Коловратки ( от лат . rota — «колесо» и -fer — « подшипник » ) , иногда называемые колесными животными или колесными анималькулями [ 1 ] , составляют тип ( Rotifera / r oʊ ˈ tɪ fərə / ) микроскопических и почти микроскопических псевдоцеломных животных .
Впервые они были описаны преподобным Джоном Харрисом в 1696 году, а другие формы были описаны Антони ван Левенгуком в 1703 году. [2] Большинство коловраток имеют длину около 0,1–0,5 мм (0,0039–0,0197 дюйма) (хотя их размер может варьироваться от 50 мкм (0,0020 дюйма) до более 2 мм (0,079 дюйма)), [1] и распространены в пресноводных средах по всему миру, а несколько видов обитают в соленой воде .
Некоторые коловратки свободно плавают и ведут планктонный образ жизни , другие передвигаются по субстрату, ползая по нему, а некоторые ведут сидячий образ жизни , обитая внутри трубок или студенистых прикреплённых органов , которые прикреплены к субстрату. Около 25 видов являются колониальными (например, Sinantherina semibullata ), либо сидячими, либо планктонными. Коловратки являются важной частью пресноводного зоопланктона , являясь основным источником пищи, а многие виды также вносят вклад в разложение органического вещества почвы. [3] Большинство видов коловраток являются космополитами , но есть и некоторые эндемичные виды, такие как Cephalodella vittata для озера Байкал . [4] Однако недавние данные штрихкодирования свидетельствуют о том, что некоторые «космополитные» виды, такие как Brachionus plicatilis , B. calyciflorus , Lecane bulla и другие, на самом деле являются комплексами видов . [5] [6] В некоторых недавних исследованиях коловратки помещаются вместе со скребнями в более крупную кладу , называемую Syndermata .
В июне 2021 года биологи сообщили о восстановлении коловраток бделлоидных после 24 000 лет заморозки в сибирской вечной мерзлоте . [7] [8] Ранние предполагаемые окаменелости коловраток были обнаружены в девонских [9] и пермских [10] ископаемых слоях.
Джон Харрис впервые описал коловраток (в частности, бделлоидную коловратку ) в 1696 году как «животное, похожее на большую личинку , которое могло сжиматься в сферическую форму, а затем снова вытягиваться; конец его хвоста имел пинцет, как у уховертки » . [2] В 1702 году Антони ван Левенгук дал подробное описание Rotifer vulgaris и впоследствии описал Melicerta ringens и другие виды. [11] Он также был первым, кто опубликовал наблюдения за оживлением некоторых видов после высыхания. Другие наблюдатели описывали и другие формы, но только после публикации книги Кристиана Готфрида Эренберга Die Infusionsthierchen als vollkommene Organismen в 1838 году коловратки были признаны многоклеточными животными. [11]
Описано около 2200 видов коловраток. Их таксономия в настоящее время находится в состоянии изменения. Одна из трактовок помещает их в тип Rotifera с тремя классами: Seisonidea , Bdelloidea и Monogononta . [12] Самая большая группа — Monogononta, насчитывающая около 1500 видов, за ней следует Bdelloidea, насчитывающая около 350 видов. Известно всего два рода с тремя видами Seisonidea. [13]
Scanthocephala , ранее считавшиеся отдельным типом, как было показано, являются модифицированными коловратками. Точная связь с другими членами типа еще не определена. [14] Одна из возможностей заключается в том, что Scanthocephala ближе к Bdelloidea и Monogononta, чем к Seisonidea; соответствующие названия и связи показаны на кладограмме ниже.
Rotifera, строго говоря, ограничены Bdelloidea и Monogononta. Rotifera, Acanthocephala и Seisonida составляют кладу , называемую Syndermata. [15]
Слово «коловратка» происходит от новолатинского слова, означающего « носитель колеса » [16] , из-за короны вокруг рта, которая при согласованном последовательном движении напоминает колесо (хотя орган на самом деле не вращается).
Коловратки имеют двустороннюю симметрию и множество различных форм. Тело коловратки разделено на голову, туловище и ногу и обычно имеет несколько цилиндрическую форму. Имеется хорошо развитая кутикула , которая может быть толстой и жесткой, придавая животному коробчатую форму, или гибкой, придавая животному червеобразную форму; такие коловратки соответственно называются лорикатными и нелорикатными . Жесткие кутикулы часто состоят из нескольких пластин и могут иметь шипы, гребни или другие украшения. Их кутикула нехитиновая и образована из склеротизированных белков.
Две наиболее отличительные черты коловраток (у самок всех видов) — наличие короны на голове, ресничной структуры у всех родов, кроме Cupelopagis , и наличие мастакса. У более примитивных видов корона образует простое кольцо ресничек вокруг рта, от которого тянется дополнительная полоса ресничек по затылку. Однако у подавляющего большинства коловраток это превратилось в более сложную структуру.
Изменения в основном плане короны включают изменение ресничек в щетинки или большие пучки, а также расширение или потерю ресничной полосы вокруг головы. У таких родов, как Collotheca , корона видоизменяется, образуя воронку, окружающую рот. У многих видов, таких как представители рода Testudinella , реснички вокруг рта исчезли, оставив только две небольшие круглые полосы на голове. У бделлоидов этот план еще больше изменен, при этом верхняя полоса разделяется на два вращающихся колеса, поднятых на пьедестале, выступающем из верхней поверхности головы. [17]
Туловище образует большую часть тела и охватывает большую часть внутренних органов. Нога выступает из задней части туловища и обычно намного уже, создавая вид хвоста. Кутикула над ногой часто образует кольца, делая ее кажущейся сегментированной, хотя внутренняя структура однородна. Многие коловратки могут втягивать ногу частично или полностью в туловище. Нога заканчивается от одного до четырех пальцев, которые у сидячих и ползающих видов содержат клейкие железы для прикрепления животного к субстрату. У многих свободноплавающих видов нога в целом уменьшена в размере и может даже отсутствовать. [17]
У коловраток есть небольшой церебральный ганглий, по сути, мозг, расположенный чуть выше мастакса, от которого по всему телу расходится ряд нервов. Количество нервов варьируется у разных видов, хотя нервная система обычно имеет простую структуру. [17]
Нервная система составляет около 25% из примерно 1000 клеток коловратки. [18]
Коловратки обычно обладают одной или двумя парами коротких усиков и до пяти глаз. Глаза имеют простую структуру, иногда с одной фоторецепторной клеткой . Кроме того, щетинки короны чувствительны к прикосновению, а в области головы также есть пара крошечных сенсорных ямок, выстланных ресничками. [17]
Несмотря на более чем 100 лет исследований, анатомия коловраток все еще имеет много плохо изученных компонентов. Одним из самых загадочных органов у коловраток является «ретроцеребральный орган» (RCO), который все еще остается очень загадочным в своей морфологии, функции, развитии и эволюции. Расположенный близко к мозгу, этот орган обычно состоит из одной или нескольких желез и мешочка или резервуара. Мешок дренируется в проток, прежде чем открыться через поры в самой верхней части головы. Текущие данные показывают большое разнообразие в структуре и потенциальной функции. [19] У некоторых видов он редуцирован или может даже полностью отсутствовать. Бентосные виды имеют более крупные RCO, чем планктонные виды. Несмотря на это разнообразие, позиционное соответствие RCO настоятельно предполагает гомологию . [17] [18] [20]
Исследование 2023 года с использованием просвечивающей электронной микроскопии и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии еще больше пролило свет на тонкую структуру этого органа. Исследование, первое в своем роде, изучало RCO у одного вида, Trichocerca similis . Было определено, что это синцитиальный орган , состоящий из задней железистой области, обширного резервуара и переднего протока . Железистая часть имеет активную цитоплазму с парными ядрами , обильным шероховатым ЭР , рибосомами , Гольджи и митохондриями . Гранулы секрета накапливаются на переднем конце железы, где они подвергаются гомотипическому слиянию , образуя более крупные гранулы с многочисленным «сетчатым» содержимым. Это содержимое постепенно сливается в трубчатые секреты, которые накапливаются в резервуаре, ожидая секреции. Поперечно-полосатые продольные мышцы образуют частичный рукав вокруг резервуара и могут функционировать для выдавливания секретов через проток железы, который часто проникает через церебральный ганглий. [20]
Как и сам орган, точная функция и биохимический состав выделений до сих пор неизвестны. Небольшой размер коловраток и небольшой объем выделений чрезвычайно затрудняют их выделение. Выделения имеют некоторое сходство с гидрогелевыми выделениями, которые образуют желатиновые оболочки у некоторых видов коловраток. Ультраструктурный анализ выделений T. similis показал, что они представляют собой ряд трубчатых выделений с сильно нитевидным каркасом. Это весьма наводит на мысль о гликозаминогликановой структуре — белках с отрицательно заряженными полисахаридными цепями, образующих молекулы протеогликана . Эти молекулы являются стандартными для желатинов позвоночных и беспозвоночных, таких как слизь . [20]
Несмотря на недавние достижения в понимании ультраструктуры органа и секреции RCO, точная функция органа все еще окончательно не ясна. Ведущие гипотезы заключаются в том, что RCO выделяет слизеподобное вещество, которое помогает в бентической локомоции, адгезии и/или воспроизводстве (т. е. прикреплении яиц к субстрату), хотя необходимы дополнительные исследования для изучения функции и оценки гомологии между видами. [20]
Коронарные реснички создают ток, который засасывает пищу в рот. Рот открывается в характерную жевательную глотку (называемую мастаксом ), иногда через ресничную трубку, а иногда напрямую. Глотка имеет мощную мышечную стенку и содержит крошечные, кальцинированные, похожие на челюсти структуры, называемые трофусами , которые являются единственными окаменевшими частями коловратки. Форма трофусов различается у разных видов, отчасти в зависимости от характера их рациона. У питающихся суспензией трофусов покрыты шлифующими гребнями, в то время как у более активных плотоядных видов они могут иметь форму щипцов , чтобы помогать кусать добычу. У некоторых эктопаразитических коловраток мастакс приспособлен для захвата хозяина, хотя у других вместо этого эту функцию выполняет нога. [17]
За мастаксом находится пищевод , который открывается в желудок , где происходит большая часть пищеварения и всасывания. Желудок открывается в короткий кишечник , который заканчивается клоакой на задней дорсальной поверхности животного. У некоторых видов имеется до семи слюнных желез , которые опорожняются в рот перед пищеводом, в то время как желудок связан с двумя желудочными железами, которые вырабатывают пищеварительные ферменты . [17]
Пара протонефридий открывается в пузырь, который впадает в клоаку. Эти органы выталкивают воду из тела, помогая поддерживать осмотический баланс . [17]
Коронарные реснички тянут животное, когда оно не прикреплено, через воду.
Как и многие другие микроскопические животные, взрослые коловратки часто демонстрируют эвтелию — у них есть фиксированное количество клеток в пределах вида, обычно порядка 1000.
Геномы коловраток бделлоидных содержат две или более дивергентных копий каждого гена , что предполагает длительную бесполую эволюционную историю. [21] Например, обнаружено четыре копии hsp82. Каждая из них отличается и находится на другой хромосоме, что исключает возможность гомозиготного полового размножения .
Коловратки питаются твердыми органическими отходами, мертвыми бактериями, водорослями и простейшими. Они питаются частицами размером до 10 микрометров. Как и ракообразные , коловратки способствуют переработке питательных веществ. По этой причине их используют в аквариумах для очистки воды и предотвращения образования облаков отходов. Коловратки влияют на видовой состав водорослей в экосистемах посредством выбора места выпаса. Коловратки могут конкурировать с ветвистоусыми и веслоногими ракообразными за планктонные источники пищи.
Коловратки раздельнополы и размножаются половым или партеногенетическим путем . Они половой диморфизм , самки всегда крупнее самцов. У некоторых видов это относительно слабо выражено, но у других самка может быть в десять раз крупнее самца. У партеногенетических видов самцы могут присутствовать только в определенное время года или отсутствовать вообще. [17]
Женская репродуктивная система состоит из одного или двух яичников , каждый из которых имеет желточную железу, которая снабжает яйца желтком . Вместе каждый яичник и желточница образуют единую синцитиальную структуру в передней части животного, открывающуюся через яйцевод в клоаку . [17]
Самцы обычно не имеют функциональной пищеварительной системы, и поэтому они недолговечны, часто будучи сексуально фертильными при рождении. У них есть одно яичко и семенной проток , связанный с парой железистых структур, называемых простатой (не связанных с простатой позвоночных ). Семявой проток открывается в гонопор на заднем конце животного, который обычно модифицируется, образуя пенис . Гонопора гомологична клоаке самок, но у большинства видов не имеет связи с рудиментарной пищеварительной системой, в которой отсутствует анус . [ 17]
У самок рода Asplanchna также отсутствует анальное отверстие, но сохранилось клоакальное отверстие для выделения и выхода яиц. [22]
Тип Rotifera включает три класса, которые размножаются тремя различными механизмами: Seisonidea размножаются только половым путем; Bdelloidea размножаются исключительно бесполым партеногенезом; Monogononta размножаются, чередуя эти два механизма («циклический партеногенез» или «гетерогония»). [23] Партеногенез (амиктическая фаза) доминирует в жизненном цикле моногононтов, способствуя быстрому росту популяции и колонизации. В этой фазе самцы отсутствуют, а амиктические самки производят диплоидные яйца путем митоза, которые развиваются партеногенетически в самок, являющихся клонами своих матерей. [23] Некоторые амиктические самки могут производить миктических самок, которые будут производить гаплоидные яйца путем мейоза. Миксис (мейоз) вызывается различными типами стимулов в зависимости от вида. Гаплоидные яйца развиваются в гаплоидных карликовых самцов, если они не оплодотворены, и в диплоидные «покоящиеся яйца» (или «диапаузирующие яйца»), если они оплодотворены самцами.
Оплодотворение внутреннее. Самец либо вставляет свой пенис в клоаку самки, либо использует его для проникновения в ее кожу, вводя сперму в полость тела. Яйцо выделяет оболочку и прикрепляется либо к субстрату, либо к близлежащим растениям, либо к собственному телу самки. Некоторые виды, такие как представители Rotaria , являются яйцеживородящими , сохраняя яйца внутри своего тела до тех пор, пока они не вылупятся. [17]
Большинство видов вылупляются как миниатюрные версии взрослых особей. Однако сидячие виды рождаются как свободноплавающие личинки , которые очень похожи на взрослых особей родственных свободноплавающих видов. Самки растут быстро, достигая своего взрослого размера в течение нескольких дней, в то время как самцы обычно не увеличиваются в размерах вообще. [17]
Продолжительность жизни самок моногононта колеблется от двух дней до трех недель.
« Древние бесполые»: Предполагается, что коловратки бделлоидные размножались без секса в течение многих миллионов лет. Самцы отсутствуют внутри вида, а самки размножаются только партеногенезом .
Однако новое исследование предоставило доказательства межиндивидуального генетического обмена и рекомбинации у Adineta vaga , вида, который ранее считался в древности бесполым. [24]
Недавние переходы: Потеря полового размножения может быть унаследована простым менделевским способом у коловратки-моногононта Brachionus calyciflorus : этот вид обычно может переключаться между половым и бесполым размножением (циклический партеногенез), но иногда дает начало чисто бесполым линиям (облигатным партеногенам). Эти линии не способны к половому размножению из-за гомозиготности по рецессивному аллелю. [25]
Покоящиеся яйца содержат эмбрион, заключенный в трехслойную оболочку, которая защищает его от внешних стрессоров. [26] [27] Они способны оставаться в состоянии покоя в течение нескольких десятилетий и могут противостоять неблагоприятным периодам (например, высыханию пруда или присутствию антагонистов). [28] [29] Когда благоприятные условия возвращаются и после обязательного периода диапаузы , который варьируется у разных видов, из покоящихся яиц вылупляются диплоидные амиктические самки, которые вступают в бесполую фазу жизненного цикла. [23] [30]
Самки коловраток бделлоид не могут производить покоящиеся яйца, но многие из них могут переживать длительные периоды неблагоприятных условий после высыхания . Эта способность называется ангидробиозом , а организмы с такими способностями называются ангидробионтами. В условиях засухи коловратки бделлоид сжимаются в инертную форму и теряют почти всю воду в организме; при регидратации они возобновляют активность в течение нескольких часов. Бделлоиды могут переживать сухое состояние в течение длительных периодов, причем самый длительный хорошо документированный период покоя составляет девять лет. Коловратки также могут подвергаться другим формам криптобиоза, в частности криобиозу, который возникает в результате понижения температуры. В 2021 году исследователи собрали образцы из отдаленных арктических мест, содержащие коловраток, которые при оттаивании показали живые особи возрастом около 24 000 лет. [31] В то время как у других ангидробионтов, таких как артемия , эта толерантность к высыханию, как полагают, связана с выработкой трегалозы , невосстанавливающего дисахарида ( сахара ), бделлоиды, по-видимому, не могут синтезировать трегалозу. У бделлоидов основной причиной устойчивости к высыханию, а также устойчивости к ионизирующему излучению является высокоэффективный механизм восстановления двухцепочечных разрывов ДНК, вызванных этими агентами. [32] Этот механизм восстановления, вероятно, включает митотическую рекомбинацию между гомологичными областями ДНК. [32]
Коловратки становятся добычей многих животных, таких как веслоногие рачки , рыбы (например, сельдь , лосось ), мшанки , гребневики , медузы , морские звезды и тихоходки . [33]
Размер генома бделлоидной коловратки Adineta vaga , как сообщается, составляет около 244 Мб. [34] Геномы Monogononts, по-видимому, значительно меньше, чем у Bdelloids. У Monogononta содержание ядерной ДНК (2C) у восьми различных видов четырех различных родов варьировалось почти в четыре раза, от 0,12 до 0,46 пг. [35] Размеры гаплоидного генома "1C" у видов Brachionus варьируются по крайней мере от 0,056 до 0,416 пг. [36]
john harris rotifer.