Проще простого? Почему не стоит недооценивать одноклеточных

Называя одноклеточные организмы «простейшими», мы заведомо противопоставляем их многоклеточным существам, — справедливо ли это? Будучи одной клеткой, простейший организм сталкивается с теми же трудностями существования, как и любой другой: нестабильностью внешней среды, необходимостью добывать пропитание, заботой о продолжении рода.

Термином «простейшие» биологи называют одноклеточные организмы с оформленным клеточным ядром, где хранится наследственная информация в виде собранных в нити хромосом, в противоположность бактериям, в клетках которых ядра отсутствуют.

Если клетка бактерии — это хорошо отлаженный станок по переработке одного вида природного сырья в другой, то простейшее — это целая фабрика из машин разного профиля, которые передают продукцию по конвейеру, с транспортной инфраструктурой и аппаратом управления.

Кроме ядра, своего рода вместилища «уставной информации» (если продолжать аналогию с производственным предприятием), у простейшего, как правило, есть автономная энергетическая система. В одних случаях она работает от солнечного света — такие «аппараты» называются пластидами. Преобразование энергии света в энергию химических связей в них происходит с участием разноцветных пигментов. Один из самых распространенных — зеленый пигмент хлорофилл.

Другой вариант энергетических станций — митохондрии, в отличие от пластид требующие готового топлива — пищи. Подобно двигателю внутреннего сгорания митохондрия производит энергию путем окисления топлива, только гораздо медленнее (этот процесс называется дыханием), и расходует ее не сразу, а запасает в виде химических связей молекул АТФ. Вместе с митохондриями АТФ могут быть доставлены в любое место клетки, где необходимо совершить какую-либо работу.

Есть здесь и рельсовые пути — тяжи из микротрубочек, которые одновременно служат направляющими для транспортировки станков — органелл и крупных белковых молекул, а также внутренним скелетом клетки. Система микротрубочек необычайно динамична: они легко демонтируются и быстро достраиваются в новом месте. Весь этот сложный комплекс хитроумно упакован в микроскопическом существе объемом в сотую или тысячную долю кубического миллиметра. В сравнении с многоклеточным организмом, который видится своего рода ЭВМ прошлого, занимавшим целые залы, простейшее — это компактный ноутбук.

Жизнь в движении

Само по себе внутреннее устройство одноклеточного существа — не диво: точно такие же структуры есть и в клетках многоклеточных организмов — растений, животных, грибов. Удивительно другое: не имея ни органов, ни тканей, простейшие оказываются автономными существами, живущими полноценной жизнью.

Амеба — первое простейшее, открытое в 1755 году немецким натуралистом Августом Рёзель фон Розенхофом, и первое животное, изучаемое студентами-зоологами в современных университетах, — является удивительным примером изменчивости формы. Амеба все время меняется, на ее текучем теле появляются и исчезают выросты, опровергая старинное представление о клетке как мешке с желеобразным содержимым, обретающим форму только благодаря упругой оболочке, которая есть, например, у клеток растений.

Амеба ползет, но характер этого движения совсем иной, чем у крупных ползающих существ, таких как змея или улитка. Механизм образования ложноножек изучен не до конца, хотя кое-что уже известно. В обычном состоянии поверхностный слой цитоплазмы упругий, а внутреннее содержимое — густая жидкость. Появление на теле выроста связано с местным разжижением поверхностного слоя цитоплазмы, куда под давлением устремляется внутренняя жидкость. Когда ложноножка достигает нужной длины, поверхностный слой снова затвердевает, что позволяет ей сохранять форму.

Изменение в состоянии цитоплазмы, напоминающее растекание желе, на самом деле — результат сборки-разборки внутреннего каркаса из молекул белка актина, того же самого, который в паре с миозином обеспечивает сокращение наших мышц. Но здесь актин работает иначе: на заднем конце клетки от длинной нити актина отщепляются блоки-мономеры, которые переносятся вперед и наращивают опорную нить спереди.

Способность образовывать выросты-ложноножки помогает амебам не только передвигаться, но и питаться. В большинстве своем эти одноклеточные — хищники, нападающие на других одноклеточных и даже на многоклеточные организмы, по размерам сопоставимые с ними самими. С помощью ложноножек амебы обволакивают свою добычу и, когда пузырь-вакуоль смыкается, впрыскивают внутрь пищеварительные ферменты.

У радиолярий (простейших с длинными ложноножками и скелетом из кремнеземных игл, собранных в причудливые подобия кристаллов, и солнечников, напоминающих нарисованное ребенком солнышко) ложноножки вместе со скелетными выростами помогают удерживаться в толще воды и служат одновременно ловчей сетью, иногда вооруженной выстреливающими капсулами со слизью, ядом или зазубренными гарпунами. У воротничковых жгутиконосцев кольцо из плотно сомкнутых, будто пальцы, ложноножек образует высокий воротничок, окаймляющий жгутик, и сквозь него фильтруется поток воды, создаваемый биением жгутика.

Существует еще один способ движения, который биологи называют метаболией: он напоминает кишечную перистальтику или волнообразное изгибание тела. Например, двигателем эвглены (простейшего, которое в зависимости от обеспеченности пищей может потреблять готовые органические вещества, как животное, а при их дефиците — фотосинтезировать, как растение) служит скольжение относительно друг друга белковых полос, которыми выложен наружный слой клетки. Такой же принцип осуществляется в мышечной клетке. У одноклеточных паразитов, называемых грегаринами, тело расчленено на звенья, при их движении сокращаются кольцевые белковые нити.

Одинокая клетка может также перемещаться с помощью жгутиков. Причем различия в положении и характере движений жгута дают возможность биологам распознавать некоторых простейших «по походке» даже при малом увеличении микроскопа. Самый простой вариант движения — у одноклеточных водорослей, подобных эвглене. Жгутик эвглены совершает винтообразное движение и заставляет клетку «ввинчиваться» вперед.

У других биение жгутика приводит к движению в противоположную сторону. У трипаносомы жгутик направлен назад, а между ним и стенкой клетки натянута похожая на плавник мембрана, волнообразные движения которой позволяют клетке поступательно двигаться в обратном направлении. Сложные петлевидные взмахи жгутика могут вызывать характерное «вихляющее» движение клетки: то вправо, то влево.

Динофлагелляты — водоросли, заключенные в жесткий панцирь, — располагают двумя жгутиками: один направлен назад, а другой обвивает панцирь клетки по кольцевой выемке. Сочетание волнообразного движения свободного жгутика и спирального волнения кольцевого позволяет маневренно двигаться в любом направлении, быстро разгоняться и внезапно останавливаться.

Самые виртуозные пловцы — инфузории, одетые в густую шубу ресничек, каждая из которых похожа на жгутик, только короткий. Согласованные волны биения ресничек дают инфузориям возможность двигаться в любом направлении, эффективно охотиться на подвижных простейших, и не только в толще воды, но и в узких капиллярных пространствах между мельчайшими частицами грунта. Для ученых остается загадкой, как достигается такая согласованность, — ведь у инфузорий нет ни мозга, ни нервной системы. Но будучи в большинстве своем хищниками, инфузории ведут себя не менее целесообразно, чем многоклеточные животные.

Образ жизни

Не так давно выяснилось, что простейшие общаются: посылают друг другу сигналы и воспринимают их. Это необходимо для успешной охоты, а также для спаривания. Главный способ коммуникации у них — химический, с помощью сигнальных веществ — феромонов. Один из вариантов феромонов — «вещества страха», которые выделяют хищные простейшие. Некоторые виды инфузорий, особенно страдающие от нападений, научились защищаться: почуяв «запах» хищника, они могут менять форму тела, разрастаются в ширину, выпячивают шипы и гребни — и становятся ему не по зубам.

Ученые недоумевают: какой эволюционный смысл может быть сокрыт в такого рода сигнальных веществах, если сами хищники от них только проигрывают? Но один резон все же найден: эти феромоны удерживают их от каннибализма. Амебы протеи — безжалостные хищники, готовые на своем пути пожирать все живое, при контакте с особью своего вида аппетита не проявляют и ложноножек не образуют.

Сложности систематики

Изучением простейших занимается наука протистология — одна из ветвей биологии, которая стремительно развивается в наши дни. И это понятно. Интерес к данной группе организмов вызван во многом тем, что они представляют собой самый корень эволюционного древа, из которого произошло все разнообразие жизни. Кто из десятков тысяч известных видов простейших дал начало многоклеточным животным, растениям, грибам? Ведь среди них есть и тот, кому обязаны своим существованием и мы сами.

Пытаясь дойти до этих глубин, ученые обратились к геносистематике — науке, которая устанавливает родственные связи, опираясь на сходство наследственного материала. И тут специалистов ожидало невероятное количество сюрпризов. Совсем недавно биологи распределяли простейших по общепринятым царствам: одних, нуждающихся в готовой пище, относили к животным, других, фотосинтезирующих, — к растениям, третьих, которые питаются органическими веществами, поглощая их всей поверхностью клетки, — к грибам. Генетический анализ разрушил эту стройную систему. Оказалось, что среди простейших существуют не три, а более десятка независимых эволюционных линий.

Одна линия, наиболее привычная, объединила одноклеточные и многоклеточные зеленые водоросли с зелеными растениями. Другая линия — и тут начались неожиданности — вобрала в себя небольшую часть простейших, в том числе воротничковых жгутиконосцев, некоторые виды амеб, грибы и многоклеточных животных. Остальные распределились по одиннадцати линиям. Все линии, по мнению геносистематиков, оказались более-менее равноправны. Но ведь это означает, что царства животных и грибов нужно объединить, а линии простейших возвести в ранг царств.

Сами простейшие разделились на группы тоже непривычным образом. Получилось, что форма тела и наличие жгутика никакого значения не имеют, многие линии включают как амебоидных, так и жгутиконосных простейших. Дальше — больше: в одну и ту же группу попали инфузории, динофлагелляты и споровики, внешне не имеющие ничего общего. Солнечники — существа со структурой, аналогичной амебам, но очень сложные по форме, которых во все времена считали единым отрядом, — оказались разбросанными по нескольким линиям, и 80% всех солнечников образовало особую линию, в которой никого кроме них нет. Похоже, эта часть солнечников претендует на отдельное царство!

Узнав новую информацию о родстве простейших, ученые столкнулись с невозможностью классифицировать их по внешним признакам: положение организма в системе можно определить только молекулярными методами, микроскоп в этом деле бесполезен. И как следствие — другой далеко идущий вывод: систему одноклеточных организмов теперь нужно коренным образом перекраивать и, конечно, переписывать учебники, так что простейшие оказались далеко не простыми.
_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 11, ноябрь 2008, частично обновлен в октябре 2023}