IV. Задание для выполнения

1. Рассмотреть фотографии и рисунки представителей красных водорослей (см.приложение). Зарисовать в тетрадь. Отметить слоевище, основание. Чем обусловлена его окраска? Что представляют из себя образования таллома, напоминающие жилки?

2. Сделайте в тетради рисунок хламидомонады с электронной микрофотографии. Отразите на рисунке наличие следующих органелл: ядра с ядрышком и ядерной мембраной, митохондрий, рибосом, аппарата Гольджи, стигмы (пигментный глазок), клеточной стенки, тилакоидов, вакуолей, пиреноида, жгутиков.

3. Рассмотрите готовый препарат Volvox сначала под малым, а затем под большим увеличением микроскопа. Отметьте вегетативные клетки. В чем их роль? Отметьте дочерние клетки.

4. Сделайте в тетради рисунок внешнего вида ламинарии.

5. Пользуясь схематическим изображением внешнего строения бурой водоросли, поясните приспособительное значение отдельных структур.

6. Зарисовать схематично строение эвглены.

7. Рассмотрите под микроскопом готовый препарат Spirogyra. Отметьте основные детали строения.

8. Рассмотрите под микроскопом готовый препарат процесса конъюгации Spirogyra.

9. Рассмотрите под микроскопом каплю воды из аквариума. Зарисуйте обнаруженные микроскопические водоросли. Постарайтесь определить их принадлежность к основным группам этих организмов.

Лабораторная работа № 9

СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЯ PROTOZOA КАК НЕТРАДИЦИОННОГО ОБЪЕКТА БИОТЕХНОЛОГИИ

Простейшие относятся к числу нетрадиционных объектов биотехнологии. В настоящее время они лишь завоевывают себе место в исследовательской работе и микробиологической промышленности как продуцента БАВ.

Простейшие представляют подцарство (по старой классификации - тип) микроскопических животных - Protozoa. Большинство из них - одноклеточные, ряд видов имеет многоклеточные стадии в цикле своего развития; некоторые ведут колониальный образ жизни.

Protozoa представляют собой особый уровень организации живой материи, сочетающий в себе клетку в морфологическом отношении и организм - в функциональном отношении. В настоящее время известно около 65 тыс. видов простейших, 55 тыс. из которых - свободноживущие организмы и 10 тыс. видов ведут паразитический образ жизни.

Наиболее интерессными в эволюционном отношении являются представители типа Mastigophora - жгутиконосцев, с которыми связывают становление гетеротрофности и многоклеточности у эукариот.

Многие жгутиконосцы сочетают в себе черты растений и животных. Они способны к фотосинтезу как растения и, в то же время, перемещаются в окружающей среде, что принципиально отличает их от растений. Многие из жгутиконосцев потеряли способность к фотосинтезу и перешли к хемотрофному и гетеротрофному способу питания. Для многих представителей этого типа показан анимальный (животный) тип питания - фаготрофия (фагоцитоз). Таким образом, тип жгутиконосцев сочетает в себе черты животных и растений с преобладанием у разных видов тех или других особенностей. Не случайно эти организмы были названы Карлом Линеем как "животнорастения" (Zoophyta). Серьезные экспериментальные подтверждения получила гипотеза о том, что жгутиковые простейшие являются непосредственными предками современных многоклеточных животных и растений, образуя между ними мост.

Знание положения изучаемого мира имеет для биотехнолога не чисто академический интересс, а позволяет создать условия культивирования с учетом особенностей биологии данного вида простейшего.

Филогенетическая близость простейших к многоклеточным животным и растениям является теоретическим обоснованием для изучения этих организмов как возможных продуцентов БАВ, свойственных природе человека и животных.

В качестве продуцентов БАВ рациональнее использовать свободноживущие формы простейших, обладающие разнообразными биосинтетическими возможностями и потому широко распространенные в природе. Они являются важной составной частью геологических пород, почв, пресных и морских водоемов. Особую экологическую нишу занимают простейшие, обитающие в рубце жвачных. Они обладают ферментом целлюлазой, способствующей разложению клетчатки (целлюлозы) в преджелудке (рубце) жвачных. Простейшие рубца могут быть источником этого фермента.

Среди Protozoa много паразитических форм. Разработка методов борьбы с ними (создание вакцин, диагностикумов, фармацевтических препаратов) требует возможностей для всестороннего изучения этих простейших, для чего они должны воспроизводиться и существовать в условиях лаборатории.

Некоторые патогенные Protozoa (например, возбудитель южноамериканского трипаномоза) стали первыми продуцентами противоопухолевых препаратов (круцин или трипаноз). У многих других жгутиконосцев также обнаружены биологически активные вещества, обладающие противоопухолевым действием.

Простейшие являются продуцентами полиненасыщенных жирных кислот - важного лекарственного сырья, которое не образуется у микроорганизмов - классического объекта биотехнологии.

Другой группой биологически активных веществ простейших являются полисахариды. Некоторые из изученных полисахаридов являются стимуляторами иммуной системы млекопитающих (парамилон). В настоящее время в мире большое значение придается глюканам, которые используются для медицинских целей, а также в пищевой и текстильной промышленности. До сих пор их получали из культур бактерий или морских водорослей. В то же время эвглениды являются одним из наиболее перспективных источников этого вещества.

Биомасса простейших является также источником белка. Этот белок содержит все незаменимые аминокислоты, при этом содержание свободных аминокислот на порядок выше, чем в биомассе микроводорослей, бактерий и в мясе. Это свидетельствует о широких возможностях применения свободноживущих бактерий в качестве источника кормового белка.

Решение поставленных задач требует масштабного получения культур свободноживущих и паразитических простейших для выделения биологически активных веществ, что возможно только на основе методов биотехнологии. В связи с этим перед исследователями стоит проблема разработки биотехнологической системы получения метаболитов протозойного происхождения.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖГУТИКОНОСЦЕВ

Класс жгутиконосцев характеризуется наличием жгутиков, служащих органоидами движения. Их может быть один, два или множество. Представители ряда групп жгутиконосцев обладают хроматофорами, содержащими хлорофилл. Эти формы, как настоящие зеленые растения, способны на свету осуществлять фотосинтез. Другим жгутиковым свойствен гетеротрофный обмен - как все животные, они используют в качестве пищи готовые органические вещества. Имеются, наконец, виды, совмещающие обе формы обмена.

Строение и физиология. Размеры и форма тела жгутиконосцев довольно разнообразны. От переднего полюса тела берут начало жгутики (1, 2, 4, 8 и более - до нескольких тысяч). Если их много, они могут покрывать все тело простейшего.

В деталях механизм работы жгутиков различен, но в основе это винтообразное движение. Простейшее как бы "ввинчивается" в окружающую среду. Жгутик совершает от 10 до 40 об/с. Ультраструктура жгутиков, как показывает электронная микроскопия, очень сложна и обнаруживает поразительное постоянство во всем животном и растительном мире.

У многих растительных жгутиконосцев (эвглены, панцирные жгутиконосцы) имеются особые аппараты, служащие для восприятия световых раздражений. Их называют "глазными пятными" или стигмами. У эвглены, например, глазное пятно представляет собой скопление мелкозернистого красного пигмента, лежащего близ основания жгутика. Жгутики служат не только для движения, но и способствуют захвату пищи. У некоторых жгутиконосцев, питающихся твердой пищей, имеется небольшое отверстие - клеточный рот, ведущий в довольно глубокий канал - глотку, вдающийся внутрь тела. Пища попадает в рот и глотку и далее в эндоплазме образуется пищеварительная вакуоль. Обширные группы жгутиконосцев, а именно растительные жгутиконосцы отр. Protomastigina, способны к фотосинтезу. Зеленый пигмент хлорофилл локализуется внутри особых тел - хроматофоров, имеющих такое же ультрамикроскопическое строение, как и хлоропласты высших зеленых растений. Осморегуляторная и отчасти выделительная функции выполняются у жгутиконосцев сократительными вакуолями. Клеточное ядро в большинстве случаев присутствует у жгутиконосцев в единственном числе, но существуют также двухъядерные.

Размножение. Для большинства Mastigophora известен только бесполый способ размножения делением надвое. Сначала делится митотически ядро, а затем, начиная с переднего конца, постепенно делится все тело простейшего. Старый жгутик иногда отходит к одной из дочерних особей, а у второй образуется вновь. В других случаях жгутик отбрасывается и в обеих дочерних особях образуется вновь.

Среди жгутиконосцев Phytomastigina широко распространена колониальность. Колонии образуются в результате незавершенного деления, когда не вполне отделившиеся друг от друга особи остаются связанными друг с другом.

У такой сложной колонии, как вольвокс (рис. 1) , большая часть клеток не дает начала следующему поколению, а периодически умирает, так же как соматические (телесные) клетки многоклеточного организма. Наибольшее сходство с многоклеточными наблюдается у колонии Volvox, у которого имеются как обычные клетки так и половые - гаметы. Громадное большинство клеток остается бесполыми. В колонии дают гаметы лишь 25-30 женских клеток и 5-10 мужских. Среди вольвоксов есть раздельнополые виды, у которых на одной колонии развиваются или мужские, или женские гаметы, и гермафродитные, у которых колония дает начало обеим категориям гамет. Клетки женской ориентации не делятся, но растут и превращаются в крупную макрогамету, которую, как и у многоклеточных организмов, можно назвать яйцеклеткой. Она неподвижна. Микрогаметы активно отыскивают неподвижные макрогаметы и сливаются с ними. Оплодотворенная макрогамета (зигота) окружается плотной оболочкой. Через некоторое время и при благопритных внешних условиях она дает начало новой колонии путем последовательных делений; старая (материнская) колония разваливается и ее соматические клетки погибают.

Жгутиконосцы - паразиты животных. Среди паразитических жгутиконосцев особое внимание заслуживают кровяные паразиты многих позвоночных - трипанозомы. Трипанозомы живут в крови позвоночных, причем передатчиком их служат различные кровососущие беспозвоночные.

Trypanosoma rhodesiense вызывает в тропической Африке "сонную болезнь" человека. Из западной Африки она постепенно распространилась на восток, на всю экваториальную Африку, погубив за первые три десятилетия XX в. свыше миллиона человек. Начинаясь мало заметной лихорадкой, сонная болезнь постепенно приводит к глубокому истощению и сопровождается сонливостью. При отсутствии лечения она всегда оканчивается смертью. Природным резервуаром трипанозом служат, по-видимому, антилопы, которые не страдают от присутствия в их организме этих жгутиконосцев. Переносчики трипонозом - кровососущие мухи "цеце". Муха вместе с кровью больного поглощает трипанозом; последние размножаются в кишечнике мухи и проникают в ее хоботок. Уколом зараженной мухи трипанозомы могут быть переданы в кровь здорового человека.

Leishmania donovani вызывает тяжелое заболевание, называемое в Средней Азии "кала-азар" (висцеральный лейшманиоз). Болеют им преимущественно дети. Заболевание сопровождается увеличением печени и селезенки, лихорадкой, малокровием, истощением.

Другой вид лейшманиоза - Leishmania tropica вызывает местные заболевания кожи, называемые восточной язвой. В нашей стране встречается в некоторых районах Закавказья и Средней Азии. После инкубационного периода (от 2 недель до 5 месяцев) на коже (чаще лица и рук - мест, доступных для укусов москитов) образуется узел, который затем изъязвляется. В ткани язвы под струпом внутри белых кровяных телец находятся многочисленные лейшмании. Продержавшись 1-2 года, язва заживает, оставляя рубец.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНФУЗОРИЙ

К этому обширному типу (более 7000 видов) относятся простейшие, органоидами которых служат реснички, присутствующие обычно в большом количестве. Вторым важным общим признаком является наличие двух качественно разных ядер.

Форма инфузорий крайне разнообразна. Инфузории - наиболее сложно устроенные простейшие. Имеется специализированный ресничный аппарат в области ротового отверстия, где он приобретает новую функцию - направление пищи. У более совершенных форм ротовое отверстие смещено на брюшную сторону. Тело инфузорий способно к резкому сокращению благодаря наличию особых сократительных волокон. Функцию осморегуляции выполняет сложноустроенная сократительная вакуоль.

Многие инфузории способны жить при самых различных парциальных давлениях кислорода. Инфузориям свойственно бесполое размножение. Некоторые инфузории делятся от одного до трех раз в сутки. Темп бесполого размножения зависит от условий среды - температуры, пищи и т.п. Бесполое размножение повторяется много раз подряд, но время от времени. В жизненном цикле происходит и половой процесс, который носит характер конъюгации.

Богатая видами (свыше 120 видов и разновидностей) группа паразитических инфузорий, большинство которых относится к отряду Entodiniomorha, живет в переднем отделе желудка (рубце и сетке) жвачных. Строение этих инфузорий сложно (см. рис 2,3), тело нередко снабжено шипами, выростами, а также скелетными пластинками из вещества, близкого к клетчатке. Они в огромном количестве заполняют рубец каждой особи рогатого скота, причем число их может доходить до 2 млн. на 1 см3 содержимого желудка. При переводе на массу это составит примерно килограмм инфузорий на один рубец. Такое постоянство нахождения и численное богатство этих инфузорий заставляет предполагать, что они симбионты рогатого скота, оказывающие, возможно, положительное влияние на пищеварительные процессы хозяина. Вопрос этот недостаточно изучен.