Гидра ( / ˈh aɪ d rə / HY - drə )— род мелких пресноводных гидрозоев типа Cnidaria . Они родом из умеренных и тропических регионов. [2] [3] Род был назван Линнеем в 1758 году в честь Гидры , многоголового мифического зверя, побежденного Гераклом , поскольку, когда у животного отрублена часть, оно восстанавливается так же, как головы мифической гидры. Биологи особенно интересуются гидрой из-за ее регенеративной способности ; они, кажется, не умирают от старости иливообще не стареют .
Гидра имеет трубчатое радиально-симметричное тело длиной до 10 мм (0,39 дюйма) в развернутом состоянии, закрепленное простой клейкой ножкой, известной как базальный диск. Железистые клетки базального диска выделяют липкую жидкость, которая обеспечивает его адгезивные свойства.
На свободном конце тела находится ротовое отверстие, окруженное от одного до двенадцати тонкими подвижными щупальцами . Каждое щупальце, или книда (множественное число: книды), покрыто высокоспециализированными стрекательными клетками, называемыми книдоцитами . Книдоциты содержат специализированные структуры, называемые нематоцистами , которые выглядят как миниатюрные лампочки со спиральной нитью внутри. На узком внешнем крае книдоцита находится короткий пусковой волосок, называемый книдоцилом. При контакте с добычей содержимое нематоцисты взрывается, выпуская дротообразную нить, содержащую нейротоксины, в то, что вызвало выброс. Это может парализовать добычу, особенно если будет выпущено много сотен нематоцист.
Гидра имеет два основных слоя тела, что делает ее « диплобластической ». Слои разделены мезоглеей — гелеобразным веществом. Наружный слой — это эпидермис , а внутренний слой называется гастродермой , поскольку он выстилает желудок. Клетки, составляющие эти два слоя тела, относительно просты. Гидрамацин [4] — бактерицид , недавно обнаруженный у Гидры ; он защищает внешний слой от инфекции. Одна гидра состоит из 50 000–100 000 клеток, которые состоят из трех определенных популяций стволовых клеток , которые создают множество различных типов клеток. Эти стволовые клетки постоянно обновляются в организме . [5] На теле гидр есть две важные структуры: «голова» и «нога». Когда гидру разрезают пополам, каждая половина регенерирует и превращается в маленькую гидру ; «голова» регенерирует «ногу», а «нога» регенерирует «голову». Если гидру разрезать на множество сегментов, то средние ломтики образуют и «голову», и «ногу». [6]
Дыхание и выделение происходят путем диффузии по поверхности эпидермиса , при этом более крупные экскременты выводятся через рот. [7] [8]
Нервная система гидры представляет собой нервную сеть , структурно простую по сравнению с более развитыми нервными системами животных. У гидры нет узнаваемого мозга или настоящих мышц . Нервные сети соединяют сенсорные фоторецепторы и сенсорные нервные клетки, расположенные в стенках тела и щупальцах.
В строении нервной сети имеется два уровня:
Некоторые имеют только два слоя нейронов . [9]
Если гидра встревожена или атакована, щупальца могут втянуться в маленькие бутоны, а сам столб тела может втянуться в небольшую студенистую сферу. Гидры обычно реагируют одинаково независимо от направления раздражителя, и это может быть связано с простотой нервных сетей.
Гидры , как правило, ведут сидячий или сидячий образ жизни , но иногда довольно легко передвигаются, особенно во время охоты. У них есть два различных метода перемещения: «петля» и «кувырок». Они делают это, наклоняясь и прикрепляясь к субстрату ртом и щупальцами, а затем перемещая ногу, что обеспечивает обычное прикрепление, этот процесс называется петлеобразованием. При сальто тело затем наклоняется и образует новое место крепления стопы. Благодаря этому процессу «петли» или «кувырка» гидра может перемещаться на несколько дюймов (около 100 мм) за день. Гидра может также передвигаться амебоидным движением основания или отрываться от субстрата и уплывать по течению.
У большинства видов гидр нет гендерной системы. Вместо этого, когда еды много, многие гидры размножаются бесполым путем почкованием . Почки формируются из стенки тела, вырастают в миниатюрных взрослых особей и отделяются при созревании.
Когда гидра хорошо питается, новый бутон может образовываться каждые два дня. [10] В суровых условиях, часто перед зимой или при плохих условиях кормления, у некоторых гидр происходит половое размножение . Отеки стенок тела перерастают в яичники или яички. Семенники выпускают в воду свободно плавающие гаметы , которые могут оплодотворить яйцеклетку в яичнике другой особи. Оплодотворенные яйца образуют прочную внешнюю оболочку, и когда взрослая особь умирает (из-за голода или холода), эти покоящиеся яйца падают на дно озера или пруда в ожидании лучших условий, после чего из них вылупляется нимфа Гидра . Некоторые виды гидры , такие как Hydracircumcincta и Hydra viridissima , являются гермафродитами [11] и могут производить как семенники, так и яичники одновременно.
Многие представители Hydrozoa претерпевают изменение тела от полипа до взрослой формы, называемой медузой , что обычно является стадией жизни, на которой происходит половое размножение, но гидры не продвигаются дальше фазы полипа. [12]
Гидра в основном питается водными беспозвоночными, такими как дафния и циклоп .
Во время кормления гидра вытягивает свое тело на максимальную длину, а затем медленно вытягивает щупальца. Несмотря на простоту конструкции, щупальца гидры необычайно растяжимы и могут быть в четыре-пять раз длиннее тела. После полного выпрямления щупальца медленно перемещаются в ожидании контакта с подходящей добычей. При контакте нематоцисты на щупальце стреляют в добычу, а само щупальце обвивается вокруг добычи. Большинство щупалец присоединяются к атаке в течение 30 секунд, чтобы усмирить борющуюся добычу. В течение двух минут щупальца окружают добычу и перемещают ее в открытое ротовое отверстие. В течение десяти минут добыча поглощается полостью тела, и начинается пищеварение. Гидра может значительно растягивать стенки своего тела. [ нужна цитата ]
Пищевое поведение гидры демонстрирует сложность, казалось бы, простой нервной системы.
Некоторые виды гидры существуют во взаимоотношениях с различными видами одноклеточных водорослей . Водоросли защищены от хищников Гидрой ; в свою очередь, продукты фотосинтеза водорослей полезны в качестве источника пищи для гидры [13] [14] и даже помогают поддерживать микробиом гидры . [15]
Реакция на питание у гидры индуцируется глутатионом (особенно в восстановленном состоянии в виде GSH), высвобождаемым из поврежденных тканей раненой добычи. [16] Существует несколько методов, традиционно используемых для количественной оценки реакции на питание. У некоторых измеряют продолжительность, в течение которой рот остается открытым. [17] Другие методы основаны на подсчете количества гидр среди небольшой популяции, показывающей реакцию на кормление после добавления глутатиона. [18] Недавно был разработан метод измерения реакции гидры на питание. [19] Было показано, что в этом методе линейное двумерное расстояние между кончиком щупальца и ртом гидры является прямой мерой степени пищевой реакции. Этот метод был проверен с использованием модели голодания, поскольку известно, что голодание вызывает усиление реакции гидры на кормление. [19]
На вид Hydra oligactis охотится плоский червь Microstomum Lineare . [20] [21]
Гидры подвергаются морфаллаксису (регенерации тканей) при ранении или разрыве. Обычно гидры размножаются путем отпрыскивания совершенно новой особи; зародыш располагается примерно на двух третях вниз по оси тела. Когда гидру разрезают пополам, каждая половина регенерирует и превращается в маленькую гидру ; «голова» регенерирует «ногу», а «нога» регенерирует «голову». Эта регенерация происходит без деления клеток. Если гидру разрезать на несколько сегментов, средние ломтики образуют и «голову», и «ногу». [6] Полярность регенерации объясняется двумя парами градиентов позиционных значений. Существует градиент активации и торможения как головы, так и ног. Активация и торможение головы работают в направлении, противоположном паре градиентов ног. [22] Доказательства существования этих градиентов были продемонстрированы в начале 1900-х годов в ходе экспериментов по прививке. Было показано, что ингибиторы обоих градиентов важны для блокирования образования почек. Место, где формируется бутон, находится там, где градиенты низкие как для головы, так и для ног. [6]
Гидры способны регенерировать из кусочков тканей тела и дополнительно после диссоциации тканей из агрегатов. [22] Этот процесс происходит не только в кусочках ткани, вырезанных из столба тела, но и в реагрегатах диссоциированных одиночных клеток. Установлено, что в этих агрегатах клетки, первоначально распределенные хаотично, подвергаются сортировке и образуют два слоя эпителиальных клеток, в которых более активную роль в этом процессе играют энтодермальные эпителиальные клетки. Активная подвижность этих энтодермальных эпителиальных клеток образует два слоя как в реагрегате, так и в регенерирующем кончике иссеченной ткани. Когда эти два слоя установлены, происходит процесс формирования рисунка для формирования головы и ног. [23]
Дэниел Мартинес заявил в статье 1998 года в журнале «Экспериментальная геронтология» , что гидры биологически бессмертны . [24] Эта публикация широко цитируется как доказательство того, что гидры не стареют (не стареют) и что они являются доказательством существования нестареющих организмов в целом. В 2010 году Престон Эстеп опубликовал (также в «Экспериментальной геронтологии ») письмо в редакцию, в котором утверждалось, что данные Мартинеса опровергают гипотезу о том, что гидры не стареют. [25]
Спорная неограниченная продолжительность жизни гидры привлекла большое внимание ученых. Сегодняшние исследования, похоже, подтверждают исследование Мартинеса. [26] Стволовые клетки гидры обладают способностью к неограниченному самообновлению. Транскрипционный фактор « forkhead box O » (FoxO) был идентифицирован как критический фактор непрерывного самообновления Hydra . [26] В ходе экспериментов резкое снижение прироста населения произошло в результате подавления FoxO . [26]
У билатерально-симметричных организмов ( Bilateria ) фактор транскрипции FoxO влияет на реакцию на стресс, продолжительность жизни и увеличение количества стволовых клеток. Если этот фактор транскрипции сбит в двухсторонних модельных организмах, таких как плодовые мухи и нематоды , продолжительность их жизни значительно снижается. В экспериментах на H. vulgaris (радиально-симметричный представитель типа Cnidaria ), когда уровни FoxO были снижены, наблюдалось негативное влияние на многие ключевые особенности гидры , но гибели не наблюдалось, поэтому считается, что этому могут способствовать и другие факторы. очевидное отсутствие старения у этих существ. [5]
Гидры способны к двум типам репарации ДНК : эксцизионной репарации нуклеотидов и эксцизионной репарации оснований . [27] Эти пути восстановления облегчают репликацию ДНК, удаляя повреждения ДНК. Идентификация этих путей у гидры была частично основана на присутствии в геноме гидры генов, гомологичных генам других генетически хорошо изученных видов, которые, как было показано, играют ключевую роль в этих путях репарации ДНК. [27]
Сравнительный анализ ортологов , проведенный за последнее десятилетие, показал, что гидра имеет как минимум 6071 общий ген с человеком. Гидра становится все более лучшей модельной системой по мере того, как становится доступным все больше генетических подходов. [5] Трансгенные гидры стали привлекательными модельными организмами для изучения эволюции иммунитета . [28] Проект генома Hydra magnipapillata был опубликован в 2010 году . [29]
Размер генома книдарий обычно составляет менее 500 МБ, как у Hydra viridissima , размер генома которого составляет около 300 МБ. Напротив, геномы бурых гидр имеют размер примерно 1 ГБ. Это связано с тем, что геном бурой гидры является результатом события расширения с участием LINE , типа мобильных элементов , в частности, одного семейства класса CR1. Это расширение уникально для этой подгруппы рода Hydra и отсутствует у зеленой гидры, у которой повторяющийся ландшафт, как и у других книдарий. Эти характеристики генома делают гидру привлекательной для изучения видоизменений, управляемых транспозонами, и расширения генома. [30]
Из-за простоты своего жизненного цикла по сравнению с другими гидрозойными гидры потеряли многие гены, соответствующие типам клеток или метаболическим путям, предковая функция которых до сих пор неизвестна.
Геном гидры отдает предпочтение проксимальным промоторам . Благодаря этой особенности было создано множество линий репортерных клеток с областями, расположенными примерно от 500 до 2000 оснований выше интересующего гена. Его цис-регуляторные элементы ( CRE ) в основном расположены менее чем на 2000 пар оснований выше ближайшего сайта инициации транскрипции, но есть CRE, расположенные дальше.
Его хроматин имеет конфигурацию Рабля. Существуют взаимодействия между центромерами разных хромосом и центромерами и теломерами одной и той же хромосомы. По сравнению с другими книдариями он имеет большое количество межцентромерных взаимодействий, вероятно, из-за потери нескольких субъединиц конденсина II . Он организован в домены, охватывающие от десятков до сотен мегабаз, содержащие эпигенетически совместно регулируемые гены и окруженные границами, расположенными внутри гетерохроматина . [31]
Различные типы клеток гидры экспрессируют семейства генов разного эволюционного возраста. Клетки-предшественники (стволовые клетки, предшественники нейронов и нематоцист, а также половые клетки) экспрессируют гены из семейств, которые предшествовали многоклеточным животным . Среди дифференцированных клеток некоторые экспрессируют гены из семейств, происходящих от основания многоклеточных животных, например железистых и нейрональных клеток, а другие экспрессируют гены из более новых семейств, происходящих от основания книдарий или медузозоа , например нематоцисты. Интерстициальные клетки содержат факторы трансляции, функция которых сохраняется по крайней мере 400 миллионов лет. [32]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )