Взаимосвязь основных внутриколониальных процессов при ветвлении у колониальных гидроидов (стр. 1 из 3)

А. А. Леонтович, Н. Н. Марфенин

Колониальные гидроиды стали удачной моделью для изучения механизмов интеграции примитивных биосистем организменного уровня. В процессе роста форма, размеры и число компонентов колонии все время меняются, но остаются оптимальными для данных условий существования. Это достигается с помощью регуляции потребления питательного материала при линейном росте, ветвлении и увеличении объема тела, связанных друг с другом определенной последовательностью смены процессов.

Особенности морфологии и физиологии гидроидных полипов делают их одними из наиболее удачных объектов для исследования закономерностей взаимосвязи отдельных морфогенетических актов с единым процессом формообразования целостной, хорошо интегрированной живой системы — колонии гидроидов.

Все части колонии морфологически и по происхождению являются единым телом с общей гастроваскулярной полостью, через которую осуществляется транспорт пищи, продуктов обмена веществ и, возможно, клеток на значительные расстояния. Таким образом, взаимосвязь основных внутриколониальных процессов (пищеварения, пролиферации, роста, редукции частей колонии, ветвления) осуществляется через гидроплазму—жидкость, заполняющую полость колонии. Несмотря на примитивность распределительной системы, ее функционирование обеспечивает достаточно эффективную физиологическую интеграцию колонии в единый организм (Карлсен, Марфенин, 1984; Марфенин, 1985, 1986). Это проявляется в поддержании в процессе роста колонии определенных соотношений между количествами разнотипных составляющих. Нарушение количественных пропорций вызывает такие изменения в росте, которые приводят к восстановлению утраченных соотношений (Марфенин, 1977; Stebbing. 198I).

В настоящее время уже получены данные о характере зависимости роста колонии от интенсивности питания (Bravennan, 197I, 1974; Марфенин, Бурыкин, 1979; Бурыкин, 1980; Марфенин, 1987), о степени автономности ростовых пульсаций верхушек столонов и побегов (Косевич, 1988).

Назрела необходимость ответить на вопрос: от каких факторов зависит ветвление колоний, играющее ведущую роль в обеспечении их оптимального строения и роста? Решая эту задачу, мы использовали оправдавший себя ранее метод анализа морфологии объекта при разных режимах его кормления (Марфенин, 1986) и удобный модельный объект — стелющиеся колонии гидроида Cordylophora inkermanica (Marfenin, 1983).

Материал и методы

С. inkermanica — представитель примитивных колоний стелющегося типа из сем. Clavidae, подотряда Athecata, отряда Leptolida. У этих гидроидов побеги короткие и ветвятся слабо, поэтому зооиды отходят обычно непосредственно от столонов. Материал собран в Севастопольской бухте Черного моря; гидроидов культивировали в лаборатории. Морфология и биология вида описаны ранее (Марфенин, 1983, 1985). Проведены три серии экспериментов: первая и вторая—на Беломорской биостанции МГУ в 1984 и 1987 гг., третья—на кафедре зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ в 1984 г. В первых двух сериях животных содержали в 5-литровом кристаллизаторе, воду в котором меняли один раз в два дня. В третьей серии опытов гидроиды находились в 40-литровом аквариуме с беломорской водой (соленость 28°/оо). Осуществлялась постоянная аэрация и фильтрация воды через отдельный грунтовый фильтр. Воду не меняли 4 мес. Температура содержания в первой серии была 14±2°С, во второй 15±2°С и в третьей 14±1°С.

Колонии выращивали на стеклах по методике Кроуэлла (Crowell,, 1957) из отрезков столона длиной 1,5—4,5 мм, в каждом из которых было по одному гидранту. Гидрант и отрезок мы называем “начальными”, а столон, являющийся продолжением начального отрезка,— “центральным” или “главным” столоном. На центральном столоне в результате его ветвления образуются боковые столоны (рис. 1, 2).

Эксперимент проводили в первые 8—14 сут роста начального отрезка. Каждый гидрант колонии кормили индивидуально из пипетки. Кормом служили свежевылупившиеся науплиусы Artemia sp. Среднесуточное количество корма, полученное каждой колонией, было пропорционально ее размеру, который выражали суммарной длиной гидроризы в миллиметрах. Удельные количества пищи значительно различались в колониях, что позволяло сравнивать эффект кормления. Ежедневно проводили картирование колоний по известной методике (Марфенин, 1980). Всего был изучен рост 66 колоний. Для определения объемных параметров роста в 14 из них проведено измерение диаметров перисарка, ценосарка и гастральной полости. Измерения проводили in vivo в проходящем свете под микроскопом с точностью до 4 мкм через каждые 0,5 мм по длине столона. Таким образом, число промеров было пропорционально размерам колоний. В малых колониях (с длиной гидроризы 8—9 мм) сделано по 14—18, а в больших (длиной 80—100 мм) по 150—200 промеров. По результатам измерений вычислены значения толщины стенок ценосарка столонов, что дало возможность определить объем ткани в них.

Рис.1. a — общий вид небольшой колонии, выращенной на пластине из оргстекла. Н. СТ.—начальный столон; Н. Г.—начальный гидрант; Ц, СТ.—центральный столона Б. СТ.— боковой столон; П. Б. СТ.— почка бокового столона; В. Р. ОТ.— верхушка роста столона; П. Г.— почка гидранта; М. Г.— молодой гидрант; ВЗ. Г.— взрослый гидрант; Р. Г.— редуцирующийся гидрант; Н — науплиус Artemia sp.; П.— кончик пипетки; б—карта-схема этой же колонии. Цифры—расстояние между структурами, мм:

1—взрослый гидрант; 3—молодой гидрант; 3—редуцирующийся гидрант; 4—почка гидранта; в — схема поперечного среза столона. Промеры диаметров: D1 — перисарка (П.); D2.—ценосарка (II.); D3—гастроваскулярной полости (Г. В. П.)

Рис. 2. Фотография бокового столона через 12 ч после его образования

РЕЗУЛЬТАТЫ

Поскольку колонии существенно различны по размерам, то абсолютное число науплиусов (F1), полученное каждой из них в течение эксперимента, не может служить показателем интенсивности питания.

Универсальной характеристикой размера колонии является длина гидроризы (L). Остальные параметры — число верхушек роста столонов (В), число гидрантов—редуцирующихся (Hd), формирующихся (Нi2) и взрослых, сформированных (H),—пропорционально L.

Поэтому интенсивность питания мы определяли удельным среднесуточным количеством пищи F/Lt; (науплиусов/(мм-сут), где t—период времени, сут, который прошел со времени выделения начального отрезка до того, как проводили измерения. Интенсивность питания в разных колониях была различна—от 0,03 до 0,49 науплиусов/(мм-сут).

Динамика роста существенно различалась в колониях, получавших различное количество пищи. Для характеристики морфологии и динамики роста колоний мы использовали следующие показатели.

1. Скорость роста верхушек столона (l/В) отражает величину средней скорости роста любого столона в колонии. Для его вычисления значение суточного прироста всей колонии делили на общее число верхушек ее столонов.

2. Вероятность образования новых столонов в колонии (Р) вычисляли делением числа колоний, в которых при заданных условиях кормления образовался хотя бы один столон, на общее число колоний, содержащихся при таких же условиях. Вероятность выражали в процентах.

3. Разветвленность гидроризы (B—2/L) показывает, сколько боковых столонов приходится на единицу длины гидроризы колонии. Для вычисления этого параметра число верхушек столонов без двух делили на суммарную длину столонов колонии. В неразветвленной колонии, которая состоит из одного столона с двумя верхушками (В =2), этот показатель принимает нулевое значение.

Рис. 3 . . Рис. 4

Рис. 3. Изменение скорости роста столона (/) и коэффициента вариации (С. V.} (2) с течением времени (сут). Каждая точка соответствует среднему значению для выборки из 10 колоний

Рис. 4. Зависимость средней скорости роста верхушки столона {l/B) от интенсивности питания колонии (F/Lt). 1—значения для неветвящихся колоний; 2—значения накануне ветвления колонии. Прямая определяется уравнением l/B = 0,Ol5 F/lt —0,095, коэффициенты которого вычислены по методу наименьших квадратов для интервала 0 < F/Lt £ O,150. Распределение экспериментальных точек на указанном интервале достоверно соответствует уравнению прямой (коэффициент корреляции С. V. = 0,0664).

4. Удельное число гидрантов, на рост которых расходуется питательный материал (Hg2/L=Hi2—Hd /L.). В литературе имеются указания на то, что клеточный материал, освобождающийся при рассасывании гидрантов, может переноситься гидроплазмой в другие части колонии и использоваться там для их роста (Nathanson, 1955; Hale, 1964; Braverman, 1974). Поэтому мы предположили, что количество питательного материала, поступающего в колонию в результате дедифференцировки одного старого гидранта, примерно эквивалентно тому количеству материала, которое расходуется на рост одного нового.

Для вычисления введенного показателя разность между числом гидрантов, находящихся в процессе формирования (такими мы считали растущие гидранты, у которых было менее шести щупалец), и числом дегенерирующих делили на суммарную длину гидроризы колонии.

5. Объем ткани единицы длины ценосарка (v/L) вычисляли, измеряя диаметр ценосарка и гастроваскулярной полости, и затем по соответствующей формуле—площадь сечения стенки ценосарка в данном месте столона. Сделав большое количество замеров в колонии, вычисляли среднюю площадь, сечения ценосарка в ней. Объем ткани единицы длины ценосарка имеет то же численное значение и ту же размерность (мм), что и площадь сечения.

Измерение скоростей роста столонов в 10 колониях, получивших примерно одинаковое небольшое количество пищи,—0,126 (С. V.=0,191) науплиусов/(мм×сут), показало, что в первые 6 сут после выделения из материнской колонии рост столона еще не стабилизирован (рис. 3). В этот период изменение скорости роста носит нерегулярный характер и вариабельность средних ее значений в разных колониях непостоянна в течение времени, но, начиная с 7-х сут, стабилизируется. По этой причине мы рассматривали лишь те морфологические показатели, которые относились к периоду стабилизированного роста колоний — с 7-х по 14-е сут.