребешков размеры яиц не превышают 70-80 мкм. [19, 22] Стоит отметить, чем же вызвано увеличение яиц йолдий. Это связано прежде всего с необычным для всего класса двустворчатых моллюсков развитием у этого рода. У йолдий вместо привычного для двустворчатых моллюсков велигера имеется личинка эндоларва, которая является лецитотрофной. Именно с лецитотрофным развитием большинство авторов связывают увеличение размеров яиц. [25]
Как уже указывалось выше, специфичность спермиев у двустворчатых моллюсков носит различный характер. Так, показано, что наряду с общей специфичностью морфологии спермиев для семейств общие черты строения прослеживаются на уровне некоторых надсемейств, а у митилид на уровне подсемейств. [16, 19, 24, ПО] Более общие черты морфологии спермиев специфичны на уровне более крупных таксонов - подклассов и отрядов. Однако, специфичность ультраструктуры спермиев может использоваться и на видовом уровне, например, для разделения близкородственных видов. С помощью этого метода был выделен вид Mytilopsis leucophaeata из комплекса видов Driessena spp., а также показано различие видов Mytilus edulis из Белого моря и М. trossulus из Японского моря, ранее эти виды считались одним видом Mytilus edulis . [15,75]
Различные "уровни" строения спермиев двустворчатых моллюсков специфичны для таксонов разного уровня: от вида до надсемейства. Так, отличия между близкими видами могут заключаться лишь в незначительных модификациях формы головки, размеры акросомы, выраженность периакросомного материала. Для уровня подсемейств отличия будут носить более заметный и важный для систематики характер: значительные отличия в строении и размерах акросомы, количестве митохондрий, тогда как различия в форме головки незначительны или укладываются в рамки типовой формы. Основной уровень, на котором морфология спермиев двустворчатых моллюсков играет выраженную и наиболее заметную роль, это семейства. Для семейств двустворчатых моллюсков, и это было замечено еще в середине прошлого века, характерен определенный тип формы спермиев - от сферической до спиральной, акросома может принимать различные формы, строение средней части также различно, у примитивных моллюсков (все Protobranchia и Mytilidae) наблюдается непостоянство количества митохондрий, тогда как у спермиев остальных видов митохондрий 4, и отличия касаются лишь формы и размеров митохондрий. [24, 110] Для уровня надсемейств достаточно сложно выделять какие-то особенности морфологии спермиев, однако такая попытка была осуществлена для отряда Venerida, поскольку в этом отряде встречается большее разнообразие форм спермиев, чем в других группах. [96] В основном упор делался на тонкое строение акросомы и периакросомного материала. Для более высоких таксонов морфология спермиев двустворчатых моллюсков выраженной специфичности не несет.
Согласно каталогу Адрианова и Кусакина, в зал. Петра Великого обитает 21 вид голотурий, принадлежащих к 4 отрядам и 9 семействам. [1] Большинство из этих видов достаточно редки и играют незначительную роль в биоценозах, но 3 вида являются массовыми: Cucumaria japonica, Apostichopus japonicus, Eupentacta fraudatrix. C. japonica распространен по всему Японскому морю и обитает на глубинах от 5 до 200 м, было бы интересно выяснить видовой состав ее популяций.
Сперматозоиды дальневосточного трепанга, японской кукумарии и еупентакты имеют типичное для сперматозоидов голотурий строение: акросома полностью погружена в ядерное углубление, ядро сферическое или почти сферическое, центриоли расположены под острым углом, от дистальной центриоли к небольшому углублению в ядре тянется жгутиковый корешок, присутствует липидная капля. [42, 45, 52, 145] Такими же характеристиками сперматозоидов обладает большинство описанных видов голотурий. [99, 1 04] У всех исследованных в данной работе видов обнаружено небольшое дистальное выпячивание акросомной гранулы, наполненное электронно-прозрачным содержимым. Данная структура видна на рисунках сперматозоидов офиур и некоторых видов голотурий, но авторами не описывается. [160]
Сперматозоиды С. conicospermium и Semperiella drozdovi имеют несколько отличную от типичной для класса структуру. Так, спермий С. conicospermium. отличается от спермиев близких к нему видов - С. japonica и Е. fraudatrix -крайне непохожим строением акросомы. Акросома С. japonica и Е. fraudatrix полностью погружена в ядерное углубление, имеет сферическую или близкую к сферической форму. Акросомная гранула практически полностью окружена периакросомным материалом, за исключением передней поверхности гранулы, которая, как правило, вплотную соприкасается с плазматической мембраной. Внутри акросомной гранулы находится сферический электронно-плотный участок. Акросома голотурии С. conicospermium на 2/3 выступает за пределы ядерного углубления, имеет фигурные очертания, содержимое ее гомогенно. Как видно из табл. 2, акросомная гранула данного вида почти в 3 раза больше, чем у всех других исследованных видов. Данный факт имеет вполне научное объяснение: как известно, акросома предназначена для обеспечения проникновения сперматозоидов через яйцевые оболочки во время процесса оплодотворения. Очевидно, что характер яйцевых оболочек и сам процесс оплодотворения будут прямо влиять на строение и размер акросомы. Например, наличие периакросомного материала и акромера свидетельствует о формировании акросомной нити при взаимодействии сперматозоида и яйцеклетки. [10, 13,216 160] Наличие большой акросомы у сперматозоида С. conicospermium объясняется тем, что яйца этого вида имеют толстую, около 50 мкм, ярко выраженную оболочку (личные наблюдения и неопубликованные данные).
