Проще некуда
Простейшие (Protozoa) – одноклеточные микроорганизмы, обладающие оформленным ядром, – традиционно изучаются в курсе зоологии. Их не следует путать с бактериями, тоже состоящими из одной клетки, но без оформленного ядра, или с вирусами, которые вообще не имеют клеточного строения. И бактерии, и вирусы изучают совсем другие науки – бактериология и вирусология.
Весь органический мир нашей планеты можно разделить на две большие категории – прокариот (организмы с безъядерными клетками) и эукариот (организмы с ядерными клетками). Организм простейших, грибов, растений и животных (мы с вами тоже не исключение) построен из клеток, имеющих оформленное ядро. К организмам с безъядерными клетками относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. По мнению большинства ученых, различия между прокариотами и эукариотами гораздо существеннее, чем между животными и растениями.
Простейшие далеко не так просты, как это может показаться на первый взгляд. Любая ядерная клетка – структура весьма сложная, настоящая фабрика, гигантский комбинат, синтезирующий по определенной программе множество разных веществ. Помимо окруженного двойной мембраной ядра (вместилища наследственной информации в форме молекулы ДНК), она располагает собственной энергетической системой – пластидами (в клетках растений) и митохондриями (в клетках животных).
Пластиды осуществляют процессы фотосинтеза, то есть преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей сложной органики, прежде всего углеводов. Из простых веществ, вроде углекислого газа и воды, они синтезируют сложные органические соединения. Митохондрии же, в отличие от пластид, требуют притока органики извне. Окисляя органические вещества (этот процесс называется дыханием), митохондрии накапливают энергию, которой и снабжают клетку.
В клетке имеется от 150 до 1500 митохондрий, а их количество у крупных простейших достигает полумиллиона. Как митохондрии, так и пластиды располагают собственным генетическим аппаратом в виде кольцевой молекулы ДНК и могут размножаться самостоятельно, вне зависимости от деления клетки.
В клетке идут процессы белкового синтеза и осуществляются различные этапы обмена углеводов и жиров, синтезируются некоторые сложные структурные молекулы. Есть в клетке и система микротрубочек, которые формируют ее внутренний скелет. Они входят в состав органов движения клетки – жгутиков и ресничек. И вся эта сложнейшая начинка хитроумно упакована в крохотном существе объемом в одну сотую или даже тысячную долю кубического миллиметра.
Простейшие имеют много общего с клетками грибов, растений и животных. Но если клетки высших организмов, как правило, высоко специализированы и формируют ткани, работая в тесной кооперации, то простейшие являются автономными существами, живущими полноценной жизнью. Не имея ни органов, ни тканей, ни нервной системы (или хотя бы какого-то ее подобия), они ведут себя вполне целенаправленно.
Присмотримся повнимательнее к некоторым из них.
Вот, скажем, амеба обыкновенная, дежурный персонаж всех учебников зоологии. Этакая живая капля, текущая по субстрату и все время меняющая форму. Желеобразные потроха других клеток течь не могут, ибо заключены в упругую оболочку, а изменчивое тело амебы всегда пребывает в движении, образуя многочисленные причудливые выросты, называемые ложноножками. Можно даже сказать, что амеба ползает, но это ползание не имеет ничего общего с движением змей или улиток.
Амеба под микроскопом
Ложноножки – не только орган движения, но и охотничий инструмент, с помощью которого амеба ловит и удерживает добычу. Обволакивая жертву ложноножками, она формирует пузырек-вакуоль, куда впрыскивает смесь пищеварительных ферментов.
Большинство амеб – хищники, нападающие не только на других одноклеточных, но и на многоклеточные организмы, сопоставимые с ними по размерам. Ученым доводилось наблюдать, как амеба заглатывала нитчатые водоросли, превосходившие длину ее тела в несколько раз. Расположившись посередине водоросли, она растекалась по ней до конца нити, петле образно его скручивая. Операция повторялась раз за разом до тех пор, пока свернутая в клубок нить не оказывалась внутри пищеварительной вакуоли.
Подобный тип питания – далеко не единственный способ поглощения пищи. Другие простейшие имеют ротовое отверстие и несколько блуждающих вакуолей, где переваривание идет поэтапно, а некоторые мелкие виды всасывают питательные вещества всей поверхностью тела.
Большинство простейших без микроскопа не разглядеть: длина их тела равняется сотым долям миллиметра (20–40 мкм[2]), а некоторые сопоставимы по своим размерам с крупными бактериями (1–2 мкм). Однако среди простейших имеются и настоящие гиганты, видимые невооруженным глазом. Так, амеба протей может достигать полумиллиметра, а инфузории-трубачи, обитатели стоячих пресных вод, вырастают до двух миллиметров. Еще крупнее колониальные морские формы, обладающие раковиной или твердым скелетом – их рост составляет несколько сантиметров.
Мир простейших, насчитывающий десятки тысяч видов, чрезвычайно разнообразен. Среди них немало опасных паразитов, вызывающих тяжелые инфекции – малярию, трипаносомоз (сонная болезнь), амебиаз (амебная дизентерия) и множество других.
В зависимости от характера движения простейших можно разделить на жгутиковых (например, эвглена зеленая), которые перемещаются за счет биения длинного нитевидного выроста (жгутика), реснитчатых (инфузория-туфелька), одетых густой «шубой» коротких волосяных структур (ресничек), и корненожек (уже знакомая нам амеба), «текущих» по твердой поверхности. Следует только помнить, что такая классификация опирается исключительно на внешние признаки и не отражает их генетического родства. Среди мелких простейших встречаются и неподвижные формы.
Понаблюдаем за движениями простейших. Упоминавшаяся выше эвглена зеленая – незаурядный пловец. Ее жгутик совершает винтообразные движения, и обтекаемая клетка стремительно ввинчивается в воду наподобие миниатюрной торпеды. Однако существуют и куда более экзотические способы перемещения в пространстве. Например, трипаносома обзавелась кроме жгутика специальной мембраной, напоминающей плавник, волнообразные колебания которого двигают клетку в обратном направлении.
Другие простейшие взяли на вооружение принцип, который осуществляется в мышечной клетке: их наружная оболочка выложена протяженными белковыми структурами особого типа, которые скользят друг относительно друга. А вот динофлагелляты – микроскопические водоросли, заключенные в жесткий панцирь, – орудуют двумя жгутиками сразу. Один из них направлен назад, а другой располагается в кольцевой выемке дисковидного тела. Их согласованные действия – волнообразное движение свободного жгутика и спиральный тремор кольцевого – обеспечивают клетке завидную маневренность, позволяя плыть в любом желаемом направлении, стремительно набирать скорость и внезапно останавливаться.
Некоторые простейшие освоили даже реактивный принцип. Одни из них собирают в пучок жгутики, расположенные по краям зонтикообразного тела, а потом с силой выбрасывают струю воды, благодаря чему движутся в противоположном направлении. Другие поступают еще радикальнее: сначала закачивают воду внутрь, а затем под давлением извергают ее наружу через импровизированное сопло.
Но поворотливее всех, разумеется, инфузории, окутанные ворсинчатой шубой ресничек, каждая из которых напоминает миниатюрный жгутик. Их согласованное биение дает инфузории возможность не только виртуозно менять курс, настигая добычу в толще воды, но и просачиваться в тончайшие капилляры между частицами грунта. За счет чего достигается такая согласованность – большая загадка, ибо одноклеточные инфузории лишены нервной системы. Тем не менее они ведут себя столь же целесообразно, как и многоклеточные животные, что было не раз подтверждено экспериментами.
Например, у инфузорий без особого труда вырабатывается условный рефлекс на световой сигнал определенного цвета (красный или зеленый), если он подкрепляется ощутимым воздействием в виде укола иглой или удара тока. Инфузория-туфелька, помещенная в узкий слепой капилляр, испытывает сначала большие неудобства (ей трудно развернуться), но после нескольких десятков попыток она решает задачу за пару секунд.
Инфузория под микроскопом
У некоторых простейших (и у большинства инфузорий в том числе) есть ротовое отверстие и некое подобие глотки, где начинается переваривание пищи. Затем она передается в мигрирующую пищеварительную вакуоль, совершающую долгий вояж в теле животного, в ходе которого еда последовательно обрабатывается различными ферментами. Одни из них предпочитают работать в кислой среде, а другие – в щелочной. Непереваренные остатки пищи выбрасываются через аналог ануса – так называемую порошицу.
А у пресноводных простейших, которым необходимо поддерживать водно-солевой баланс, имеется даже своего рода мочевой пузырь – сократительная вакуоль. Она периодически опорожняется, выводя наружу избы ток воды с растворенными в ней отходами жизнедеятельности.
Сравнительно недавно выяснилось, что простейшие общаются между собой, используя в целях коммуникации химический «язык» сигнальных веществ – феромонов. Возможно, именно этим объясняются согласованные действия крохотных солнечников при охоте на многоклеточную дичь – коловраток и мелких рачков. Объединившись в большую стаю из 10–20 особей, солнечники дружно атакуют жертву, парализуя ее уколами своих ложноножек. После совместного переваривания добычи они вновь расходятся по своим делам.
Далеко не все простейшие представляют собой капельку вязкого желе, упакованную в плотную оболочку. Многие из них, особенно колониальные виды, обитающие в морской воде (фораминиферы, радиолярии, раковинные амебы), умеют строить жесткие скелеты из карбоната кальция и соединений кремния. Их тела покрыты раковинами, панцирями, органическими или минерализованными чешуйками, различными по строению и составу, а кое-кто даже научился лепить настоящий внутриклеточный скелет, представляющий собой ажурную решетчатую структуру.
Морские простейшие минувших эпох сыграли важную роль в формировании осадочных пород. Как известно, излет мезозоя ознаменовался вымиранием гигантских допотопных ящеров – динозавров. Однако вопреки распространенному мнению, тогда вымерли не одни только динозавры. В небытие канули 25 % мезозойских семейств беспозвоночных – головоногие и двустворчатые моллюски, одноклеточные радиолярии, диатомеи, фораминиферы и многие другие представители планктонных организмов. Их кальциевые раковины образовали грандиозные отложения, поэтому этот период геологической летописи получил название мелового.
Простейшие размножаются как бесполым путем, так и половым, предварительно обмениваясь генетической информацией, перед тем как разделиться. Жизненные циклы простейших бывают порой чрезвычайно запутанными. Стадии бесполого и полового размножения могут чередоваться, а у некоторых паразитов (например, у Plasmodium falciparum, возбудителя тропической малярии) жизненный цикл, помимо чередования поколений, включает и смену хозяев – человека и комара.
Изучением простейших занимается наука протистология. Термин Protista (от греческого protos – «первый») предложил в свое время немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919), сподвижник Чарлза Дарвина и пропагандист его эволюционного учения. Геккель полагал, что все без исключения микроорганизмы (простейшие, одноклеточные водоросли, грибы и бактерии) следует объединить в самостоятельное царство Protista, поскольку их нельзя отнести ни к животным, ни к растениям. Впоследствии выяснилось, что простейшие и бактерии – это земля и небо. Однако термин прижился, и сегодня простейшие обрели статус подцарства в рамках царства протистов наряду с микроскопическими грибами (плесенью и дрожжами) и водорослями (кроме сине-зеленых), хотя еще совсем недавно их рассматривали как тип, то есть рангом ниже.
Бактерии под микроскопом
А вот бактерии и сине-зеленые водоросли, как уже отмечалось, переместились в домен прокариот – безъядерных организмов. И подобное размежевание совершенно оправданно, ибо покоится на принципиально несхожих типах клеточной организации.
Исследования последних лет, успехи генетики и молекулярной биологии внесли в устоявшуюся классификацию некоторые коррективы. При анализе наследственных структур вдруг выяснилось, что среди простейших существует более десятка независимых эволюционных линий. Обнаружились пересечения с грибами, многоклеточными животными и растениями, причем грибы, животные и несколько видов амеб попали в одну линию. Оказалось также, что некоторые инфузории и споровики, внешне не имеющие ничего общего, попадают в одну группу. Выходит, что классифицировать простейших только по внешним признакам – неправильно, и микроскоп не всегда приближает нас к истине. Одним словом, простые одноклеточные оказались далеко не так просты, как думалось ученым позапрошлого века.