Введение к работе
Актуальность темы. Понимание путей эволюции протистов, а также
растений, животных и грибов невозможно без знаний биологии и фи
логении жгутиконосцев (флагеллят). Между тем эти организмы до сих
пор мало изучены, а ультратонкое строение клеток некоторых групп
жгутиконосцев было неизвестным. Ранее флагелляты составляли под
тип мастигофор (Levine et al.,1980), который в настоящее время
признан сборным и не используется в современных системах.(Cor
liss, 1984,1994; Карпов,1990, б; Patterson,1993). К жгутиконосцам
мы относим таких одноклеточных, которые несут жгутик или жгутики
на переднем (апикальном).конце тела и имеют связанный с кинетосо-
мами цитоскелет,- формирующийся обычно за счет фибриллярных и мик-
ротрубочковых структур, отходящих от кинетосом,- (Серавин,1980,
1984). ; '.
Все большее внимание исследователей привлекают гетеротрофные бесцветные жгутиконосцы (Cavalier-Smith, 1991,1993; Patterson, 1993), поскольку их рассматривают в качестве предков фототрофных водорослей или, наоборот, как потомков фототрофов. Именно гетеротрофные жгутиконосцы обычно имеют специализированный пищеварительный аппарат. Филогенетически эти одноклеточные, вероятно, могут, быть связаны с саркодовыми, фототрофными водорослями, многоклеточными животными, зооспоровыми грибами. По признанию многих исследователей жгутиконосцы находятся* на перекрестке нескольких филогенетических линий (Patterson, Larsen, 1991; Cavalier-Smith, 1991, 1993; Patterson. 1993. 1994; Corliss, 1994). Особый интерес представляют те жгутиконосцы, , которые поглощают оформленную цищу (фаготрофы и миксотрофы, по: Sanders, 1991).
Сейчас не существует,общепринятого определения понятия "гетеротрофные жгутиконосцы". Ранее к ним обычно относили представителей класса, Zoomastigophorea (Levine et al.,1980). Однако ясно,что многие таксоны этой группы неродственны друг с другом, а связаны с представителями класса Phytomastigophorea. В свою очередь среди последних встречается много жгутиконосцев с гетеротрофным и мик-сотрофным питанием. .Достаточно здесь указать на существование множества, родов бесцветных эвгленовых и динофитовых (Ветрова, 1980; Elbrachter,1991). Паттерсон и Ларсен (Patterson,Larsen, 1991) предлагают операциональное определение гетеротрофных жгутиконосцев как свободноживущих, передвигающихся или питающихся
- 2 -
за счет работы жгутиков протистов, живущих либо исключительно ге
теротрофно, либо, если имеют пластиды, за счет поглощения пищевых
частиц. " : '
1 'Теоретическая значимость исследования строения фаготроф'ных жгутиконосцев несомненна,так как современные системы (Cavalier-Smith, 1978, 1993; Серавин,1980; Corliss,1984.1994; Карпов, 1990) почти целиком основаны-на ультраструктурных данных, а у.фототрофных форм еще и на составе пигментов пластид и запасных веществ. Удельный вес морфологических признаков все время .возрастает, поскольку многие ультраструктурные признаки обладают боль--шой таксономической значимостью и выступают как. характеристика, группы.. '
Интерес цитологов к морфологии жгутиконосцев определяется.тем, что у них обнаруживаются структуры с уникальным строением стрекательных органелл, пищеварительного аппарата, покровов, митохондрий и т.д. В определенной мере разнообразие структур и их взаимное расположение в клетках фаготрофных жгутиконосцев определяет поле пространственных возможностей клетки как -эволюционирующей единицы. Такое разнообразие клеток отражается в систематике протистов как постоянно идущий процесс обособления или объединения новых крупных таксонов(Cavalier-Smith,1978; Patterson, 1985; Page, В lanton, 1985). Предлагается клеточные структуры, принимающие участие в процессе поглощения частиц с последующим образованием пищеварительных' вакуолей, называть фагоцитарным аппаратом (Ргеі-sig et al.,1991).
В данной работе обосновывается гипотеза, суть которой заключается в том, что строение фагоцитарного аппарата бесцветных жгутиконосцев коррелирует с характером поглощения пищевых объектов, а в ряде случаев имеет таксономическую значимость. Найти эту корреляцию возможно лишь в сочетании применения электронно-микроскопических и светооптических методов при исследовании ультраструктуры, жизненного цикла и биологии рассматриваемых организмов. В итоге появляется возможность разработать некоторые подходы к систематике гетеротрофных протистов, заключающиеся в определении значимости (ценности) различных признаков (преимущественно ультраструктурных) -'И нахождении места этих организмов в системе про--тистов. '-
Исходя из вышеизложенного видно, что главная проблема в данном случае заключается в поиске у гетеротрофных жгутиконосцев таких
элементов строения клетки,, которые позволили бы обосновать выделение новых групп протистов ранга отряда и класса. Наряду с этим появилась бы возможность найти пути решения вопросов происхождения некоторых крупных групп организмов, которые имеют явные родственные связи с бесцветными жгутиконосцами.
Цель и задачи исследования.Основной целью исследования явилось обоснование таксономических и филогенетических связей гетеротрофных жгутиконосцев и определение их места в системе протистов, а также разработка гипотезы о морфо-функциональной взаимосвязи особенностей их питания и ультратонкого строения.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработка методики выделения и культивирования гетеротрофных жгутиконосцев, различающихся по особенностям питания.
-
Изучение морфологии, жизненного цикла и качественной картины питания бактериотрофных и хищных видов.
-
Исследование ультратонкого строения гетеротрофных жгутиконосцев из малоизученных и новых групп, которые отличаются спектром питания (бактериотрофы и хищники) и образом жизни (ползающие, сидячие и плавающие).
-
Выяснение взаимосвязи между строением фагоцитарного аппарата (структур, участвующих в поглощении пищевых частиц) и особенностями питания.
-
Определение таксономического веса различных признаков и поиски филогенетических связей гетеротрофных жгутиконосцев с крупными таксонами протистов, описание на этой основе новых групп' жгутиконосцев и определение их положения в системе.
Защищаемые положения. 1. Гетеротрофные жгутиконосцы характеризуются специализированным фагоцитарным аппаратом, строение которого коррелирует с их таксономической принадлежностью.
2.При выделении новых групп жгутиконосцев наиболее значимыми признаками являются ультратонкие особенности покровов, жгутикового аппарата, митохондрий и их комплексы.
3.Морфологические данные по строению клеток жгутиконосцев являются главными в установлении филогенетических связей их с другими протистами и выяснении происхождения крупных групп.
Теоретическое значение и научная новизна.Впервые исследовано
- 4 -тонкое строение 32 видов-жгутиконосцев и на таком большом материале сопоставлена ультраструктура клеток бактериотрофных и хищных жгутиконосцев. Разработана гипотеза о морфо-функциональной связи между строением клетки и способом захвата пищи,.которая выражается в наличии фагоцитарного аппарата и экструсом, соответствующих особенностям пищевого объекта. Так. у амебоидных жгутиконосцев пища поглощается с помощью псевдоподий, у бодонид - с помощью комплекса цитостом/цитофаринкс, спиромонад - с помощью микротру-бочкового конуса, а у страминопилов - губовидного выроста тела. Обнаружено сходство в строении фагоцитарного аппарата у жгутиконосцев, питающихся посредством мизоцитоза, и сосущих инфузорий.
Впервые на большом материале изучено строение экструсом (стрекательных -органелл), относящихся к 7 типам. Установлено сходство строения экструсом Histiona и некоторых фототрофных хризофитовых, фаготрофных эвгленовых и бодонид, -'криптофитовых и Katablepharis, динофитовых и спиромонад.
Удельный вес ультраструктурных признаков в систематике жгутиконосцев оказался зависимым от ранга таксона. Такими признаками на'уровне отряда и семейства у апузомонад служат покровы, у спиромонад - апикальный комплекс, бодонид - цитофаринкс/цитостом и кинетопласт, а на уровне рода у Phyllomitus - мукоцисты.
Полученные данные указывают на происхождение актинофридных солнечников от пединеллид в результате редукции фотосинтетического аппарата и развития системы аксоподий. Выявлена возможность рассмотрения Phyllomitus как примера переходной группы между эвг-леновыми и бодонидами. Показано', наличие у спиромонад неполного апикального комплекса и выдвинуто .^предположение о сходстве и родственных связях спиромонад и споровиков. Доказано сходство строения церкомонад и протостелид, что позволяет рассматривать первую группу как предковую для второй. Получены новые доказательства принадлежности бикозоецид и Hi&tiona к хризофитовЫм. Показано существование в природе своеобразных жгутиконосцев неопределенного положения, которые сочетают в своем строении . признаки неродственных таксонов.
Описано 2 отряда, 6 новых видов, изменен диагноз и объем 1 от
ряда. ':." .:
Практическое значение.Разработанный, метод выделения.свободно-живущих гетеротрофных жгутиконосцев в клональные культуры.-- позволяет более эффективно "обрабатывать пробы воды с целью поиска и
- 5 -последующего культивирования таких -простейших. Предложенный подход позволяет унифицировать приемы работы по изучению жизненного цикла жгутиконосцев и постановки опытов по выяснению роли этих гидробионтов в экосистемах. Созданная коллекция гетеротрофных жгутиконосцев является наиболее крупной отечественной по числу видов (36) и может служить для обмена с другими научными учреждениями.
Учитывая важность правильного определения гетеротрофных жгутиконосцев в пробах для исследования сапробности и учета трофических связей в водоемах, большое практическое значение имеют разработка диагностических признаков церкомонад, описание новых видов и ревизия крупных таксонов. Это позволяет упростить и адекватно проводить исследование протозооценозов. Полученные данные могут быть использованы в составлении определителей жгутиконосцев.
Обнаруженные особенности строения фагоцитарного аппарата бак-териотрофных и хищных жгутиконосцев позволяют объяснить качественную картину питания данных организмов, которая определяет некоторые существенные параметры их экологической ниши. Такие данные могут быть использованы в описании схемы превращений органических веществ в водоеме. Наиболее важным поэтому представляется информация о распространении хищничества среди гетеротрофных жгутиконосцев, как одного из звеньев трофической цепи, ранее мало учитываемой исследователями.
Полученные данные по .ультратонкому строению жгутиконосцев позволяют рекомендовать использованные методы подготовки, фиксации и электронно-микроскопического исследования объектов в цитологии и других смежных разделах биологии и медицины.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на II и IV Всесоюзных съездах ВОПР (Киев, 1976, Ленинград, 1987), на II Всесоюзном симпозиуме протозоологов по Экологии морских и пресноводных простейших (Борок, 1989), на II Международном съезде по свободноживущим гетеротрофным жгутиконосцам (Санкт-Петербург, 1994), на II Европейском конгрессе протистологов ( Клермон-Ферран, Франция, 1995), а также на заседаниях Ленинградского отделения ВОПР и отчетных сессиях Института биологии внутренних вод РАН.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссерта-
ции изложены в 49 опубликованных работах (10 в соавторстве), из них 4 за рубежом.
Объем работы. Диссертация состоит из двух томов. Первый том включает введение, 8 глав с 15 таблицами, выводами и списком литературы (528 названий, из них 421 иностранные). Второй том -приложение, содержит иллюстративный материал (60 рисунков) к первому тому.
