Протопласт как совокупность живых компонентов клетки лишь у сравнительно немногих более примитивных водорослей ограничен снаружи только цитоплазматической мембраной. Такие клетки называют «голыми». Голыми являются, как правило, репродуктивные клетки водорослей – зооспоры и гаметы.
Клеточная оболочка
У большинства водорослей протопласты полностью окружены клеточными стенками. Как и у высших растений, клеточная оболочка водорослей всегда образуется кнаружи от плазмалеммы, защищает протопласт и служит как бы наружным скелетом клетки. Оболочка состоит из двух компонентов: аморфного слизистого матрикса и погруженного в него фибриллярного опорного компонента. В состав матрикса входят гемицеллюлозы и пектиновые вещества, образуемые аппаратом Гольджи внутри клетки и выделяемые через плазмалемму путем экзоцитоза. Что касается химического состава фибриллярного компонента клеточных стенок, го в отличие от высших растений, где фибриллы представлены целлюлозой, у водорослей наблюдается большее разнообразие полисахаридов, образующих скелетные фибриллы. «Создается впечатление, что природа экспериментировала с разнообразными типами полисахаридов до тех пор, пока отбор не показал, наконец, что именно цепи целлюлозы могут служить наилучшим материалом для укрепления клеточных оболочек в борьбе растений за переход к наземному образу жизни». К настоящему времени у водорослей на молекулярном и ультраструктурном уровне детально описаны три главных типа скелетных полисахаридов: целлюлоза, манпап и ксилан.
Целлюлоза обнаружена у многих зеленых водорослей, у желто-зеленых, динофитовых. в небольших количествах – у красных и бурых.
Ряд зеленых водорослей с сифоновой организацией таллома не содержит в стенках целлюлозы. Главные составные части клеточных стенок у них – ксилан или маннан. Так, ксилан обнаружен в клеточных стенках бриопсиса, каулерпы, галимеды, удотеи, а маннан – у ацетабулярии и кодиума. Это различие в химическом составе оболочек пытались использовать для установления родственных связей в пределах этой группы зеленых водорослей. Предлагалось делить их на «ксилановую» и «манпаповую» группы. Однако позднее ксилан и маннан были обнаружены в стенках одних и тех же водорослей на разных стадиях их жизненного цикла: спорофиты дертэезии, бриопсиса, псевдобриопсиса содержали маннан, а гаме тофиты – ксилан и целлюлозу. В ряде случаев состав микро-фибрилл точно не установлен.
Фибриллы – скелетные волокна – ориентированы в матриксе по-разному. Они могут быть рассеяны но нему беспорядочно или же они располагаются параллельно друг другу. И то и другое расположение микрофибрилл может встречаться в пределах одной систематической группы, в разных частях одного и того же таллома и даже в разных слоях клеточной стенки одной и той же клетки.
Например, среди зеленых водорослей беспорядочное расположение фибрилл наблюдается у родов, клеточные стенки которых характеризуются обильным аморфным матриксом. У сифонокладальных стенка содержит лишь небольшие количества аморфного материала. Она состоит из многочисленных ламелл, в которых фибриллы ориентированы более или менее параллельно друг другу. В соседних ламеллах фибриллы располагаются почти под прямым углом.
Первый слой новой стенки, образующийся на остановившихся зооспорах этих водорослей, состоит из беспорядочно расположенных микрофибрилл.
Помимо скелетных полисахаридов, матрикс клеточных стенок может содержать инкрустирующие вещества – кремнезем, спорополленин, карбонат кальция. Есть данные о присутствии в клеточных стенках протеинов. В 1972 г. у ряда видов хлореллы, сценедесмуса, прототеки в их оболочках впервые был обнаружен спорополленин – чрезвычайно стойкое по отношению к ферментам вещество, характерное для оболочек спор и пыльцевых зерен высших растений. За последние годы число водорослей, в оболочках которых найден спорополленин, заметно возросло. Он обнаружен в клеточных стенках Phycopeltiseplphiton, ряда видов требуксии, в стенках цист гемато-кокка, в стенках зигот спирогиры. У некоторых водорослей имеется хитин в виде тонкого наружного слоя. Оболочка может быть цельной или состоять из двух и более частей, может быть пронизана порами, нести различные выросты. Примеры будут приведены при описании соответствующих родов.
Формирование новых оболочек исследовалось с применением различных методов электронной микроскопии. Объектами служили голые, одетые только цитоплазматической мембраной естественные стадии развития разных водорослей: цисты ацетабулярии, только что оплодотворенные яйцеклетки фукуса, синзооспоры вошерии, зооспоры педиаструма. кладофоры, хетоморфы; автоспоры хлореллы, ооцистиса, сценедесмуса. В других исследованиях по регенерации стенки использовались искусственно полученные протопласты. Результаты этих исследований несколько противоречивы; по-видимому, сборка клеточных стенок происходит неодинаково у разных водорослей, и в этот процесс вовлечены разные органеллы.
В ряде случаев констатируется участие в синтезе клеточных стенок аппарата Гольджи после остановки зооспор возникает оболочка. При этом на плазмалемме этих голых клеток видны гранулы с той же ориентацией, что и микрофибриллы в зрелых оболочках клеток этих водорослей. Был сделан вывод, что эти гранулы плазмалеммы участвуют в биосинтезе целлюлозных микрофибрилл. Сходные данные были получены для автоспор Oocystisapiculata– водоросли, также имеющей упорядоченную текстуру микрофибрилл в оболочке зрелых клеток. Исследование реплик плазмалеммы голых автоспор этой водоросли показало, что снаружи плазмалемма несет спаренные ряды мелких гранул, соединяющиеся в широкие полосы. На конце рядов может находиться более крупная гранула. Между полосами гранул располагаются отдельные гранулы разного диаметра. Ориентация полос гранул точно соответствует ориентации микрофибрилл в оболочке.
С внутренней стороны плазмалемма несет отдельные гранулы. Было высказано предположение, что полосы гранул являются местом синтеза целлюлозных микрофибрилл, которые вставляются в глубокую выемку между парами рядов гранул. С другой стороны, из анализа электронных микрофотографий кортикального слоя цитоплазмы и клеточной стенки Oocystissolitariaсделан вывод, что упорядоченная организация микрофибрилл обусловлена микротрубочками, сосредоточенными в примембранном слое цитоплазмы. В пользу этой гипотезы свидетельствуют опыты с ингибиторами, действующими на микротрубочки, например с колхицином. Обработка клеток колхицином приводит к деполимеризации микротрубочек и нарушает ориентацию микрофибрилл. У водорослей, помимо цитоплазматической мембраны и клеточных стенок, наблюдается большое разнообразие клеточных покровов. Эти покровы можно распределить на две группы: формирующиеся под цитоплазматической мембраной и находящиеся кнаружи от нее. К первым относятся: перипласт криптофитовых, пелликула эвгленофитовых и тека динофлагеллат; ко вторым – различного рода чешуйки, образующие покров снаружи от цитоплазматической мембраны, особенно характерные для золотистых и гаптофициевых водорослей, но встречающиеся и у зеленых. Особые покровы – панцири диатомовых водорослей, неполные оболочки–домики золотистых, эвгленофитовых водорослей.
Цитоплазма
Цитоплазма – часть клетки, остающаяся после удаления различимых в световом микроскопе органелл. Основная плазма – мелкогранулированный матрикс – содержит ультраструктурные органеллы цитоплазмы: плазмалемму, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, микротрубочки и пр.
Мембраны. Электронный микроскоп показывает, что цитоплазма пронизана многочисленными мембранами, имеющими на срезе вид двойных темных линий, заключающих светлое промежуточное пространство. Снаружи клетка ограничена такой типичной элементарной, мембраной – плазмалеммой, которая в живой клетке обладает свойством полупроницаемости и выполняет барьерную функцию. Все клеточные органеллы ограничены такой элементарной мембраной. Ядра, пластиды, митохондрии отделены от основной плазмы оболочками, состоящими из двух мембран.
Внутри клетки цитоплазма отграничена от вакуолей вакуолярной мембраной – тонопластом, имеющим ту же природу, что и плазмалемма. Наряду с перечисленными стабильными мембранами, отграничивающими клетку от наружной среды и органеллы от основной плазмы, существует еще чрезвычайно изменчивая внутренняя система мембран – эндоплазматическая сеть. Эта система образована ограниченными элементарной мембраной плоскими полыми цистернами и трубочками, связанными в сеть. Наружная поверхность эндоплазматической сети часто покрыта рибосомами. Соответственно различают шероховатую и гладкую эндоплазматическую сеть, которая может встречаться в одной и той же клетке. Эндоплазматическая сеть играет роль в передвижении и распределении веществ внутри клетки. Рибосомы, связанные с мембранами шероховатой эндоплазматической сети, осуществляют синтез белка.
Аппарат Гольджи. Аппарат Гольджи состоит из диктиосом, одной или многих. Каждая диктосома представляет собой стопку плоских блюдцевидных цистерн, ограниченных элементарной мембраной. Число цистерн в стопке, т.е. приходящихся на одну диктиосому, варьирует от 3–7 до 30. От краев цистерн, большей частью вздутых, отшнуровываются мелкие пузырьки – везикулы Гольджи. Вся органелла носит полярный характер; в ней имеются проксимальный, или формирующий, полюс и дистальный, или секретирующий, полюс, где цистерны образуют обильные пузырьки и фрагментируются. Таким образом, цистерны постоянно перемещаются от формирующего полюса к секретирующему. Образование новых цистерн Гольджи, по-видимому, происходит за счет слияния пузырьков, которые отпочковываются от эндоплазматической сети или наружной мембраны ядерной оболочки. Если основной функцией эндоплазматической сети является полимеризация аминокислот в специфические полипептиды, то в аппарате Гольджи из простых Сахаров синтезируются олигомерные углеводы. По мере созревания цистерн диктиосомы водянистая жидкость эндоплазматической сети или перинуклеарного пространства, как правило, обогащается углеводами, что можно выявить гистохимически. Функции аппарата Гольджи многообразны. Он участвует в образовании матрикса клеточной оболочки. В результате слияния пузырьков Гольджи возникает клеточная пластинка, принимающая участие в цитокинезе многих зеленых водорослей. Срединная пластинка представляет собой полужидкий слой из гемицеллюлозы и пектиновых веществ, составляющий матрикс клеточной оболочки, в котором позднее появляются фибриллы целлюлозы. Синтез фибрилл, как правило, осуществляется плазмалеммой. Мембраны же пузырьков Гольджи преобразуются в плазмалемму. Аппарат Гольджи поставляет также материал матрикса для растяжения клеточной стенки. Пузырь, где откладывается кремнезем и в котором формируется новая створка диатомовых водорослей, также возникает за счет слияния пузырьков Гольджи. То же относится и к мембране – силиколемме, окружающей пузырь, в котором закладывается кремнеземная оболочка эндоплазматических статоспор золотистых водорослей. В цистернах аппарата Гольджи наблюдаются не только растворенные вещества, но и оформленные чешуйки, составляющие клеточный покров многих монадных золотистых и некоторых зеленых водорослей. Чешуйки выделяются на поверхность клетки путем экзоцитоза - при слиянии мембраны цистерны, содержащей готовую чешуйку, с плазмалеммой. В этой связи заслуживают внимания данные Р. Броуна с сотрудниками, относящиеся к гаптофициевой водоросли – PleurochrysisscherffelLНа поперечном разрезе через зрелую вегетативную клетку этой водоросли можно видеть, что клеточный покров образован многими слоями рыхло расположенных чешуек, погруженных в материал, по-видимому, пектиновой природы. На ташентальном срезе клетки чешуйки представляются в плане: их остов образован целлюлозными микрофибриллами, из которых одни располагаются концентрическими кругами, другие расходятся радиально из центра чешуек. Эти чешуйки формируются в цистернах аппарата Гольджи. Процесс начинается в проксимальных цистернах: центральная расширенная часть таких цистерн является местом полимеризации глюкозных мономеров в кристаллическую сеть целлюлозных цепей. В дистальных цистернах можно видеть уже зрелые чешуйки; их остов образован сетью целлюлозных микрофибрилл, одна часть которых расположена концентрическими кругами, а другая расходится из центра по радиусам. Мембраны самых наружных цистерн с уже готовыми чешуйками, по-видимому, сливаются с цитоплазматической мембраной, принимая, таким образом, участие в выделении готовых элементов клеточного покрова па поверхность клетки, где они располагаются наподобие черепиц. Подсчитано, что у Pleurochrysisscherffeliаппарат Гольджи каждые две минуты продуцирует одну чешуйку. Таким образом, скорость продукции чешуек достаточно велика, что, возможно, связано с большой потерей рыхло расположенных чешуек.
Было доказано, что основной строительный полисахарид чешуек плеврохризиса – целлюлоза. Этим было продемонстрировано, что аппарат Гольджи участвует не только в синтезе аморфного матрикса клеточной стенки, но и в синтезе целлюлозы, принимая на себя морфогенетические функции, обычно выполняемые плазмалеммой. До этого исследования клеточного покрова P. scherffeliобщепризнанным считалось, что опорные фибриллы целлюлозы образуются всегда вне протопласта благодаря направленной наружу активности плазмалеммы. Возникновение чешуек, кокколитов в цистернах аппарата Гольджи к настоящему времени описано у многих представителей.
В ряде случаев, например у золотистой водоросли охромонас, было показано, что в сборку и выведение на поверхность клетки мастигонем вовлечены пузырьки Гольджи. Сами мастигонемы, будучи белковой природы, образуются не в пузырьках Гольджи, а в перинуклеарном пространстве, т.е. в системе синтезирующей белок эндоплазматической сети.
Одна из функций аппарата Гольджи – регуляция содержания воды в клетке. У рафидофитовой водоросли Vacuolariavirescensбыло продемонстрировано возникновение пульсирующих вакуолей из аппарата Гольджи. Сократительная вакуоль этой водоросли представляет собой разбухшую цистерну Гольджи. При «сокращении» она сливается с плазмалеммой, и ее жидкое содержимое удаляется из клетки путем экзоцитоза. Вакуоль, по существу, и не является сократительной, так как она полностью исчезает и заменяется новой цистерной. Это процесс, обратный процессу активного поглощения воды путем пиноцитоза. Было показано, что каждые 75 с из клетки выталкивается новая вакуоль и за 30 мин выделяется количество воды, соответствующее полному объему клетки. Аппарат Гольджи связан с секреторной деятельностью клетки, при его участии образуются, по-видимому, трихоцисты, эджектосомы, возможно, выделяется клеющая субстанция, способствующая прикреплению спор к субстрату, и т.д.
Микротрубочки. Помимо эндоплазматической сети, в цитоплазме клеток водорослей обнаруживаются трубчатые элементы – цитоплазматические микротрубочки. Их следует отличать от микротрубочек, составляющих аксонему ресничек и жгутиков. В отличие от последних образование цитоплазматических микротрубочек подавляется действием колхицина, они исчезают из цитоплазмы при низкой температуре и высоком гидростатическом давлении. Цитоплазматические микротрубочки–крайне динамические клеточные структуры: они то появляются, то исчезают, уменьшаются или увеличиваются в числе, перемещаются из одной части клетки в другую. Стенки микротрубочек образованы глобулярными макромолекулами. Хотя цитоплазматические микротрубочки пока не удается выделить из цитоплазмы и анализировать, на них обычно распространяются данные, полученные в отношении микротрубочек жгутиков, поддающихся изолированию и биохимическому анализу. Принимается, что цитоплазматические микротрубочки, как и микротрубочки жгутиков, образованы белками тубулинами, по аминокислотному составу напоминающими актин мышц. Цитоплазматические трубочки различаются по положению в клетке и назначению: одни участвуют в образовании ядерного веретена; другие связаны с цитокинезом – участвуют в образовании фрагмопласта и фикопласта; третьи, собственно цитоплазматические микротрубочки, представляют собой скелетную систему клетки. Последняя особенно свойственна голым клеткам, форма которых определяется микротрубочками, образующими периферический микроскелет. Например, асимметричная форма клетки голой золотистой водоросли охромонаса определяется присутствием цитоплазматических микротрубочек: при высоком гидростатическом давлении или обработке колхицином клетки охромонаса принимают сферическую форму. Своеобразная тетраэдрическая форма зооспор золотистой водоросли гидруруса также определяется системой микротрубочек. Микротрубочки ответственны не только за поддержание, но и за изменение формы голых клеток, например зооспор водяной сеточки, педиаструма во время формирования их дочерних ценобиев, а также в процессе инверсии при образовании дочерних сфероидов вольвокальных. Микротрубочки, локализованные на переднем конце сперматозоидов эдогониума, возможно, наряду со жгутиковыми корнями и фиброзным кольцом ответственны за те изменения формы кончиков сперматозоидов, которые наблюдаются перед самым процессом плазмогамии. В ряде случаев микротрубочки наблюдались по соседству с хлоропластами, текальными цистернами у динофитовых водорослей, пелликулой эвгленофитовых и пр.
Жгутики
Строение жгутиков. Монадные клетки снабжены жгутиками. Жгутики всех водорослей имеют единый план строения.
Жгутик можно подразделить на наружный и внутренний – эстра- и интрацеллюлярный отрезки. Наружный отрезок, или свободная часть жгута, в свою очередь, состоит из трех частей: кончика, главного стержня и переходной зоны. Внутренний - интрацеллюлярный – отрезок охватывает основание жгута и корни жгута.
Свободная часть жгута всегда одета жгутиковой мембраной, которая не что иное, как приподнятая цитоплазматическая мембрана. Так, у бурой водоросли диктиоты единственный жгутик несколько раз свернут по спирали вокруг молодого сперматозоида. На срезе через такой сперматозоид под мембраной, одевающей клетку, можно видеть микротрубочки жгута, характерным образом расположенные, без какой-либо собственной мембраны. После освобождения сперматозоида первоначально закрученный по спирали жгутик разматывается, приподнимая при этом цитоплазматическую мембрану клетки, которая на этой стадии должна быть в очень лабильном состоянии. Наоборот, при втягивании жгутиков, например при остановке синзооспор вошерии, их мембрана становится частью цитоплазматической мембраны. Кнаружи от жгутиковой мембраны находится чехол – слой материала, покрывающего жгут на большем протяжении его длины.
Под мембраной жгута находится матрикс, образованный белками. Весь жгутиковый аппарат пронизан пучком белковых фибрилл или микротрубочек – аксонемой, поперечный разрез которой выглядит неодинаково на разных уровнях жгута: в его кончике, главном стержне, переходной зоне и базальном теле.
На поперечном срезе главного стержня видно типичное для всех водорослей расположение микротрубочек или фибрилл: дольцо из девяти пар микротрубочек окружает две одинарные центральные микротрубочки – структура +2.Каждый дублет образован «А» и «В» микротрубочками, «А» трубочка каждого дублета снабжена двумя короткими выступами–боковыми «руками», обращенными к следующему дублету, и радиальным тяжем, соединяющим периферический дублет с центральными микротрубочками, которые могут быть заключены в общий чехол. Кроме того, имеются интердублетные соединения – тяжи, соединяющие дублеты, и ряд дополнительных образований.
А последовательность растворения микротрубочек жгутика: удаление мембраны жгутика оставляет нетронутой аксонему. содержащую девять наружных дублетов и две центральные трубочки. При обработке аксонемы возрастающими концентрациями саркозила удаляется одна из центральных трубочек, затем растворяется оставшаяся центральная трубочка, часто вместе с наружной частью трубочки В. Б- интактные наружные дублеты растворяются в такой последовательности: наружная часть трубочки В, оставшаяся часть трубочки В, наружная часть трубочки А, А–остаток трубочки А, за исключением грех первичных нитей, составляющих перегородку между трубочками А и В. В схема, иллюстрирующая гипотетическое расположение тубулина 1 и тубулина 2 в наружном дублете.
Рис. Схема строения дублетов в жгутикс Chlamydopionasreinhurdtir
Тонкая структура микротрубочек, составляющих наружные дублеты жгутиков и ресничек, стала объектом многочисленных исследований. Подробно были изучены и дублеты жгутиков простейшей монадной зеленой водоросли хламидомонаса. Дублеты образованы субъединицами первичными нитями, в свою очередь состоящими из одного ряда сферических субъединин. Каждый дублет содержит 23 первичные нити: микротрубочка «А» образована 13 первичными нитями, из которых 3 расположены медианно. создавая перегородку между просветами «А» и «В» микротрубочек. «В» микротрубочка включает 10 первичных нитей.
Г. Витман с соавт. разработали методы изоляции жгутиков хламидомонаса и их фракционирования на мембрану, мастигонемы, матрикс и компоненты аксонемы. Наружные дублеты затем были разделены на «А» и «В» микротрубочки и выделена перегородка между ними, образованная тремя первичными нитями. Каждый и) компонентов был изучен электронно-микроскокически и биохимически. Изолированные мастигонемы образованы эллипсоидными субъединицами, соединенными конец к концу, и содержат один гликопротеин. Фракция матрикса включает ряд белков. Изолированные аксонемы удерживают сначала интактную структуру, а дальнейшее их фракционирование осуществляется путем нагревания или под действием детергента. Возрастающие концентрации детергента саркозила растворяют микротрубочки аксонемы в следующем порядке: одна из двух центральных микротрубочек, вторая центральная микротрубочка и наружная стенка «В»микротрубочки дублета, остальные части «В» микротрубочки, наружная стенка «А» трубочки, остаток «А» трубочки, за исключением трех первичных нитей, составляющих «перегородку» между просветами «А» и «В» микротрубочек.
Анализ наружных дублетов показал, что они образованы двумя белками-тубулином 1 и тубулином 2 соответственно с молекулярной массой 56000 и 53000 и разным аминокислотным составом.
Как в микротрубочках «А», так и в микротрубочках «В» присутствуют оба тубулина, в трех же первичных нитях, образующих стенку между просветами «А» и «В» микротрубочек, обнаружен только тубулин 1. В остальных частях микротрубочек каждая первичная нить содержит только один из тубулинов и они чередуются парами: пары первичных нитей, образованных тубулином 1, перемежаются с парами нитей, содержащими тубулин 2.
Кончик – это участок жгута, тупой или слегка заостренный, у которого нарушается описанное для главного стержня жгута нормальное +2 расположение микротрубочек. По мере приближения к кончику утрачивается материал матрикса и периферические дублеты один за другим постепенно теряют одну из микротрубочек, становясь одинарными, но сохраняя при этом изначальное круговое расположение. Затем постепенно сокращается число периферических микротрубочек, пока не останутся только центральные микротрубочки, которые сохраняются почти до самого кончика жгута.
У гамет бурой водоросли эктокарпуса оба жгутика несут длинный, часто закрученный спирально терминальный придаток – акронему, в который из стержня жгута переходят две центральные микротрубочки.
Переходная зона – между свободной частью жгута и базальным телом – внешне легко отличается от стержня, так как здесь жгутик перетянут: жгутиковая мембрана плотно подходит к дублетам аксонемы. У проксимального – морфологически нижнего конца наружной части жгута находится базальный диск, у которого оканчиваются две центральные микротрубочки, Периферические дублеты продолжаются ниже базального диска, где к ним вскоре добавляются дополнительные микротрубочки, превращающие дублеты в триплеты базального тела.
Базальное тело, находящееся в основании каждого жгутика, расположено в цитоплазме вблизи поверхности клетки и представляет собой короткий цилиндр, по периферии которого располагается девять триплетов микротрубочек. Триплеты соединяются друг с другом тонкими нитями между «А» и «С» – микротрубочками соседних триплетов. По-видимому, жгутики всех водорослей имеют «корни», прикрепленные обычно к их базальным телам, закрепляющие эти тела в протопласте. Обычно корни бывают двух типов: группы исчерченных полосатых волокон и группы микротрубочек. Ориентация корней по отношению к базальным телам и в клетке различна. Например, у хламидомонады базальные тела двух жгутиков связаны друг с другом широким полосатым корнем, от которого отходят четыре четырехчленных микротрубчатых корня, идущих назад в клетку непосредственно под цитоплазматической мембраной.
Такая комбинация исчерченных и трубчатых корней встречается часто.
Совсем иной тип «корневой системы» у представителей празинофициевых, хризофитовых, рафидофитовых водорослей. У этих организмов широкая исчерченная лента – ризопласт – тянется непосредственно от базальных тел к ядру, где она, по-видимому, прикрепляется к ядерной оболочке.
В некоторых группах водорослей, например зеленых, особенностям жгутиковых корней в последнее время придается важное значение в связи с выявлением родственных отношений между видами и родами.
При едином общем плане строения жгутики разных водорослей могут отличаться в деталях, причем эти различия весьма константны и характерны для больших групп – отделов.
Эти постоянные различия касаются как особенностей тонкого строения жгута, так и таких признаков, как число жгутиков, место прикрепления, длина, характер поверхности и пр. Так, у диатомовых водорослей в жгутике сперматозоидов отсутствуют центральные микротрубочки и вместо обычного строения 4–2 трубочки расположены по формуле +0, а у зеленой водоросли голенкинии в стержне жгутика сперматозоида имеется только одна центральная микротрубочка +1.
Особенно вариабильной сказалась переходная зона, которая у зеленых водорослей характеризуется так называемым звездчатым телом. У золотистых водорослей между периферическими дублетами и центральными трубочками в этой зоне имеется спиральное тело, а у динофитовых переходная зона благодаря диафрагмам разделена на камеры.
Число жгутиков может варьировать от одного до многих, хотя преобладают двужгутиковые формы; прикрепление их к клетке – к концу или сбоку.
Если у двужгутиковых клеток оба жгутика одинаковой длины, то они изоконтные, если разной длины, – то гетерокоптные. Одинакового строения жгутики называют изоморфными, различающиеся по форме – гетероморфными, В последнем случае один из жгутиков может быть гладким, а другой несет прикрепленные к его мембране волосовидные образования – мастигонемы. Мастигонемы имеют сложное и разнообразное строение и расположение. Поверхность жгутиков бывает покрыта различной формы чешуйками или шипами.
Регенерация жгутиков. Перед клеточным делением у одних монадных форм старые жгутики сбрасываются; при этом связь с базальным телом прерывается у проксимального конца переходной зоны в месте превращения триплетов в дублеты. В других случаях половина старого кинетического аппарата может, переходить к дочерним клеткам, а отсутствующие половинки образуются заново. Жгутики не способны делиться и всегда берут начало от базальных тел, репликация которых предшествует клеточному делению: от дистального конца базального тела вырастает стержень жгута, приподнимающий плазмалемму, которая по мере вытягивания жгутика также вытягивается и превращается в его мембрану. При репликации базальных тел формирование нового базального тела индуцируется уже имеющимся, по соседству с которым образуются девять новых триплетов микротрубочек. Базальные тела гомологичны, а в некоторых случаях идентичны с центриолями – центрами, от которых во время митоза у многих водорослей расходятся нити веретена. Центриоли располагаются парами, образуя дюносому с осями, ориентированными под прямым углом друг к другу, в особом участке гомогенной основной цитоплазмы – центросфере, где нет ни рибосом, ни эндоплазматической сети, ни каких-либо иных клеточных органелл. Центриоли, как и базальные тела, образованы девятью триплетами микрогрубочек, расположенными по кругу. При возникновении из единичной центриоли диплосомы в гомогенной центросфере перпендикулярно к оси имеющейся центриоли появляются девять очень коротких триплетов микротрубочек, которые растут, пока не достигнут длины трубочек материнской центриоли. Никаких контактов между двумя системами микротрубочек обнаружить нельзя – между ними всегда сохраняется расстояние. По-видимому, как и в случае репликации базального тела, каждая существующая центриоль является центром дифференцировки микротрубочек. Во время митоза центриоли расходятся в противоположные стороны, образуя полюса ядра, к которым сходятся нити веретена. Центриоли могут располагаться вне ядра или же при образовании в оболочке ядра полярных отверстий они вместе с микротрубочками проникают внутрь ядра. Центриоли встречаются не только у монадных форм и водорослей, жизненный цикл которых включает репродуктивные подвижные клетки, они были' обнаружены и у водорослей, лишенных подвижных стадий. В одних случаях центриоли мигрируют от ядра к поверхности клетки и начинают функционировать в качестве базальных тел, например у хорды, У хары в вегетативных клетках центриоли отсутствуют, однако имеются в клетках сперматогенных нитей, где они связаны с веретеном, а позднее принимают участие в образовании жгутиков. Во многих других случаях базальные тела функционируют во время митоза в качестве цептриолей.
Псевдоцилии. У зеленых водорослей с пальмеллоидной структурой клетки многих представителей несут неподвижные отростки – псевдоцилии. Электронно-микроскопическое исследование показало, что эти структуры – производные жгутиков, базальные тельца и корневые системы которых почти идентичны таковым хламидомонады; переходная зона также имеет звездчатый узор, характерный для жгутиков зеленых водорослей. Однако свободная часть органеллы не имеет центральных микротрубочек, и «В» трубочки периферических дублетов большей частью очень коротки. Таким образом, под мембраной псевдоцилий микротрубочки имеют расположение 9 –0 вместо характерного для типичных жгутиков +2.
Гаптонема. Ряд золотистых водорослей, помимо двух жгутиков, обладает особой органеллой – гаптонемой. Это расположенный между двумя жгутиками обычно более короткий отросток; он может находиться в скрученном или выпрямленном состоянии. У одного из видов хризохромулины с помощью цейтраферной киносъемки удалось определить скорость скручивания гапотнемы и ее вытягивания. Существует мнение, что гаптонема может служить для временного прикрепления клетки к субстрату. С другой стороны, у видов с очень длинной гаптонемой она может служить приспособлением, облегчающим парение в толще воды, как и всякий вырост клетки. На эту мысль наводят наблюдения за поведением гаптонемы: если клетка движется с помощью жгутиков, гаптонема свернута, если же жгутики перестают работать, гаптонема оказывается далеко вытянутой.
Как и в жгутиках, внутри гаптонемы проходят микротрубочки, расположение которых иное. Гаптонема, как правило, содержит лишь один круг из 5–8 простых микротрубочек. Центральные микротрубочки полностью отсутствуют. У вхождения гаптонемы в клетку добавляются еще 2–3 микротрубочки, так что число их достигает 9. Кроме того, в отличие от жгутиков кольцо трубочек гаптонемы окружено тремя концентрическими обвертками, из которых самая наружная служит продолжением плазмалеммы клетки. Очевидно, микротрубочки это те структурные элементы, которые обусловливают движение как жгутиков, так и гаптонемы; корней у гаптонемы нет.
Хлоропласты
В клетках эукариотических водорослей из органелл особенно заметны хроматофоры (хдоропласты)– носители окраски, которые в отличие от хлоропластов высших растений чрезвычайно разнообразны по форме. Хроматофоры, занимающие в клетке в большинстве случаев постенное положение, могут быть чашевидными, в виде кольца, опоясывающего клетку, в виде полого цилиндра, продырявленного многочисленными отверстиями, одной или многих идущих по спирали лент, одной-двух крупных париетальных пластинок, У многих водорослей хлоропласты многочисленны и имеют вид зерен или дисков, сосредоточенных в постенной цитоплазме. Реже хроматофор занимает в клетке центральное положение, тогда чаще всего он состоит из массивной центральной части, от которой к периферии клетки отходят лопасти или гребни.
Среди зеленых водорослей, обладающих сифоновой организацией, различают две большие группы. Водоросли, относящиеся к первой группе, обладают только одним типом пластид – хлоропластами. Это гомопластидные формы. Вторая группа гетеропластидная. У них, помимо хлоропластов, имеются амилопласты. Гомопластидия, гетеропластидия, так же как морфология и положение в клетке пластид, – важные таксономические признаки.
Субмикроскопическое строение хлоропластов водорослей в основных чертах сходно. У эукариотических водорослей хлоропласты ограничены оболочкой, под которой находится тонкозернистый материал матрикса, заключающий уплощенные, одетые мембраной мешочки, или пузыри, – тилакоиды, или диски, содержащие хлорофилл и каротиноиды.
Кроме того, в матриксе хлоропласта находятся рассеянные хлоропластные рибосомы, фибриллы ДНК, липидные гранулы и особые включения – пиреноиды. Однако в деталях тонкого строения, касающихся оболочки, расположения тилакоидов и фибрилл ДНК, места образования и отложения зерен запасных полисахаридов и формы пиреноидов, хлоропласты водорослей обнаруживают весьма постоянные различия, что и позволяет использовать их наряду с набором пигментов, продуктами запаса и строением жгутикового аппарата в качестве таксономических признаков, характеризующих большие группы – отделы водорослей.
Оболочка хлоропласта – перманентная структура, всегда присутствующая даже в тех случаях, когда тилакоидная система не дифференцируется. Например, у хлоропластных мутантов хламидомонаса, не способных образовывать хлорофиллы в темноте, тилакоидная система не наблюдается, а оболочка хлоропласта всегда присутствует. Бесцветная водоросль политома содержит пластиду без ламелл, но с оболочкой.
У зеленых и красных водорослей оболочка хлоропласта образована только двумя параллельными мембранами, у динофитовых и эвгленофитовых водорослей – тремя, а у золотистых, желтозеленых, диатомовых, криптофитовых, рафидофитовых и бурых водорослей, вокруг одетых четырехмембранной оболочкой хлоропластов, имеется сложная система мембран, находящаяся в прямой связи с мембраной ядра, – хлоропластная эндоплазматическая сеть. Расположение тилакоидов в матриксе хлоропласта также неодинаково в разных отделах водорослей, при этом хлоропласты водорослей со сходными пигментами характеризуются и сходным расположением тилакоидов.
Наиболее простое расположение наблюдается у красных водорослей, у которых тилакоиды лежат в матриксе поодиночке. У остальных эукариотических водорослей тилакоиды группируются, образуя ламеллы, причем число тилакоидов, входящих в состав одной ламеллы, постоянно в пределах больших групп, объединяющих родственные водоросли. Есть водоросли, у которых тилакоиды соединяются по два.У золотистых, желто-зеленых, диатомовых, бурых, динофитовых и эвгленофитовых водорослей тилакоиды располагаются преимущественно по три. Обычно между соседними тилакоидами внутри ламеллы имеются промежутки. У зеленых водорослей наиболее вариабельное расположение тилакоидов: число их в ламеллах может колебаться от 2 до 6, а иногда до 20, в таких случаях стопки тилакоидов так тесно прижаты друг к другу, что пространство между соседними тилакоидами исчезает и тогда эти стопки называют гранами. Помимо зеленых водорослей, граны имеются у эвгленофитовых. В хлоропластах золотистых, желто-зеленых, диатомовых и бурых водорослей с трехтилакоидными ламеллами находятся так называемые периферические ламеллы, расположенные параллельно оболочке хлоропласта и окружающие остальные ламеллы, пересекающие хлоропласт, Среди красных водорослей у одних опоясывающие тилакоиды имеются, у других – отсутствуют. У зеленых, – эвгленовых водорослей опоясывающие ламеллы в хлоропластах не обнаружены.
Хлоропласты водорослей из разных отделов различаются и по расположению в них генофоров.
Генофоры – это электронно-прозрачные участки, содержащие фибриллы ДНК. Их существование впервые было продемонстрировано в 1962 г. у хламидомонад. В хлоропластах Ch. reinhardtii, Ch. eugametos, Ch. moewusiiнаблюдались области, которые окрашивались, по Фёльгену, так же интенсивно, как и ядро. Обработка клеток дезоксирибонуклеазой снимала положительную реакцию Фёльгена, а также восприимчивость к окраске акридиноранжем как в хлоропласте, так и в ядре. Электронные микрофотографии вскрыли в этих участках хлоропласта, обнаруживающих положительную реакцию Фёльгена, присутствие чувствительных к ДНК-азе фибрилл. Позднее и у других водорослей было доказано существование хдоропластной ДНК. У красных водорослей, например у Laurenciaspectabilis, электронно-прозрачные участки, содержащие фибриллы ДНК, как и у хламидомонад, рассеяны беспорядочно по матриксу хлоропласта. Такое же беспорядочное расположение генофоров в хлоропластах свойственно и динофитовым водорослям. Напротив, у исследованных бурых водорослей кольцевидный генофор располагается под ламеллой. Такое же локализованное под опоясывающей ламеллой расположение генофора описано у желтозелепых и диатомовых водорослей. У золотистых водорослей существование хдоропластной ДНК доказано ауторадиографически, у эвгленофитовых как ауторадиографически, так и с помощью методов экстракции.
Только у зеленых водорослей крахмал откладывается в матриксе хлоропласта между ламеллами и вокруг пиреноида, у зеленых водорослей, лишенных пиреноида, крахмал откладывается, как правило, в строме хлоропласта. Лишь у некоторых дазикладальных крахмальные зерна обнаружены как в хлоропластах, так и свободно в цитоплазме. Кроме того, выявлено, что у Cuulerpaproliferaпри разрушении оболочки амилопластов крахмал переходит в цитоплазму. У зеленых сифоновых водорослей, помимо хлоропластов, имеющих амилопласты, крахмал откладывается в обоих типах пластид: в амилопластах зерна крахмала крупнее, чем в хлоропластах. Амилопласты отличаются от хлоропластов по ультраструктуре. Все тело амилопласта обычно заполнено одним крупным крахмальным зерном, тилакоиды практически отсутствуют. У всех остальных водорослей запасные вещества откладываются вне хлоропласта – в цитоплазме.
Хлоропласты эукариотических водорослей содержат особые включения – пиреноиды. Это не означает, что пиреноиды встречаются у всех представителей данного отдела. Так, среди зеленых водорослей пиреноиды отсутствуют у всех дазикладальных, у ряда гетеропластидных бриопсидальиых. Среди бурых водорослей пиреноид имеется у видов с изогамным и гетерогамным половым процессом, у более высокоорганизованных форм с оогамным половым процессом пиреноид, как правило, отсутствует. В ряде случаев пиреноиды приурочены лишь к какой-либо стадии жизненного цикла. Например, у некоторых фукальных пиреноид встречается в хлоропластах яйцеклеток, но отсутствует в пластидах вегетативных клеток; наоборот, у эустигматофициевых пиреноиды имеются в пластидах вегетативных клеток, но не зооспор. Пиреноиды могут находиться как внутри хлоропласта, так и выдаваться за его пределы, но и в последнем случае они заключены в оболочку хлоропласта. Пиреноид имеет гранулярную белковую строму, в которую у одних видов ламеллы внедряются, а у других этого не наблюдается. Расположение тилакоидов в строме пиреноида неодинаково.
У зеленых водорослей матрикс пиреноида отделяется от матрикса собственно хлоропласта гранулами или пластинками крахмала.
Подобно ядру и митохондриям, хлоропласты, содержащие свои собственные ДНК, являются самовоспроизводящимися органеллами, которые размножаются путем деления. В ряде случаев передача потомству пластидного аппарата осуществляется только через одну из гамет, например у зигнемы и других коньюгатофициевых. У этих водорослей наблюдается физиологическая анизогамия, при которой хлоропласты мужской гаметы отмирают, У эдогониума передача хлоропласта также происходит через яйцеклетку, так как хлоропласт сперматозоида крайне редуцирован. То же относится к вошерии, сперматозоиды которой лишены хлоропласта.
Во многих случаях наблюдаются перемещения хлоропластов в клетке. Так, при высокой интенсивности света хлоропласт мезотениума поворачивается боковой частью к свету. В клетках мужоции изменение ориентации хлоропластов от фронтальной к профильной также обусловлено светом, причем имеет значение не только его интенсивность, но и спектральный состав. Вызываемая светом миграция хлоропластов наблюдалась и у Eremosphaeraviridis: при низких и средних интенсивностях света хлоропласты располагаются по периферии клетки, в темноте и на ярком свету они собираются вокруг крупного центрального ядра, образуя плотную сферу, у Dictyotadichotomaтакже отмечено движение хлоропластов, вызванное светом. На слабом свету хроматофоры располагаются вдоль клеточных стенок, которые перпендикулярны к направлению света. При ярком же освещении они перемещаются на боковые стенки, параллельные световому лучу. Такова же реакция хроматофоров коровых клеток Funisvesiculosus, где расположение пластид определяется направлением падающего света.
Глазок – стигма
Монадные клетки обычно имеют кирпично-красный глазок, или стигму, представленный рядами осмиофильных гранул, содержащих пигмент астаксантин. У водорослей разных групп глазки в деталях различаются; в большинстве случаев они являются частью хлоропласта. Число рядов гранул варьирует от 1–2 до 9. Слой гранул только один, то они располагаются непосредственно под оболочкой хлоропласта, а если слоев много, то слои разъединяются одним вздутым тилакоидом. В каждом слое гранулы тесно упакованы и имеют гексагональные очертания. У организмов с однослойными глазками на тангенталыюм срезе через клетку, а также при применении техники замораживания – скалывания можно достаточно точно подсчитать число гранул. Например, у Chlamydomonaseugametosглазок образован 800 гранулами. Глазок в женских гаметах бриопсиса содержит около 3000 гранул. В многослойном глазке Volvoxaureusна вертикальном срезе подсчитано примерно 100 гранул, и таким образом весь глазок может содержать приблизительно 1000 гранул. У эвгленофитовых, эвстигматофициевых водорослей стигма находится вне пластиды. Среди тех водорослей, у которых гранулы стигмы заключены в оболочку хлоропласта, у одних нет связи глазка со жгутиковым аппаратом, у других такая связь есть, и тогда основание заднего жгута, расположенное вблизи глазка, несет характерное вздутие. У эвгленофитовых водорослей глазок располагается вне хлоропласта, но связан со жгутиком. Особенно сложно устроенные глазки встречаются среди динофитовых.
Митохондрии
Митохондрии сильно варьируют по числу и форме не только у разных водорослей, но и в одной и той же клетке на разных стадиях жизненного цикла. Так, у эвглены в фазе клеточного деления митохондрии имеют вид мелких немногочисленных телец, рассеянных в цитоплазме, а во время фазы роста они принимают форму сети, занимающей в клетке периферического положение. В конце фазы роста в клетках эвглены, хламидомонады образуются гигантские митохондрии за счет слияния более мелких. Перед делением клетки они снова распадаются на нормальные мелкие митохондрии. Расположение в клетке митохондрий строго не фиксировано: они могут находиться в ней в центре под хлоропластами, по периферии клетки у наружной поверхности хлоропластов; у монадных форм сравнительно крупные митохондрии часто локализованы в непосредственной близости от основания жгутиков. Как и у других растительных и животных организмов, митохондрии водорослей ограничены оболочкой из двух элементарных мембран. Внутренняя мембрана образует складки-кристы, число которых, а соответственно и расположение – более тесное или свободное – сильно варьирует. Матрикс митохондрий содержит рибосомы и электронно-прозрачные участки, в которых находятся фибриллы ДНК. Размножаются митохондрии посредством деления или почкования. Митохондрии являются источниками энергии в клетке, ее дыхательными центрами.
Вакуоли
В цитоплазме находятся отграниченные от нее элементарной мембраной – тонопластом – и наполненные гомогенной жидкостью полости – вакуоли. Они бывают разных типов. Взрослые клетки водорослей, одетые клеточной оболочкой, как и клетки высших растений, содержат центральные вакуоли с клеточным соком, занимающие большую часть клетки и оттесняющие цитоплазму с ее включениями к клеточной стенке. В других случаях клетки могут содержать много более мелких вакуолей с клеточным соком. Вакуоли иногда пересекают цитоплазматические тяжи. Особенно крупными вакуолями с клеточным соком отличаются водоросли, имеющие сифоновую организацию таллома. У концов клетки некоторых десмидиальных имеются вакуоли, которые содержат кристаллы гипса, обнаруживающие броуновское движение. В клетках бурых водорослей, особенно меристематических, репродуктивных, вокруг ядра или пластид группируются мелкие вакуоли – физоды, включающие фукозан.
В монадных клетках, а также в клетках ризоподиальных и пальмеллоидных форм находятся пульсирующие или сократительные вакуоли, отличающиеся от остальных вакуолей ритмической деятельностью; через правильные интервалы времени они увеличиваются в объеме, воспринимая жидкость из окружающей цитоплазмы (диастола), а затем быстро уменьшаются, освобождая содержимое наружу. Это органеллы, осуществляющие осморегуляцию, они свойственны в первую очередь пресноводным формам, реже встречаются у морских. В большинстве случаев, если главная вакуоль растянута, то представлена шаровидным пузырем, ограниченным одной мембраной, и окружена многочисленными мелкими дополнительными везикулами, которые, сливаясь dтонопластом главной вакуоли, изливают в нее свое содержимое. Положение пульсирующих вакуолей в клетке весьма стабильно. Так, у большинства вольвокальных и в подвижных репродуктивных клетках зеленых водорослей на переднем конце клетки наблюдаются две пульсирующие вакуоли, у хлорогониума 12–16, а у гемотококка 30–60 сократительных вакуолей рассеяны по клетке беспорядочно; у золотистых водорослей, например у малломонаса, сократительная вакуоль находится в заднем конце клетки. У подвижных динофитовых водорослей сократительные вакуоли отсутствуют, имеются особые органеллы, несущие функцию осморегуляции, – пузулы. Они представляют собой впячивание цитоплазматической мембраны, глубоко вдающееся от основания жгутикового канала внутрь клетки и тесно соприкасающиеся с вакуолями с клеточным соком.
Ядро
Клетка эукариотических водорослей содержит одно или много ядер. Ядро различной формы располагается в постенной цитоплазме глубже хлоропластов, реже в центре клетки; тогда оно заключено в цитоплазматическую обвертку и подвешено на цитоплазматических тяжах- или находится в цитоплазматическом мостике. Ядро окружено ядерной оболочкой, образованной двумя мембранами, из которых наружная связана с мембранами эндоплазматического ретикулума клетки. Между двумя мембранами ядерной оболочки расположена узкая перинуклеарная полость или перинуклеарное пространство, которое в некоторых случаях может заметно расширяться. Ядерная оболочка, как правило, пронизана многочисленными порами, размеры, строение и расположение которых варьирует. Ядерная оболочка заключает нуклеоплазму, в которой находятся ядрышки и хроматин. У большинства водорослей в интерфазном ядре хроматин имеет вид равномерно рассеянного тонкогранулированного материала. Исключение составляют эвгленофитовые и динофитовые, у которых хромосомы остаются спирализованными на протяжении всего ядерного цикла и могут быть различимы и подсчитаны в интерфазном ядре.
Деление ядра. Ядра водорослей делятся, как правило, митотически. Однако в разных группах водорослей было обнаружено большое разнообразие в организации митопшческого аппарата. Здесь лишь укажем основные признаки, по которым различаются митозы в разных группах водорослей. Центриоли встречаются далеко не у всех водорослей, они описаны у хлорококкальных, рафидофитовых, желто-зеленых, бурых.
У золотистых водорослей имеется ризопласт, у красных – так называемые полярные кольца – короткие полые цилиндры, около которых иногда могут собираться микротрубочки. У одних водорослей веретено открытое, т.е. ядерная оболочка полностью исчезает и отсутствует на протяжении некоторых стадий митотического цикла. У других ядерная оболочка остается интактной на протяжении всего митоза. У вольвокальных, хлорококкальных, ульвовых, бурых, красных водорослей в ядерной оболочке возникают полярные отверстия. Происхождение микротрубочек веретена или его эквивалента различно: у динофитовых они полностью цитоплазматические, у эвгленофитовых, желто-зеленых – полностью внутриядерные, у большинства водорослей – отчасти цитоплазматического, отчасти ядерного происхождения. Кинетохоры описаны у эндогониальных, зигнемалытых, рафидофитовых, красных, в остальных группах водорослей они отсутствуют.
Деление клетки. Цитокииетический аппарат у водорослей также отличается большим разнообразием. Протопласт может разделяться или путем центрипетального разрастания борозды дробления, или путем образования центрифугально разрастающейся клеточной пластинки. И тот и другой тип разделения протопласта может сочетаться с образованием как фрагмопласта – системы микротрубочек, возникающей в плоскости, перпендикулярной к плоскости будущего цитокинеза, так и фикопласта – системы микротрубочек, параллельных плоскости цитокинеза. Оболочка материнской клетки либо участвует в образовании оболочек дочерних клеток, либо не принимает в этом процессе никакого участия. В первом случае дочерние протопласты сохраняют родительскую клеточную стенку, с которой непосредственно связаны новые стенки, например, при вегетативном делении клеток у большинства нитчатых водорослей. Во втором случае, наблюдающемся, например, при формировании зооспор, гамет вольвокальных, при автоспорообразовании многих водорослей их оболочки возникают независимо от оболочки материнской клетки, которая часто подвергается автолизу. В большинстве случаев цитокинез непосредственно следует за митозом. У водорослей, имеющих сифонокладальную структуру, оба эти процесса разобщены, что приводит к многоядерности клеток.
Особенности цитокинетического аппарата подробно изучались у зеленых водорослей; ему придается немалое филогенетическое значение.
На основе объемной реконструкции серий ультратонких срезов клетки и количественных измерений было установлено, что у Chlamydomonasreinhardtiiоколо 40% объема клетки заняты хлоропластом, около 10% – ядром, узкая область цистерн Гольджи охватывает около 1%, митохондрии – 3%, вакуоли - 8%, липидные тельца – приблизительно 0,5%. Сходный морфометрический анализ клетки сделан и для Chlorellavulgaris.
На рис. 5 дана схема строения клетки эукариотической водоросли на примере хламидомонады по данным электронной микроскопии.
|
