Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Материал и методика исследований 17.
1,1.Материал 17.
1.2. Установка для исследования двигательной активности простейших 18.
1.3.Методика определения параметров движения простейших 20.
1.4.Методика исследования двигательной активности инфузорий в условиях ограниченного пространства..28.
1.5.Микроэлектродная установка 31.
Глава II. Двигательная активность парамеций, основанная на управлении ресничным двигателем 39.
2.1.Общие вопросы .. 39.
2.2.Уравнения движения парамеций .44.
2.3. Движение модели, когда ориентация векторов и не зависит от времени 52.
2.4.Экспериментальные исследования движения парамеций по спиральным траекториям 56.
2.5.Статическое и динамическое удержание парамеций в области действия благоприятных факторов 67.
2.6.Реакция избегания 72.
2.7.Модельные исследования реакции избегания 88.
2.8.Оценка потенциалозависимости каналов активного транспорта кальция через мембрану ресничек 104.
2.9.Реакция избегания модели 109.
2.10.Реакция избегания Spirostomum ambiguum, Stentor coeruleus .120
2.II.Особенности ухода парамеций от плоской преграды в гиперполяризующих растворах 123.
2.12.Некоторые типы поведения, основанные на реакции из бегания 128.
Глава III. Организация двигательной активности инфузорий при участии систем, изменяющих форму тела 134.
3.1. Феноменология двигательной активности, сопровождающейся изменением формы тела простейшего 135.
3.2.Исследование реакции разворота 145.
3.3.Феноменология двигательной активности различных инфузорий в условиях ограниченного пространства...151
3.4.3ффекторы, обеспечивающие деформацию формы тела простейшего 153.
3.5.Мембранный электрогенез не принимает участия в организации реакции разворота парамеций 159.
Общее обсуждение 167.
Выводы 174.
Литература 176.
- Установка для исследования двигательной активности простейших
- Движение модели, когда ориентация векторов и не зависит от времени
- Феноменология двигательной активности, сопровождающейся изменением формы тела простейшего
Введение к работе
"Решающие успехи в биологической науке, если речь идет о химии или физике живого, не могут быть достигнуты лишь рассмотрением молекулярных явлений, а требуют проекции на более сложные этажи организации и системы явлений",
Г.М.Франк В основе строения и функционирования всех животных лежит клетка. Ее на протяжении последних ста лет изучают в самых различных аспектах, в том числе исследуется и поведение. О поведении в предисловии к книге Тинбергена (1969) Фабри писал :"Если жизнь наиболее сложная форма существования материи, то поведение, безусловно, наиболее сложное проявление жизнедеятельности. Все, что происходит в живом организме, - все химические, физические, физиологические процессы - в конечном итоге проявляются во внешней активности, в поведении.И наоборот, именно поведение обеспечивает нормальное отправление всех жизненных функций"(стр.7). Можно ли предполагать, что поведение клеток сложно? "На основе совокупности всех сообщенных фактов, писал А.Фаминцин(1890), - едва ли возможно отрицать в ресничных инфузориях проявления психической жизни, различных волевых актов, которые, по моему мнению, заставляют предполагать в инфузориях сознательного отношения к миру их окружающему" (стр.38). Это крайняя точка зрения, и высказана она очень давно. Однако ясности по этому поводу нет до сих пор. Непонятно, на каких органоидах реализуется система, организующая поведение клеток. Гофер ( Hofer ,1980) предполагал, что такой систе-
МОЙ ЯВЛЯеТСЯ ЯДРО ЛрОСТеЙШеГО. Другие ИССЛЄДОВаТЄЛИ( Neres- heimer ,1903; Sharp, 1914),основываясь на чисто внешнем сходстве сети фибрилл, которые им удалось обнаружить на те ле простейших, с нервной системой многоклеточных, полагали, что именно эта сеть выполняет функцию управления поведением одноклеточных животных. В последнее время высказана гипоте за, что "нервной" и "гуморальной" системой клеток сразу мо жет быть эндоплазматический ретикулом (Арронет,1977). Не сколько особняком стоит гипотеза о молекулярной вычислитель ной машине клетки (Либерман,1972, 1973, 1974а, 19746,1974в; ВайцвейгДиберман, 1972). Хотя авторы, высказывая ее, пы тались объяснить работу мозга, однако эта гипотеза достаточ но тривиально обобщается на уровень клеточных организмов. Формулируется она так: живой клеткой управляет параллельно последовательная стохастическая молекулярная машина,которая, может быть эквивалентна универсальной вычислительной машине. Кроме того, у этой молекулярной вычислительной машины есть аналоговый вход, построенный на цАМФ, цГМФ и ферментах, уп равляющих их синтезом и разрушением. В этой системе сущест венное значение придается ионам кальция. Также предполагает ся, что аналог реснички, который удается обнаружить в районе аксоплазматического холмика нейрона, может влиять на проницаемость цитоплазматической мембраны.
Есть некоторые данные, которые как-то ограничивают возможное участие систем, построенных по типу, предполагаемому той или иной гипотезой, в управлении поведением простейших. Было показано, что безъядерные клетки, у которых ядро удалено искусственным путем, иногда способны к целому ряду пове -денческих реакций (Ферворн,І897;ваіьіапі ,1888). К тому же клетки простейших велики по размерам, есть формы, длина кото- рых ЮП и более мкм, а время протекания некоторых поведенческих реакций составляет доли секунды. Уже только это накладывает ограничения на возможное участие ядра в организации определенных типов поведения, поскольку связь ядра с мембранными рецепторами и эффекторами клетки может осуществляться только с помощью химических веществ диффузионным путем. Оцнако, в тех случаях, когда времени достаточно, ядро, активируясь, может вызвать существенные изменения в поведении простейших (Серавин,Орловская,1977). В работах (Taylor, 1920; Gliddon, 1965) утверждалось, что перерезка цитоплазматических фибрилл приводит к потере способности инфузории эуплотеса ( Eupiotes patella)производить некоторые из свойственных ему форм движения. При проверке этих опытов целым рядом авторов( Okaoima,Kinosita ,1965; Серавин,1967; Naitoh,Eckert ,1969) было получено, что после перерезки фибрилл довольно быстро восстанавливается нормальная работа и нормальное взаимодействие между компонентами ресничной системы инфузории(мембранеллами и циррами). Поэтому эти авторы пришли к выводу, что фибриллы не принимают участия в координации работы этих эффекторов.
Об организации управляющих поведением клеток систем разными авторами были сделаны различные высказывания, которые фактически подчеркивают одно и то же. "На самом деле клетка, это основная единица всего живого, - сама по себе представляет сложную систему, в которой, при дальнейшем ее изучении мы обнаруживаем и большое число независимых параметров и разные более или менее автономные подсистемы и "блочную" организацию регуляторных процессов, и другие характерные черты "больших высокоорганизованных систем"(Фомин,Беркинблит,1973, стр.156). "Множественному характеру большинства видов клето-
7 чного движения соответствуют и множественные механизмы регуляции этих движений, причем регуляторные механизмы взаимосвязаны и субординированы" (Арронет,1977). "Основные экспериментальные факты, накопленные к настоящему времени,позволяют считать простейших относительно слабо интегрированными животными. Их поведение обеспечивается целым рядом достаточно независимых разнохарактерных полуавтономных клеточных систем, обший контроль за деятельностью которых прямо или косвенно осуществляется ядерными сигналами" (Серавин, Орловская, 1977). Из всех этих высказываний можно выделить одно общее - предположение о "блочной" организации регуляторних процессов, которые взаимосвязаны и субординированы. Из анализа работ, как-то касающихся поведения клеток, можно видеть, что многие соглашаются с тем, что поведение простейших сложно, и поэтому требуется достаточно сложная управляющая система, обеспечивающая это поведение. Так ли это? Так уж ли сложно поведение простейших? Нам удалось найти только одну работу, в которой была предпринята попытка более или менее широкого рассмотрения феноменологии поведения клеток (Alexandrov ,1972; Александров, 1975). Но в ней нельзя обнаружить описания таких типов поведения, которые действительно можно было бы назвать сложными, то есть требующими решения сложных задач распознавания образов,поиска, сложной координации движения или чего-то еще другого, требующего наличия сложной управляющей системы. У простейших описаны различного рода таксисы, тропизмы и несколько типов реакций, таких как реакция избегания, реакция оборонительного ускорения и т.д. Все эти типы поведения могут быть реализованы на достаточно простых управляющих системах. Видимо, это говорит о том, что феноменология поведения простейших
8 описана недостаточно полно.
Что же обычно понимают под поведением? К поведению, в самом широком смысле этого слова, относят все наблюдаемые процессы, посредством которых животное реагирует на воспринимаемые изменения во внутреннем состоянии своего тела и внешней среды(Кэндл, 1980). Это в раной мере справедливо и для клеток, хотя автором это определение дано для поведения многоклеточных животных. Пока не ясно, насколько то, что получено при исследовании поведения многоклеточных можно переносить на поведение клеток. Александров В.Я. предлагает выделить область, изучающую поведение клеток, в самостоятельную науку - цитоэтологию (Alexandrov ,1972; Александров, 1975).
С проблемами поведения клеток сейчас сталкиваются в самых различных областях изучения живых систем. Цитоэтологиче-ский компонент есть в таких проблемах как морфогенез, канцерогенез, трансплантация органов,автоиммунные реакции и т.д. В той или иной мере возникшие здесь сложности являются следствием нашего незнания тонких сторон взаимодействия клеток имунной системы с клетками, образующими ткани организма. В этом взаимодействии поведение клеток играет немаловажную роль.
На сегодняшний день выбор объекта исследований, на наш взгляд, должен быть продиктован соображениями доступности, простоты, удобства в работе. Кроме того, мы полагаем, что высказывание Гегеля (1975):"Для понимания низших ступеней необходимо знакомство с высшим организмом, ибо он является масштабом и первообразом для менее развитых; так как в нем все дошло до своей развитой деятельности, то ясно, что лишь из него можно познать неразвитое"(стр.545) - в данном случае ве-
9 сьма уместно. Среди клеток наиболее сложно организованы простейшие. Образно говоря, если многоклеточные большую долю своего эволюционного потенциала потратили на совершенствование своей многоклеточности и достигли на этом поприще ощутимых результатов, то простейшие "занимались" исключительно совершенствованием клетки как "таковой", и, безусловно, они являются высшим организмом по отношению к клеткам многоклеточных в плане организации систем, обеспечивающих поведение.
Несмотря на существенные различия в морфологии клеток многоклеточных и простейших, необходимо отметить наличие множества гомологии, общих принципов построения различного рода клеточных систем. Имея общего предка, и те и другие формировались на базе тех "достижений", которые были в наличии к тому времени.
Исходя из всего этого и учитывая свои возможности, мы выбрали в качестве объекта исследований инфузорий, относящихся к нескольким родам. Основная же работа проводилась с парамециями (Paramecium caudatum).
Ш исследовали узкий класс поведенческих реакций,обусловленный двигательной активностью при маневрировании инфузорий в пространстве, характеризующейся определенными неоднородноетями. Поэтому сам термин поведение нами в работе практически не используется, речь идет о двигательной активности, которая является, безусловно, одной из сторон поведения.
Что значит изучать поведение клеток? В предисловии к книге Тинбергена (1969) К.Э.Фабри пишет, что "изучая поведение как фактор многообразного взаимодействия животного с окружающей его средой, этолог рассматривает организм как
10 целостную единицу. Его интересует прежде всего приспособительное значение поведения для выживания и прогрессивного развития вида, роль поведения в естественном отборе, экологические корни поведения, поведение как видовой признак" (стр.8). Но это чисто биологическая сторона изучения поведения. Тинберген (1969) же полагает, что изучение поведения животных имеет три самостоятельных задачи: надо понять,как функционирует механизм поведения, как он развивается в течении жизни особи и как он формируется в ходе эволюции.Если рассматривать само поведение как объект исследования, то можно изучать самые различные проекции этого объекта на предметы различных наук, например, на биофизику и биохимию. В этой проекции основным является изучение физико-химических основ формирования поведения клеток, то есть механизма поведения.
Двигательная активность инфузорий исследуется очень давно (Серавин, 1967;Jennings ,1907; Kuznicki,I970). К выяснению физико-химических основ организации этой активности стали подходить только в последние десять лет. Наибольшие успехи достигнуты в изучении реакции избегания и оборонительного ускорения. Кроме того, в общих чертах рассматриваются те формы поведения, которые могут быть сведены к НИМ (Naitoh , I974;Machemer,Peyer, 1977). То, что сегодня известно о физико-химических основах формирования таких поведенческих реакция, сведено Эккертом (Eckert ,1979) в следующую схему (рис.1). В ранних работах (Kamada, 193*; Kinosita et al., 1964a; Naitoh, 1958, 1964b; Kinosita,Murakami, 1967; Dryl,
1966; Кокина, 1965) было показано, что при изменении разности потенциалов на мембране простейшего изменяется характер биения ресничек. В работе Зккерт (Eckert,1972 ), подытожив все, полученное ранее, сформулировал основные гипотезы относительно механизма управления биением ресничек: реверсия и увеличение частоты биения ресничек обусловлены увеличением в них концентрации Са"*"*. Увеличение концентрации Са*4" может происходить при генерации кальциевого спайка и при увеличении электрохимического потенциала Са++, обусловленного гиперполяризацией мембраны. Эта гипотеза в основном получила подтверждение В дальнейших Исследованиях (Mache.mer,Eckert, 1973; Machemer, 1974-;Kung,Nai ton, 1973; Naitoh, Koneko, 1972) результаты которых сведены в схему (рис.1).
Сейчас к выяснению физико-химических основ функционирования электровозбудимой мембраны парамеций приступили биохимики, выделяя и изучая свойства отдельных компонентов белковых фракций мембраны, их взаимоотношения с липидными фракциями мембраны И Т.Д.(Вг(ЖПІпє,Nelson,1976;Andrews,Nelson, 1979;Adout et al.,1980;Adoutte et al.,1981;Firte et al., 1981;Merkel et al.,1981; Ramanatan et al., 1981). Также предпринимаются попытки выяснения роли различного рода цитоплазма тических франкций в организации возбудимости мембраны парамеций (Hage,Hiwatashi,1982;Hage et al., 1982; Nick et al., 1982) Кроме того, широко применяются исследования на поведенческих мутантах, у которых, как правило, происходят перестройки Мембраны простейшего (Kung,1971,1975;Kung,Eckert, 1972;Satow,Kung, 197^976,1980;Hasma,Kung,1976;Oertal et al., 1977; Cronkite et al ., 1982).
У тех поведенческих реакций, которые сейчас исследуются на инфузориях, основным процессом, происходящим в управляющей системе, является мембранный электрогенез. Таким образом, в этих случаях субстратом, на котором реализована управляющая система, является электровозбудимая цитоплазматическая мемб-
Нормальное биение рвверсивдое
Ви енне
