Фототаксис — это разновидность такси или локомоторного движения, которое происходит, когда весь организм движется к световому стимулу или от него . [2] Это выгодно для фототрофных организмов, поскольку они могут наиболее эффективно ориентироваться на получение света для фотосинтеза . Фототаксис называется положительным, если движение происходит в направлении увеличения силы света, и отрицательным, если направление противоположное. [3]
У прокариот наблюдаются два типа положительного фототаксиса . Первый называется скотофобаксисом (от слова « скотофобия »), который наблюдается только под микроскопом. Это происходит, когда бактерия случайно выплывает из области, освещаемой микроскопом. Наступление темноты сигнализирует клетке о необходимости изменить направление вращения жгутиков и снова войти в свет. Второй тип фототаксиса — это истинный фототаксис, который представляет собой направленное движение вверх по градиенту к увеличению количества света. Это аналогично положительному хемотаксису , за исключением того, что аттрактант представляет собой свет, а не химическое вещество.
Фототаксические реакции наблюдаются у многих организмов, таких как Serratia marcescens , Tetrahymena и Euglena . У каждого организма есть своя специфическая биологическая причина фототаксической реакции, многие из которых случайны и не служат никакой конечной цели.
Фототаксис может быть полезен для фототрофных бактерий , поскольку они могут наиболее эффективно ориентироваться для получения света для фотосинтеза . Фототаксис называется положительным, если движение происходит в направлении увеличения силы света, и отрицательным, если направление противоположное. [3]
У прокариот (бактерии и археи ) наблюдаются два типа положительного фототаксиса . Первый называется «скотофоботаксис» (от слова « скотофобия »), который наблюдается только под микроскопом. Это происходит, когда бактерия случайно выплывает из области, освещаемой микроскопом. Наступление темноты сигнализирует клетке о необходимости изменить направление вращения жгутиков и снова войти в свет. Второй тип фототаксиса — это истинный фототаксис, который представляет собой направленное движение вверх по градиенту к увеличению количества света. Это аналогично положительному хемотаксису , за исключением того, что аттрактант представляет собой свет, а не химическое вещество.
Фототаксические реакции наблюдаются у ряда бактерий и архей, таких как Serratia marcescens . Белки фоторецепторов представляют собой светочувствительные белки, участвующие в восприятии света и реакции на него у различных организмов. Некоторыми примерами являются бактериородопсин и бактериофитохромы у некоторых бактерий. См. также: Фитохром и фототропизм .
Большинство прокариот (бактерий и архей) неспособны определять направление света, потому что в таком маленьком масштабе очень сложно создать детектор, который мог бы различать одно направление света. Тем не менее, прокариоты могут измерять интенсивность света и двигаться по градиенту интенсивности света. Некоторые планирующие нитевидные прокариоты могут даже чувствовать направление света и совершать направленные повороты, но их фототаксическое движение очень медленное. Некоторые бактерии и археи фототаксичны. [4] [5] [1]
В большинстве случаев механизм фототаксиса представляет собой смещенное случайное блуждание, аналогичное бактериальному хемотаксису. Галофильные археи, такие как Halobacterium salinarum , используют сенсорные родопсины (SR) для фототаксиса. [6] [7] Родопсины — это 7 трансмембранных белков, которые связывают ретиналь в качестве хромофора . Свет запускает изомеризацию сетчатки [8] , что приводит к фототрансдуктивной передаче сигналов через двухкомпонентную релейную систему фосфопереноса. Halobacterium salinarum имеет два SR, SRI и SRII, которые передают сигналы через белки-преобразователи Htr1 и Htr2 (галобактериальные преобразователи для SR I и II) соответственно. [9] [10] Нижняя передача сигналов у фототаксических архебактерий включает CheA, гистидинкиназу , которая фосфорилирует регулятор ответа CheY. [11] Фосфорилированный CheY вызывает разворот плавания. Два SR в Halobacterium имеют разные функции. SRI действует как аттрактантный рецептор для оранжевого света и, посредством двухфотонной реакции, как репеллентный рецептор для ближнего УФ-излучения, тогда как SRII является репеллентным рецептором для синего света. В зависимости от того, какой рецептор экспрессируется, если клетка плывет вверх или вниз по крутому градиенту света, вероятность переключения жгутика будет низкой. Если интенсивность света постоянна или меняется в неправильном направлении, переключение направления вращения жгутика переориентирует клетку в новом, случайном направлении. [12] Поскольку длина треков увеличивается, когда клетка следует световому градиенту, клетки в конечном итоге будут приближаться к источнику света или удаляться от него. Эта стратегия не позволяет ориентироваться по вектору света и работает только при наличии крутого градиента света (т. е. не в открытой воде). [1]
Некоторые цианобактерии (например, Anabaena , Synechocystis ) способны медленно ориентироваться вдоль вектора света. Эта ориентация происходит в нитях или колониях, но только на поверхности, а не в суспензии. [13] [14] Нитчатая цианобактерия Synechocystis способна как к положительной, так и к отрицательной двумерной фототаксической ориентации. Положительный ответ, вероятно, опосредован бактериофитохромным фоторецептором TaxD1. Этот белок имеет два хромофорсвязывающих домена GAF, которые связывают хромофор биливердина [15] , и С-концевой домен , типичный для бактериальных рецепторов таксиса ( сигнальный домен MCP ). TaxD1 также имеет два N-концевых трансмембранных сегмента, которые закрепляют белок на мембране. [16] [17] [18] Фоторецепторные и сигнальные домены являются цитоплазматическими и передают сигнал через систему передачи сигналов типа CheA/CheY, регулируя подвижность пилей IV типа. [19] TaxD1 локализуется на полюсах палочковидных клеток Synechococcus elongatus , аналогично MCP, содержащим хемосенсорные рецепторы у бактерий и архей. [20] Как достигается управление нитями, неизвестно. Медленное управление этими цианобактериальными нитями — единственное поведение прокариот по распознаванию направления света, которое могло развиться из-за сложности определения направления света в таком небольшом масштабе. [1]
Способность связывать восприятие света с контролем подвижности обнаружена у очень многих прокариот, что указывает на то, что эта способность должна давать ряд физиологических преимуществ. [22] [23] Прежде всего, световая среда имеет решающее значение для фототрофов как источника энергии. Фототрофные прокариоты чрезвычайно разнообразны, и, вероятно, горизонтальный перенос генов играет роль в распространении фототрофии среди множества типов. [24] Таким образом, разные группы фототрофных прокариот могут иметь мало общего, кроме использования света в качестве источника энергии, но для любого фототрофа должно быть выгодно иметь возможность перемещаться в поисках лучших световых условий для фотосинтеза. Чтобы сделать это эффективно, необходима способность контролировать подвижность в ответ на интегрированную информацию об интенсивности света, спектральном качестве света и физиологическом статусе клетки. Вторая основная причина контролируемой светом подвижности заключается в том, чтобы избегать света повреждающей интенсивности или длины волны: этот фактор не ограничивается фотосинтезирующими бактериями, поскольку свет (особенно в УФ-диапазоне) может быть опасен для всех прокариот, в первую очередь из-за повреждения ДНК и белков. [25] и ингибирование аппарата трансляции световыми активными формами кислорода. [26] [21]
Наконец, световые сигналы потенциально содержат богатую и сложную информацию об окружающей среде, и не следует исключать возможность того, что бактерии изощренно используют эту информацию для оптимизации своего местоположения и поведения. Например, патогены растений или животных могут использовать световую информацию для контроля своего местоположения и взаимодействия с хозяевами, и фактически известно, что световые сигналы регулируют развитие и вирулентность у некоторых нефототрофных прокариот. [27] [28] Фототрофы также могли бы извлечь выгоду из сложной обработки информации, поскольку их оптимальная среда определяется сложной комбинацией факторов, включая интенсивность света, качество света, дневные и ночные циклы, наличие сырья и альтернативных источников энергии, другие полезные или вредные физические и химические факторы, а иногда и присутствие симбиотических партнеров. Качество света сильно влияет на специализированные пути развития некоторых нитчатых цианобактерий , включая развитие подвижных гормогоний и азотфиксирующих гетероцист . [29] Поскольку гормогонии важны для установления симбиотических партнерств между цианобактериями и растениями, а гетероцисты необходимы для фиксации азота в этих партнерствах, возникает соблазн предположить, что цианобактерии могут использовать световые сигналы как один из способов обнаружить близость растения. симбиотический партнер. В сложной и гетерогенной среде, такой как фототрофная биопленка, многие факторы, имеющие решающее значение для роста, могут существенно различаться даже в пределах ограниченной области, которую может исследовать одна подвижная клетка. [30] [31] Поэтому мы должны ожидать, что прокариоты, живущие в такой среде, могут контролировать свою подвижность в ответ на сложную сеть передачи сигналов, связывающую ряд сигналов окружающей среды. [21]
Фотофобная реакция представляет собой изменение направления подвижности в ответ на относительно внезапное увеличение освещенности: классически реакция заключается в временном изменении интенсивности света, которое может испытывать бактерия при перемещении в ярко освещенную область. Переключение направления может состоять из случайного выбора нового направления («кувыркание») или может представлять собой простое изменение направления движения. Любой из них имеет эффект отталкивания клеток от участка неблагоприятного света. Фотофобные реакции наблюдались у таких разнообразных прокариот, как Escherichia coli , пурпурные фотосинтезирующие бактерии и галоархеи . [32] [23] [21]
Скотофобная реакция (боязнь темноты) является противоположностью фотофобной реакции, описанной выше: изменение направления (переворот или разворот) индуцируется, когда клетка испытывает относительно внезапное падение интенсивности света. Фотофобные и скотофобные реакции заставляют клетки накапливаться в областях специфической (предположительно благоприятной) интенсивности света и спектрального качества. Скотофобные реакции были хорошо документированы у пурпурных фотосинтезирующих бактерий, начиная с классических наблюдений Энгельмана в 1883 году [33], а также у цианобактерий. [22] Скотофобные/фотофобные реакции у жгутиковых бактерий очень напоминают классический режим бактериального хемотаксиса «предвзятого случайного блуждания», который связывает восприятие временных изменений концентрации химического аттрактанта или репеллента с частотой кувыркания. [34] Единственное существенное различие заключается в том, что скотофобные/фотофобные реакции включают восприятие временных изменений интенсивности света, а не концентрации химического вещества. [21]
Фотокинез – это вызванное светом изменение скорости (но не направления) движения. Фотокинез может быть отрицательным (световое снижение моторики) или положительным (световое стимулирование моторики). Фотокинез может привести к скоплению клеток в областях благоприятного освещения: они задерживаются в таких областях или ускоряются из областей неблагоприятного освещения. Фотокинез был зарегистрирован у цианобактерий и пурпурных фотосинтезирующих бактерий. [22] [21]
Истинный фототаксис состоит из направленного движения, которое может быть либо к источнику света (положительный фототаксис), либо от источника света (отрицательный фототаксис). В отличие от фотофобии/скотофобии, истинный фототаксис не является реакцией на временное изменение интенсивности света. Как правило, кажется, что это предполагает прямое определение направления освещения, а не пространственного градиента интенсивности света. Истинный фототаксис у прокариот иногда сочетается с социальной подвижностью, которая включает согласованное движение всей колонии клеток к источнику света или от него. Это явление также можно охарактеризовать как фототаксис сообщества. Истинный фототаксис широко распространен у эукариотических зеленых водорослей [35] , но среди прокариот он зарегистрирован только у цианобактерий [22] [17] и в социальной подвижности колоний пурпурной фотосинтетической бактерии Rhodocista centenaria . [36] [21]
Некоторые протисты (одноклеточные эукариоты) также могут двигаться к свету или от него, сочетая свою стратегию передвижения со светочувствительным органом. [38] Эукариоты впервые в истории жизни развили способность следовать направлению света в трех измерениях в открытой воде. Стратегия сенсорной интеграции эукариот, обработка сенсорной информации, а также скорость и механика тактических реакций фундаментально отличаются от таковых у прокариот. [39] [1]
Как одноклеточные, так и многоклеточные эукариотические фототаксические организмы имеют фиксированную форму, поляризованы, плавают по спирали и используют реснички для плавания и фототаксического управления. Передача сигналов может происходить посредством прямых ионных токов , запускаемых светом , аденилатциклаз или тримерных G-белков . Используемые фоторецепторы также могут быть самыми разными (см. ниже). Однако передача сигналов во всех случаях в конечном итоге модифицирует активность ресничек. [1] Механика фототаксической ориентации аналогична у всех эукариот. Фотосенсор с ограниченным углом обзора вращается, сканируя пространство, и периодически подает сигналы ресничкам об изменении их биения, что изменит направление винтовой траектории плавания . Трехмерный фототаксис можно обнаружить у пяти из шести основных групп эукариот ( опистоконты , амебозоа , растения , хромальвеолаты , экскаваты , ризарии ). [1]
Пелагический фототаксис присутствует у зеленых водорослей , но отсутствует у глаукофитных и красных водорослей . [1] У зеленых водорослей есть «рыльце», расположенное в самой внешней части хлоропласта , непосредственно под двумя мембранами хлоропласта . Рыльце состоит из десятков-нескольких сотен липидных глобул, которые часто образуют гексагональные массивы и могут располагаться в один или несколько рядов. Липидные глобулы содержат сложную смесь каротиноидных пигментов, обеспечивающих экранирующую функцию и оранжево-красный цвет [40] , а также белки, стабилизирующие глобулы. [41] Рыльце расположено латерально, в фиксированной плоскости относительно ресничек, но не прилегает непосредственно к базальным тельцам. [42] [43] Фиксированное положение обеспечивается за счет прикрепления хлоропласта к одному из ресничных корней. [44] Пигментированное рыльце не следует путать с фоторецептором. Рыльце обеспечивает только направленное затенение соседних фоторецепторов, вставленных в мембрану (поэтому термин «глазное пятно» вводит в заблуждение). Стигматы также могут отражать и фокусировать свет, как вогнутое зеркало, тем самым повышая чувствительность. [1]
У наиболее изученной зеленой водоросли Chlamydomonasrainhardtii фототаксис опосредован пигментом родопсином , что впервые было продемонстрировано восстановлением нормального фотоповедения у слепого мутанта аналогами хромофора сетчатки . [45] Два родопсина архебактериального типа, канальный родопсин -1 и -2, [46] [47] были идентифицированы как рецепторы фототаксиса у Chlamydomonas . [48] Оба белка имеют N-концевую 7-трансмембранную часть, аналогичную архебактериальным родопсинам, за которой следует С-концевая мембраносвязанная часть, состоящая приблизительно из 400 остатков. CSRA и CSRB действуют как светозависимые катионные каналы и запускают деполяризующие фототоки. [48] [49] С помощью иммунофлуоресцентного анализа было показано, что CSRA локализуется в области стигмы (Suzuki et al. 2003). Индивидуальное истощение RNAi как CSRA, так и CSRB изменило светоиндуцированные токи и показало, что CSRA опосредует быстрый ток с высоким уровнем насыщения, тогда как CSRB - медленный ток с низким насыщением. Оба тока способны вызывать фотофобные реакции и могут играть роль в фототаксисе [50] [49] , хотя точный вклад двух рецепторов еще не ясен. [1]
Как и у всех биконтов (растений, хромальвеолатов, экскаватов, ризарий), зеленые водоросли имеют две реснички, неодинаковые. Передняя ресничка всегда моложе задней . [51] [52] В каждом клеточном цикле одна дочерняя клетка получает переднюю ресничку и преобразует ее в заднюю. Другая дочь наследует заднюю зрелую ресничку. Затем у обеих дочерей вырастают новые передние реснички. [1]
Как и все другие ресничные пловцы, зеленые водоросли всегда плавают по спирали. Направленность спирали прочная и гарантируется хиральностью ресничек. Две реснички зеленых водорослей имеют разный характер ритма и функции. У Chlamydomonas каскад фототрансдукции по-разному меняет рисунок ударов и скорость биения двух ресничек по сложной схеме. [53] [54] Это приводит к переориентации спиральной траектории плавания до тех пор, пока ось спирального плавания не совпадает с вектором света. [1]
Положительный и отрицательный фототаксис можно обнаружить у нескольких видов медуз , например, из рода Polyorchis . Медузы используют глазки для обнаружения присутствия и отсутствия света, что затем преобразуется в антихищническое поведение в случае, если тень падает на глазки, или в пищевое поведение в случае присутствия света. [55] Многие тропические медузы имеют симбиотические отношения с фотосинтезирующими зооксантеллами , которые они содержат в своих клетках. [56] Зооксантеллы питают медуз, в то время как медуза защищает их и перемещает к источникам света, таким как солнце, чтобы максимизировать воздействие света для эффективного фотосинтеза. В тени медуза может либо оставаться на месте, либо быстро уходить, чтобы избежать нападения хищников , а также перестроиться на новый источник света. [57]
Этой двигательной реакции на свет и отсутствие света способствует химическая реакция глазков, которая приводит к двигательной реакции, заставляющей организм плыть к источнику света. [57]
Фототаксис хорошо изучен у морского червя Platynereis dumerilii . И трохофора Platynereis dumerilii , и ее личинки метатрохофора обладают положительным фототаксисом. Фототаксис опосредован простыми глазными пятнами , состоящими из пигментной клетки и фоторецепторной клетки . Фоторецепторные клетки образуют синапсы непосредственно с реснитчатыми клетками, которые используются для плавания. Глазные пятна не дают пространственного разрешения, поэтому личинки вращаются, сканируя окружающую среду в направлении, откуда исходит свет. [58]
Личинки Platynereis dumerilii ( нектохеты ) могут переключаться между положительным и отрицательным фототаксисом. Фототаксис здесь опосредован двумя парами более сложных пигментных чашечек глаз. Эти глаза содержат больше фоторецепторных клеток, которые затенены пигментными клетками, образующими чашечку. Фоторецепторные клетки не образуют синапсы непосредственно с реснитчатыми клетками или мышечными клетками, а с промежуточными нейронами процессингового центра. Таким образом можно сравнить информацию всех четырех наглазников и создать изображение с низким разрешением в четыре пикселя, сообщающее личинкам, откуда исходит свет. Таким образом, личинке не нужно сканировать окружающую среду, вращаясь. [59] Это адаптация к жизни на дне моря, образ жизни личинки, тогда как сканирующее вращение больше подходит для жизни в толще открытой воды, образ жизни личинки трохофоры. Фототаксис личинки Platynereis dumerilii имеет широкий спектральный диапазон, который покрывается как минимум тремя опсинами , экспрессируемыми чашевидными глазами: [60] двумя рабдомерными опсинами [61] и Go-опсином. [60]
Однако не каждое поведение, похожее на фототаксис, является фототаксисом: личинки Platynereis dumerilii nechtochate и метатрохофоры всплывают первыми, когда их стимулируют ультрафиолетовым светом сверху. Но через некоторое время они меняют направление и избегают ультрафиолета, плывя вниз. Это похоже на смену положительного фототаксиса на отрицательный (см. видео слева), но личинки также плавают вниз, если УФ-свет падает ненаправленно сбоку. И поэтому они не плывут к свету или от него, а плывут вниз, [62] то есть к центру тяжести. Таким образом, это УФ-индуцированная положительная гравитация . Положительный фототаксис (плавание к свету от поверхности) и положительный гравитационный эффект (плавание к центру тяжести) вызываются разными диапазонами длин волн и нейтрализуют друг друга при определенном соотношении длин волн. [62] Поскольку состав длин волн меняется в воде с глубиной: сначала теряются короткие (УФ, фиолетовый) и длинные (красные) длины волн, [60] фототаксис и гравитация образуют соотношение-хроматический датчик глубины , который позволяет личинкам определять их глубина по цвету окружающей воды. Это имеет преимущество перед датчиком глубины, основанным на яркости, поскольку цвет остается практически постоянным независимо от времени дня или облачности. [63] [64]
На диаграмме справа личинки начинают плавать вверх при включении ультрафиолетового света (отмечено фиолетовым квадратом). Но позже они плывут вниз. Следы личинок имеют цветовую маркировку: красный — для личинок, плавающих вверх, и синий — для личинок, плавающих вниз. Видео работает с двойной скоростью. [62]
Положительный фототаксис можно обнаружить у многих летающих насекомых , таких как мотыльки , кузнечики и мухи . Drosophila melanogaster широко изучалась на предмет ее врожденной положительной фототаксической реакции на источники света с использованием контролируемых экспериментов, чтобы помочь понять связь между воздушным движением к источнику света. [65] Эта врожденная реакция распространена среди насекомых, которые летают преимущественно ночью, используя для ориентации поперечную ориентацию по отношению к свету Луны. [66] Искусственное освещение в городах и населенных пунктах приводит к более выраженной положительной реакции по сравнению с далеким светом Луны, в результате чего организм неоднократно реагирует на этот новый сверхъестественный стимул и врожденно летит к нему.
Доказательства врожденной реакции положительного фототаксиса у Drosophila melanogaster были получены путем изменения крыльев нескольких отдельных экземпляров как физически (путем удаления), так и генетически (путем мутации). В обоих случаях наблюдалось заметное отсутствие положительного фототаксиса, что свидетельствует о том, что полет к источникам света является врожденной реакцией на получение фоторецепторами организмов положительной реакции. [65]
Отрицательный фототаксис можно наблюдать у личинок Drosophila melanogaster на первых трех стадиях развития , несмотря на то, что взрослые насекомые демонстрируют положительный фототаксис. [67] Такое поведение распространено среди других видов насекомых, которые в своем жизненном цикле обладают нелетающей личиночной и взрослой стадией и переключаются на положительный фототаксис только при поиске мест окукливания . Tenebrio molitor, напротив, является одним из видов, который переносит свой отрицательный фототаксис во взрослую жизнь. [67]
В экспериментальных условиях организмы, использующие положительный фототаксис, также продемонстрировали корреляцию со светом и магнитными полями. В условиях однородного освещения и меняющегося магнитного поля личинки Drosophila melanogaster переориентируются в предсказанных направлениях большей или меньшей интенсивности света, как и ожидается вращающимся магнитным полем. В полной темноте личинки ориентируются хаотично, без каких-либо заметных предпочтений. [67] Это говорит о том, что личинки могут наблюдать видимую картину в сочетании со светом.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: multiple names: authors list (link)