VIVOS VOCO: Е.В.Райкова и сотр., "Загадочная паразитическая книдария"

Рис. 4. Жизненный цикл Polypodium hydriforme. Паразитические стадии внутри круга, свободноживущие — снаружи. Римскими цифрами обозначены месяцы года, арабскими — стадии развития: 1 — зрелый столон с внутренними щупальцами в яйце перед икрометанием; 2 — выход из яйца столона с наружными щупальцами во время икрометания; 3 — свободный столон в воде; 4 — фрагмент столона; 5 — особь с 12 щупальцами; 6 — особь с 24 щупальцами; 7 — особь с шестью щупальцами; 8 — полиподий с 24 щупальцами и четырьмя “женскими” гонадами, роль которых неизвестна; 9 — особь с четырьмя “мужскими” гонадами (способ заражения ооцита неизвестен); 10 — двуядерная паразитическая клетка в молодом ооците; 11 — морула, окруженная трофамнионом; 12 — планула (трофамнион здесь и далее не показан); 13 — почкующаяся планула; 14 — столон без щупалец; 15 — столон с внутренними щупальцами.

Выращивая свободноживущих полипов в аквариуме (рис. 3), Липин получил половозрелых особей с энтодермальными гонадами, снабженными выводными протоками, что уж совсем не укладывалось в характеристику класса Hydrozoa. Липин исследовал как женские, так и мужские гонады, но настоящих яиц и спермиев ему увидеть не удалось [4]. Что касается систематического положения, то Липин отнес Р.hydriforme к другому классу книдарий — Scyphozoa и в этом разошелся во мнениях с другим зоологом В.М. Шимкевичем, который придавал большое значение паразитическому образу жизни полиподия и считал его видом, близким к наркомедузам.

Впоследствии специалисты о полиподии если и вспоминали, то в основном как о зоологическом курьезе, причисляя его, как и губок, к Enantiozoa (вывернутым наизнанку животным). В учебниках зоологии и даже паразитологии о полиподии писали мелким шрифтом как о дополнении к отряду Hydrida, да и в спецкурсах о нем не упоминали.

Вновь заговорили об этом удивительном животном ихтиологи Ленинградского университета, которые вели работы с осетровыми на Волге и в других водоемах СССР. Оказалось, что Р.hydriforme серьезно угрожает запасам этих ценных рыб. Г.М.Персов, К.З.Трусов, москвички Т.А.Детлаф и А.С.Гинзбург нашли полиподия в икринках не только стерляди и даже не только у волжских рыб. Персов настоятельно советовал профессору В.А.Догелю, в то время заведующему кафедрой зоологии беспозвоночных Ленинградского университета, обратить внимание на эту проблему и исследовать полиподия. Догель сразу откликнулся:

“Особенно угрожающим является то обстоятельство, что Р.hydriforme есть паразит икры, т.е. органов размножения, а потому при сильной инвазии может привести к кастрации самок осетровых. Вот почему мы считаем своим долгом поднять сигнал тревоги и призвать к исследованию поднятого нами вопроса” [5].

Это было в 1940 г. А потом была война, затем послевоенная разруха. Ситуация с осетровыми действительно становилась тревожной. Персов говорил, что видел самок стерляди с тотальным заражением икры полиподием. В коллекции препаратов болезней рыб ГосНИОРХа хранится зафиксированный в формалине яичник такой несчастной стерляди из р.Камы, где нет практически ни одной здоровой икринки. Догель даже сравнил угрозу, нависшую со стороны полиподия осетровому стаду, с дамокловым мечом.

Под руководством Догеля в стенах ГосНИОРХа исследованием этой проблемы пришлось заняться и одному из авторов статьи (Е.В.Райковой). Основное внимание уделялось изучению годичного цикла и паразитических стадий Р.hydriforme, и новые неожиданные факты не заставили себя ждать. Оказалось, что планула, которую видели в ооцитах (икринках стерляди) и Усов, и Липин, также имеет обратное расположение зародышевых листков (рис. 4, стадии 12, 13). У всех книдарий (в том числе и у паразитических наркомедуз) планула — это стадия свободноплавающей личинки, которая обеспечивает расселение вида. Очень хотелось и нам найти планулу у выведенных из икринок полиподиев и проследить, как она заражает рыбу, как проникает в ооцит, как выворачивается наизнанку, чтобы поглощать клетками энтодермы желток стерляжьей икринки. Однако оказалось, что все эмбриональное развитие паразита вплоть до личинки происходит в мелких ооцитах младшей генерации, еще не имеющих желтка (рис. 4, стадии 10—12 и рис. 5, г—к), и стало быть никакой свободноплавающей планулы у полиподия просто не существует.

Рис. 5. Схема возникновения двуядерных клеток и преобразование двуядерной клетки в зародыш и трофамнион: а — свободноживущая особь с гонадами; б — гонада-гаметофор, содержащая зрелые двуядерные клетки; в — несколько одноклеточных двуядерных гамет при большом увеличении; г—к — паразитические стадии цикла внутри ооцитов осетровых; г — двуядерная клетка; д — вторая клеточная паразитическая стадия; е — малая клетка в углублении ядра большой клетки; ж — ядро большой клетки полностью окружает малую клетку; з — дробление малой клетки внутри большой, и — морула внутри полости большой клетки-трофамниона; к — планулообразная личинка внутри полости клетки-трофамниона.

Эмбриогенез длится несколько лет (у остальных книдарий – всего несколько часов!) в соответствии с темпом развития ооцитов рыбы. Начальные стадии Р.hydriforme внутри ооцитов имеют вид клетки с двумя неравными ядрами (с микро- и макронуклеусом в одной цитоплазме) — прямо как у инфузорий (рис. 4, стадия 10; рис. 5, г). Все это казалось невероятным, однако и последующие события в эмбриональном развитии полиподия внутри икринок вызвали не меньшее удивление: двуядерная клетка делится и образует две неравные по размеру клетки, причем малая заключена внутри большой.

Стадия “клетка в клетке” (рис. 5, д—ж) длится до тех пор, пока ооциты не вступают в фазу большого роста.

Соответствие стадий развития паразита фазам оогенеза стерляди оказалось идеально строгим. Потом это было проверено и на других осетровых — белуге, шипе, осетре и севрюге. Таким образом, эмбриогенез у Р.hydriforme — самый медленный среди книдарий; клетка, из которой развивается зародыш, — самое мелкое и своеобразное яйцо, а стадия личинки — инвертированная и тоже самая длительная6.

Поскольку Р.hydriforme — метазойный внутриклеточный паразит, практически все проблемы, связанные с его изучением оказались в конечном счете цитологическими, а потому мы обратились за помощью к замечательному ученому-цитологу, профессору И.И.Соколову, возглавлявшему тогда лабораторию морфологии клетки в недавно созданном Институте цитологии АН СССР. Соколов был другом Догеля, настоящим исследователем-натуралистом, и никакие трудности объекта, никакие необычные, казавшиеся невозможными, данные не пугали его, а наоборот, вызывали только энтузиазм, который передавался его ученикам и сотрудникам.

Цитофотометрические исследования показали, что в системе “клетка в клетке” внутренняя малая (генеративная) клетка, как и ранние бластомеры (вплоть до 16-клеточной стадии), сохраняют количество ДНК, соответствующее гаплоидному набору хромосом. Это состояние генеративного ядра и ранних бластомеров длится у Р. hydriforme несколько лет. Диплоидность восстанавливается позже и пока невыясненным способом.

Все паразитические стадии (продукты деления малой клетки) развиваются в полости, образуемой большой клеткой с большим ядром (рис. 5, ж—к). Эта клетка-оболочка была названа трофамнионом по аналогии с трофической оболочкой вокруг зародыша у перепончатокрылых [7] (наездника — паразита гусениц).

Трофамнион Р.hydriforme — гомолог полярного тельца — полиплоидизируется, при этом концентрация ДНК увеличивается более чем в 500 раз, и в таком состоянии существует несколько лет, защищая и питая зародыш. Разрушается же он лишь незадолго до нереста рыбы. Выяснилось, что именно трофамнион, а не энтодермальные клетки столона, поглощает желток икринки.

Гистологическое исследование свободноживущих полиподиев также принесло интересные результаты. Подтвердились данные Липина о необычности гаметогенеза в гонадах полиподия. Оказалось, что у “мужских” особей (рис. 4, стадия 9; рис. 5,а) в гонадах (рис. 5,б) гаметогенез начинается, как типичный сперматогенез, а затем приобретает черты оогенеза, с двумя редукционными делениями. Во втором делении происходит только кариокинез (т.е. делится только ядро), а цитокинез блокируется и, вероятно, на многие годы. Клетка получается двуядерной, при этом одно ядро сразу же полиплоидизируется и становится макронуклеусом, а другое — остается гаплоидным (рис. 5,в). Гонада заполняется двуядерными клетками и закупоривается “крышечкой” (эктодермальной пластинкой, несущей стрекательные клетки) и превращается в гаметофор (рис. 5,б).

У “женских” особей (рис. 4, стадия 8) гонады — это сложный энтодермальный орган, состоящий из двух яичников с яйцеводами, открывающимися в гастральную полость. Ни мейотических делений, ни каких-либо характерных для яиц дейтоплазматических включений никому из исследователей наблюдать у половых клеток не удалось. Более того, женские гонады оказались нестабильными образованиями: они могут деградировать сразу после закладки, так и не развившись, могут разрушиться даже тогда, когда все их части уже полностью сформировались.

Удивительная находка была сделана ихтиологом И.И. Смольяновым. Исследуя развитие севрюги на Волге в районе Саратова, он нашел около десятка предличинок этой рыбы, на которые полиподии либо активно откладывали, либо уже отложили свои гаметофоры [8]. Смольянов, к его чести, не только определил незнакомые ему организмы, но и отправил тщательно зафиксированные пробы по нужному адресу для гистологического изучения. Побольше бы таких любознательных и настойчивых исследователей! На срезах удалось увидеть, как происходит процесс заражения рыб: стрекательные капсулы “крышечки” гаметофора выстреливают, при этом сама “крышечка” разрушается, а содержимое гаметофора (двуядерные половые клетки) вступает в контакт с покровами предличинки.

Благодаря этой находке мы убедились в правильности своих предположений и получили много новой информации.

Во-первых, исчезли сомнения в том, что половые клетки в гонадах культивируемых полиподиев вполне “нормальные” — они такие же двуядерные, как и в природе. Значит, гаметогенез действительно заканчивается образованием столь необычных двуядерных клеток.

Во-вторых, стало очевидным и предназначение гонад, выполняющих функцию гаметофоров.

В-третьих, найдено важное звено в цепи событий при заражении рыб: прикрепление гаметофоров полиподия происходит на стадии предличинок, когда покровы будущих осетров еще достаточно нежны.

Однако много еще неясного. Двуядерные клетки в гаметофорах и те, которые уже проникли внутрь ооцитов стерляди, различаются лишь по величине самих клеток и по концентрации ДНК в большом ядре (рис. 5,в и г). Малые ядра на обеих сравниваемых стадиях цикла оказались гаплоидными. Следовательно, развитие полиподия происходит без оплодотворения, т.е. партеногенетически, что очень редко встречается у книдарий, но характерно для других паразитов.

Возникла и очень пикантная цитологическая и общебиологическая проблема: развитие нового поколения паразита, заражающего самок осетровых, осуществляется за счет половых клеток, которые образовались в мужской гонаде! Спрашивается, для чего же тогда нужна гонада другого типа с выводными протоками и питающими клетками, которую мы считали женской?

Эта загадка не решена и поныне. Вероятно, в ходе эволюции под влиянием паразитического образа жизни у Р.hydriforme произошла переориентация пола мужских гонад. Женские гонады постепенно перестали давать зрелые яйца и сохранились как рудименты. Развитие пошло по типу партеногенеза на базе мужской гонады. Эта сугубо аберрантная черта в развитии Р.hydriforme — видоизмененный андрогенез [9], уникальное явление в животном мире, не описанное в естественных (не экспериментальных) условиях.

Находка Смольянова прибавила много и чисто паразитологических проблем. Если осетровые заражаются еще на стадии предличинки, то сколько же лет проходит, пока паразит займет свое место в ооците? Ведь осетровые растут медленно, и самая быстро созревающая из них стерлядь становится половозрелой лишь в 6—7 лет, а севрюга гораздо старше. Различает ли полип, откладывая гаметофоры на мальков, будущих самок или самцов? В последнем случае развитие, вероятно, приведет в тупик. Кроме того, судя по опыту культивирования и по находкам в природе, полипы созревают примерно к середине лета. В эту пору в Волге как раз и появляются вылупившиеся севрюжки, но ведь основной-то хозяин полиподия — стерлядь, а она нерестится всегда в конце мая, вместе с ее икринками выходят в воду и столоны полиподия (рис. 2). Предличинки стерляди вылупляются еще через неделю, когда столон полиподия в воде распадается до появления одиночных полипчиков (рис. 3; рис. 4, стадии 3—5), которые как раз успевают израсходовать весь запасенный желток и только-только начинают свою “книдарную” свободную жизнь, приступая к самостоятельной ловле добычи.

Жизнь свободноживущих Р.hydriforme также полна загадок. Немного странным кажется их облик. У них нет зонтика (рис. 3), но они умеют хорошо парить в воде, медленно передвигаться по дну, переставляя свои щупальца. Щупальца не окружают венчиком рот, как у других форм, а размещены по бокам, по шесть с каждой стороны: четыре тонких осязательных и два толстых опорных, на концах усаженных множеством стрекательных клеток (рис. 3).

Неясно, как полипы ориентируются, ведь у них не обнаружено никаких органов чувств, чем питаются в реке. Глотка у них тоже своеобразная — выстлана воротничковыми клетками, что очень характерно для малоподвижных или сидячих животных, например коралловых полипов, но только не для гидроидов.

Необычно и бесполое размножение Р.hydriforme. Паратомия, т.е. продольное деление, начинается всегда с аборального полюса, где закладываются новые щупальца, а ротовой конус разделяется в последнюю очередь, что другим книдариям не свойственно. Образовавшиеся после деления две сестринские особи получают с одной стороны старый комплект щупалец, а с другой, со стороны борозды деления, — шесть новых. В связи с этим полиподии всегда в той или иной степени асимметричны (рис. 3). Основная форма — 12-щупальцевые особи (рис. 4, стадия 5), но если деление запаздывает, появляются 24-щупальцевые (рис. 4, стадия 6), а если новые щупальца почему-либо не закладываются, что обычно бывает перед гибелью, то получаются 6-щупальцевые полипы (рис. 4, стадия 7).

Таким образом, перечисленные аберрантные черты организации полиподия явно не укладываются в характеристику класса Hydrozoa. В то же время его паразитический образ жизни и черты эмбрионального развития, принцип архитектоники столона и свободноживущих форм, гомология осей тела, строение щупалец, а также одинаковый, по классификации Р.Вейла [10], тип стрекательных капсул свидетельствуют в пользу родства полиподия с наркомедузами. И наконец, как мы уже отмечали, у Р.hydriforme ярко выражены “протозойные” черты, сходные с организацией как инфузорий, так и миксоспоридий (Myxozoa), которых раньше относили к простейшим.

В последние годы много внимания уделяется филогенетическим отношениям миксоспоридий и книдарий. Еще в 1938 г. Вейл предположил, что миксоспоридии — это редуцированные книдарии [11]. Более полувека спустя М.Э.Сиддал с коллегами, изучив молекулярные характеристики последовательностей 18S РНК миксоспоридий и полиподия (использовался и присланный нами Р.hydriforme), убедились в том, что это — сестринские группы [12]. Подтвердилось это и в большой работе по изучению филогении многоклеточных животных, основанной на анализе 18S рибосомной ДНК [13]. В результате же других молекулярных исследований, в которых миксоспоридий сравнивали с книдариями (но не с полиподием), выявлено сходство миксоспоридий с двусторонне-симметричными животными [14] (Bilateria).

Действительно, из-за паразитического образа жизни у Р.hydriforme много общего с миксоспоридиями. Изложение этой проблемы заслуживает однако специальной статьи, которая уже готовится к печати. Мы стремились показать, что, хотя во всех современных учебниках полиподий и считается наркомедузой, у него достаточно своих аберрантных черт, выводящих его даже за рамки класса гидроидных (Hydrozoa). Радиально симметричные стрекательные клетки у полиподия весьма своеобразны. Книдоциль (чувствительный волосок) расположен над крышечкой ядовитой капсулы, а не рядом с ней, как у остальных книдарий; стрекательная нить у большинства капсул снабжена шипами [15] (по принятой классификации Вейла они рассматриваются как капсулы с гладкой нитью).

В мезоглее (студенистом веществе между экто- и эндодермой) полиподия обнаружены нехарактерные для гидроидов структуры: внеклеточные микротрубочки [16], амебоциты (бесцветные подвижные клетки, защищающие организм от инородных частиц, подобно лейкоцитам позвоночных животных), которые не долговечны и быстро гибнут; а также нервные элементы [17]. Кроме того, мышечная система полиподия, и только у него одного, представлена лишь самостоятельными гладкими мускульными клетками, лежащими в мезоглее [18].

Итак, какое же положение должен занять Р.hydriforme в системе типа Cnidaria в настоящее время? Правильно установить систематическую принадлежность животного так же важно, как определить место химического элемента в системе Менделеева. Базируясь в основном на данных собственных исследований и сравнивая их с литературными, мы согласны с тем, что P.hydriforme и Myxozoa — это сестринские группы. На наш взгляд, они вместе с паразитическими наркомедузами могут представлять собой отдельный таксон паразитических книдарий в ранге класса, эволюция которого под влиянием паразитического образа жизни шла по пути упрощения.

* * *

Нерешенных проблем еще очень много, остаются невыясненными многие загадки на стыке фундаментальных исследований по цитологии, паразитологии, эмбриологии, эволюционной морфологии.

За последние двадцать лет P.hydriforme был обнаружен в икринках осетровых рыб Нового Света. Очень бы хотелось сравнить “наших старосветских” полиподиев с их заокеанскими собратьями, тем более что виды осетровых там совсем другие, а паразиты в их икре морфологически неотличимы. Заодно неплохо бы разобраться и с определением видов у наших собственных полиподиев из разных водоемов и разных хозяев — стерляди, осетра, севрюги, шипа и белуги, обитающих в бассейнах Каспия, Амура, Арала, в сибирских реках. Мы понимаем, что нужно торопиться, ибо численность осетровых быстро сокращается и отнюдь не по вине полиподия, а от загрязнения наших морей и рек, хищнического вылова и вопиющей бесхозяйственности. Уже сейчас в Астрахани не всегда увидишь осетра, а тем более белугу, и найти подходящих рыб для сбора полиподия становится все труднее. Но мы полны энтузиазма, и нам бы очень хотелось разгадать тайну P.hydriforme как можно скорее.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Грант № 97-04-48988.

ЛИТЕРАТУРА

1 Hyman L. The invertevrates. N. Y.; London, 1940. V.1.

2 Овсянников Ф.В. // Тр. 3-го съезда рус. естествоиспытателей. Киев, 1873. С.351—358.

3 Lipin A.N. // Uss. Zool. Jahrb. (Anat.). 1911. Bd. 31. S.317—426.

4 Lipin A.N. // Zool. Jahrb. (Anat.). 1925. Bd.47. S.541—635.

5 Догель В.А. // Зоол. журн. 1940. Т.19. №2. С.321—323.

6 Raikova E.V. // J. Parasitol. 1994. V.80. P.1—22.

7 Raikova E.V. // Cell and Tissue Res. 1980. V.206. P.487—500; Иванова-Казас О.М. Очерки по сравнительной эмбриологии перепончатокрылых. Л., 1961.

8 Смольянов И.И., Райкова Е.В. // Докл. АН СССР. 1961.T.141. С.1271—1274.

9 Райкова Е.В. // Цитология. 1985. T.27. №4. C.391—401.

10 Weill R. // Trav. stat. Zool. Wimereux. 1934. V.10—11. P.1—701.

11 Weill R. // Trav. Stat. Zool. Wime€reaux. 1938. V.13. P.727—744.

12 Siddall M.E., Martin D.S., Bridge D. et al. // J. Parasitol. 1995. V.81. P.961—967.

13 Zrzavy J., Mihulka S., Kepka P. et al. // Cladistics. 1998. V.14. P.249—285.

14 Smothers J.F., Dohlen C.D. von, Smith L.H.Jr., Spall R.D. // Science. 1994. V.265. P.1719—1721; Schlegel M., Lom J., Stechmann A. et al. // Arch. Protistenkunde. 1996. Bd.147. S.1—9.

15 Raikova E.V. // Zoologica scripta. 1990. V.19. P.1—11; Ибрагимов А.Ю. // Цитология. 1999. T.41. C.200—209.

16 Raikova E.V., Napara T.O. // 7-th Workshop on Hydroid development. Evangelische Akademie Tutzing. 22—25 Sept. 1997. P.99.

17 Napara T.O. // 7-th Workshop on Hydroid development. Evangelische Akademie Tutzing. 22—25 Sept. 1997. P.98.

18 Райкова Е.В., Напара Т.О. // Цитология. T.41. №5. C.425—431.