Chaetognatha / k iː ˈ t ɒ ɡ n ə θ ə / или щетинкочелюстные / ˈ k iː t ɒ ɡ n æ θ s / (что означает щетинкочелюстные ) являются типом хищных морских червей , которые являются основным компонентом планктона во всем мире. Обычно известные как черви -стрелы , они в основном нектонные ; однако около 20% известных видов являются бентосными и могут прикрепляться к водорослям и камням . Они встречаются во всех морских водах, от поверхностных тропических вод и мелководных приливных бассейнов до глубоководных и полярных регионов . Большинство щетинкочелюстных прозрачны и имеют форму торпеды, но некоторые глубоководные виды оранжевые . Их размер варьируется от 2 до 120 миллиметров (от 0,1 до 4,7 дюйма).
Щетинкочелюстные были впервые описаны голландским натуралистом Мартинусом Слаббером в 1775 году. [3] По состоянию на 2021 год биологи признают 133 современных вида, относящихся к более чем 26 родам и восьми семействам . [3] Несмотря на ограниченное разнообразие видов, число особей велико. [4]
Стреловидные черви тесно связаны с Gnathifera и, возможно, принадлежат к ним , кладе первичноротых , которые не относятся ни к Ecdysozoa , ни к Lophotrochozoa .
Щетинозубые — прозрачные или полупрозрачные животные в форме дротика, покрытые кутикулой . Длина их варьируется от 1,5 мм до 105 мм у антарктического вида Pseudosagitta gazellae . [5] Размер тела, как между особями одного вида, так и между разными видами, по-видимому, увеличивается с понижением температуры. [5] Тело разделено на отчетливые голову, туловище и хвост. Около 80% тела занимают первичные продольные мышцы . [3]
На каждой стороне головы находится от четырех до четырнадцати крючковатых хватательных шипов, обрамляющих полый вестибюль, содержащий рот. Шипы используются при охоте и покрыты гибким капюшоном, вырастающим из области шеи, когда животное плывет. Шипы и зубы состоят из α- хитина , а голова защищена хитиновым каркасом. [3]
Рот открывается в мускулистую глотку , которая содержит железы для смазки прохода пищи. Отсюда прямой кишечник проходит по всей длине туловища к анусу прямо перед хвостом. Кишечник является основным местом пищеварения и включает пару дивертикулов около переднего конца. [6] Материалы перемещаются по полости тела с помощью ресничек . Отходы просто выводятся через кожу и анус. Виды Eukrohniid обладают масляной вакуолью, тесно связанной с кишечником. Этот орган содержит восковые эфиры, которые могут способствовать размножению и росту вне сезона производства Eukrohnia hamata в арктических морях. [7] Благодаря положению масляной вакуоли в центре тракта, орган также может иметь значение для плавучести, балансировки и передвижения. [8]
Обычно щетинкочелюстные не пигментированы, однако кишечник некоторых глубоководных видов содержит оранжево-красные каротиноидные пигменты. [3]
Нервная система достаточно проста и демонстрирует типичную анатомию первичноротых , [3] состоящую из ганглиозного нервного кольца, окружающего глотку. Мозг состоит из двух отдельных функциональных доменов: переднего нейропильного домена и заднего нейропильного домена. Первый, вероятно, контролирует мышцы головы, приводящие в движение позвоночники и пищеварительную систему. Последний связан с глазами и ресничным венцом. Предполагаемая сенсорная структура неизвестной функции, ретроцеребральный орган, также размещается в заднем нейропильном домене. [3] Дорсальный ганглий является самым большим, но нервы отходят от всех ганглиев по всей длине тела.
У щетинкочелюстных два сложных глаза, каждый из которых состоит из ряда пигментных чашечковых глазков, слитых вместе; некоторые глубоководные и троглобионтические виды имеют непигментированные или отсутствующие глаза. [3] Кроме того, есть ряд сенсорных щетинок, расположенных рядами вдоль боков тела, где они, вероятно, выполняют функцию, аналогичную функции боковой линии у рыб. Дополнительная изогнутая полоса сенсорных щетинок лежит над головой и шеей. [6] Почти все щетинкочелюстные имеют «непрямые» или «инвертированные» глаза в зависимости от ориентации фоторецепторных клеток; только некоторые виды Eukhroniidae имеют «прямые» или «вывернутые» глаза. [3] Уникальной особенностью глаза щетинкочелюстных является пластинчатая структура фоторецепторных мембран, содержащих сетку круглых пор шириной 35–55 нм. [3]
Значительная механосенсорная система, состоящая из ресничных рецепторных органов, обнаруживает вибрации, позволяя щетинкочелюстным обнаруживать плавательные движения потенциальной добычи. Другой орган на дорсальной части шеи, ресничный венец, вероятно, участвует в хеморецепции. [3]
Полость тела выстлана брюшиной , и поэтому представляет собой настоящий целом , и разделена на один отсек с каждой стороны туловища, и дополнительные отсеки внутри головы и хвоста, все полностью разделенные перегородками. Хотя у них есть рот с одним или двумя рядами крошечных зубов, сложные глаза и нервная система, у них нет выделительной или дыхательной систем. [9] [3] Хотя часто говорят, что у них отсутствует кровеносная система, у щетинкочелюстных есть рудиментарная гемальная система, напоминающая таковую у кольчатых червей . [3]
Рабдомеры червя-стрелы происходят из микротрубочек длиной 20 нм и шириной 50 нм, которые в свою очередь образуют конические тела, содержащие гранулы и нитевидные структуры. Тело конуса происходит из реснички . [ 10]
Туловище несет одну или две пары боковых плавников, включающих структуры, внешне похожие на плавниковые лучи рыб, с которыми они не гомологичны . В отличие от плавников позвоночных, эти боковые плавники состоят из утолщенной базальной мембраны, простирающейся от эпидермиса . Дополнительный хвостовой плавник покрывает постанальный хвост. [6] Два вида щетинкочелюстных, Caecosagitta macrocephala и Eukrohnia fowleri , имеют биолюминесцентные органы на своих плавниках. [11] [12]
Щетинозубые плавают короткими рывками, используя дорсовентральные волнообразные движения тела, при этом их хвостовой плавник помогает в движении, а плавники тела — в стабилизации и управлении. [13] Движения мышц описаны как одни из самых быстрых у многоклеточных животных . [3] Мышцы напрямую возбуждаются электрическими токами или концентрированными растворами K+ ; основным нейромышечным передатчиком является ацетилхолин. [3]
Все виды являются гермафродитами , несущими как яйца , так и сперму . [4] Каждое животное обладает парой семенников внутри хвоста и парой яичников в задней части основной полости тела. Незрелые сперматозоиды высвобождаются из семенников, чтобы созреть внутри полости хвоста, а затем плывут через короткий проток в семенной пузырек , где они упаковываются в сперматофор . [6]
Во время спаривания каждая особь помещает сперматофор на шею своего партнера после разрыва семенного пузырька. Сперма быстро высвобождается из сперматофора и плывет вдоль средней линии животного, пока не достигнет пары небольших пор прямо перед хвостом. Эти поры соединяются с яйцеводами , в которые уже перешли развитые яйца из яичников, и именно здесь происходит оплодотворение. [6] Семяприемники и яйцеводы накапливают и хранят сперматозоиды, чтобы выполнить несколько циклов оплодотворения. [3] Известно, что некоторые бентосные члены Spadellidae имеют сложные ритуалы ухаживания перед совокуплением, [3] например, Paraspadella gotoi . [14]
Яйца в основном планктонные, за исключением нескольких видов, таких как Ferosagitta hispida , которые прикрепляют яйца к субстрату. [3] У Eukrohnia яйца развиваются в сумчатых мешочках или прикреплены к водорослям . [15] Яйца обычно вылупляются через 1-3 дня. Щетинкочелюстные не претерпевают метаморфоз и не обладают четко выраженной личиночной стадией, [6] [3] необычная черта среди морских беспозвоночных; [14] однако существуют значительные морфологические различия между новорожденными и взрослыми особями в отношении пропорций, хитиновых структур и развития плавников. [3] [16]
Продолжительность жизни щетинкочелюстных различна, но коротка; самая длинная зафиксированная продолжительность жизни составила 15 месяцев у Sagitta friderici . [16]
Мало что известно о поведении и физиологии стреловидных червей из-за сложности их культивирования и реконструкции их естественной среды обитания. [3] Известно, что они питаются чаще при более высоких температурах. Планктонные щетинкочелюстные часто должны плавать непрерывно, с поведением «прыгать и тонуть», чтобы удерживаться в желаемом месте в слое воды, и плавать активно, чтобы поймать добычу. Все они, как правило, держат тело слегка наклоненным, а голову направленной вниз. [3] Они часто демонстрируют «скользящее» поведение, медленно погружаясь на некоторое время, а затем догоняют быстрым движением плавников. [14] Бентосные виды обычно остаются прикрепленными к субстратам, таким как камни, водоросли или морские травы, реже на поверхности или между песчинками, и действуют скорее как засадные хищники, оставаясь неподвижными, пока добыча не пройдет мимо. [3] Добыча обнаруживается благодаря ресничному забору и органам пучка, воспринимающим вибрации [3] – например , особи Spadella cephaloptera будут атаковать стеклянный или металлический зонд, вибрирующий с соответствующей частотой. [14] Чтобы поймать добычу, стреловидные черви прыгают вперед с сильным ударом хвостового плавника. [3] После контакта с добычей они оттягивают капюшон над хватательными шипами, так что он образует клетку вокруг добычи и подносит ее ко рту. Они заглатывают свою добычу целиком. [14]
Щетинозубые встречаются во всех мировых океанах, от полюсов до тропиков, а также в солоноватых и эстуарных водах. Они населяют очень разнообразные среды обитания, от гидротермальных источников до глубоководного морского дна, до зарослей морской травы и морских пещер. [3] Большинство из них являются планктонными, и они часто являются вторым по распространенности компонентом зоопланктона , с биомассой в диапазоне от 10 до 30% от биомассы веслоногих рачков . [3] В Канадском бассейне одни только щетинозубые составляют ~13% биомассы зоопланктона. [17] Таким образом, они экологически значимы и являются ключевым источником пищи для рыб и других хищников, включая промысловых рыб, таких как скумбрия или сардины . [18] 58% известных видов являются пелагическими, [5] в то время как около трети видов являются эпибентосными или мейобентосными , или обитают в непосредственной близости от субстрата. [3] Щетинкочелюстные были зарегистрированы на глубине до 5000 и, возможно, даже 6000 метров. [5]
Самая высокая плотность щетинкочелюстных наблюдается в фотической зоне мелководья. [3] Более крупные виды щетинкочелюстных, как правило, живут глубже в воде, но проводят свои ювенильные стадии выше в толще воды. [14] Стрелковые черви, однако, совершают суточную вертикальную миграцию , проводя день на более низких глубинах, чтобы избежать хищников, и приближаясь к поверхности ночью. Их положение в толще воды может зависеть от света, температуры, солености, возраста и запасов пищи. Они не могут плыть против океанических течений , и их используют в качестве гидрологического индикатора течений и водных масс. [3]
Все щетинкочелюстные являются хищниками, нападающими из засады , охотящимися на других планктонных животных, в основном веслоногих рачков и ветвистоусых рачков [6] [3], а также на амфипод, криля и личинок рыб. [18] Взрослые особи могут питаться более молодыми особями того же вида. [19] Сообщается также, что некоторые виды являются всеядными, питаясь водорослями и детритом. [20] Известно, что щетинкочелюстные используют нейротоксин тетродотоксин для подавления добычи, [21] возможно, синтезируемый бактериями рода Vibrio . [3]
МтДНК стреловидного червя Spadella cephaloptera была секвенирована в 2004 году, и на тот момент это был самый маленький известный митохондриальный геном метазоа, длиной 11 905 пар оснований [ 22] (теперь его превзошел митохондриальный геном гребневика Mnemiopsis leidyi , длина которого составляет 10 326 пар оснований). [23] Все гены митохондриальной тРНК отсутствуют. Гены MT-ATP8 и MT-ATP6 также отсутствуют. [22] МтДНК Paraspadella gotoi , также секвенированная в 2004 году, еще меньше (11 403 пары оснований) и демонстрирует схожую картину, не имея 21 из 22 обычно присутствующих генов тРНК и имея только 14 из 37 обычно присутствующих генов. [24]
Щетинкочелюстные демонстрируют уникальное митохондриальное геномное разнообразие в пределах особей одного и того же вида. [25]
Эволюционные связи щетинкочелюстных долгое время были загадочными. Чарльз Дарвин заметил, что стреловидные черви были «замечательны неясностью их родства». [14] В прошлом щетинкочелюстные традиционно, но ошибочно, классифицировались эмбриологами как вторичноротые из -за особенностей эмбриона, подобных вторичноротым. Линн Маргулис и К. В. Шварц поместили щетинкочелюстных в группу вторичноротых в своей классификации пяти царств . [27] Однако несколько особенностей развития противоречат вторичноротым и либо родственны Spiralia , либо уникальны для Chaetognatha. [3]
Молекулярная филогения показывает, что Chaetognatha на самом деле являются первичноротыми . Томас Кавальер-Смит помещает их в первичноротых в своей классификации Шести Царств . [33] Сходства между щетинкочелюстными и нематодами, упомянутые выше, могут подтверждать тезис о первичноротых — на самом деле, щетинкочелюстные иногда рассматриваются как базальные экдизозойные или лофотрохозойные . [34] Chaetognatha кажутся близкими к основанию дерева первичноротых в большинстве исследований их молекулярной филогении. [35] Это может объяснить их вторичноротые эмбриональные признаки. Если щетинкочелюстные ответвились от первичноротых до того, как они развили свои отличительные первичноротые эмбриональные признаки, они могли сохранить вторичноротые признаки, унаследованные от ранних билатерийных предков. Таким образом, щетинкочелюстные могут быть полезной моделью для предковых билатерий. [36] Исследования нервной системы стреловидных червей показывают, что их следует поместить в первичноротые. [37] [38] Согласно работам 2017 и 2019 годов, щетинкочелюстные либо принадлежат к [39] [40], либо являются сестринской группой Gnathifera . [3]
Ниже представлено консенсусное эволюционное древо Chaetognatha, основанное как на морфологических, так и на молекулярных данных по состоянию на 2021 год. [3]
Из-за своих мягких тел хетогнаты плохо окаменевают. Тем не менее, было описано несколько ископаемых видов хетогнатов. [1] хетогнаты впервые появились в кембрийский период. Полные ископаемые тела были официально описаны из нижнекембрийских сланцев Маотяньшань в Юньнани, Китай ( Eognathacantha ercainella Chen & Huang [41] и Protosagitta spinosa Hu [42] ) и среднекембрийских сланцев Берджесс в Британской Колумбии ( Capinatator praetermissus ). Кембрийский стволовой хетогнат, Timorebestia , впервые описанный в 2024 году, был намного крупнее современных видов, что показывает, что хетогнаты играли иную роль в морских экосистемах по сравнению с сегодняшним днем. [43] Более поздний щетинкочелюстной, Paucijaculum samamition Schram, был описан в биоте Мазон-Крик в пенсильванском периоде Иллинойса.
Считалось, что хетогнаты, возможно, связаны с некоторыми животными, сгруппированными с конодонтами . Однако было показано, что сами конодонты являются зубными элементами позвоночных . В настоящее время считается, что протоконодонтовые элементы (например, Protohertzina anabarica Missarzhevsky, 1973), вероятно, являются хватательными шипами хетогнатов, а не зубами конодонтов. Ранее хетогнаты в раннем кембрии предполагались только по этим протоконодонтовым элементам, но более поздние открытия ископаемых тел подтвердили их присутствие тогда. [44] Существуют доказательства того, что хетогнаты были важными компонентами океанической пищевой сети уже в раннем кембрии. [45]
Первое известное описание щетинкочелюстных было опубликовано голландским натуралистом Мартинусом Слаббером в 1770-х годах; он также придумал название «стреловидный червь». [46] [5] Зоолог Анри Мари Дюкроте де Бленвиль также кратко упомянул вероятных щетинкочелюстных, но он понимал их как пелагических моллюсков. Первое описание ныне признанного вида щетинкочелюстных, Sagitta bipunctata , датируется 1827 годом. [47] [5] Среди первых зоологов, описывавших стреловидных червей, был Чарльз Дарвин , который делал заметки о них во время путешествия на корабле «Бигль» и в 1844 году посвятил им статью. [48] В следующем году Август Дэвид Крон опубликовал раннее анатомическое описание Sagitta bipunctata . [49] [18]
Термин «щетинкочелюстные» был введен в 1856 году Рудольфом Лейкартом . Он также был первым, кто предположил, что род Sagitta принадлежит к отдельной группе: «В настоящее время кажется наиболее естественным рассматривать Sagittas как представителей небольшой собственной группы, которая осуществляет переход от настоящих кольчатых червей (прежде всего люмбрицин) к нематодам и может быть не неуместно названа Chaetognathi». [50] [5]
Современная систематика Chaetognatha начинается в 1911 году с Риттером-Захоном [51] [18] и позднее консолидирована Такаси Токиока в 1965 году [52] [5] [18] и Робертом Биери в 1991 году. [53] Токиока ввел отряды Phragmophora и Aphragmophora и классифицировал четыре семейства, шесть родов, в общей сложности 58 видов — плюс вымершая Amiskwia , классифицированная как истинный примитивный щетинкочелюстной в отдельном классе Archisagittoidea. [18]
Некоторое время считалось, что щетинкочелюстные принадлежат к вторичноротым или являются их родственниками , но подозрения об их родстве со спиралиями или другими первичноротыми появились еще в 1986 году. [22] Их родство с первичноротыми было подтверждено в 2004 году путем секвенирования и анализа митохондриальной ДНК . [22]
В 2018 году повторный анализ фотографий, полученных с помощью электронного микроскопа в 1980-х годах, позволил ученым идентифицировать гигантский вирус ( Meelsvirus ), поражающий Adhesisagitta hispida ; его место размножения — ядерное, а вирионы (длиной 1,25 мкм) имеют оболочку. [54] В 2019 году повторный анализ других предыдущих исследований показал, что структуры, принятые в 1967 году за щетинки, присутствующие на поверхности вида Spadella cephaloptera , [55] и в 2003 году за бактерии, поражающие Paraspadella gotoi , [56], на самом деле представляли собой гигантские вирусы веретенообразной формы с оболочкой и цитоплазматическим местом размножения. [57] Вид вируса, инфицирующий P. gotoi , максимальная длина которого составляет 3,1 мкм, был назван Klothovirus casanovai ( Klotho — греческое название одной из трех Судеб, атрибутом которых было веретено, а casanovai — в честь профессора Ж.-П. Казановы, посвятившего большую часть своей научной жизни изучению щетинкочелюстных). Другой вид был назван Megaklothovirus horridgei (в честь Адриана Хорриджа , первого автора статьи 1967 года). На фотографии один из вирусов M. horridgei , хотя и укороченный, имеет длину 3,9 мкм, что примерно вдвое больше длины бактерий Escherichia coli . В вирионах присутствует множество рибосом , но их происхождение остается неизвестным (клеточное, вирусное или только частично вирусное). На сегодняшний день гигантские вирусы, известные тем, что инфицируют многоклеточных животных , исключительно редки.