Одноклеточные организмы. Кратко
Одноклеточные, или простейшие, — группа живых организмов, как животных, так и растений, тело которых состоит из одной клетки (в противоположность многоклеточным). К ним относятся все бактерии, а также некоторые растения и грибы. Одноклеточные бывают самых разных размеров и форм. Они могут формировать колонии. Такие организмы были открыты Антони ван Левенгуком в 1673 г.
Одна клетка — один организм
Тело простейшего — единственная клетка — действует как целый организм. Эта клетка и питается, и двигается, и размножается, и избавляется от продуктов обмена. Передвигаются одноклеточные животные с помощью ложноножек (амеба), жгутиков (эвглена зеленая), ресничек (инфузория-туфелька). Питаются простейшие мельчайшими животными, растительными организмами и гниющими органическими веществами, а паразитические формы кормятся соками своих хозяев. Пищу одноклеточные переваривают в пищеварительных вакуолях — пузырьках, заполненных пищеварительным соком.
Большинство одноклеточных организмов невидимы для глаза человека, и чтобы их рассмотреть, требуется микроскоп.
Если зачерпнуть воды из водоема и посмотреть на нее под микроскопом, то откроется удивительная картина
Амеба
Амеба обыкновенная — простейший одноклеточный организм размером 0,2—0,7 мм. Живет в пресноводных илистых водоемах. Цитоплазма амебы образует выросты — ложноножки, которые хватают пищу: бактерии, водоросли. Способ захвата пищи с помощью ложноножек называется фагоцитозом. Из цитоплазмы, обволакивающей добычу, образуется пузырек — пищеварительная вакуоль. Так амеба получает питательные вещества, которые просачиваются из вакуоли в цитоплазму.
Строение амебы
Инфузория-туфелька
Если рассмотреть под микроскопом каплю воды, взятой из пруда, то можно увидеть крошечное живое существо: длинное, похожее на туфельку, закругленное с одного конца и вытянутое с другого. Это и есть инфузория-туфелька — одноклеточное животное.
Строение инфузории-туфельки
Одноклеточные великаны
Ксенофиофоры — одноклеточные организмы, живущие на дне океана на глубине до 10 641 м.
На такой глубине совсем мало кислорода, очень большое давление и отсутствует солнечный свет. Ксенофиофоры достигают 10 см в диаметре и служат средой обитания для разнообразных многоклеточных животных. Эти существа содержат много свинца, урана и ртути — тяжелых металлов, крайне ядовитых для обычных живых клеток.
Ксенофиофоры перерабатывают и фильтруют ил, тем самым обеспечивают среду для других обитателей морского дна — ракообразных, моллюсков и пр. Предположительно, эти организмы питаются подобно амебам — обволакивают пищу ложноножками.
Одноклеточные паразиты
Многие простейшие в качестве среды обитания используют другие организмы, то есть ведут паразитический образ жизни. Паразитизм — это форма межвидовых взаимоотношений двух организмов, при которых организм использует другой либо в качестве среды обитания, либо в качестве источника пищи.
Чем опасны паразиты?
Многие виды паразитических простейших вызывают тяжелые формы заболеваний человека, животных, а также растений. Паразиты обитают на наружных покровах, в тканях, крови и способны поражать все органы и ткани.
Поделиться ссылкой
Одноклеточные организмы эволюционировали в многоклеточные на глазах у учёных
Общепризнанным принципом эволюции жизненных форм на Земле считается их развитие от простого к сложному. То есть предполагается, что сначала появились некие примитивные одноклеточные формы жизни, которые впоследствии объединились, создав более приспособленные к жизни многоклеточные организмы.
Ранее мы писали об одной из древнейших известных многоклеточных форм жизни – эдиакарской биоте. Сообщали мы и о том, что учёные обнаружили останки ещё более древнего существа, которое могло быть одним из первых многоклеточных животных. При этом самые ранние (одноклеточные) формы жизни появились на нашей планете гораздо раньше остальных. Существует предположение, что жизнь может быть и вовсе ровесницей Земли.
И всё же в научном мире любая, даже самая общепринятая теория требует экспериментальных доказательств. Именно такое доказательство теории перехода от одноклеточной формы жизни к многоклеточной получили исследователи из Констанцского университета в Германии.
Они увидели, как всего за 500 поколений хламидомонада Рейнгардта развивает мутации, которые «готовят» её к многоклеточной жизни.
Хламидомонада Рейнгардта (вид Chlamydomonas reinhardtii) принадлежит к группе зелёных водорослей. Учёным уже известно, что зелёные водоросли произошли от единого одноклеточного предка. При этом в ходе эволюции многочисленные представители этой группы проходили разные этапы «подготовки к многоклеточности», говорится в пресс-релизе университета.
Именно поэтому эта водоросль стала модельным организмом в новом эксперименте.
Исследователи изолировали друг от друга и вырастили десять разных «родословных» C. reinhardtii
Так исследователи искусственно создали условия, которые в теории спровоцировали одноклеточные организмы на создание долговечных колоний, из которых впоследствии развились многоклеточные формы жизни.
Дело в том, что мутации, накапливаемые в ходе эволюции, не дают колониям распадаться, делают их более приспособленными к нападениям врагов. Короче говоря, колонию, состоящую из множества клеток, гораздо труднее съесть.
Изучив особенности 500 поколений каждого из этих десяти «родов», учёные пришли к выводу, что в окружении «хищников» водоросли гораздо чаще образовывали колонии. Также они размножались гораздо активнее в сравнении с колониями водорослей, появившимися в безопасных условиях.
Авторы исследования таким образом не просто подтвердили теорию возникновения многоклеточных форм жизни из одноклеточных, но и доказали, что этот процесс может произойти в достаточно короткие сроки. Пятьсот поколений водорослей успели появиться всего за полгода эксперимента.
Больше всего исследователей удивило, что адаптацию клеток колонии к суровым условиям среды можно было увидеть даже на уровне генома. Выходит, что естественный отбор действительно является причиной очень конкретных и устойчивых мутаций. Результатом которых и является разнообразие живущих на Земле организмов.
Тут, впрочем, стоит сделать одно важное замечание: даже самую крупную колонию водорослей ещё нельзя считать многоклеточным организмом. Для этого должно произойти как минимум ещё одно эволюционное преобразование: должна произойти специализация клеток на соматические и половые.
В ходе описанного эксперимента этого не произошло — все клетки колонии могли размножаться внутри неё и обладали полным набором функций отдельного организма.
Исследование немецких учёных было опубликовано в издании Nature Communications.
Ранее мы рассказывали о создании синтетических организмов, способных пролить свет на ход эволюции. Писали мы и о том, что некоторые организмы способны «поставить свою эволюцию на паузу».
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
Одноклеточные и многоклеточные организмы. Ткани и органы. 🐲 СПАДИЛО.РУ
Теория для подготовки к блоку №2 ОГЭ по биологии: признаки живых организмовНеобычайное разнообразие живых существ на планете вынуждает находить различные критерии для их классификации. Так, их относят к клеточным и неклеточным формам жизни, поскольку клетки являются единицей строения почти всех известных организмов — растений, животных, грибов и бактерий, тогда как вирусы являются неклеточными формами.
Одноклеточные организмы
В зависимости от количества клеток, входящих в состав организма, и степени их взаимодействия выделяют одноклеточные, колониальные и многоклеточные организмы. Несмотря на то, что все клетки сходны морфологически и способны осуществлять обычные функции клетки (обмен веществ, поддержание гомеостаза, развитие и др.), клетки одноклеточных организмов выполняют функции целостного организма. Деление клетки у одноклеточных влечет за собой увеличение количества особей, а в их жизненном цикле отсутствуют многоклеточные стадии. В целом у одноклеточных организмов совпадают клеточный и организменный уровни организации. Одноклеточными является подавляющее большинство бактерий, часть животных (простейшие), растений (некоторые водоросли) и грибов. Некоторые систематики даже предлагают выделить одноклеточные организмы в особое царство — протистов.
Колониальные организмы
Колониальными называют организмы, у которых в процессе бесполого размножения дочерние особи остаются соединенными с материнским организмом, образуя более или менее сложное объединение — колонию. Кроме колоний многоклеточных организмов, таких как коралловые полипы, имеются и колонии одноклеточных, в частности водоросли пандорина и эвдорина. Колониальные организмы, по-видимому, были промежуточным звеном в процессе возникновения многоклеточных.
Многоклеточные организмы
Дифференцировка клеток у многоклеточных организмов приводит к формированию у растений и животных (кроме губок и кишечнополостных) тканей и органов.
Ткани и органы
Ткань — это система межклеточного вещества и клеток, сходных по строению, происхождению и выполняющих одинаковые функции.
Различают простые ткани, состоящие из клеток одного типа, и сложные, состоящие из нескольких типов клеток. Например, эпидермис у растений состоит из собственно покровных клеток, а также замыкающих и побочных клеток, образующих устьичные аппараты.
Из тканей формируются органы. В состав органа входит несколько типов тканей, связанных структурно и функционально, но обычно один из них преобладает. Например, сердце образовано в основном мышечной, а головной мозг — нервной тканью. В состав листовой пластинки растения входят покровная ткань (эпидермис), основная ткань (хлорофиллоносная паренхима), проводящие ткани (ксилема и флоэма) и др. Однако преобладает в листе основная ткань.
Органы, выполняющие общие функции, образуют системы органов. У растений выделяют образовательные, покровные, механические, проводящие и основные ткани.
Ткани растений
Образовательные ткани
Клетки образовательных тканей (меристем) в течение длительного времени сохраняют способность к делению. Благодаря этому они принимают участие в образовании всех остальных типов тканей и обеспечивают рост растения. Верхушечные меристемы находятся на кончиках побегов и корней, а боковые (например, камбий и перицикл) — внутри этих органов.
Покровные ткани
Покровные ткани расположены на границе с внешней средой, т. е. на поверхности корней, стеблей, листьев и других органов. Они защищают внутренние структуры растения от повреждений, действия низких и высоких температур, излишнего испарения и иссушения, проникновения болезнетворных организмов и т. п. Кроме того, покровные ткани регулируют газообмен и испарение воды. К покровным тканям относятся эпидермис, перидерма и корка.
Механические ткани
Механические ткани (колленхима и склеренхима) выполняют опорную и защитную функции, придавая прочность органам и образуя «внутренний скелет» растения.
Проводящие ткани
Проводящие ткани обеспечивают в организме растения передвижение воды и растворенных в ней веществ. Ксилема доставляет воду с растворенными минеральными веществами от корней ко всем органам растения. Флоэма осуществляет транспорт растворов органических веществ. Ксилема и флоэма обычно расположены рядом, образуя слои или проводящие пучки. В листьях их можно легко заметить в виде жилок.
Основные ткани
Основные ткани, или паренхима, составляют основную часть тела растения. В зависимости от расположения в организме растения и особенностей среды его обитания основные ткани способны выполнять различные функции — осуществлять фотосинтез, запасать питательные вещества, воду или воздух. В связи с этим различают хлорофилл о но сную, запасающую, водоносную и воздухоносную паренхиму.
Как вы помните из курса биологии 6-го класса, у растений выделяют вегетативные и генеративные органы. Вегетативными органами являются корень и побег (стебель с листьями и почками). Генеративные органы подразделяются на органы бесполого и полового размножения.
Органы бесполого размножения растений называются спорангиями. Они располагаются поодиночке или объединяются в сложные структуры (например, сорусы у папоротников, спороносные колоски у хвощей и плаунов).
Органы полового размножения обеспечивают образование гамет. Мужские (антеридии) и женские (архегонии) органы полового размножения развиваются у мхов, хвощей, плаунов и папоротников. Для голосеменных растений характерны только архегонии, развивающиеся внутри семязачатка. Антеридии у них не формируются, и мужские половые клетки — спермин — образуются из генеративной клетки пыльцевого зерна. У цветковых растений отсутствуют как антеридии, так и архегонии. Генеративным органом у них является цветок, в котором происходит образование спор и гамет, оплодотворение, формирование плодов и семян.
Ткани животных
Эпителиальные ткани
Эпителиальные ткани покрывают организм снаружи, выстилают полости тела и стенки полых органов, входят в состав большинства желез. Эпителиальная ткань состоит из клеток, плотно прилегающих друг к другу, межклеточное вещество не развито. Главные функции эпителиальных тканей — защитная и секреторная.
Соединительные ткани
Соединительные ткани характеризуются хорошо развитым межклеточным веществом, в котором поодиночке или группами располагаются клетки. Межклеточное вещество, как правило, содержит большое количество волокон. Ткани внутренней среды — самая разнообразная по строению и функциям группа тканей животных. Сюда относятся костная, хрящевая и жировая ткани, собственно соединительные ткани (плотная и рыхлая волокнистые), а также кровь, лимфа и др. Основные функции тканей внутренней среды — опорная, защитная, трофическая.
Мышечные ткани
Мышечные ткани характеризуются наличием сократительных элементов — миофибрилл, расположенных в цитоплазме клеток и обеспечивающих сократимость. Мышечные ткани выполняют двигательную функцию.
Нервная ткань
Нервная ткань состоит из нервных клеток (нейронов) и клеток глии. Нейроны способны возбуждаться в ответ на действие различных факторов, генерировать и проводить нервные импульсы. Глиальные клетки обеспечивают питание и защиту нейронов, формирование их оболочек.
Ткани животных участвуют в формировании органов, которые, в свою очередь, объединяются в системы органов. В организме позвоночных животных и человека различают следующие системы органов: костную, мышечную, пищеварительную, дыхательную, мочевыделительную, половую, кровеносную, лимфатическую, иммунную, эндокринную и нервную. Кроме того, у животных имеются различные сенсорные системы (зрительная, слуховая, обонятельная, вкусовая, вестибулярная и др.), с помощью которых организм воспринимает и анализирует разнообразные раздражители внешней и внутренней среды.
Любому живому организму свойственно получение из окружающей среды строительного и энергетического материала, обмен веществ и превращение энергии, рост, развитие, способность к размножению и т. п. У многоклеточных организмов разнообразные процессы жизнедеятельности (питание, дыхание, выделение и др.) реализуются благодаря взаимодействию определенных тканей и органов. При этом все процессы жизнедеятельности проходят под контролем регуляторных систем. Благодаря этому сложный многоклеточный организм функционирует как единое целое.
У животных к регуляторным системам относятся нервная и эндокринная. Они обеспечивают согласованную работу клеток, тканей, органов и их систем, обусловливают целостные реакции организма на изменения условий внешней и внутренней среды, направленные на поддержание гомеостаза. У растений жизненные функции регулируются с помощью различных биологически активных веществ (например, фитогормонов).
Таким образом, в многоклеточном организме все клетки, ткани, органы и системы органов взаимодействуют друг с другом, слаженно функционируют, благодаря чему организм представляет собой целостную биологическую систему.
У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды
Биологам развития давно известен ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие первичного эмбрионального рта (бластопора), среднего зародышевого листка (мезодермы), а у представителей типа хордовых — хорды. Долгое время считалось, что ни у кого, кроме многоклеточных животных, гена Brachyury нет. Но теперь известно, что этот ген есть у многих одноклеточных организмов и грибов; по-видимому, наличие генов, подобных Brachyury, является общим уникальным признаком эволюционной ветви заднежгутиковых (Opisthokonta), к которой относятся многоклеточные животные, грибы и их одноклеточные родственники. Причем функция этого гена очень стабильна: экспериментально показано, что продукт гена Brachyury, взятый от амебы Capsaspora, способен участвовать в развитии лягушки.
«Регуляция транскрипции — центральный аспект развития животных». Такой фразой начинается новая статья об эволюции регуляторных генов, среди авторов которой — известный испанский протистолог Иньяки Руис-Трильо (Iñaki Ruiz-Trillo). Действительно, развитие организма животного непосредственно управляется генами на всех стадиях, кроме самых ранних (см.: Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007). Транскрипция — это синтез продукта гена (информационной РНК, на основе которой потом синтезируется белок). Проще говоря, когда ген транскрибируется, он включен, когда нет — выключен. В каждой клетке есть продукты генов, которые в ней «включены», и нет (как правило) продуктов генов, которые в ней «выключены»; этим, собственно, и определяются различия между клетками в многоклеточном организме.
Проблема в том, что продуктов разных генов для развития целого животного нужно очень много. Включить все эти гены сразу нельзя. Они последовательно включают друг друга, действуя через свои конечные продукты — белки (рис. 2).
Таким образом, чтобы узнать, как устроено чье-то индивидуальное развитие, надо в первую очередь узнать, как в нем включаются и выключаются гены. По крайней мере, такая точка зрения сейчас весьма распространена; именно ее и выражает процитированная фраза из статьи. Хорошо это или плохо, но современная биология развития животных очень «геноцентрична»: зачастую в ней всё развитие рассматривается как последовательность взаимосвязанных актов транскрипции.
Белок, функцией которого является включение или выключение генов, обычно называют фактором транскрипции. Гены — это участки молекулы ДНК, поэтому белок — фактор транскрипции должен «уметь» связываться с ДНК. Для этого служит специальный участок белковой молекулы — ДНК-связывающий домен (DNA-binding domain).
Есть разные типы ДНК-связывающих доменов. Самый широко известный из них называется гомеодоменом; это — специфический участок из 60 аминокислот, присутствующий во многих регуляторных белках и у животных, и у растений. Гены, кодирующие гомеодомен-содержащие белки, называются гомеобоксными (гомеобокс — это участок гена, который кодирует гомеодомен). К гомеобоксным генам относится много разных генов, регулирующих через свои продукты эмбриональное развитие организмов, в том числе и распространенные у животных Hox-гены (см., например: Новое в науке о знаменитых Hox-генах, регуляторах развития, «Элементы», 10.10.2006).
Другой важный тип ДНК-связывающего домена называется T-бокс (T-box). Это участок белка, состоящий из 180–200 аминокислот, который тоже «умеет» специфически связываться с ДНК, хотя и делает это иначе, чем гомеодомен. Гены, кодирующие белки с T-боксом, так и называют Т-боксными (см., например: Naiche et al., 2005. T-box genes in vertebrate development). Эти гены свойственны животным. Их продукты принимают участие в регуляции развития сердца, конечностей, мозга и многих других органов.
Особое внимание эволюционных биологов уже давно привлек Т-боксный ген, который называется Brachyury. Области активности этого гена находятся, во-первых, вокруг первичного эмбрионального рта (бластопора) и, во-вторых, в среднем слое зародышевых клеток (мезодерме), причем в основном в тех частях мезодермы, из которых возникают осевой скелет, мускулатура и стенки целома — вторичной полости тела. А поскольку этот ген есть у самых разных животных, то между ними возможны интересные сравнения. Например, данные о работе гена Brachyury у коралловых полипов подтверждают так называемую энтероцельную теорию происхождения целома, согласно которой целомические полости высших многоклеточных эволюционно возникли из выростов кишечника (см.: Technau, Scholtz, 2003. Origin and evolution of endoderm and mesoderm).
Ген Brachyury исключительно важен для развития самой древней части скелета позвоночных — хорды. Последняя далеко не у всех позвоночных сохраняется во взрослом состоянии, но у зародышей есть обязательно; без хорды не могут нормально развиться ни мозг, ни позвоночник. Кроме того, у человека иногда встречается опухоль, состоящая из хордоподобной ткани, — хордома. В клетках хордомы ген Brachyury активен, как в клетках зародышевой хорды; причем это выражено настолько хорошо, что является для данного типа опухоли диагностическим маркером.
Все перечисленные функции Т-боксных генов относятся только к многоклеточным животным и ни для кого другого не имеют смысла. Действительно, у одноклеточных нет ни сердца, ни конечностей, ни мозга, ни рта, ни целома, ни хорды. Регулировать с помощью этих генов там вроде бы нечего. Для исследователей было вполне естественно предположить, что Т-боксные гены, как и многие другие гены с подобными функциями, возникли приблизительно одновременно с многоклеточностью. У самых примитивных многоклеточных животных — губок — они уже есть.
Однако три года назад, в 2010 году, Т-боксный ген был обнаружен у амебы Capsaspora owczarzaki (рис. 1), которая является одноклеточным организмом и к животным никак не принадлежит. И примерно тогда же выяснилось, что Т-боксные гены есть у некоторых грибов. Итак, эти гены для многоклеточных животных не уникальны. Но у кого же все-таки они есть, а у кого нет?
Чтобы разобраться в этом, группа исследователей из Испании, США и Канады предприняла поиск по всем описанным геномам (наборам генов) и транскриптомам (наборам продуктов генов) растений, грибов, жгутиконосцев и всех других эукариот, то есть организмов с клеточными ядрами. Результаты оказались следующими:
1. Т-боксные гены и их белки есть у некоторых амеб и у большинства известных представителей группы Mesomycetozoea, состоящей из имеющих сложные жизненные циклы амебообразных родственников животных (см.: Ядра мезомицетозоев делятся синхронно, как у зародышей животных, «Элементы», 05.06.2013). Также эти гены есть у многих грибов, хотя и не у всех.
2. У воротничковых жгутиконосцев (Choanoflagellata), которые считаются ближайшими одноклеточными родственниками животных, T-боксных генов нет. Также их нет у высших грибов (Dikarya), к которым относятся, в частности, хорошо нам знакомые шляпочные грибы.
3. Все без исключения организмы, у которых найдены T-боксные гены, принадлежат к группе заднежгутиковых (Opisthokonta). Это огромная ветвь эукариот, к которой относятся многоклеточные животные, воротничковые жгутиконосцы, мезомицетозои, грибы и некоторые амебы. У «не-заднежгутиковых» эукариот (например, у растений) найти Т-боксные гены не удалось. Видимо, это общий и уникальный признак группы Opisthokonta.
4. Из положения воротничковых жгутиконосцев и высших грибов на эволюционном древе следует, что эти группы, скорее всего, когда-то тоже имели Т-боксные гены, но потом потеряли их (рис. 3).
Более того, и у мезомицетозоев, и у амебы Capsaspora Т-боксных генов уже несколько — как у многоклеточных животных (рис. 3). Здесь эволюция успела зайти достаточно далеко: на основе одного гена возникло целое генное семейство. Интересно, что по этому признаку мезомицетозои и Capsaspora оказываются гораздо ближе к многоклеточным животным, чем воротничковые жгутиконосцы, которые традиционно считаются их ближайшими родственниками или даже предками.
А самым древним T-боксным геном оказался тот самый ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие бластопора и мезодермы. Он есть у всех, у кого вообще есть хоть какие-то Т-боксные гены. Если у кого-то (у плесневого гриба, например) Т-боксный ген всего один, то это ген Brachyury. Все остальные Т-боксные гены эволюционно произошли именно от него.
Изменилась ли функция этого гена на эволюционном пути от одноклеточных существ до животных? В Институте эволюционной биологии в Барселоне (Institut de Biologia Evolutiva, IBE) решили проверить это экспериментально. Для исследования были взяты два организма: уже упомянутая амеба Capsaspora owczarzaki и давний, заслуженный объект биологии развития — шпорцевая лягушка Xenopus laevis.
Сначала действие гена Brachyury в зародыше лягушки заблокировали методом искусственной РНК-интерференции. Это привело к вполне ожидаемому результату: процесс образования мезодермы у лягушки нарушился, осевые мышцы оказались недоразвиты. Но если вовремя ввести в такой зародыш информационную РНК Brachyury, полученную от капсаспоры, эти нарушения частично компенсируются (рис. 4). Продукты генов Brachyury капсаспоры и лягушки настолько близки по структуре, что являются взаимозаменяемыми! Такая консервативность функции регуляторного гена — от амебы до позвоночного животного — даже на фоне наших современных знаний выглядит выдающейся. Особенно если учесть, что общий предок капсаспоры и лягушки, от которого оба унаследовали ген Brachyury, жил, скорее всего, более миллиарда лет назад (см.: Parfrey et al., 2011. Estimating the timing of early eukaryotic diversification with multigene molecular clocks).
Вместе с тем нельзя сказать, что функции Т-боксных генов у одноклеточных организмов и у многоклеточных животных совершенно одинаковы. Например, у лягушки продукт гена Brachyury оказывает сильное активирующее действие на ген Wnt11, гораздо более слабое — на ген Sox17 и вовсе не влияет на ген chordin (который, однако, активируется продуктом другого Т-боксного гена). А вот если ввести лягушке продукт гена Brachyury, полученный от капсаспоры, то выясняется, что он одинаково действует на все три гена-мишени: специфичность здесь еще не выработалась, и разделение функций не произошло. Механизмы действия Т-боксных генов не даны раз навсегда: они эволюционируют, просто очень медленно. В эволюции животных наглядно видно, как возникающие в этом семействе новые гены «делят» разные функции между собой.
Итак, ген Brachyury — это один из самых древних генов, регулирующих развитие многоклеточных животных (см., например: Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше, «Элементы», 12.10.2013). Этому гену больше миллиарда лет. Остается открытым очень интересный вопрос: на какие же, собственно, физиологические процессы может влиять у амеб и у грибов ген, который у позвоночных животных (к примеру) ответственен за развитие хорды и осевых мышц? Вероятно, скоро мы это узнаем.
Источник: Arnau Sebé-Pedrós, Ana Ariza-Cosano, Matthew T. Weirauch, Sven Leininger, Ally Yang, Guifré Torruella, Marcin Adamski, Maja Adamska, Timothy R. Hughes, José Luis Gómez-Skarmeta and Iñaki Ruiz-Trillo. Early evolution of the T-box transcription factor family // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013. V. 110. №. . P. 16050–16055.
Сергей Ястребов
Одноклеточные и многоклеточные животные
Билет 23
1. Обмен веществ и превращение энергии — главный признак живых организмов. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь.
Живые организмы могут существовать и развиваться только при условии обмена с окружающей средой веществом и энергией. Животные поглощают органические вещества пищи, растения — растворы минеральных солей и энергию солнечного света. Все живые организмы выделяют во внешнюю среду продукты обмена и избыточную тепловую энергию. Обмен веществ у растений и холоднокровных животных сильно зависит от температуры окружающей среды, у теплокровных животных мало зависит от внешней температуры.
Процессы обмена подразделяют на
- пластический обмен, объединяющий реакции синтеза веществ, необходимых организму,
- энергетический обмен, сущность которого сводится к обеспечению организма энергией. В основном, подразумевают реакции окисления питательных веществ и синтеза АТФ.
Это две стороны единого процесса обмена веществ, так как для пластического обмена необходима энергия АТФ, а энергетический обмен невозможен без органоидов клетки, для образования и обновления которых необходимы белки и другие вещества, синтезированные в реакциях пластического обмена.
Как пример обмена можно описать знакомый материал: фотосинтез, биосинтез белка, синтез АТФ или просто расщепление пищевых веществ в желудочно-кишечном тракте.
2. Многообразие животных — результат эволюции. Одноклеточные и многоклеточные животные. Почему одноклеточные организмы существуют в природе наряду с многоклеточными? Среди готовых микропрепаратов простейших найдите инфузорию-туфельку. По каким признакам вы ее определите?
Вопрос о происхождении современного многообразия живых существ был поставлен давно. Эволюционная теория объясняет происхождение видов как результат длительного естественного отбора на основе наследственной изменчивости.
Одноклеточные животные состоят только из одной клетки. К ним относятся амеба, инфузория-туфелька, эвглена зеленая и др.
Многоклеточные животные состоят из большого количества клеток, различающихся по строению и функциям. В то же время все клетки многоклеточного организма функционируют как единое целое, что обеспечивается с помощью нервной системы и гуморальной регуляции.
Одновременное существование в природе одноклеточных и многоклеточных организмов обусловлено тем, что биологический прогресс возможен как для видов с высокой организацией, так и для сравнительно просто устроенных. Процветание определяется наличием экологической ниши, позволяющей виду успешно вести борьбу за существование с другими видами, и способностью вида успешно приспосабливаться к новым условиям среды. Большая скорость размножения одноклеточных способствует их многочисленности и наследственной изменчивости, дающей материал для отбора.
Инфузорию-туфельку можно узнать по форме клетки, напоминающей очертания подошвы обуви.
3. Используя знания о строении и функциях кожи, дайте обоснование гигиенических требований, предъявляемых к одежде. Какова доврачебная помощь пострадавшим от теплового и солнечного удара, при обморожении? Почему очень вредно ходить в холодное время года без головного убора?
Кожа не только защищает организм от вредных воздействий, но и служит для выделения углекислого газа и продуктов обмена. Одежда должна быть проницаемой для воздуха и влаги, впитывать выделяющуюся влагу. Из традиционных материалов, в наибольшей степени этим требованиям отвечают ткани из натуральных волокон: хлопка, льна, шерсти.
Одежда должна быть достаточно свободной, чтобы не стеснять кровообращения в коже. Соответствовать сезону, чтобы не вызывать переохлаждения или перегрева.
В случае теплового или солнечного удара следует принять меры для охлаждения пострадавшего: перенести в прохладное место, напоить холодной водой, положить на лоб холодный компресс, смочить одежду, расстегнуть одежду, стесняющую дыхание. Вызвать «скорую помощь».
При обморожении растирают кожу шерстяной тканью, накладывают повязку с водкой или темно-фиолетовым раствором перманганата калия. Нежелательно растирать снегом, т. к. ледяные кристаллы ранят кожу. Пострадавшего нужно согреть, напоить горячим чаем. При нарушении кожных покровов обрабатывают поврежденный участок кожи спиртом, накладывают повязку.
При глубоком обморожении конечности нельзя резко согревать ее снаружи, до того как восстановится кровообращение. В этом случае пораженную конечность окутывают ватой, затем обвязывают тканью. Конечность будет согреваться постепенно, изнутри, восстанавливающееся кровообращение будет удалять из отогревающейся конечности продукты обмена, что уменьшает опасность омертвения тканей.
Ходить без головного убора очень вредно как летом, из-за опасности солнечного удара, так и зимой. Переохлаждение может нарушить кровоснабжение кожи головы, вызвать выпадение волос, нередки воспалительные заболевания с тяжелыми последствиями.
Повторить строение кожи в интерактивном режиме
автор: Владимир Соколов
Саркомастигофоры | Саркодовые | Амеба протей (обыкновенная), амеба дизентерийная, радиолярия |
Жгутиковые | Эвглена зеленая, вольвокс, трипаносома африканская, лейшмания, трихомонада, лямблия печеночная | |
Споровики | Кокцидиеобразные | Малярийный плазмодий |
Инфузории | Ресничные | Инфузоря-балантидий, инфузория-туфелька, инфузория-трубач |
Трихофриоз |
Самые большие из царства одноклеточных организмов. Топ 10
Несмотря на то, что весьма очевидные яйцеклетки птиц и рыб большинство людей ест почти ежедневно, при словах «одноклеточный организм» представляется нечто такое, что можно разглядеть лишь в микроскоп. Действительно, подавляющее большинство одноклеточных тварей не превышает габаритов в сотые доли миллиметра, и это объяснимо рядом факторов. Крупным живым клеткам труднее поддерживать целостность структуры, сложнее транспортировать пищу и отходы внутри организма, кроме того, внушительный рост требует изрядной энергии, что эволюционно невыгодно.
Но мир микробов богат на виды, стар и разнообразен, посему полон исключениями из правил. И некоторые организмы, к коим прилепить бы приставку «микро-», вопреки эволюционной выгоде достигают совсем не микроскопических размеров. Что, естественно, восхищает и завораживает.
Инфузория-трубач
Это пресноводное существо похоже на трубу древнего граммофона и вырастает до 2 мм в длину, поэтому инфузорию-трубача можно изучать без приборов. Простейшие рода Stentor хорошо известны любителям микробов. Два миллиметра не кажутся супердлиной, однако же многие многоклеточные дети природы занимают гораздо меньше места в среде обитания и на предметных стеклах.
Инфузорию-трубача делает колоссом в мире мелюзги её анатомия. В отличие от заурядных эукариот, Stentor содержит в себе не одно, а несколько ядер. Это облегчает ему ежедневный труд по поддержанию себя в духе. В случае данной инфузории многочисленные малые ядра отвечают за размножение, а большое ядро — макронуклеус — заведует всем прочим, играя роль этакого мозгового центра.
Тельце трубача покрыто ресничками разной длины. Их дружные движения позволяют инфузории плавать. Питаются эти колоссы микрокосма, например, илом. Функцию рта выполняет узкая оконечность «трубы». При этом в пищу попадают некоторые бактерии, небольшие простейшие и даже крошечные невезучие многоклеточные.
Багамская громия
Однажды ученые из Техасского универа отправились на дно морское рядом с Багамскими островами и обнаружили там, в сумрачных глубинах, десятки необычных сферических объектов размером с виноградины. Эти объекты казались неподвижными, но явно оставляли следы на песке длиной до полуметра. Сначала специалисты думали о каких-то неизвестных моллюсках или даже странно себя ведущих какашках. Правда же изумила, ибо загадочные кучки оказались шаровидными простейшими диаметром до 3 сантиметров. Которые катились по дну морскому в почти нулевой температуры воде.
Багамская громия является амебоподобным организмом, имеющим раковину, мягкую и пористую. В отверстия в оной просовываются псевдоподии, с помощью чего громия перемещается по дну, питаясь органикой, попавшейся по пути.
Открытие этого существа изменило некоторые взгляды на эволюцию живых существ, поскольку ранее считалось, что первыми еще в докембрийскую старину научились ползать многоклеточные животные с двусторонней симметрией. А следы, которые оставляет громия, весьма похожи на древние окаменелые отпечатки, которым почти 2 миллиарда лет.
К сожалению, мало что известно об этих мячиках с цитоплазмой, потому что доставить в лабораторию живые экземпляры громий очень трудно. Несмотря на свои раковины, простейшие весьма хрупки и уязвимы. Ученые говорят, что они гораздо мягче ягод винограда, на которые эти гиганты-микробы чем-то похожи.
Ацетабулярия
Известная как «русалочий бокал», ацетабулярия представляет собой уникальный род зеленых водорослей, подобных по форме шляпочным грибам. Эти растения мелководья тропических морей бывают до 10 см в длину и растут обычно группами, крепясь ножками к донным камням и красуясь своими светло-зелеными шапочками.
Обычно крупные одноклеточные существа имеют более одного ядра, чего не скажешь об удивительной ацетабулярии, которая большую часть жизни проводит всего с одним гигантским вместилищем ДНК, расположенным в основе своего «стебелька». Только в час размножения образуются добавочные ядра, мигрирующие в верхушку водоросли, где они превращаются в спороподобные цисты, кои после зимовки и сложной трансформации становятся молодыми ацетабуляриями. Жизненный цикл этих колоссальных ценоцитов составляет около трех лет.
В ходе экспериментов, проведенных за деньги нацистов в 1930-х и 40-х годах немецким ученым Иоахимом Хаммерлингом, было установлено, что после пересадки одному виду ацетабулярии ядра водоросли другого вида исходное растение начинает формировать новую шляпку, преображаясь в необычный гибрид.
Кроме того, «бокал, из которого пьют русалки» прекрасно регенерирует, будучи поврежденным, чем весьма напоминает некоторые многоклеточные виды мира флоры и фауны.
Пузатая валония
Одни кличут эту забавную мелководную тварь «глазом моряка», другие — просто «водорослью-пузырем». Валония пузатая без труда вырастает до 4 см в диаметре и даже больше, один организм — одна живая клетка со многими ядрами, чаще всего территориально одинокая и всегда похожая на отполированный камушек зеленоватого окраса. Иногда на поверхности этого одноклеточного морского чуда приживаются и мелкие «многоклеточники».
Несмотря на биологическую странность и экзотический облик водоросли, пузатую валонию не жалуют владельцы больших морских аквариумов. Если растение случайно вселится, то захватит всё дно, от него ужасно трудно избавиться. Давить или рвать на части сей живучий сорняк — не дело, ибо именно клеточным делением пузатая валония с ее «коллекцией» ядер и размножается.
Каулерпа тиссолистная
Про неё можно подумать, будто это какой-то папоротник, однако по сути своей сие растение гораздо проще. И значительно решительнее в росте. То, что неопытному ныряльщику покажется зарослями подводной флоры, на деле окажется одной или всего несколькими живыми клетками, «маскирующимися» под сложные многоклеточные кущи. Эти примитивные создания называются «каулерпа таксифолия», или просто каулерпа-ёлочка, удивительный ползучий стебель тиссолистный. Одна клетка этой зеленой водоросли с её бесчисленными хранилищами ДНК может очень быстро раздаться почти на три метра вширь, что регулярно происходит в Средиземном море, разрушая здоровую экологию тамошних глубин. За что каулерпа-елочка признана особо злостным сорняком. В Калифорнии этот «микроб-гигант» вообще считается незаконным видом.
Средиземноморская разновидность тиссолистной каулерпы, клетки которой достигают рекордных габаритов, своим статусом вредителя обязана человеку. Еще полвека назад эта необычная водоросль в Средиземном море не обитала совсем. Но в 1970-х некий аквариум в Германии заказал из тропиков образцы каулерпы, но не просто для красоты и несложного ухода. Пытливые немцы подвергли «елочку» техническим издевательствам. Макрофит облучали ультрафиолетом и обрабатывали химическими мутагенами. В результате получился одноклеточный монстр, очень быстро растущий и устойчивый к понижению температуры обитания. Холодостойкую и симпатичную с виду водоросль в 1980 году выпустили в Средиземное море — кто-то из аквариумистов-любителей из Монако постарался.
За четыре года случилось неминуемое. После бегства из аквариума мутировавшая каулерпа победоносно оккупировала прибрежные воды Средиземноморья. В отличие от природного собрата, клетка-мутант оказалась не только агрессивной, но и устойчивой к загрязнениям. К тому же, способной регенерировать из кусочка размером всего в сантиметр. И ядовитой. Попытки очистить от зарослей каулерпы курортное мелководье провалились.
Поэтому в конце 20 века за одноклеточным организмом «каулерпа таксифолия» закрепилось прозвище «водоросль-убийца». Растение включено в сотню наиболее опасных инвазивных видов, остановить распространение коих — священный долг каждого неравнодушного землянина.
Амёба Хаос
Вообразите амёбу из школьного учебника. Увеличьте её до размеров кунжутного зернышка. У вас получится существо Chaos carolinensis. Поскольку такие простейшие постоянно меняют форму, то рекордсмены среди хаосов способны вытягиваться до 5 мм в длину. Столь грузных одноклеточных можно фатально ранить, просто накрыв предметным стеклышком микроскопа.
Несмотря на свои внушительные размеры, Chaos carolinensis ведёт себя так же, как его микроскопические родственники, носители ложноножек. С помощью псевдоподий хаосы перемещаются, ими же хватают еду. Затем еда в вакуолях переваривается живьем, а остатки мусором выбрасываются из клетки наружу. Питается громадная амеба микробами других видов, а также мелкими животными вроде ветвистоусых рачков. Хаос будет есть почти нон-стоп до тех пор, пока не станет готов к размножению.
Подобно соседям по списку великанов мира микробов, одноклеточный хаос имеет множество контрольных центров, просто потому, что управлять столь массивной клеткой одно ядро не в силах. В зависимости от размера, Chaos carolinensis может обладать до 1000 ядер.
Спиростомум
Инфузорию спиростомум можно найти и узреть как в пресных, так и в соленых водах. И принять за какого-то маленького червячка. Вытянутое тельце спиростомума достигает в длину 4 миллиметров. Лишь при взгляде в окуляр микроскопа становится ясно, что это подвижное существо — одна большая и очень длинная клетка, покрытая густым лесом ресничек.
Спиростомум — чемпион мира микробов по способности к изменению объема тела. Будучи потревоженной, инфузория может ужаться на 75% за время менее 1/200 секунды — быстрее, чем любая иная живая клетка.
В отличие от прожорливых инфузорий-трубачей, спиростомум не ест многоклеточных существ, а обходится лишь бактериями. Размножаются великаны простым делением и очень не любят, если в воде имеются тяжелые металлы, что делает этих инфузорий друзьями экологов.
Сирингаммина хрупчайшая
Еще один нелишний кандидат на звание крупнейшего одноклеточного существа на Земле — хрупкий «монстр» из класса ксенофиофор. В этот класс «носящих чужие тела» организмов входит множество жителей океанского дна, сгустков цитоплазмы, строящих для себя в вечной ночи непрочные плетеные «домики» из останков иных тварей, например, губок или радиолярий. Строительный клей клетки ксенофиофор делают сами, по командам, поступающим химически из многочисленных ядер, что плавают в массивных сгустках цитоплазмы. Самый крупный из таких сгустков достигает 20-сантиметровых размеров, охотно колонизируется червями и носит видовое имя Syringammina fragilissima.
К сожалению, жизнь и биология сирингаммины («песчаной флейты Пана» в переводе) до сих пор мало изучена. Ученые подозревает, что питается это одноклеточное бактериями, но как выглядит сам процесс, никто не видел. Есть мнение, что микробов для своего рациона сирингаммина хрупчайшая выращивает сама внутри себя. Механизм размножения этих ризарий также неясен.
Открыли хрупких глубоководных существ в 1882 году шотландцы, у родных североморских берегов. Впоследствии сирингаммин нашли и на шельфе севера Африки.
Имя им легион…
Среди наземных одноклеточных гигантов особого внимания заслужили, конечно, слизевики метровой длины, обитатели мертвой древесины. Которых поначалу и долгое время принимали за грибы.
Однако слизевики (в частности, многоголовый фузариум) оказались не только примитивнее, но и в чем-то гораздо умнее грибов. Об интересных выводах японских ученых на сей счет можно прочитать в материале о животных, которые, возможно, умнее нас.
Факты о одноклеточных организмах для детей
Valonia ventricosa , разновидность водорослей, относится к числу самых крупных одноклеточных видов. Его диаметр может достигать 5 сантиметров (2,0 дюйма).Одноклеточные организмы — это организмы, состоящие из одной клетки. Они делятся на два совершенно разных типа из разных классификационных царств.
Различия между прокариотами и эукариотами значительны. У эукариот есть ядро и различные субклеточные органы, называемые органеллами, а у прокариот — нет.
Наблюдения
Почти все одноклеточные организмы являются микроорганизмами, но вы можете наблюдать за эукариотами и многими прокариотами с помощью сложного микроскопа. Бактерии выглядят как темные точки. Чтобы собрать одноклеточные организмы для наблюдения, можно положить покровное стекло на поверхность воды пруда и оставить его на ночь. К следующему утру многочисленные одноклеточные организмы вырастут целыми колониями на дне лотка. Они быстро размножаются: колонии могут удвоиться в размере от 30 минут до нескольких часов.
Одноклеточные организмы можно найти повсюду. Самые древние формы жизни существовали 3,8 миллиарда лет назад, если не дольше. Они преследуют различные стратегии выживания: фотосинтез (цианобактерии), хемотрофию (многие археи) и гетеротрофию (амебы). У некоторых одноклеточных организмов есть жгутики, маленькие хвосты, которые они используют для передвижения, или лобоподы, расширения клеточного скелета (цитоскелета), которые выглядят как каплевидные руки. Жгутики наших одноклеточных предков встречаются вплоть до животных, где они проявляются в виде жгутиковых сперматозоидов.
Из всех шести супергрупп эукариот четыре состоят исключительно из одноклеточных организмов. Одноклеточные организмы различаются по размеру: самые маленькие бактерии имеют размер всего лишь треть микрона (300 нанометров) в поперечнике, вплоть до титановых плазмодиальных слизистых форм, которые могут вырастать до 20 см (8 дюймов) в поперечнике. Самые большие одноклеточные организмы могут иметь миллионы ядер, разбросанных по клеточной оболочке. Чтобы наблюдать некоторые из мельчайших одноклеточных организмов, требуется электронный микроскоп, а самые большие можно увидеть в микроскоп или что-нибудь, улучшающее изображения.
Связанные страницы
Детские картинки
Современные строматолиты в заливе Шарк, Западная Австралия. Строматолит вырастет на 5 см за столетие.
Сообщество, живущее на дне, обитающее в глубине европейской Арктики.
Paramecium tetraurelia , инфузория, с видимой ротовой бороздкой
Изображение диатомовой водоросли, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа
Изображение бутонизации, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа Ogataea polymorpha
Одноклеточные организмы — Biology Wise
Одноклеточные организмы — это живые существа, у которых есть только одна клетка, и клетка отвечает за выполнение всех функций.Некоторые примеры — амебы, парамеции, бактерии и цианобактерии.
Разнообразие организмов с точки зрения клеточных структур настолько велико, что понять их всех очень трудно. В то время как одни выполняют все функции живого существа в пределах одной клетки, другие обладают от нескольких тысяч до миллионов клеток. Можете ли вы поверить, что человеческое тело состоит примерно из 50-75 триллионов клеток? Это действительно удивительно, если сравнить с одноклеточными организмами, несущими единственную клетку.В этом кратком введении в клеточную организацию давайте взглянем на определение одноклеточного организма, его функционирование и общие примеры.
Определение одноклеточного организма
В биологии термин «одноклеточные организмы» определяет, к какому типу они относятся. Это одноклеточные организмы, в которых такие функции, как питание, передвижение, удаление отходов, размножение и т. Д., Выполняются одной клеткой. В большинстве случаев они мельчайшие и для просмотра требуются микроскопы.Напротив, организмы, состоящие более чем из одной клетки, известны как многоклеточные организмы. Все растения и животные, жизнеспособные невооруженным глазом, являются примерами многоклеточных типов.
В зависимости от сложности клетки организмы с одной клеткой подразделяются на два типа, а именно прокариот и эукариот. Первый имеет простую ячеистую структуру по сравнению со вторым типом. Кроме того, прокариотический одноклеточный организм (например, бактерии) лишен клеточного ядра; тогда как эукариотический одноклеточный организм имеет ядро в клетке.Говоря о функционировании этих организмов, они приобретают особые способы перемещения с одного места на другое, усвоения питательных веществ, роста и увеличения своей популяции.
Примеры одноклеточных организмов
Большинство микробов (за исключением вируса) одноклеточные по своей организации. Согласно теории эволюции, одноклеточные организмы были первыми, кто эволюционировал на Земле. Их происхождение датируется 3,8 миллиарда лет назад. Каждый из них обладает некоторыми характерными особенностями, которые помогают адаптироваться к широкому спектру условий окружающей среды.Вы можете найти эти одноклеточные организмы в любой среде обитания, даже в самых неблагоприятных условиях.
Амеба
Амеба также является одноклеточным эукариотическим простейшим, которое встречается почти во всех пресноводных местообитаниях. Известный своим уникальным способом передвижения, он не имеет особой формы. Фактически, форма его клеток зависит от преобладающих условий. При необходимости амеба вытягивает ложные ножки (псевдоподии) и использует их для фагоцитоза и передвижения.
Парамеций
Парамеций, эукариотическое простейшее в форме тапочки, состоит из одной клетки.Его тело покрыто тонкими волосками, такими как реснички, которые помогают при передвижении и питании. Размножение парамеций подробно изучается, чтобы понять скорость размножения. При благоприятных условиях размножается бесполым способом, в то время как при стрессе размножение происходит половым путем.
Бактерии
У всех нас есть краткое представление о бактериях. С момента образования йогурта до возникновения инфекционных заболеваний бактерии присутствуют в любой части окружающей среды. Они мелкие и имеют разную форму (стержневые, сферические, спиральные и т. Д.).). Некоторые из штаммов бактерий адаптированы к суровым условиям, например, глубоко под земной корой и в горячих источниках. Они играют решающую роль в переработке питательных веществ.
Цианобактерии
Цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли (BGA), представляют собой одноклеточные организмы. Он обладает свойствами как бактерий, так и водорослей, отсюда и название. Цианобактерии похожи на водоросли, поскольку обе подвергаются фотосинтезу для производства продуктов питания. В то время как прокариотическая природа BGA делает его похожим на бактерии.
Кроме них, примеры включают диатомовые водоросли, эвглены, хлореллу и хламидомонады. Чтобы получить представление о том, как выглядят эти организмы, вы можете изучить микроорганизмы в воде пруда. Для этого биологического эксперимента возьмите образец пресной воды из садового пруда в небольшую бутылку. Используя глазные капли, нанесите небольшую каплю образца воды на предметное стекло, аккуратно накройте его покровным стеклом и наблюдайте под микроскопом. Вы обнаружите, что крошечные организмы перемещаются беспорядочно, большинство из которых являются организмами, имеющими единственную клетку.
Достижение своих жизненных целей как одноклеточный o
изображение: одноклеточный организм может определить, в каком направлении концентрация питательных веществ наиболее высока. посмотреть еще
Кредит: TU Wien
Как можно двигаться в желаемом направлении без мозга и нервной системы? Одноклеточные организмы, видимо, справляются с этим без проблем: например, они могут плыть к еде с помощью маленьких хвостов жгутиков.
Каким образом этим чрезвычайно простым созданиям это удается, до сих пор было не совсем ясно. Тем не менее, исследовательская группа из TU Wien (Вена) теперь смогла смоделировать этот процесс на компьютере: они рассчитали физическое взаимодействие между очень простым модельным организмом и окружающей его средой. Эта среда представляет собой жидкость с неоднородным химическим составом, в ней содержатся источники пищи, которые распределены неравномерно.
Смоделированный организм был оснащен способностью очень простым способом обрабатывать информацию о пище в окружающей среде.Затем с помощью алгоритма машинного обучения обработка информации виртуального существа была модифицирована и оптимизирована на многих этапах эволюции. Результатом стал компьютерный организм, который в поисках пищи движется очень похоже на своих биологических собратьев.
Хемотаксис: всегда идти туда, где правильно химический процесс
«На первый взгляд удивительно, что такая простая модель может решить такую сложную задачу», — говорит Андрас Зёттль, возглавлявший исследовательский проект, который проводился в группе «Теория мягкой материи» (возглавляемой Герхардом Каль) в Институте теоретической физики Венского технического университета.«Бактерии могут использовать рецепторы, чтобы определять, в каком направлении, например, увеличивается концентрация кислорода или питательных веществ, и эта информация затем запускает движение в желаемом направлении. Это называется хемотаксисом».
Поведение других, многоклеточных организмов можно объяснить взаимосвязью нервных клеток. Но одноклеточный организм не имеет нервных клеток — в этом случае внутри клетки возможны только очень простые этапы обработки. До сих пор было неясно, как такая низкая степень сложности может быть достаточной для связи простых сенсорных впечатлений — например, от химических датчиков — с целевой двигательной активностью.
«Чтобы объяснить это, вам нужна реалистичная физическая модель движения этих одноклеточных организмов», — говорит Андреас Зёттль. «Мы выбрали простейшую возможную модель, которая в первую очередь физически допускает независимое движение в жидкости. Наш одноклеточный организм состоит из трех масс, соединенных упрощенными мышцами. Теперь возникает вопрос: могут ли эти мышцы скоординироваться таким образом, чтобы весь организм движется в желаемом направлении? И прежде всего: можно ли реализовать этот процесс просто или требует сложного контроля? »
Небольшая сеть сигналов и команд
«Даже если одноклеточный организм не имеет сети нервных клеток — логические шаги, которые связывают его« сенсорные впечатления »с его движением, могут быть описаны математически аналогично нейронной сети», — говорит Бенедикт Хартл, который использовал его опыт в области искусственного интеллекта для реализации модели на компьютере.В одноклеточном организме также существуют логические связи между различными элементами клетки. Срабатывают химические сигналы, которые в конечном итоге приводят к определенному движению организма.
«Эти элементы и то, как они влияют друг на друга, были смоделированы на компьютере и скорректированы с помощью генетического алгоритма: поколение за поколением стратегия движения виртуальных одноклеточных организмов была немного изменена», — сообщает Максимилиан Хюбль, который выполнил многие вычисления. по этой теме в рамках его магистерской диссертации.Те одноклеточные организмы, которые лучше всего преуспели в направлении своего движения туда, где находились нужные химические вещества, получили возможность «размножаться», в то время как менее успешные варианты «вымерли». Таким образом, спустя много поколений, появилась управляющая сеть — очень похожая на биологическую эволюцию — которая позволяет виртуальному одноклеточному организму преобразовывать химические ощущения в целевое движение чрезвычайно простым способом и с очень простыми схемами.
Случайное колебательное движение — но с конкретной целью
«Вы не должны думать об этом как о высокоразвитом животном, которое сознательно что-то воспринимает, а затем бежит к нему», — говорит Андреас Зёттль.«Это больше похоже на случайное колебательное движение. Но в среднем оно ведет в правильном направлении. И это именно то, что вы наблюдаете у одноклеточных организмов в природе».
Компьютерное моделирование и алгоритмические концепции, недавно опубликованные в известном журнале PNAS , доказывают, что минимальная степень сложности сети управления действительно достаточна для реализации относительно сложных на вид схем движения. Если физические условия правильно приняты во внимание, то достаточно простой внутренний механизм, чтобы воспроизвести в модели именно те движения, которые известны из природы.
###
Связаться
Д-р Андреас Цёттль
Институт теоретической физики
TU Wien
[email protected]
Журнал
Труды Национальной академии наук
Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.
Мультиклетность: от коротких встреч до союзов на всю жизнь
Когда многоклеточные организмы развились от одноклеточных предков, это был важный эволюционный переход (Maynard Smith and Szathmary, 1995). Считается, что многоклеточная жизнь развивалась по двум механизмам — клональному развитию или агрегативному развитию (Grosberg and Strathmann, 2007; рис. 1), но мы только начинаем понимать его генетическую основу.
Два механизма многоклеточной эволюции.
Слева, организмы, которые развили многоклеточность путем агрегативного развития, имеют жизненный цикл, в котором особи из окружающей среды объединяются и взаимодействуют, образуя многоклеточный организм. Эти клетки не обязательно должны быть генетически идентичными (обозначены разными цветами). У многих организмов с этим жизненным циклом только некоторые клетки рассредоточены для размножения. Справа организмы, которые развили многоклеточность в результате клонального развития, остаются прикрепленными друг к другу после каждого клеточного деления, образуя группы недифференцированных клеток.Каждая клетка в группе может производить генетически идентичную репродуктивную клетку или «пропагулу», которая дает генетически однородное потомство. Если для многоклеточной эволюции многоклеточных животных важны и агрегативное развитие, и клональное развитие, как показали результаты Sebé-Pedrós et al. предположить, тогда требуется новый унифицированный механизм — «кооперативное клональное развитие».
Считается, что у растений и животных многоклеточность возникла в результате клонального развития (King, 2004; Rokas, 2008).Здесь древние одноклеточные организмы разработали методы межклеточной адгезии, которые не позволяли их клеткам полностью разделиться после деления клеток. Сначала эти организмы напоминали скопления недифференцированных клеток, но позже клетки внутри этих организмов специализировались, позволяя эволюционировать сложным и дифференцированным тканям. Примечательно, что организмы, которые развили многоклеточность в результате клонального развития, должны проходить стадию одной клетки в каждом поколении, что означает, что все клетки в каждом многоклеточном организме генетически идентичны.
С другой стороны, совокупное развитие считается менее распространенным механизмом, поскольку обычно наблюдается у организмов с необычными жизненными циклами, таких как слизистые плесени и слизистые бактерии (Bonner, 2000; Rokas, 2008). Агрегированное развитие включает ранее свободные живые одиночные клетки, которые собираются вместе и взаимодействуют, образуя многоклеточный организм. Таким образом, клетки в образующемся организме не обязательно могут быть генетически идентичными. Более того, у большинства организмов, которые претерпевают совокупное развитие, для размножения рассредоточены только подмножества клеток.Это означает, что этим организмам не всегда приходится проходить через «одноклеточное узкое место», ограничивающее генетическое разнообразие во время клонального развития (Grosberg and Strathmann, 2007).
Одним из потенциальных недостатков агрегативного развития является то, что отдельные клетки могут действовать эгоистично или «мошенничать», чтобы гарантировать, что они выбраны для воспроизводства, даже если это снижает приспособленность многоклеточных организмов в целом. Из-за этого предполагается, что стоимость активного предотвращения мошенничества в агрегированных организмах ограничивает их потенциал по развитию сложных тканей и органов (Bonner, 2000).Таким образом, одноклеточное узкое место считается важным для эволюции сложных тканей у растений и животных (Grosberg and Strathmann, 2007). Теперь Иньяки Руис-Трилло из Института эволюционной биологии и Университета Барселоны, Бенджамин Бленкоу из Университета Торонто и его коллеги, включая Арнау Себе-Педроса в качестве первого автора, оспаривают это предположение, исследуя жизненный цикл близкого одноклеточного родственник многоклеточных животных, или метазоа, Capsaspora owczarzaki (Sebé-Pedrós et al., 2013).
Metazoans произошли от примитивного одноклеточного организма, похожего на амебу или грибок, примерно от 0,8 до 1 миллиарда лет назад. Хотя сегодня существует очень мало родственников этих одноклеточных дометазоа (King, 2004; Rokas, 2008), хоанофлагелляты были одними из первых, кто был признан таковым (King, 2004). Репрезентативные организмы встречаются либо в виде одноклеточных организмов, либо в клональных группах, называемых «розетками». Поскольку эти многоклеточные розетки образуются в результате клеточного деления, при котором дочерние клетки не разделяются, это считается подтверждением происхождения клонального развития многоклеточных.Однако недавнее открытие того, что на многоклеточность хоанофлагеллат влияют соединения, продуцируемые симбиотическими бактериями, предполагает, что наше понимание событий, которые приводят к многоклеточности животных, может быть неполным (Alegado et al., 2012).
Недавно была обнаружена новая группа амебоподобных организмов, которые являются немного более дальними родственниками многоклеточных (Steenkamp et al., 2006; Ruiz-Trillo et al., 2007, 2008; Shalchian-Tabrizi et al., 2008; Torruella et al., 2012; Suga et al., 2013). Геном одного из этих видов, Capsaspora owczarzarki , был секвенирован, и было обнаружено, что он содержит несколько семейств белков, которые, как считалось, отсутствуют у одноклеточных дометазоа (King et al., 2008). Это означает, что эти белковые семейства, скорее всего, присутствовали у предков многоклеточных, но впоследствии были потеряны у хоанофлагеллят. Действительно, с завершением геномных последовательностей для организмов, занимающих нижние ветви генеалогического древа многоклеточных, теперь доступен короткий список семейств генов, необходимых для эволюции многоклеточных животных (Suga et al., 2013). Однако в этих сравнительных исследованиях геномики еще предстоит определить конкретные гены, которые потребовались для первых шагов к клональной многоклеточности.
Теперь Себе-Педрос, Руис-Трилло, Бленкоу и его коллеги, базирующиеся в Барселоне, Торонто и Институте Броуда, сообщают об удивительном открытии, что этот вид имеет совокупный жизненный цикл, а не клональный жизненный цикл, как ожидалось. Sebé-Pedrós et al. также идентифицировали небольшое подмножество генов, которые связаны с агрегативной многоклеточностью. Capsaspora размножается как амебоподобные клетки с небольшими пальцеобразными выступами, называемыми филиподиями, которые позволяют клеткам перемещаться по поверхности в поисках питательных веществ. После филоподиальной стадии и, предположительно, когда питательные вещества истощаются, клетки следуют одной из двух судеб развития. В некоторых случаях клетки втягивают свои филоподии, отделяются от поверхности и образуют отдельные кисты. Однако клетки могут следовать альтернативному пути, когда они случайным образом агрегируются и производят утолщенный внеклеточный матрикс, который удерживает их вместе.Эти многоклеточные агрегаты могут позже распасться на отдельные цисты, возможно, способствуя распространению. Открытие того, что близкий одноклеточный родственник многоклеточных животных имеет стадию агрегированного жизненного цикла, ставит под сомнение идею о том, что клональное развитие привело к эволюции многоклеточных многоклеточных животных.
Sebé-Pedrós et al. также сравнили профили экспрессии генов этих трех стадий жизненного цикла. Клетки филоподий показывают ожидаемые признаки клеточной пролиферации; кисты, с другой стороны, показывают признаки клеточного голодания и признаки перехода в состояние покоя.Однако агрегированные клетки экспрессируют гены, которые необходимы для клеточной адгезии и межклеточной коммуникации, но не экспрессируются на других стадиях жизненного цикла. Более того, поскольку специфические белки, участвующие в клеточной адгезии и межклеточной коммуникации, могут взаимодействовать друг с другом, это предполагает, что эти два пути могли развиваться совместно. Если будущая работа покажет, что эти два пути эволюционировали совместно, это предполагает тесную связь между ними и эволюцией совокупного развития.
Таким образом, эти находки ставят под вопрос, действительно ли клональное развитие и агрегативное развитие являются двумя отдельными механизмами многоклеточной эволюции. Одним из возможных сценариев эволюции многоклеточных метазоа является комбинация этих двух механизмов или «кооперативное клональное развитие» (Рисунок 1). В этом сценарии, когда условия окружающей среды стали неблагоприятными, одноклеточные дометазоа были способны кооперироваться и образовывать агрегаты подобных клеток. В какой-то момент кооперативная агрегация стала селективным преимуществом, которое привело к более постоянной межклеточной адгезии.Впоследствии клональное развитие стало селективным преимуществом, прервав репродуктивное рассредоточение отдельных клеток. После того, как клональное развитие эволюционировало, генетическая однородность была выбрана через узкое место в одной клетке. Таким образом, эволюция клонального развития дала избирательное преимущество в борьбе с мошенничеством, что позволило эволюционировать сложные паттерны развития, которые являются отличительной чертой современного разнообразия животных.
Достижение температурно-размерных изменений в одноклеточном организме
Одноклеточный организм C.глаукома следовала TSR с акклиматизированными клетками, показывающими отрицательное линейное уменьшение объема (от размера при 15 ° C) на 3,6% (± 0,45% ДИ) при повышении температуры на 1 ° C (рис. 5а). Это изменение объема клеток существенно не отличается от метаанализа ответов протистов по размеру, проведенного Аткинсоном и соавт. (2003), которые показали, что размер клеток изменяется линейно примерно на -2,5% ° C -1 (± 0,78% ДИ) от объема при 15 ° C. Кроме того, в их исследовании не было значительных различий между TSR у автотрофных и гетеротрофных видов. C. glaucoma , следовательно, представляется подходящим одноклеточным организмом для изучения установления TSR на основании того, что степень его изменения размера с температурой довольно типична.
Данные по размеру матери и дочери показали, что термическая акклиматизация происходит быстро, она достигается в течение ∼70,5 и 120 часов соответственно (оценивается как точка, когда температурно-размерная реакция существенно не отличается от акклиматизированной реакции). Эти акклиматизированные процентные изменения массы требовали, чтобы наклон температуры в зависимости от размера ячейки был постоянным.Учитывая, что время удвоения при 8 ° C составляло 165 ч, такая обработка при самой низкой температуре, вероятно, ограничивала время, необходимое для акклиматизации TSR. Тем не менее, похоже, что адаптация к размеру происходила внутри поколения. Впоследствии изменения размеров сохранялись и после точки акклиматизации. Хотя изменения в размерах наблюдаются как у матери, так и у дочери, мы обнаружили, что дочери потребовалось больше времени для достижения акклиматизации, чем матери (рис. 4). Вероятно, это происходит из-за того, что изменения размеров дочерей зависят от изменения размера материнских клеток с задержкой до того, как популяция дочерних клеток акклиматизируется.Это первое известное нам исследование, в котором определяли период термической акклиматизации размеров одноклеточного организма, и одно из немногих исследований, посвященных акклиматическим изменениям, связанным с новыми условиями окружающей среды (акклиматизация к солености: Finlay et al. др., 2006). Наши результаты имеют важное значение в отношении уравнения 1: мы подтверждаем, что индивидуальные темпы роста и развития (скорость удвоения) действительно становятся развязанными только временно, в то время как соотношение размеров материнских и дочерних клеток восстанавливается через ~ 120 часов (рис. ).
Значительное разделение роста и развития во время термической акклиматизации (в течение 0–120 ч, рис. 4) ранее не регистрировалось у одноклеточных. Изменения в размере клеток, которые мы показали во время логарифмической фазы увеличения популяции этого простейшего, могут иметь важные последствия для других исследований, основанных на данных этой же фазы. Например, скорости роста многих простейших обычно рассчитываются на основе измерений увеличения числа клеток, как скорости удвоения во время фазы логарифмического роста (например, Eppley, 1972; Rose and Caron, 2007).Неявное предположение состоит в том, что удвоение числа связано с удвоением биомассы (при постоянном размере клеток). Это может быть неполным описанием роста, так как не учитываются MCV, которые значительно меняются в зависимости от условий (здесь температура и численность популяции). Более того, в классических исследованиях, используемых для оценки темпов роста месторождения, используются эксперименты по разбавлению и последующему удвоению скорости (Landry and Hassett, 1982). Опять же, здесь могут возникнуть проблемы, если размер клеток меняется и увеличение количества больше не связано с увеличением общей биомассы.Более того, тот факт, что MCV изменяются с температурой и численностью популяции, вызовет расхождения между темпами роста, оцененными по флуоресценции (на которую, предположительно, будет влиять изменение размера клеток), и скоростями, оцененными по количеству клеток. Это подчеркивает важность определения разделения роста и скорости удвоения во время акклиматизации, как было обнаружено в этом исследовании.
Наши результаты, касающиеся размера и скорости адаптации к температуре, показывают как сходства, так и различия между одноклеточными и многоклеточными организмами.Обе группы демонстрируют быструю термическую акклиматизацию: C. глаукома кажется термически акклиматизированной по размеру в течение одного поколения. Точно так же многоклеточные организмы, по-видимому, приспосабливают свой размер к своей тепловой среде в течение одного поколения (Karan et al., 1998; Forster and Hirst, 2011). Кроме того, эти изменения размеров впоследствии сохраняются в C. glaucoma в нескольких поколениях, что также было обнаружено у многоклеточных организмов (Karan et al., 1998; Forster and Hirst, 2011; Potter et al., 2011). Однако относительные изменения размеров различаются между этими двумя группами. C. glaucoma показывает акклиматизированные изменения размеров дочерей и матерей, которые существенно не отличаются друг от друга -4,07% ° C -1 (ДИ ± 0,34%) и -3,76% ° C -1 (ДИ ± 0,28) %), соответственно, рис.4), тогда как размер акклиматизированного потомства у многоклеточных организмов обычно меньше зависит от температуры, чем размеры взрослых особей (Forster et al., 2011a), что приводит к акклиматизированному развитию и темпам роста, имеющим различную температурную зависимость (Forster et al., 2011а, б).
TSR у одноклеточных организмов
Что это означает для нашего понимания TSR? Приближенные механизмы, ранее предложенные для объяснения TSR, были вызваны либо разделением темпов роста и развития (Sible and Atkinson, 1994; van der Have and de Jong, 1996; Walters and Hassall, 2006), либо различной термочувствительностью анаболизма и катаболизма. (Стронг и Даборн, 1980; Перрин, 1995; Вудс, 1999; Карл, Фишер, 2008). Поскольку соотношение M A / M P изменяется в зависимости от температуры в многоклеточных организмах, рост и развитие (и, возможно, анаболизм и катаболизм) должны быть разделены и иметь различную температурную зависимость для нескольких (акклиматизированных) поколений (Forster и другие., 2011а). Однако у протистов этого не может быть, поскольку размеры возвращаются к акклиматизированному состоянию, и M A / M P становится постоянным (рис. 4). Для этого требуется, чтобы г / D также оставалось постоянным при изменении температуры при акклиматизации (уравнение 1). Наши результаты предоставляют эмпирические данные в поддержку концептуальной схемы Forster et al. (2011b), таким образом, одноклеточные виды достигают изменения размера, связанного с температурой, посредством иных механизмов, чем те, которые используются многоклеточными видами.Было показано, что у многоклеточных организмов изменения размера вызываются изменением размера клеток (van Voorhies, 1996; Stelzer, 2002), изменениями количества клеток (Noach et al., 1997; Arendt, 2007) или и тем, и другим (French et al. al., 1998; Blanckenhorn, Llaurens, 2005). Было показано, что даже внутри организма определенные изменения размеров происходят в некоторых типах клеток, но не в других (Atkinson et al., 2006). Эти различия предполагают, что не существует единого универсального ближайшего механизма для объяснения TSR у одноклеточных и одноклеточных организмов, поэтому мы можем предположить, что TSR является адаптивной реакцией, то есть меньший размер при более высоких температурах дает преимущество приспособляемости для большинство видов.Следующий важный шаг — определить, почему лучше быть меньшего размера при более высоких температурах.
Размер, температура и численность популяции
Наряду с температурными изменениями размера в C. glaucoma , мы обнаружили, что численность популяции существенно влияет на размер клеток. Отрицательная корреляция между размером клеток и численностью популяции присутствовала на протяжении всей фазы экспоненциального роста при более высоких температурах (например, рис. 3). Если увеличение численности популяции связано со снижением MCV в C.глаукома , тогда как мы узнаем, что существует истинный эффект температуры и размера, и что изменения размеров вызваны не просто увеличением численности населения? Мы находим из GLM, что температура оказывает значительное влияние на размер, независимо от численности популяции, поскольку не было никакого взаимодействия между этими двумя параметрами. Следовательно, эти факторы независимо друг от друга приводят к изменению размеров. Действительно, наряду с C. glaucoma , уменьшение MCV с увеличением численности популяции ранее наблюдалось у динофлагеллят Alexandrium ostenfeldii (Jensen and Moestrup, 1997) и A.tamarense и четыре вида диатомовых водорослей (Prakash et al., 1973), предполагая, что это может быть обычным явлением у простейших.
Почему MCV изменяются в зависимости от численности популяции в C. glaucoma ? Одним из факторов, потенциально способствующих изменению размера, является концентрация пищи: по мере увеличения численности населения концентрация пищи снижается, а MCV снижаются. Было проведено множество исследований по наблюдению за взаимодействиями хищник-жертва с использованием простейших в качестве модельных организмов. В этих взаимодействиях хищник-жертва мы обнаруживаем циклическую реакцию популяции, при которой популяции протистов увеличиваются до пика, а затем падают, когда пища становится дефицитной (Sharon and Morin, 1993).Если бы снижение концентраций пищи приводило к изменениям в размерах, связанных с экспоненциальной фазой роста, наблюдаемой у C. glaucoma , то можно было бы ожидать резкого падения численности популяции после пика. Однако, когда мы наблюдаем реплики 17 ° CB и 25 ° CA, где пик численности популяции приходится на первые 100 часов эксперимента, мы не видим такого резкого скачка численности популяции в течение последующих 500 часов, что позволяет предположить, что концентрация пищи может поддерживать эту численность популяции и таким образом, изменение размеров не связано с нехваткой продовольствия.Кроме того, как только культуры достигли несущей способности, MCV поддерживаются (например, начиная с 200 часов, на Рисунке 3), тогда как можно было бы предсказать дальнейшее уменьшение размера клеток, если бы пища стала более ограничивающей. Кроме того, предыдущее исследование, посвященное взаимодействию температуры и пищи в объеме клеток Oxyrrhis marina (Kimmance et al., 2006), обнаружило интерактивный эффект между пищей и температурой, однако наша GLM не обнаружила значительного взаимодействия между численностью популяции и температурой, что снова предполагает изменения в размерах, связанные с численностью популяции, не были обусловлены продуктами питания.
Тот факт, что размеры клеток действительно меняются с численностью популяции у C. glaucoma и, как было показано, изменяются во время фазы экспоненциального роста у ряда других видов простейших (Prakash et al., 1973; Jensen and Moestrup, 1997 ), имеет важное значение для нашего понимания TSR. Во-первых, он показывает очень пластичную реакцию в объеме клеток у видов простейших; Размер клетки может быстро реагировать на изменения условий окружающей среды и численности популяции. Во-вторых, он показывает, что измерение размера видов простейших во время фазы экспоненциального роста, вероятно, связано с высокой изменчивостью MCV, обусловленной дополнительными эффектами изменений численности популяции и температуры.Как указали Дженсен и Моэструп (1997), эта экспоненциальная фаза роста не свидетельствует о «сбалансированном росте в постоянной среде». Предыдущий метаанализ данных о протистах попытался решить эту проблему путем записи только данных о размере клеток, полученных во время логарифмической фазы роста популяции (Atkinson et al., 2003), однако мы предполагаем, что эта фаза связана с высокой вариабельностью MCV, движимый изобилием населения.
TSR, грузоподъемность и максимальная биомасса
Данные о несущей способности для C.глаукома не выявила четких закономерностей, связанных с температурой (рис. 5b). Хотя температурной зависимости внутривидовой несущей способности уделялось мало внимания, предыдущая теоретическая работа, сфокусированная на несущей способности (количестве клеток в объеме), предсказывает, что она будет отрицательно масштабироваться с температурой (Savage et al., 2004), в соответствии с зависимостью, обнаруженной при межвидовой уровень. Точно так же межвидовые данные использовались для прогнозирования универсального снижения несущей способности с увеличением массы тела (Belgrano et al., 2002), что соответствует метаболической теории экологии (Brown et al., 2004). Такие прогнозы влияния температуры и размера тела на внутривидовую пропускную способность не поддерживаются в этом исследовании на C. glaucoma . Мы обнаружили, что несущая способность не зависит от температуры и размера: поэтому мы предлагаем экстраполировать ее на внутривидовые отношения, которые следует проводить с осторожностью.
Хотя пропускная способность не меняется с температурой, это не относится к биомассе.Поскольку биомасса является произведением размера (Рисунок 5a) и численности популяции (Рисунок 5b), самая низкая температура была связана с самыми высокими значениями биомассы, с линейным уменьшением максимальной поддерживаемой биомассы по мере повышения температуры из-за температурно-размерной реакции MCV (рис. 5а). Это дает потенциальные ключи к разгадке адаптивного характера TSR у одноклеточных организмов. Если количество особей, которые могут быть поддержаны, не зависит от температуры, то максимизация репродуктивной скорости за счет размера отдельных клеток с повышением температуры максимизирует приспособленность, поскольку более быстро размножающиеся особи будут составлять большую часть конечной популяции (закон «сложные проценты», Аткинсон и др., 2003).
Это исследование демонстрирует быструю реакцию внутри поколения одноклеточных видов на изменение температуры. Это показывает фундаментальные различия между одноклеточными и одноклеточными организмами. Кроме того, обнаружено, что численность популяции не зависит от температуры, но максимальная биомасса уменьшается с температурой, что обусловлено изменением размера отдельных клеток в соответствии с TSR. Данные, посвященные взаимодействию между размером клеток, численностью популяции и температурой во время акклиматизации, далее требуют расширения за пределы гетеротрофных протистов как на внутривидовом уровне, так и на уровне пищевой сети, чтобы определить потенциальное влияние потепления на размер, численность популяции и биомассу.
Наши самые древние предки были одноклеточными организмами: 13,7: Космос и культура: NPR
То, что ученые считают нашим самым старым предком, одноклеточный организм по имени LUCA, вероятно, жил в экстремальных условиях, где магма встречается с водой — в обстановке, подобной той, что была на вулкане Килауэа в национальном парке вулканов Гавайев. Данита Делимонт / Getty Images / Gallo Images скрыть подпись
переключить подпись Данита Делимонт / Getty Images / Gallo ImagesУченые считают, что это наш самый старый предок, одноклеточный организм по имени LUCA, вероятно, жил в экстремальных условиях, где магма встречается с водой — в обстановке, подобной той, что была на вулкане Килауэа в национальном парке вулканов Гавайев.
Данита Делимонт / Getty Images / Gallo ImagesЕсли викторианцы были оскорблены утверждением Чарльза Дарвина о том, что мы произошли от обезьян, представьте себе их удивление, если бы они услышали, что наш первый предок был гораздо более примитивным, чем он, простое одноклеточное существо, наша микробная Ева.
Теперь мы знаем, что все существующие живые существа произошли от одного общего предка, называемого LUCA, Последний универсальный общий предок.Трудно придумать более единый взгляд на жизнь. Все живые существа связаны с одноклеточным существом, корнем сложного ветвистого древа жизни. Если бы мы могли сыграть фильм о жизни в обратном направлении, мы бы нашли этого маленького человечка в исходной точке, единственного актера в том, что стало бы очень драматичной историей, длящейся около 4 миллиардов лет.
Вполне возможно, что до LUCA существовали и другие формы жизни. Мы не знаем точно, кем была LUCA и когда она процветала. Но палеобиологи — ученые, которые исследуют существ, которые жили много лет назад, — блестяще преуспели в картировании эволюции жизни снизу вверх с необычайной детализацией, особенно с учетом трудностей в поиске ископаемых свидетельств существования существ, живших миллиарды лет назад.Вместо того, чтобы искать кости или отпечатки в скалах, чтобы найти LUCA, они смотрят на ДНК. Они могут отследить LUCA до простого прокариотического существа (одноклеточной бактерии с незащищенным генетическим материалом), которое жило около 3 миллиардов лет назад. Должно быть, это был очень крепкий организм, способный выжить в очень экстремальных условиях.
Древо жизни довольно сложное. Однако, если вы посмотрите на картинку, вы узнаете две важные вещи: во-первых, что люди и другие животные составляют абсолютное меньшинство, веточка в правом нижнем углу как часть эукариот, организмы, клетки которых имеют ДНК как защищенный генетический материал. мембраной.(К эукариотам относятся животные, растения, грибы и простейшие.) Во-вторых, подавляющее большинство живых существ являются бактериями.
Рядом с эукариотами вы найдете архей, также одноклеточные организмы, способные выживать в экстремальных условиях, например, вблизи горячих подводных термальных источников или бескислородных болот. Все данные указывают на то, что LUCA была примитивной формой архей.
Биолог-эволюционист Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, попытался обнаружить LUCA в генах бактерий и архей.Это непростая задача, поскольку организмы часто обмениваются генами, из-за чего трудно узнать, что произошло из очень древней линии, а что было взято совсем недавно.
Стратегия Мартина заключалась в поиске генов, обнаруженных как минимум в двух видах современных бактерий и архей; это указывало бы на то, что ген был унаследован от далеких предков, а не был случайным недавним получением.
После анализа генов 2000 современных микробов, секвенированных за последние 20 лет, исследователи обнаружили 355 семейств генов, которые часто встречаются среди микробов, что позволяет предположить, что они имеют общее происхождение.После анализа данные ДНК показали, что LUCA был анаэробным (жил в отсутствие кислорода) и термофильным, то есть теплолюбивым. Как написали Мартин и его сотрудники:
«LUCA населяла геохимически активную среду, богатую H 2 (газообразный водород), двуокись углерода и железо. Эти данные подтверждают теорию автотрофа [организмов, способных питаться простыми неорганическими веществами]. происхождение жизни … в гидротермальных условиях «.
Другими словами, согласно этим результатам, LUCA, вероятно, был простым одноклеточным организмом, который жил там, где морская вода и магма встречаются на дне океана, в так называемых гидротермальных жерлах.
Конечно, есть критики теории, которые утверждают, что жизнь зародилась на суше и мигрировала в подводные среды обитания, чтобы защитить себя от сложных условий на поверхности — из-за интенсивных и частых ударов метеоритов, которые стихли около 3,9 миллиарда лет. назад. Ответ, если его удастся найти, будет зависеть от того, действительно ли существуют какие-либо сохранившиеся биохимические признаки такой примитивной земной жизни, что является сложной задачей из-за постоянного взбалтывания древних пород.
На данный момент свидетельства указывают на нашу микробную Еву как на крепкий подводный организм, способный процветать в очень тяжелых условиях. Мы должны ожидать этого от любого организма, который разветвился, чтобы стать любым другим существом, которое когда-либо существовало. Поговорим о генетическом наследии!
Марсело Глейзер — физик-теоретик и писатель, профессор естественной философии, физики и астрономии в Дартмутском колледже. Он является директором Института междисциплинарного взаимодействия в Дартмуте, соучредителем 13.7 и активный пропагандист науки среди широкой публики. Его последняя книга — Простая красота неожиданного: поиски форели и смысла всего в естествознании философа . Вы можете следить за Марсело в Facebook и Twitter: @mgleiser
Клонирование одноклеточных организмов
Молекулярное клонирование обычно выполняется для одного гена или небольшого сегмента ДНК за раз. Однако технология клонирования продвинулась до такой степени, что ученые начали клонировать геномы целых одноклеточных организмов.Этот подход может быть ценным для инженерных организмов, которые до сих пор не поддаются размножению и инженерии с помощью обычных лабораторных методов.
Клонирование геномов этих организмов в систему-хозяин позволит манипулировать геномом в этой системе для исследований. Этот тип экспериментов по клонированию был успешно проведен для ряда различных одноклеточных организмов.
Простейшие / одноклеточные организмы — Изображение предоставлено: Christoph Burgstedt / Shutterstock
Бактериальные геномы, клонированные в дрожжи
В одном исследовании, опубликованном в 2010 году, исследователи описывают клонирование геномов Mycoplasma genitalium , M.pneumoniae и M. mycoides в дрожжах Saccharomyces cerevisiae . Геномы были клонированы с использованием центромеры дрожжей, кольцевой формы ДНК, нативной для дрожжей.
Для того, чтобы размножаться в дрожжах, бактериальный геном должен включать некоторые последовательности дрожжей. Они включены стандартным молекулярным клонированием в бактериальный геном. Их также можно добавить путем совместного преобразования в дрожжи. Другой вариант — клонирование путем сборки нескольких перекрывающихся фрагментов.
Значительная часть трансформантов дрожжей, полученных этими методами, имела полные геномы микоплазм. Некоторые клоны по неизвестным причинам содержали неполные геномы микоплазм. Последовательности геномов M. mycoides , выделенные из клонированных дрожжей, показали ту же последовательность, что и исходный организм, за исключением изменений, внесенных в целях клонирования.
Эти методы могут быть полезны для изучения организмов, которые не растут в лабораторных условиях или не имеют доступных генетических инструментов.Например, патогены и организмы, собранные путем отбора проб окружающей среды. Как только геном клонирован в дрожжах, с ним можно работать с помощью стандартных методов генной инженерии для дрожжей.
Трансплантация генома
Еще одним применением может быть трансплантация генома, когда сконструированный геном устанавливается в новую бактериальную клетку и обрабатывается для создания организма с определенными характеристиками.
В публикации 2007 года исследователи описывают эксперимент по трансплантации генома.Они трансплантировали интактную геномную ДНК из большой колонии Mycoplasma mycoides в клетки M. capricolum с использованием трансформации, опосредованной полиэтиленгликолем. Полученная линия клеток содержала полный геном донора, не содержала геномных последовательностей реципиента и была фенотипически идентична штамму донора.
По данным Института Дж. Крейга Вентера, клонирование целых бактериальных геномов из одного одноклеточного организма в другой является шагом к созданию синтетического генома — главной цели института.Ученые из JCVI продолжили эксперимент по трансплантации бактерий в 2007 году, клонировав весь бактериальный геном из M. mycoides в дрожжевую клетку. Затем они выделили клонированную бактериальную хромосому и трансплантировали ее родственной бактерии, M. capricolum , создав новый тип M. mycoides .
Это был первый случай, когда геном был перенесен от прокариота к эукариоту и снова обратно к прокариоту.
