авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

Н.П. МАСЮК,

Ю.И. ПОСУДИН,

Г.Г. ЛИЛИЦКАЯ

ФОТОДВИЖЕНИЕ КЛЕТОК

Dunaliella Teod.

(Dunaliellales, Chlorophyceae,

Viridiplantae)

-1-

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ БОТАНИКИ им. Н.Г. ХОЛОДНОГО

НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.П. Масюк, Ю.И. Посудин, Г.Г. Лилицкая

ФОТОДВИЖЕНИЕ КЛЕТОК Dunaliella Teod.

(Dunaliellales, Chlorophyceae, Viridiplantae) Киев 2007 NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF UKRAINE M.G. KHOLODNY INSTITUTE OF BOTANY NATIONAL AGRICULTURAL UNIVERSITY Маssjuk N., Posudin Yu., Lilitskaya G.

PHOTOMOVEMENT OF THE CELLS OF Dunaliella Teod.

(Dunaliellales, Chlorophyceae, Viridiplantae) Kyiv 2007 -2 Об авторах Масюк Надежда Прохоровна, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института ботаники им.

Н.Г. Холодного Национальной академии наук Украины.

Много лет изучает водоросли (биоразнообразие, флора, систематика, экология, география, происхождение, эволюция, филогения, место в системе органического мира, прикладная альгология).

Проблемами фотодвижения интересуется в связи с исследованиями разнообразия, филогении фитофлагеллят, вопросами их классифицирования, биотехнологии выращивания каротиноносных водорослей и получения из них препаратов каротина. Автор 260 научных работ.

Посудин Юрий Иванович, профессор, доктор биологических наук, заведующий кафедрой биофизики Национального аграрного университета.

Закончил в 1969 г. радиофизический факультет Киевского государственного университета им. Т. Шевченко. Основные научные интересы исследование фотобиологических реакций высших и низших растений, неразрушающий контроль качества сельскохозяйственной продукции.

Автор 15 книг и свыше 100 статей.

Лилицкая Галина Георгиевна, ведущий инженер Института ботаники им. Н.Г.

Холодного Национальной академии наук Украины.

Закончила биологический факультет Киевского государственного университета им.

Т. Шевченко в 1986 г.

Имеет около 40 публикаций по фотодвижению водорослей, биоразнообразию и флоре.

-3 УДК581.188. ББК 28.571я П Масюк Н.П., Посудин Ю.И., Лилицкая Г.Г. Фотодвижение клеток Dunaliella Teod. (Dunaliellales, Chlorophyceae, Viridiplantae). - Киев, 2007. - 264 с.

В монографии представлен обзор исторического развития и современного состояния фундаментальных исследований фотодвижения водорослей. Рассмотрены вопросы терминологии и логические основы классификации фотодвижения микроорганизмов, приведена детальная характеристика рода Dunaliella Teod. как основного объекта исследований. Освещены результаты экспериментальных исследований параметров фотодвижения двух видов Dunaliella и влияния на них абиотических факторов, процессов фоторецепции, сенсорного преобразования поглощенного фоторецепторными молекулами кванта света в сигнал, управляющий работой жгутикового аппарата, особенностей работы жгутиков. Рассмотрена возможность использования видов Dunaliella как тест-объектов, а параметров фотодвижения – в качестве тест-функций в процессе биотестирования водных сред на содержание поверхностно-активных веществ, солей тяжелых металлов, пестицидов. Перспективным для биотестирования признан метод лазерной допплеровской спектроскопии. Для оценки влияния токсикантов предложен векторный метод биотестирования водных сред. Обсуждается возможность использования полученных данных для совершенствования биотехнологии утилизации каротиноносных штаммов Dunaliella. Сделана попытка оценки значения данных о фотодвижении водорослей для эволюционной биологии, филогенетики, систематики и таксономии, экологии и географии водорослей. Предлагается программа дальнейших исследований в области фотобиологии движения фитофлагеллят.

Рассчитана на альгологов и протистологов широкого профиля, гидробиологов, биофизиков, физиологов, экологов и биотехнологов, преподавателей, аспирантов и студентов биологических факультетов высших учебных заведений.

У монографії наведено огляд історичного розвитку і сучасного стану фундаментальних досліджень фоторуху водоростей. Розглядаються питання термінології і пропонуються логічні основи класифікації фоторуху мікроорганізмів.

Подано детальну характеристику роду Dunaliella Teod. як основного об’єкта досліджень. Викладено результати експериментального вивчення основних параметрів фоторуху Dunaliella та впливу на них абіотичних факторів, процесів фоторецепції, сенсорного перетворення поглинутого фоторецепторними молекулами кванта світла у сигнал, що керує роботою джгутикового апарату, особливостей роботи джгутиків. Розглянута можливість використання видів Dunaliella як тест об’єктів, а параметрів їх фоторуху як тест-функцій для біотестування водного середовища, що містить поверхневоактивні речовини, солі важких металів, пестициди. Перспективним для біотестування визнано метод лазерної допплерівської спектроскопії. Для оцінки впливу токсикантів розроблено векторний метод біотестування водного середовища. Обговорюється можливість використання одержаних даних для удосконалення технології отримання препаратів каротину з каротиносних штамів Dunaliella salina. Зроблено спробу оцінити значення даних про фоторух водоростей для еволюційної біології, філогенетики, систематики і таксономії, екології і географії водоростей.

Пропонується програма подальших досліджень в галузі фотобіології руху фітофлагелят.

Розрахована на альгологів та протистологів широкого профілю, гідробіологів, біофізиків, фізіологів, екологів та біотехнологів, викладачів, аспірантів та студентів біологічних факультетів вищих навчальних закладів.

Утверждено к печати Ученым советом Института ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины Рецензенты:

чл.-кор. НАН Украины, профессор Г. В. ДОНЧЕНКО д-р биол. н., профессор Ю.П. ГОРГО Электронный макет монографии Н.П. Масюк, Ю.И.Посудин, Г.Г. Лилицкая Фотодвижение клеток Dunaliella Teod. (Dunaliellales, Chlorophyceae, Viridiplantae) подготовлен в Электронном издательстве «Аналитическая микроскопия» (рег. Свидетельство Эл № 77 6072 Министерства РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой информации от 4 февраля 2002 г.). Электронный макет подготовила ред.1 кат.

Шатурная Н.В.Гл. ред. Проф. А.Ю.Буданцев Электронное издательство “Аналитическая микроскопия” Пущино, 2007 г.

ISBN ©Ин-т ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины, ©Национальный аграрный университет, ©Академпериодика, -4 СОДЕРЖАНИЕ Введение ГЛАВА 1. Фотодвижение водорослей – история исследований и современное состояние проблемы ГЛАВА 2. Вопросы терминологии и логические основы классификации светозависимого поведения свободноподвижных микроорганизмов (фототаксисов) 2.1. Состояние вопроса 2.2. Параметрический принцип классификации фотодвижения организмов Заключение ГЛАВА 3. Род Dunaliella Teod.: морфология, способы размножения, экология, эволюция, географическое распространение, вопросы систематики 3.1. История открытия и описания рода Dunaliella 3.2. Морфология 3.3. Способы размножения 3.4. Экология и географическое распространение 3.5. Положение рода Dunaliella в системе зеленых водорослей 3.6. Внутриродовая классификация ГЛАВА 4. Исследование фотодвижения Dunaliella 4.1. Объекты исследований 4.2. Методы исследований фотодвижения Dunaliella 4.2.1. Экспериментальная установка 4.2.2. Измерение скорости движения клеток водорослей 4.2.3. Измерение фототопотаксиса 4.2.4. Фурье-преобразование углового распределения клеток 4.3. Результаты исследования фотодвижения Dunaliella и их обсуждение 4.3.1. Фотокинез и фотокинетические реакции 4.3.2. Фототопотаксис 4.3.3. Фурье-преобразование углового распределения клеток Заключение ГЛАВА 5. Влияние абиотических факторов на фотодвижение Dunaliella 5.1. Влияние температуры 5.2. Влияние электрических полей 5.3. Влияние рH среды 5.4. Одновременное влияние нескольких внешних факторов 5.5. Влияние ультрафиолетового излучения 5.6. Влияние ионизирующего излучения Заключение ГЛАВА 6. Структура фоторецепторной системы 6.1. Проблемы фоторецепции у водорослей 6.2. Структура фоторецепторных систем зеленых водорослей 6.3. Структура фоторецепторной системы Dunaliella 6.3.1. Стигма у изученных видов Dunaliella 6.3.2. Выяснение структуры фоторецептора Dunaliella 6.3.3.Использование техники облучения суспензии клеток водоросли двумя потоками света Заключение ГЛАВА 7. Идентификация фоторецепторных пигментов 7.1. Характеристика фоторецепторных пигментов 7.2. Идентификация фоторецепторных пигментов Euglena gracilis 7.2.1. Дискуссия относительно фоторецепторных пигментов Euglena gracilis 7.2.2. Выделение пигментов 7.2.3. Микроспектрофотометрия и микрофлуориметрия пигментов -5 7.2.4. Определение спектра действия фотобиологических реакций 7.2.5. Биохимические методы 7.2.6. Изучение влияния специфических химпрепаратов 7.2.7. Использование заместителей фоторецепторных пигментов 7.3. Идентификация фоторецепторных пигментов у зеленых водорослей 7.4. Идентификация фоторецепторных пигментов у Dunaliella 7.4.1. Анализ спектра действия фототопотаксиса Dunaliella 7.4.2. Использование латерального ультрафиолетового излучения Заключение ГЛАВА 8. Механизмы фоторецепции и фотоориентации Dunaliella 8.1. Известные механизмы фоторецепции и фотоориентации водорослей 8.2. Диффракционный механизм фоторецепции и фотоориентации Dunaliella 8.3. О роли белков в механизмах фоторегуляции движения жгутиковых водорослей Заключение ГЛАВА 9. Сенсорное преобразование у Dunaliella 9.1. Методы исследования сенсорного преобразования 9.2. Сенсорное преобразование у Euglena gracilis 9.3. Сенсорное преобразование у зеленых водорослей 9.4. Сенсорное преобразование у Dunaliella 9.4.1. Методы исследований 9.4.2. Влияние ионов кальция 9.4.3. Влияние ионофора А 9.4.4. Влияние оуабаина 9.4.5. Влияние ионов кобальта 9.4.6. Влияние циннаризина и изоптина 9.4.7. Влияние азида натрия Заключение ГЛАВА 10. Работа жгутикового аппарата 10.1. Структура жгутикового аппарата 10.2. Особенности биения жгутиков 10.2.1. Биения жгутика Euglena gracilis 10.2.2. Биения жгутиков Chlamydomonas reinhardtii 10.2.3. Биения жгутиков Dunaliella 10.3. Регистрация биений жгутиков 10.3.1. Высокоскоростная микрокинематография 10.3.2. Лазерная допплеровская спектроскопия 10.3.3. Метод светорассеяния 10.3.4. Метод фотометрии Заключение ГЛАВА 11. Прикладные аспекты исследования фотодвижения Dunaliella. биотестирование водных сред 11.1. Водоросли рода Dunaliella как тест-объекты 11.2. Параметры фотодвижения Dunaliella как тест-функции 11.3. Влияние поверхностно-активных веществ (пав) на фотодвижение Dunaliella 11.3.1. Характеристика поверхностно-активных веществ 11.3.2. Влияние различных типов ПАВ, их комбинаций и продолжи тельности действия на скорость движения клеток Dunaliella 11.4. Исследование влияния тяжелых металлов на фотодвижение Dunaliella с помощью лазерной допплеровской спектроскопии 11.5. Векторный метод биотестирования 11.6. Использование векторного метода биотестирования водных сред на основе регистрации параметров фотодвижения Dunaliella v R от типа и концентрации ПАВ 11.6.1. Зависимость вектора v R от типа и концентрации тяжелых металлов 11.6.2. Зависимость вектора v R от типа и концентрации пестицидов 11.6.3. Зависимость вектора -6 11.6.4. Преимущества векторного метода биотестирования Заключение ГЛАВА 12. Dunaliella как объект биотехнологии 12.1. Каротиноиды, b-каротин и его стереоизомеры. Биосинтез b-каротина 12.2. Dunaliella salina – источник промышленного получения b-каротина Заключение Общие итоги и перспективы дальнейших исследований Summary Литература Указатель латинских названий Указатель основных терминов -7 «… амебы пролежали полтора часа под действием этого луча и получилось вот что: в то время как в диске вне луча зернистые амебы валялись вяло и беспомощно, в том месте, где пролегал красный заостренный меч, происходили странные явления.

В красной полосочке кипела жизнь».

М. Булгаков, “The only generalizаtion that can be made for photomovement is its diversity” W. Haupt, ВВЕДЕНИЕ Фотодвижение - это движение или изменение движения организмов, вызванное светом. Фотодвижение является результатом фоторегуляции движения - совокупности элементарных процессов, индуцированных световым стимулом, а именно: фоторецепции, первичных реакций фоторецепторных пигментов, сенсорного преобразования светового стимула в физиологический сигнал, управляющий работой двигательного аппарата, реализующего фотоориентацию организма.

Проблема фотодвижения и фоторегуляции движения микроорганизмов в последнее время привлекает все больше внимания, что объясняется важной биологической ролью этого явления, его связью с такими фундаментальными процессами жизнедеятельности организмов, как фотосинтез, фоторецепция, трансформация энергии, перенос веществ через мембранные структуры клетки.

Изучение процессов фотодвижения и его фоторегуляции имеет непосредственное отношение к выявлению общих принципов регуляции внутриклеточных процессов метаболизма, онтогенеза, эмбриогенеза, морфогенеза. Эти исследования имеют немаловажное значение для экологии и биоценологии, поскольку свет - важный фактор распределения организмов в пространстве и времени, выполняющий самостоятельную роль и вместе с тем несущий информацию о сопряженном с ним комплексе факторов среды обитания, таких, как температура, рН, содержание биогенных элементов, кислорода, наличие других организмов и пр. [Крицкий, 1982, Синещеков, Литвин, 1982]. Исследование механизмов фотодвижения биологических объектов небезынтересно также с точки зрения бионики, эволюционной биологии и морфологии, филогенетики и систематики. Известно, например, что в альгологии строение локомоторного и фоторецепторного аппаратов, характер движения жгутиков - важные систематические признаки на уровне высших таксонов - отделов и классов [Седова, 1977;

Топачевский, Масюк, 1984;

Масюк, 1993;

Масюк, Костіков, 2002]. Это позволяет предположить возможное существование специфичности в процессах фоторецепции и механизмах фоторегуляции движения у представителей различных отделов (классов) водорослей. Наконец, исследования закономерностей фотодвижения могут иметь практический выход в связи с проблемами биоиндикации состояния водных объектов и биотестирования водных сред, биотехнологии, повышения продуктивности ценных в хозяйственном отношении микроорганизмов и т.д.

Вторая половина ХХ и начало ХХI века ознаменовались появлением ряда обзоров, посвященных фотодвижению микроорганизмов [Halldal, 1958, 1961;

Haupt, 1959, 1983;

Bendix, 1960;

Hand, Davenport, 1970;

Nultsch, 1975;

Wolken, 1977;

Lenci, Colombetti, 1978;

Nultsch, Hder, 1979, 1988;

Diehn, 1979;

Feinleib, 1980;

Colombetti, Lenci, 1982;

Lenci, 1982;

Poff, Hong, 1982;

Синещеков, Литвин, 1982а, 1988;

Hder, 1987а, 1987b, 1987c;

1994;

1996a, Lenci et al., 1984;

Colombetti, Petracchi, 1989;

Donk, Hessen, 1996;

Hder, Lebert, -8 2000;

Lebert, Hder, 2000;

Sineshchekov, Govorunova, 2001a;

Hegemann, Deininger, 2001;

Hegemann et al., 2001].

Кроме того, освещению основных достижений в фундаментальных исследованиях фотодвижения микроорганизмов в значительной мере способствуют регулярно проводимые научные конференции и школы: "Biophysics of Photoreceptors and Photobehaviour of Microorganisms" (Pisa, 1975), "Photoreception and Sensory Transduction in Aeural Organisms" (N.Y., 1980), "Sensory Percеption and Transduction in Aeural Organisms" (N.Y., 1985), "Biophysics of Photoreceptors and Photomovement in Microorganisms" (Tirrenia, 1990), "Light as Energy Source and Information Carrier in Plant Photophysiology" (Volterra, 1994);

Международные конференции «Актуальные проблемы альгологии» (Черкассы, 1987;

Киев, 1999);

“Photosensory Receptors & Signal Transduction” (Ventura, 2004).

С каждым годом растет ассортимент штаммов подвижных микроорганизмов, пригодных для исследования фотодвижения. Cовершенствуется экспериментальная техника, предназначенная для исследования фотодвижения микроорганизмов, которая в настоящее время имеет на вооружении такие современные методы и средства как видеомикрография, фототаксиграфия, допплеровская лазерная спектроскопия, скоростная кинематография, электрофизические измерения. Разработаны автоматизированные системы регистрации разнообразных параметров фотодвижения, сбора и обработки информации;

находят применение все новые методические приемы, позволяющие исследовать отдельные этапы фотодвижения организмов. В то же время, разработка и использование новых экспериментальных методов наряду с исследованием новых объектов, демонстрирующих фотодвижение, представляют большой интерес.

Следует отметить, что исследование фотодвижения микроорганизмов сопровождается рядом трудностей, связанных с большим разнообразием фотореакций, наличием различных типов фоторецепторных систем, как в пределах одного микроорганизма, так и у разных микроорганизмов, перекрыванием спектров поглощения фоторецепторных пигментов, сложностью изолирования этих пигментов и многими другими проблемами. Исследование процесса сенсорного преобразования кванта света, поглощенного молекулой пигмента, в сигнал, управляющий движением клетки, также затруднительно;

именно поэтому процессы фоторегуляции движения микроорганизмов представляются своеобразным "черным ящиком" с нераскрытыми до сих пор тайнами (рис. В1). И если для таких хорошо изученных фотобиологических процессов как фотосинтез или биофизика зрения многие детали обобщены для больших групп организмов, то совершенно иная ситуация наблюдается в изучении фотодвижения микроорганизмов. Учитывая огромное разнообразие микроскопических объектов, следует подчеркнуть, что даже, если у одного типа микроорганизмов процессы фоторегуляции движения будут изучены с начала и до конца, это совсем не означает применимость полученных выводов для других микроорганизмов.

«Единственным обобщением, которое может быть сделано для фотодвижения, является признание его разнообразия» - эти слова принадлежат одному из ведущих фотобиологов современности В. Хаупту [Haupt, 1983].

В Рис. 1. В1 Процессы фоторегуляции движения микроорганизмов - своеобразный "черный ящик" с нераскрытыми до сих пор тайнами. На рисунке представлено юмористическое изображение всех трудностей, сопровождающих исследователей фотодвижения водорослей (Из [Brookhaven Lecture Series No. 9;

BNL 699(T-241)]) -9 Настоящая работа посвящена результатам, проводимых нами с 1980 г. исследований теоретических, экспериментальных и прикладных проблем, связанных с фотодвижением одноклеточных зеленых водорослей из рода Dunaliella Teod., в частности, двух видов - D. salina Teod. и D. viridis Teod.

Интенсификация исследований в каком-либо направлении, как правило, приводит к обогащению, пересмотру и изменению старой терминологии, в прокрустово ложе которой не укладывается новая информация. Этот процесс происходит в настоящее время и в области изучения фотодвижения микроорганизмов. Вот почему вопросам терминологии и классификации фотодвижения микроорганизмов в данной работе уделяется особое внимание.

В экспериментальном и методическом планах предметом нашего интереса было изучение местоположения и структуры фоторецепторных систем, состава фоторецепторных пигментов, механизмов фоторецепции и фотоориентации, процессов сенсорного преобразования поглощенного фоторецепторными молекулами кванта света в сигнал, управляющий работой жгутикового аппарата. Сравнение параметров фотодвижения двух видов одного рода представляет интерес и с точки зрения таксономии. Именно поэтому авторы настоящего исследования постарались осветить применение основных методических и экспериментальных приемов, которые бы позволили приблизиться к пониманию процессов фотодвижения мало изученных в этом плане представителей жгутиковых водорослей.

Интерес представляют вопросы взаимодействия водорослей рода Dunaliella с окружающей средой, в частности, влияние внешних факторов (излучения видимого и ультрафиолетового диапазонов, температуры, рН, электрических и электромагнитных полей) на фотодвижение этих водорослей.

Оба вида водорослей, избранные в качестве модельных объектов наших исследований, интересны как потенциальные датчики и тестобъекты, которые реагируют на разнообразные внешние факторы и состав водной среды, а также как возможные источники промышленного получения каротина (провитамина А), аскорбиновой и дегидроаскорбиновой кислот, глицерина, корма для рыбоводческих хозяйств;

именно поэтому вопросы прикладного использования явления фотодвижения для целей биомониторинга окружающей среды и биотехнологии также нашли свое отражение в данной работе.

Естественно, привлекательной задачей является сравнительный анализ фотодвижения жгутиковых водорослей, т.е. выявление общих и специфических закономерностей в процессе фотодвижения у представителей различных таксонов водорослей.

Основная цель настоящей работы – исследование фотодвижения одноклеточных зеленых водорослей из рода Dunaliella.

Задачами работы являются:

1) обзор исторического развития и современного состояния фундаментальных исследований фотодвижения водорослей;

2) рассмотрение вопросов терминологии и классификации параметров фотодвижения микроорганизмов;

3) экспериментальное измерение параметров фотодвижения двух видов Dunaliella и исследование влияния на них абиотических факторов;

4) экспериментальное изучение процессов фоторецепции - местоположения и структуры фоторецепторных систем, состава фоторецепторных пигментов, механизмов фоторецепции и фотоориентации двух видов Dunaliella;

5) экспериментальное изучение процессов сенсорного преобразования поглощенного фоторецепторными молекулами кванта света в сигнал, управляющий работой жгутикового аппарата двух видов Dunaliella;

6) рассмотрение возможности прикладного использования фотодвижения двух видов Dunaliella для целей биомониторинга окружающей среды и биотехнологии;

7) сравнительно-систематический анализ процессов фотодвижения водорослей у представителей разных таксонов.

Авторы выражают глубокую благодарность проф. Ф.Ф. Литвину (Московский государственный - 10 университет) и проф. Б.В. Громову (С.-Петербургский государственный университет) за постоянный интерес, проявленный к нашим исследованиям фотодвижения Dunaliella и плодотворные дискуссии при обсуждении результатов;

проф. Ф. Ленчи и д-ру Дж. Коломбетти (Институт биофизики, Пиза, Италия), профессорам Д.-П. Хэдеру (Университет Фридриха-Александра, Эрланген, Германия), А. Флоресу-Мойа (Университет г. Малага, Испания), Х. Каваи (Университет г. Кобе, Япония), Х. Виенке и Д. Хэнелту (Институт полярных и морских исследований, Бремерхафен, Германия) за предоставленную возможность проведения исследований в области фотобиологии и фотодвижения водорослей на базе соответствующих учреждений, руководимых ими лабораторий, а также проф. Бен-Амотцу (Национальный Институт Океанографии, Израиль) за любезно предоставленный для публикации иллюстративный материал.

- 11 ГЛАВА ФОТОДВИЖЕНИЕ ВОДОРОСЛЕЙ – ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ Раскрыть тайну движения живого пытались еще в глубокой древности. Первые труды в этой области принадлежат Аристотелю (384-322 до н.э.), которого интересовали закономерности движения наземных животных и человека. Проблемам механики движения организмов (биомеханики) уделяли внимание Леонардо да Винчи (1452-1519), Джованни Борелли (1608-1679) - ученик Галилея и автор первой книги по биомеханике “О движении животных”, вышедшей в свет в 1679 г. Природа движения живого, механизмы управления им занимали умы многих известных ученых: И.М. Сеченова (1829-1905), И.П. Павлова (1849-1936), П.Ф. Лесгафта (1837-1930), А.А. Ухтомского (1875-1942), Н.А. Бернштейна (1896-1966) и др.

С тех пор, как в 1674 г. Антони ван Левенгук впервые наблюдал посредством созданного им микроскопа движение эвглены и вольвокса [цит. по: Wolken, 1975], продолжается неуклонный рост интереса к проблеме двигательного поведения микроорганизмов.

Первой работой, посвященной исследованию фотодвижения водорослей, можно считать статью Л. Тревирануса [Treviranus, 1817], в которой описана способность зооспор Draparnaldia glomerata и Ulothrix subtilis накапливаться вблизи края освещаемого сосуда или на его противоположной стороне.

Позднее выходит работа К. Эренберга [Ehrenberg, 1838] с описанием красного глазка (eyespot) или стигмы Eиglena - органеллы, которая играет не последнюю роль в фотодвижении водорослей.

В 1859 г. Чарльз Дарвин писал: "…некоторые низшие организмы, у которых не обнаружены нервы, способны воспринимать свет, и вполне вероятно, что определенные чувствительные элементы … могут агрегироваться и образовывать нервы, характе-ризующиеся специфической чувствительностью" [цит. по:

Wolken, 1971].

В ранних экспериментах Ф. Кона [Cohn, 1865] было обнаружено, что зооспоры некоторых водорослей, а также клетки Euglena sp. демонстрируют фототаксис в синезеленой, но не в красной области спектра. Таким образом была выявлена спектральная чувствительность микроорганизмов в процессе фотодвижения.

В 1866 г. появляется работа А.С. Фаминцына "Действие света на водоросли и некоторые другие близкие к ним организмы" (С.-Петербург), за которую ему была присуждена ученая степень доктора ботаники. В ней автор различает два типа передвижений простейших организмов - снабженных ресничками (зооспоры) или псевдоподиями (амебоидные организмы). К первому типу относятся также жгутиковые водоросли: Volvox, Gonium, Stephanosphaera, Euglena, Chlamydomonas и др. Фаминцын (1887а, с. 19) так характеризует это явление: «Давно уже было замечено, что при одностороннем освещении сосуда с жидкостью, в которой зооспоры плавают, они скопляются вдоль края сосуда, образуя зеленую полоску».

Этим автором установлено, что индуцированное светом движение водорослей зависит от интенсивности света, температуры, состава водной среды [Famintzin 1867a, b;

Фаминцын, 1887а].

В 80-е годы XIX ст. появляются статьи с результатами исследования фотодвижения десмидиевых и синезеленых водорослей. Уже в этот период начинаются дискуссии относительно механизмов фотоориентации организмов.

Е. Страсбургер утверждал, что различные микроорганизмы могут использовать различные механизмы фотоориентации [Strasburger, 1878]. Он считал, что зооспоры Haematococcus реагируют на световые градиенты, тогда как подвижные репродуктивные клетки Botrydium - на направление распространение света. Именно Страсбургеру принадлежит первенство в использовании термина "фототаксис" для того, чтобы отличить вызванные светом перемещения подвижных (фототаксисы) и прикрепленных (фототропизмы) организмов. Он же первым стал различать положительный и отрицательный фототаксисы. Страсбургер впервые использовал цветные стеклянные фильтры для - 12 выяснения спектральных особенностей фотодвижения зооспор. Кроме того, он сделал важное открытие: способность бесцветных микроорганизмов реагировать на свет.

Значительный вклад в исследование фотодвижения водорослей был внесен Т. Энгельманном [Engelmann, 1882a, b]. Ему принадлежит авторство в реализации техники "проецируемого микроспектра", позволяющей снимать зависимость фотореакции микроорганизмов от длины волны стимулирующего света.

Эти ранние эксперименты, носившие качественный характер, позволяли грубо определять спектр действия фотореакций микроорганизмов. Энгельманн установил спектральную чувствительность Euglena viridis в области 470-490 нм. Используя луч света, Энгельманн установил шоковые реакции у Euglena, обнаружив бльшую чувствительность передней (там, где расположена стигма) части клетки по сравнению с остальной [Engelmann, 1882a, b].

Цикл работ, опубликованных в конце ХIX ст., посвящен исследованию влияния внешних физических факторов на фотодвижение водорослей: электрических полей [Vervorn, 1889], температуры [Wildeman, 1893] и рентгеновского излучения [Shaudinn, 1899] (цит. по: Jаhn, Bovee, 1968).

В начале ХХ ст. появляется ряд работ, авторы которых рассматривают вопросы терминологии фотодвижения [Rothert, 1901;

Nagel, 1901;

Pfeffer, 1904].

В 1910 г. Лоеб и Максвелл [Loeb, Maxwell, 1910] обнаружили способность клеток Chlamydomonas скапливаться в синей области спектра.

Классическим объектом исследований фотодвижения водорослей становится Euglena gracilis.

Именно эвглене принадлежит пальма первенства в привлечении интереса многочисленных исследователей к выяснению механизмов фоторецепции и фото-ориентации. Дебатируются вопросы морфологии стигмы:

дискретная цветная пластида чашеобразной формы [Franc, 1893], гексагонально упакованные слои стержней [Wolken, 1956] или агрегированные в различной степени пигментированные гранулы или глобулы [Hall, Jahn, 1929;

Gojdics, 1934] (все авторы цитируются по: Jahn, Bovee, 1968).

В этот же период появляются работы, посвященные выяснению возможных механизмов фотоориентации Euglena [Jennings, 1906;

Mast, 1911]. Была установлена способность Euglena двигаться по направлению к источнику света и к фотофобическим реакциям ("Schreckbewegung" [Engelmann, 1882a, b] или "avoiding reaction" [Jennings, 1906]). Обнаружена чувствительность клеток Euglena к свету синей области спектра. В 1911 г. Маст предположил, что фоточувствительные пигменты Euglena находятся в области стигмы [Mast, 1911]. Этот же автор впервые акцентировал внимание на необходимость использования "спектрально чистого" (монохроматического) света и его калибровки с целью оценки относительной стимулирующей эффективности света на различных длинах волн (эту процедуру сейчас называют регистрацией "спектра действия"). Он также измерил оптическое пропускание стигмы Euglena;

интересно отметить, что полученные им результаты (пропускание стигмы t = 0,28) мало отличаются от полученных исследователями спустя полстолетия (t = 0,32) [Wolken, 1967]. В 1927 г. Маст измерил спектр действия фототаксиса Euglena, характеризующийся полосой в области 410-540 нм с максимумом при нм;

возможными фоторецепторными пигментами Маст считал каротиноиды [Mast, 1927].

Что касается функций стигмы Euglena, В.М. Арнольди высказал следующее мнение: "Его (глазка) функция до сих пор остается загадочной, но он имеет известное сходство с глазным пятном у некоторых простейших животных, являющимся у них зачаточным органом чувств" [Арнольди, 1908].

Начиная с пионерской работы А. Фишера [Fisher, 1894, цит. по: Jahn, Bovee, 1968], в которой описывается морфология жгутиковой системы Euglena, наблюдается все возрастающее количество исследований структуры и функций локомоторного аппарата водорослей, которые продолжаются и в наше время по мере развития и использования современной техники.

Попыткам установить причинно-следственные связи между световым стимулом и откликом микроорганизмов посвящены работы [Buder, 1917;

Mainx, Wolf, 1929]. Существенный вклад в разработку представлений о механизме фотоориентации Euglena внес Т. Будер [Buder, 1917], который первым предложил локализацию фоторецептора в паражгутиковом теле Euglena (гипотеза, сохранившаяся до наших дней). Т. Будер первым также осознал возможное влияние света конденсора микроскопа на результаты - 13 измерения параметров фотодвижения;

им подчеркнута необходимость учета спектрального состава света и введено понятие "schwaches, tief rubinrotes licht" (слабый, глубокий рубиново-красный свет), который должен быть использован при микроскопировании подвижных микроорганизмов. Т. Будер сформулировал задачи детального количественного анализа фотодвигательных реакций, изучения жгутиковой активности в процессе фототаксиса и фотофобических реакций, выяснения возможной локализации фоточувствительной системы клетки, установления связи между биениями жгутиков и положением стигмы относительно источника света. На многие вопросы, поставленные Будером, еще не получены ответы до сих пор.

Вопросам фотодвижения синезеленых (Oscillatoria geminata Menegh. и Synechococcus aeruginosus Naeg.) и диатомовых (Pinnularia streptoraphe Cl. и Anomoeoneis sculpta Pfitzer) водорослей и, в частности, их спектральной чувствительности посвящены исследования Б.В. Перфильева (1915, с. 283), который высказал предположение, что “…движение является, по-видимому, общим свойством синезеленых водорослей...". Б.В.

Перфильев наблюдал фотодвижение синезеленых водорослей в красной, а диатомовых - в синей областях спектра.

О роли света в поведении зеленых, диатомовых и десмидиевых водорослей упоминается в работе А.А. Еленкина (1925);

он же отмечает способность хлоропластов Mougeotia genuflexa перемещаться в клетке под воздействием света.

В 30-е годы появляются работы А. Лунтца, посвященные определению спектров действия фототаксиса водорослей Eudorina, Volvox, Chilomonas, Chlamydomonas reinhardtii [Luntz, 1931 а, b].

Отличительной особенностью этих исследований была попытка точного измерения абсолютных значений световой энергии. Полученные спектры действия фототаксиса зеленых жгутиконосцев Eиdorina, Volvox и Chlamydomonas имели максимум при 492 нм;

бесцветная криптофитовая водоросль Chilomonas демонстрировала чувствительность к свету с длиной волны менее 366 нм.

Попытки выяснения функций фотоориентационного аппарата Eиglena были предприняты С.С.

Чахотиным в 1936 г. с помощью техники ультрафиолетового микрооблучения, которая была разработана им еще в 1912 г. [цит. по: Посудин, 1995]. Клетку Euglena помещали в освещенную часть кварцевого капилляра. Перемещаясь вдоль капилляра, клетка при достижении границы "свет-тень" тотчас двигалась в обратном направлении. При ультрафиолетовом облучении участка клетки со стигмой Euglena возбуждалась, сокращаясь несколько раз подряд;

но, оправившись от микрооблучения, двигалась вдоль капилляра и пересекала на этот раз границу "свет-тень" без изменения направления движения. Такое поведение свидетельствовало о нарушении работы фотоориентационного механизма. Возбуждение стигмы монохроматическим светом различных длин волн показало чувствительность ее к сине-фиолетовой области спектра. На основе проведенных экспериментов Чахотин пришел к выводу о том, что стигма является примитивным органом зрения Euglena, управляющим ее фотодвижением;

ультрафиолетовое облучение "ослепляло" клетку, причем передняя часть клетки оказалась более чувствительной к микрооблучению, чем задняя.

В начале 60-х годов выходит фундаментальная работа П. Хэллдела, посвященная регистрации спектров действия водорослей – представителей Volvocales, Dinophyceae, а также гамет Ulva sp. [Halldal, 1958]. В этой работе впервые были исследованы спектры действия водорослей рода Dunaliella: D. salina Teod., D. viridis Teod. и D. cf. еuchlora Lerche. Несмотря на то, что техника «проецируемого спектра», использованная автором, не отличалась высокой точностью, ему удалось показать, что спектры действия фототаксиса Dunaliella sp. характеризовались максимумом при 493 нм и небольшим плечом при 435 нм.

Автор пришел к выводу о непосредственном участии стигмы в фотоориентации клеток водорослей.

В 60-70-е годы намечается переход от натуралистических описаний явления фотодвижения микроорганизмов к его более глубокому фотохимическому объяснению [Clayton, 1964;

Haupt, 1966;

Tollin, 1969;

Nultsch, 1970;

Feinleib, Carry, 1967;

Hand, Davenport, 1970]. Появляются работы Д. Уолкена [Wolken, Shin, 1958;

Wolken, 1967, 1971, 1977], посвященные детальному изучению фотодвижения эвгленофитовой водоросли Euglena gracilis, в частности, исследованию зависимости скорости и направления движения от внешних факторов, регистрации спектров действия фотореакций, попытке выяснения природы - 14 фоторецепторных пигментов и анализу работы жгутикового аппарата. Очевидно, начиная именно с этого периода Euglena gracilis становится классическим объектом изучения фотодвижения водорослей.

В это же время появляется один из первых обзоров исследований фотодвижения подвижных микроорганизмов, в котором рассматриваются вопросы терминологии, экспериментальные и методические подходы, используемые при изучении фоторецепции и сенсорного преобразования светового сигнала [Diehn, 1979].

Во второй половине ХХ ст. исследования фотодвижения проводятся на индивидуальном и популяционном уровнях [Feinleib, 1977;

Ascoli et al., 1978;

Barghigiani et al., 1979;

Colombetti, Lenci, 1982].

Исследования на уровне отдельных индивидов более трудоемки и сложны, но они позволяют определять все двигательные реакции и параметры фотодвижения, а также однозначно связывать специфические двигательные ответы на специфические характеристики светового стимула. Преимущество популяционных подходов заключается в получении данных с очень высокой степенью достоверности, т.к. регистрируется передвижение миллионов клеток;

однако, из-за отсутствия данных о двигательном поведении отдельных индивидов интерпретация этих результатов может быть неоднозначной.

Дальнейшие десятилетия вплоть до наших дней характеризуются повышенным интересом к проблемам фотодвижения водорослей. Можно констатировать формирование школ в различных странах мира под эгидой ведущих фотобиологов, которые начали свою деятельность ранее.

Представитель немецкой школы фотобиологов В. Нулч (Марбург, Германия) концентрирует свои усилия на изучении фотодвижения еще одного классического объекта - зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii [Nultsch, 1962, 1970, 1983]. Ему принадлежат серьезные обзоры с анализом экспериментальных и методических подходов к исследованию фотодвижения водорослей [Nultsch, 1975, 1980;

Nultsch, Hder, 1979, 1988]. В. Нулч отмечает наличие в литературных источниках существенной неразберихи (considerable confusion) в вопросах терминологии, касающейся фотодвижения водорослей [Nultsch, 1973, 1975].

Сферой научных интересов еще одного представителя немецкой школы В. Хаупта (Эрланген, Германия) является изучение подвижных откликов на свет организмов, клеточных органелл, фототропических и фотонастических движений растительных организмов. В. Хаупт является автором первых детальных обзоров, в которых подчеркивается разнообразие фотобиологических реакций водорослей различных видов и уделяется внимание терминологии в сфере фотодвижения водорослей [Physiology …, 1979;

Haupt, 1983, 1986;

Haupt, Seitz, 1984;

].

Продолжателем исследований Хаупта является Д.-П. Хэдер (Эрланген, Германия). Группа, которую он возглавляет, изучает фотодвижение и гравитаксис различных водорослей, но особое внимание уделяется Euglena gracilis. Д.П. Хэдеру (в том числе и с соавторами) принадлежат обзоры экспериментальных исследований в области фотодвижения [Hder, 1979a, b, 1987a, b, 1996а, Hder, Lebert, 2000, Lebert, Hder, 2000]. В экспериментальном плане группа Хэдера использует компьютеризированную систему микровидеографии для количественного анализа параметров фотодвижения водорослей [Hder, 1994].

Хэдер и Леберт являются авторами монографии «Photomovement» (2001).

Еще один представитель немецкой школы – П. Хэгеманн (Рэгенсбург). Возглавляемая им научная группа занимается исследованием светочувствительных процессов у зеленых водорослей. Особое внимание в исследованиях уделяется Chlamydomonas reinhardtii. Использование оптических, спектральных и электро физиологических приемов ставит своей целью выяснение природы фоторецептора этой водоросли.

Хэгеманну (с соавторами) принадлежат обзоры [Hegemann, 1997;

Hegemann, Harz, 1998;

Hegemann, Fisher, 2001;

Hegemann, Deininger, 1999, 2001;

Hegemann et al., 2001].

Итальянскую школу представляют сотрудники Института биофизики Центра Национальных исследований (Пиза) Ф. Ленчи, Дж. Коломбетти, Ф. Гетти, П. Гуалтиери и др. [Lenci, 1982;

Lenci, Colombretti, 1978;

Gualtieri, 2001]. Среди различных фоторегулируемых биологических явлений особое внимание эта группа уделяет изучению способности микроорганизмов использовать свет как носителя информации, влияющего на их двигательное поведение в зависимости от окружающих световых условий;

исследуются основные молекулярные процессы фоторецепции и сенсорного преобразования принятого - 15 фоторецептором кванта света в сигнал, управляющий движением микроорганизма. Основным объектом исследований этой группы в 90-е годы была эвгленофитовая водоросль Euglena gracilis. Для исследования фоторецепторных пигментов используется техника флуоресцентной микроспии, позволившая обнаружить флуорeсцирующую органеллу у основания жгутика водоросли [Benedetti, Сheccucci, 1975].

Следует отметить блестящий методический прием, использованный для идентификации фоторецепторных пигментов водоросли: на паражгутиковое тело (ПЖТ) E. gracilis было направлено сфокусированное посредством микроскопа излучение лазера на красителях, частота которого перестраивалась. Данная техника позволила определить in vivo спектр возбуждения флуоресценции ПЖТ E.

gracilis и после сопоставления его со спектрами поглощения флавинов подтвердить участие именно этих пигментов в фотодвижении водорослей [Colombetti et al., 1980;

Ghetti et al., 1985]. К современным методам исследования подвижности водорослей можно отнести разработанную в Институте биофизики в Пизе технику лазерной допплеровской спектроскопии, позволившую определять поступательную скорость движения, частоту вращения и частоту биений жгутиков водорослей [Ascoli et al., 1978]. В настоящее время группа занимается исследованием фотодвижения простейших.

Представительница польской школы Е. Миколайчик особое внимание уделяла исследованию фотофобических реакций Euglena gracilis, в частности, влиянию на эти реакции длины волны светового стимула и условий культивирования. Кроме того, она исследует фотодвижение бесцветных эвгленофитовых водорослей Astasia longa и Peranema trichophorum [Mikolajczyk, 1984 a, b, 1986].

Американская школа представлена М. Фейнлейб, посвятившей себя изучению фотодвижения Chlamydomonas reinhardtii [Feinleib, 1977, 1978, 1980, 1985], и Пил-Сун Сонгом, занимающимся исследованием молекулярных механизмов сенсорного преобразования простейших (в первую очередь, Stentor coeruleus) с особым акцентом на выяснении фоторегуляторных функций стенторина и блефаризмина [Song, 1983, 1985].

Японская школа фотобиологов, исследующих фотодвижение водорослей, использует уникальный измерительный комплекс – Большой спектрограф Окадзаки [Watanabe et al., 1982]. Созданный в 1980 г., спектрограф предназначен для регистрации спектров действия разнообразных фотобиологических реакций в области 250-1200 нм с высокой (0,8 нм/см) разрешающей способностью. Объектами исследований были криптофитовые - Cryptomonas sp., Cryptomonas rostratiformis, Chroomonas nordstedtii, Chroomonas coerulea [Watanabe, Furuya, 1982] и зеленые водоросли - Chlamydomonas reinhardtii [Kondo et al., 1988] и Dunaliella salina [Wayne et al., 1991]. Исследованием природы фоторецепторных пигментов гамет и зооспор золотистых и бурых водорослей на основе микроспектрофлуориметрии жгутикового аппарата занимается группа исследователей, возглавляемая Х. Каваи [Kawai, 1988, 1989, 1992;

Kawai et al., 1991, 1996].

Российская школа (Ф.Ф. Литвин, О.А. Синещеков, Е.Г. Говорунова и др.) использует электрофизиологические подходы к изучению процессов индуцированного светом возбуждения фоторецептора водоросли, которое вызывает каскад быстрых электрических событий на клеточной мембране. Измерение фоторецепторных электрических токов дает возможность идентифицировать фоторецепторные пигменты зеленых водорослей (Haematococcus pluvialis, Chlamydomonas reinhardtii), которые, по мнению авторов, имеют родопсиновую природу [Синещеков, Литвин, 1982, 1988;

Sineshchekov, Govorunova, 1999, 2001b].

Украинская школа (Ю.И. Посудин, Н.П. Масюк, Г.Г. Лилицкая) сформировалась в 1980 г.;

основными направлениями научной активности являются обсуждение вопросов терминологии и логических основ классификации фотодвижения микроорганизмов, экспериментальные исследования фотодвижения зеленых водорослей из рода Dunaliella Teod. (в частности, двух видов – D. salina Teod. и D. viridis Teod.) и влияния на них абиотических факторов;

изучение процессов фоторецепции - местоположения и структуры фоторецепторных систем, природы фоторецепторных пигментов, механизмов фоторецепции и фотоориентации;

процессов сенсорного преобразования поглощенного фоторецепторными молекулами кванта света в сигнал, управляющий работой жгутикового аппарата;

а также прикладные аспекты использования параметров фотодвижения этих водорослей для целей биотестирования водных сред и биотехнологии.

- 16 Таким образом, в настоящее время систематическое изучение фотодвижения водорослей проводится в различных странах Европы (Германия, Италия, Польша, Россия, Украина), Азии (Япония) и Северной Америки (США). Модельными объектами этих исследований являются представители различных отделов цианопрокариот - Cyanophyta (Oscillatoria geminata, Synechococcus aeruginosus) и эукариотических водорослей: Euglenophyta (Euglena gracilis, Astasia longa, Peranema trichophorum), Dinophyta (Perіdinium gatunense), Bacillariophyta (Pinnularia streptoraphe, Anomoeoneis sculpta), Cryptophyta (Cryptomonas spp., Chroomonas spp.), Chlorophyta (Dunaliella salina, D. viridis, Chlamydomonas reinhardtii, Chloromonas sp., Haematococcus pluvialis, Stephanosphaera sp., Gonium sp., Eudorina sp., Volvox sp.) а также споры и гаметы зеленых (Chlorophyta), золотистых (Chrysophyta), желтозеленых (Xanthophyta), красных (Rhodophyta) и бурых (Phaeophyta) водорослей. Особое внимание исследователей привлекают механизмы фоторецепции и фоторегуляции движения, природа фоторецепторного и локомоторного аппаратов;

не прекращаются дискуссии по вопросам терминологии и классификации различных двигательных реакций микроорганизмов в ответ на различные параметры световых стимулов.

- 17 ГЛАВА ВОПРОСЫ ТЕРМИНОЛОГИИ И ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ СВЕТОЗАВИСИМОГО ПОВЕДЕНИЯ СВОБОДНОПОДВИЖНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ (ФОТОТАКСИСОВ) Как в зарубежной, так и в отечественной литературе вопросам терминологии и классификации явлений, связанных с двигательным фотоповедением микроорганизмов, уделяется большое внимание [Halldal, 1958;

Jahn, Bovee, 1968;

Nultsch, 1973, 1975, 1980;

Diehn et al., 1977;

Feinleib, 1977, 1978, 1980;

Lenci, Colombetti, 1978;

Diehn, 1979;

Hder, 1979a, 1979b, 1987a, 1987b, 1996a, 1996b;

Nultsch, Hder, 1979;

Посудин, 1982, 1985;

Синещеков, Литвин, 1982;

Colombetti, Lenci, 1982;

Colombetti et al., 1982;

Lenci, 1982;

Haupt, 1983;

Burr, 1984;

Lenci et al., 1984;

Посудин и др., 1988, 1990, 1991, 1992a, 1992б, 1993, 1995, 1996;

Масюк и др., 1988;

Масюк, Посудин, 1991a;

Witman, 1994;

Kreimer, 1994;

Мартыненко и др., 1996;

Посудин, Масюк, 1996;

Lenci et al., 1997;

Hegemann, Harz, 1998;

Sineshchekov, Govorunova, 1999;

Lebert, Hder, 2000;

Kawai, Kreimer, 2001;

Gualtieri, 2001;

Hder, Lebert, 2001;

Hegemann, Fischer, 2001;

Hegemann et al., 2001;

Massjuk, Posudin, 2002]. Однако определение понятий и употребление терминов всё ещё остаются неоднозначными. Нередко старым устоявшимся терминам (например, “фототаксис”) придают новый смысл;

одни и те же термины (например, “фотокинез”) разные авторы толкуют по-разному (например, Diеhn et al., 1977 и Nultsch, Hder, 1979) или, наоборот, термины, обозначающие разные явления, употребляются как синонимы, например:

“фотодвижение”, “фоторегуляция движения”, “фотореакция”, “двигательные реакции организмов в ответ на световой стимул”, “фотоиндуцированное двигательное поведение клеток”, “behavioural responses”, “behavioural light response”, “light controlled cell motility”, “light controlled movement”, “light induced responses of freely moving microorganisms”, “light response”, “light-induced behavioural response”, “locomotive and motile response”, “motile behaviour”, “motile response to light”, “movement behaviour”, “photic response”, “photobehaviour”, ”photobehavioural response”, “photoinduced behaviour”, “photomotile response”, “photomotion”, “photomovement response”, “photomovement”, “photoorientation”, “photoreaction”, “photoregulation of movement”, “photoresponse”, “response strategies”, “responses to light”, “response type” [Посудин, 1982, 1985;

Синещеков, Литвин, 1982;

Wayne, 1991;

Kreimer, 1994;

Hegemann, 1997;

Holland et al., 1997;

Matsuda, 1998;

Horigushi et al., 1999;

Sineshchekov, Govorunova, 1999;

Lebert, Hder, 2000;

Govorunova et al., 2000, 2001;

Haupt, 2001;

Photomovement, 2001;

Tahedl, Hder, 2001].

На сегодняшний день существует несколько терминологических систем, описывающих двигательное поведение организмов (см. Burr, 1984);

разнообразие этих систем является источником терминологической путаницы. Кроме того, существующие классификации и определения терминов страдают рядом логических ошибок. Всё это препятствует взаимопониманию учёных, работающих в этой области.

Целью данной главы является обсуждение логических основ классификации явлений, связанных с фотодвижением подвижных микроорганизмов (независимо от их структуры и систематического положения) и уточнение соответствующей терминологии.

2.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА История вопроса имеет истоки в начале прошлого века, когда впервые были отмечены двигательные реакции организмов в ответ на световой стимул [Treviranus, 1817].


Е. Страсбургер [Strasburger, 1878] был первым, предложившим различать двигательные фотореакции свободно движущихся (фототаксисы) и прикреплённых (фототропизмы) организмов. Таким образом, в трактовке Страсбургера, который первым предложил этот термин, фототаксис – это любое перемещение в пространстве подвижных организмов под действием света. В таком первоначальном понимании термин “фототаксис” прочно занял определённое место в системе других терминов, обозначающих перемещение в пространстве свободно движущихся - 18 микроорганизмов под влиянием различных факторов среды: химического (хемотаксис), температурного (термотаксис), гравитационного (геотаксис), механического (механотаксис) и др. Именно в такой первоначальной трактовке этот термин получил строго определённое место в системе терминов, обозначающих фотобиологические или функционально-физиологические реакции [Конев, Волотовский, 1979].

Термин “фототаксис” образован от двух слов греческого происхождения [jwtx - родительный падеж слова jvx (свет) и txiz (порядок, расположение)]. В начале ХХ ст. этот термин стали использовать в более узком понимании для определения движения, ориентированного относительно источника света [Nagel, 1901], что, по словам Нулча [Nultsch, 1975], привело к значительной неразберихе в области терминологии. Для определения ориентированного движения микроорганизмов одновременно был использован термин “строфический фототаксис” (“strophic phototaxis”), а для реакции на изменение интенсивности света – “апобатический фототаксис” (“apobatic phototaxis”) [Rothert, 1901]. Реакцию на изменение интенсивности света определяли как “дискриминационнную чувствительность” (“discrimination sensitivity”) [Nagel, 1901]. В. Пфеффер [Pfeffer, 1904] предложил для определения ориентированного перемещения организмов специальный термин “фототопотаксис”, который был принят многими исследователями и широко использовался на протяжении многих десятилетий (см., например, Halldal, 1958).

В 1940 г. было предложено различать первичную фоториентацию организмов в пространстве и во времени (при отсутствии стимула) и вторичную ориентацию, связанную с изменением положения организма и направления его движения по отношению к окружающим стимулам [Fraenkel, Gunn, 1961].

Авторы этой классификации ориентированное относительно стимула движение называют таксисом;

в случае одновременного движения к стимулу и от него (билатерального движения) тропотаксисом: при отсутствии билатеральности используют термин телотаксис. Если направленное относительно стимула движение включает изгибы, повороты и пространственные изменения движения организма, то в таком случае используют термин клинотаксис.

В 70-е годы Б. Дин [Diеhn, 1970], отказавшись от специального термина “фототопотаксис”, опять обновил узкую трактовку термина “фототаксис” как фотоориентированного перемещения организмов. В.

Нулч в своих более ранних работах [Nultsch, 1975, с. 31] также отмечал, что “греческое слово “фототаксис” в своём первоначальном смысле означает лишь любое построение организмов в пространстве, вызванное светом, и поэтому не может быть ограничено ориентированным по отношению к источнику света движением”1. Однако в последующих работах [Nultsch, Hder, 1979;

Nultsch, 1980 и др.] он всё же принял это ограничение. Суженная трактовка термина “фототаксис” как движения, ориентированного по отношению к источнику света, принимается в настоящее время многими авторами [Fraenkel, Gunn, 1961;

Diehn et al., 1977;

Feinleib, 1977, 1978, 1980;

Lenci, Colombetti, 1978;

Mikolajczyk, Diehn, 1978, 1979;

Hder, 1979;

Синещеков, Литвин, 1982;

Посудин, 1982, 1985;

Burr, 1984: Kawai, Krеimer, 2001;

Flores-Moya et al., 2002].

Следует отметить, что суженная трактовка термина, который имеет более широкий смысл, является нарушением требований формальной логики, вследствие чего возникает терминологическая путаница.

Изменение первоначального содержания термина “фото-таксис” вызвало появление множества разнообразных эквивалентов, пытающихся заполнить образовавшуюся терминологическую брешь:

“двигательные реакции организмов в ответ на световой стимул”, “фотоиндуцированное двигательное поведение”, “фото-поведение”, “фоторегуляция движения”, “photomovement, “photomotion”, “photobehaviour”, “motile behaviour”, “motility”, “behaviour pattern”, “motility behaviour patterns”, “light induced responses of freely moving organisms”, “phototactic reactivity”, “phototactic response”, и т.д. [Halldal, 1958;

Nultsch, 1973, 1983;

Feinleib, 1977, 1980;

Lenci, Colombetti, 1978;

Nultsch, Hder, 1979;

Посудин, 1982, 1985;

Синещеков, Литвин, 1982;

Kuznicki, Mikolajczyk, 1982;

Morel-Laurens, Feinleib, 1983;

Pfau et al., 1983;

Hder, Lebert, 1998;

Horiguchi et al., 1999;

Lebert, Hder, 2000;

Yoshihara et al., 2000].

В переводе Ю.И. Посудина.

- 19 Обилие терминов само по себе нежелательно. Кроме того, новые обозначения либо слишком громоздки, либо недостаточно точны и определенны и могут быть истолкованы как в более широком (включая фототропизмы, фоторегуляцию движения и т.д.), как и в более узком смысле. Наряду с авторами, употребляющими эти термины как синонимы, другие различают фоторегуляцию (control) и его следствие (photomovement, photomotion), фотореакции (responses) и фотоповедение (behavioural consequences).

Терминологическая путаница препятствует взаимопониманию учёных, работающих в данной области.

Исходя из сказанного выше, мы предлагаем сохранить за термином “фототаксис” его первоначальную трактовку – любое перемещение свободно движущихся организмов, вызванное светом. А для определения фотоориентированного перемещения организмов целесообразно и в дальнейшем использовать предложенный ранее термин “фототопотаксис”. Именно в таком смысле указанные термины употребляются далее в нашей работе. Различают два варианта фототопотаксиса: положительный – по направлению к источнику света и отрицательный – от источника света [Halldal, 1958;

Nultsch, 1975;

Feinleib, 1980] или три:

положительный, отрицательный и поперечный (transverse) т.е. перпендикулярный к направлению распространения света [Diehn et al., 1977;

Diehn, 1979;

Hder, 1979]. Принимая последнюю точку зрения, любое поступательное движение организмов можно рассматривать как ориентированное относительно направления распространения света. Лишь в отсутствии такого направления (в случае диффузного света или одновременного освещения объекта со всех сторон) можно констатировать отсутствие фотоориентации у отдельных организмов.

Термин “фотодвижение” (”photomovement”) имеет более широкий смысл и включает как фототаксисы, так и фототропизмы. Наше понимание не противоречит определению этого термина, приведённому В. Нулчем и Д. Хэдером [Nultsch, Hder, 1979]: фотодвижение – любое движение или изменение движения, вызванное светом. Таким образом, понятия “фотодвижение” и “фототаксис” с точки зрения формальной логики являются совместимыми, но не тождественными;

фотодвижение – понятие подчиняющее, фототаксис – подчинённое.

Совершенно очевидно, что фоторегуляция движения (control) и фотодвижение микроорганизмов (photomovement) - различные процессы, находящиеся в причинно-следственной связи: фотодвижение является результатом фоторегуляции движения. Последняя осуществляется путём взаимодействия внешних факторов (световой стимул, его интенсивность, спектральная характеристика, направление светового потока и пр.) и внутренних фоторегуляторных механизмов биологического объекта (фоторецепция, преобразование светового стимула в физиологический сигнал, передача его на двигательный аппарат). В результате такого взаимодействия и происходит фотодвижение – перемещение организма в пространстве. Таким образом, с точки зрения формальной логики фотодвижение и фоторегуляция движения – понятия нетождественные и несовместимые.

Е. Страсбургер [Strasburger, 1878] впервые описал реакции микроорганизмов на внезапное изменение интенсивности света;

эти реакции получили в первой редакции название “Schreckbewegung” (движение испуга). Т.В. Энгельманн [Engelmann, 1882], наблюдая резкое изменение направления движения микроорганизмов под влиянием внезапного увеличения интенсивности света, назвав эту реакцию “фобической” от греческого слова jybx (страх).

Энгельманн впервые наблюдал возобновление подвижности при включении светового стимула у неподвижных в темноте микроорганизмов, назвав это явление “фотокинезом”`(от греческого слова kinhsiz (движение)). Указанные термины сохранились до настоящего времени, претерпев, однако, значительные изменения в их толковании. В частности, существует по крайней мере четыре трактовки термина “кинез”, а также существенные разногласия в толковании терминов “фототаксис” и “фотофобическая реакция” (см.

Burr, 1984;

Масюк, Посудин, 1991а).

В литературе можно встретить такие синонимы термина “фотофобическая реакция” как “light induced stop response”, “phobic behavioural response”, “photophobic response”, “photophobic, stop or ecclitic response”, “photophobotaxis”, “photoshock cell response”, “photoshock response”, “photoshock”, “Schreckbewegung”, “shock reaction”, “stop response” [Beckmann, Hegemann, 1991;

Hegemann et al., 1991;

Govorunova et al., 1997;

Holland et al., 1997;

Sineshchekov, Govorunova, 1999;

Lebert, Hder, 2000;

Photomovement, 2001].

- 20 Последующие годы принесли богатый урожай новых терминов, появление и трактовка которых в историческом аспекте подробно рассмотрены в обзорной статье В. Нулча [Nultsch, 1975]. Как отмечает этот автор, терминологический разнобой приводил к ошибкам и недоразумениям, а создание новых терминов не проясняло, а ещё более запутывало ситуацию. Это вызвало необходимость создания специальной терминологической комиссии по выработке терминологии поведенческих реакций микроорганизмов. Такая комиссия была сформирована в январе 1976 г. на конференции по сенсорному преобразованию у микроорганизмов в Калифорнии (Санта-Барбара). Результаты работы комиссии были опубликованы в дискуссионном порядке за подписью нескольких ведущих фотобиологов из разных стран мира (Diehn et al., 1977). В этой публикации авторами выделены три раздела: 1) стимулы;


2) реакции и 3) поведенческие последствия.

Стимул определен в первом разделе как некоторое количество энергии или вещества, которые при взаимодействии с организмом могут (но не всегда) вызывать его отклик. Предлагается в зависимости от природы стимула, вызывающего двигательную реакцию у микроорганизмов, присоединять к названию реакции соответствующие префиксы, а именно: фото- (стимулом является световая энергия, воздействующая на специфические рецепторные молекулы), термо- (стимул – тепловая энергия), гальвано (ионный электрический поток), электро (электрическое поле), гео- (гравитационные силы), механо (механические воздействия), магнето- (магнитное поле), хемо- (молекулярные виды воздействия на специфические рецепторные молекулы). Эти рекомендации соответствуют требованиям формальной логики, возражений не вызывают и в настоящее время могут считаться общепринятыми (см. Burr, 1984;

Масюк, Посудин, 1991а). Авторы подчёркивают важность точного определения природы стимула, так как иногда некоторые физические факторы (например, излучение, электрическая энергия) могут вызывать образование химических веществ, непосредственно воздействующих на организм в качестве прямых стимулов. Предлагается различать реакции на увеличение (“step-up”) и уменьшение (“step-down”) интенсивности стимула.

Реакция определена во втором разделе как любое индуцированное стимулом изменение активности двигательного аппарата организма, которое может (хотя и не всегда) вызвать изменение подвижности или ориентации организма [Diehn et al., 1977]. Реакции могут быть классифицированы как:

1) кинезы – отклики, при которых стационарная скорость активности контролируется абсолютной величиной интенсивности стимула. При положительном кинезе скорость активности в присутствии стимула превышает таковую в отсутствии стимула;

при отрицательном кинезе скорость активности в присутствии стимула меньше, чем в отсутствии стимула. Среди кинетических откликов наиболее часто исследуется скорость поступательного движения организма в зависимости от интенсивности стимула. Предлагается следующее подразделение понятия кинез: ортокинез – изменение скорости поступательного движения, вызванное стимулом;

клинокинез – влияние стимула на частоту пространственных изменений движения организма;

2) фотофобические реакции – изменения активности организма под влиянием изменений интенсивности стимула.

Таким образом, при обсуждении типов двигательных реакций речь идет не об активности кинетического аппарата, а об уровнях двигательной активности организма в целом [Diehn et al., 1977].

Следовательно, рекомендованное комиссией определение термина “реакция” (”response”) несоразмерно определяемому понятию.

Авторы [Diehn et al., 1977;

Diehn, 1979] предлагают делить двигательные реакции на постоянные (кинезы) и мимолётные (фобические реакции). Оба типа реакций могут проявляться как в изменении скорости, так и в смене направления движения. Первые контролируются абсолютной величиной интенсивности стимула, вторые – временным градиентом последнего. Как видно, трактовка этих терминов претерпела изменения по сравнению с первоначальной [Engelmann, 1882а]. Кроме того, в соответствии с замечанием самих авторов [Diehn et al., 1977], по длительности адаптационного периода фобические - 21 реакции не всегда отличимы от кинезов. Таким образом, с точки зрения формальной логики предложенное деление реакции на фобические и кинетические не имеет единого чётко сформулированного основания деления, а определения некоторых терминов не соразмерны определяемым понятиям.

Деление реакций на адаптирующиеся и не адаптирующиеся не удовлетворяет также зоологов [Burr, 1984]. Непонятно, почему авторы, определяя типы двигательных фотореакций организмов, учитывают только один из параметров светового стимула – его интенсивность (абсолютную величину и градиент во времени), игнорируя остальные его параметры (например, спектральный состав, поляризацию и т.д.). Ведь в других своих публикациях эти же авторы широко используют такие понятия, как “спектр действия фотокинеза” [Nultsch, 1973;

Nultsch, Hder, 1979;

Colombetti et al., 1982], что свидетельствует о наличии зависимости скорости движения организмов от длины волны света.

В третьем разделе авторы, к сожалению, не дают определение понятию “поведенческие последствия” (”behavioural consequenses”), которому он посвящён. Поэтому не совсем понятно, какие критерии лежат в основе деления на “реакции” и “последствия”. Авторы рассматривают два типа “последствий”. Первый (таксисы) касается индивидуальных организмов и сводится к активной ориентации организма по отношению к источнику стимула. Второй (аккумуляция/рассеивание) касается группы (популяции) микроорганизмов и может выражаться либо в их аккумуляции в районе с наиболее высокой интенсивностью стимула, либо в дeаккумуляции, рассеивании из этого района. Другими словами, результат двигательных реакций микроорганизмов в ответ на воздействие стимула может рассматриваться либо на уровне отдельных микроорганизмов (микроэффект), либо на уровне их популяции (макроэффект).

Предлагается использовать приставки для определения зависимости параметра движения (всех кинезов и фобических реакций) от действия стимула [Diehn, 1979]: орто- - линейная скорость (например, положительный ортофобический отклик – увеличение линейной скорости движения микроорганизма под воздействием стимула);

клино- - скорость случайных пространственных изменений микроорганизма;

строфо- - скорость оборотов или вращения микроорганизма;

морфо- - скорость изменений формы или контура микроорганизма.

Таким образом, в понимании Б. Дина [Diehn et al., 1977;

Diehn, 1979], таксис – не реакция в прямом смысле, а результат реакции или серии реакций моторного аппарата. Нашу точку зрения о нецелесообразности изменения первоначальной трактовки термина “фототаксис” мы уже обосновали выше.

Хотя рассмотренная нами публикация [Diehn et al., 1979], как уже отмечалось, была результатом коллективного творчества комиссии из шести ведущих фотобиологов мира, в дальнейшем лишь один из её авторов [Diehn, 1979] полностью последовал предложенным в ней рекомендациям. Остальные [Feinleib, 1978, 1980;

Lenci, Colombetti, 1978;

Nultsch, 1980;

Lenci, 1982;

Colombetti, Lenci, 1982;

Haupt, 1983;

Lenci et al., 1984], хотя и ссылаются на эту публикацию, фактически принимают классификацию, предложенную В.

Нулчем [Nultsch, 1975], которой в настоящее время следует большинство научных групп, работающих в данной области [Синещеков, Литвин, 1982]. В наиболее сжатом виде эта классификация изложена в обзорной статье В. Нулча и Д. Хэдера [Nultsch, Hder, 1979]. Авторы предлагают рассматривать три типа фотореакций подвижных микроорганизмов: фотокинез (влияние интенсивности света на скорость движения), фототаксис (движение, ориентированное по отношению к направлению света), фотофoбическая реакция (реакция, вызванная временным изменением интенсивности света, dI/dt, часто выражающаяся в остановке, за которой следует изменение направления движения). Прежде всего следует подчеркнуть, что эта классификация не имеет ничего общего с той, которая была принята терминологической комиссией, в состав которой входили и авторы этой статьи. Фототаксис (в узком смысле) рассматривается не как результат фотореакций микроорганизмов на индивидуальном уровне [Diehn et al., 1977], а как фотореакция, обладающая своим собственным механизмом. В разрез с рекомендациями комиссии [Diehn et al., 1977] изменена также трактовка термина “фотокинез” и смысловая нагрузка термина “фотофобическая реакция”.

Классификация, предложенная В. Нулчем [Nultsch, 1975;

Nultsch, Hder, 1979], несомненно страдает рядом логических ошибок. Прежде всего, в определениях терминов “фотокинез” и “фототаксис” не - 22 выдержаны требования формальной логики к определению понятий через род и видовые отличия. Так, фотокинез определяется не как тип реакции, а как “влияние”, фототаксис – не как тип реакции, а как “движение”. Таким образом, предлагаемые определения выводят термины “фотокинез” и “фототаксис” за пределы делимого понятия (фотореакции), так как эти термины определяются через род других понятий (“влияние”, “движение”).

Нетрудно заметить, что в рассматриваемой классификации отсутствует единое основание деления, члены деления не исключают друг друга (например, определение фотофобической реакции перекрывает определение фототаксиса), допущен скачёк в делении (например, фототаксис – понятие другого уровня, чем фобическая реакция). Поэтому дискуссии по вопросам классификации двигательного поведения организмов и соответствующей терминологии продолжаются.

2.2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП КЛАССИФИКАЦИИ ФОТОДВИЖЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ Следует отметить, что классификации, разработанные микробиологами, были подвергнуты довольно убедительной критике со стороны зоологов [Burr, 1984]. В частности, А. Бурр пишет: “Изучая литературу, посвящённую двигательному поведению организмов, я был поражён количеством неувязок и путаницей в терминах” [Burr, 1984, с. 1832]. Бурр впервые обратил внимание на необходимость учёта влияния различных параметров светового потока на каждый тип двигательного поведения микроорганизмов, однако, к сожалению, он не довёл эту мысль до логического завершения в предложенной им новой классификации.

Считая невозможным строго разделять адаптивные и неадаптивные реакции (поскольку период адаптации может быть очень длительным), А. Бурр предлагает использовать термины независимо от адаптивных характеристик двигательного поведения биологических объектов.

Принимая эти предложения А. Бурра, под светозависимыми двигательными реакциями (фотореакции, photoreactions, photoresponses), мы подразумеваем любые немедленные отклики свободно подвижных микроорганизмов на любые изменения светового стимула (появление или исчезновение источника света, изменение его спектрального состава, интенсивности или направления светового потока и т.д.).

Светозависимое поведение (behaviour) свободно подвижных микроорганизмов в нашем понимании – термин более широкий. Он включает любые индуцированные светом перемещения подвижных микроорганизмов в пространстве (т.е. он эквивалентен фототаксису в первоначальном широком смысле) независимо от того, происходят изменения характеристик светового стимула во времени или нет. Таким образом, в нашем понимании cветозависимое двигательное поведение свободно подвижных микроорганизмов (фототаксис) и фотореакции – понятия, хотя и совместимые, но не тождественные: первое является подчиняющим, второе – подчиненным.

Светозависимое двигательное поведение биологических объектов является частным случаем более широкого физического явления – движения. Поэтому, как и любое движение, его можно oписать r r известными физическими параметрами движения: скоростью (V ), направлением ( r ), траекторией ( l ).

Каждый из этих параметров может служить основанием для деления светозавиcимого двигательного поведения свободно подвижных микроорганизмов (фототаксисов) или их мгновенных фотореакций на классы. Так, скорость движения микроорганизмов может быть линейной и угловой. Конкретные классы линейной и угловой скорости движения микроорганизмов могут быть выделены на основании конкретных лимитов скорости, наблюдаемых у различных микроорганизмов. Кроме того, скорость перемещения организмов (как линейная, так и угловая) может быть постоянной, увеличивающейся или уменьшающейся во времени.

В переводе Н.П. Масюк.

- 23 Направление движения может быть ориентированным или не ориентированным по отношению к источнику света, а ориентация – положительной (по направлению к источнику света) или отрицательной (от источника света).

Траектория движения бывает прямолинейной, криволинейной – параболической, зигзагообразной, спиралевидной, круговой (вращение вокруг собственной оси, продольной или поперечной, или вокруг оси, находящейся за пределами микроорганизма) и т.д.

Световой стимул, в свою очередь, характеризуется такими параметрами, как интенсивность ( I ), r направление распространения света ( s ), его спектральный состав ( l ), поляризация ( P ), длительность и частота световых импульсов и т.д. Как и параметры движения, световые параметры могут подразделяться.

Так, интенсивность света характеризуется абсолютной величиной ( I ), градиентом последней в пространстве ( dI/dx ) и во времени ( dI/dt ).

Поскольку и фотодвижение микроорганизмов, и возбуждающий их световой стимул описываются несколькими параметрами, классификация фототаксисов, по нашему мнению, должна иметь параметрический характер. Мы попытались представить её в виде таблиц 2.1 и 2.2. В табл. 2.1 представлены фототаксисы индивидуальных микроорганизмов (так называемые единичный, индивидуальный или микроэффект), в табл. 2.2 – фототаксисы популяций микроорганизмов (групповой или макроэффект). В отдельных ячейках таблиц с помощью формул выражены зависимости параметров движения микроорганизмов от параметров светового стимула. Эти зависимости могут быть прямыми (положительными) или обратными (отрицательными), хотя не во всех случаях обе формы связи выявлены.

Число параметров, характеризующих световой стимул и движение, может быть увеличено как за счёт введения дополнительных параметров (например, ритмика светового потока, постоянный или импульсный его характер), так и за счёт возможных взаимодействий различных параметров (например, длина волны и интенсивность света, одновременное изменение скорости и направления движения и т.д.).

Некоторые из приведённых в табл. 2.1 и 2.2 зависимостей хорошо изучены и обозначены r специальными терминами. Например, V ( I ) – это зависимость скорости движения отдельных организмов от абсолютной величины интенсивности светового стимула, т.е. фотокинез по В. Нулчу и Д. Хэдеру rr [Nultsch, Hder, 1979];

r (s ) – зависимость направления движения организмов от направления распространения светового потока, т.е. фототаксис по В. Нулчу и Д. Хэдеру [Nultsch, Hder, 1979].

На основании вышеизложенного мы предлагаем следующую терминологию [Масюк та ін., 1988;

Масюк, Посудин, 1991а;

Massjuk et al., 1991;

Massjuk, Posudin, 2002]:

Фотодвижение - это движение или изменение движения организмов, вызванное светом.

Фототаксис - любое, вызванное светом движение или изменение характера движения свободно подвижных (неприкрепленных) организмов, не обязательно ориентированное по отношению к источнику света.

Фоторегуляция движения - совокупность элементарных процессов, индуцированных световым стимулом, а именно: фоторецепции, первичных реакций фоторецепторных пигментов, сенсорного преобразования светового стимула в физиологический сигнал, управляющий работой двигательного аппарата, реализующего фотоориентацию и скорость движения организма.

Фотокинез – зависимость скорости движения отдельных организмов или их групп от любых параметров светового стимула.

Фототопотаксис – зависимость направления движения отдельных организмов или их групп от любых параметров светового стимула.

В пределах последних двух понятий возможна более детальная классификация указанных зависимостей.

Некоторые зависимости, приведенные в табл. 2.1 и 2.2, пока не обозначены специальными терминами: например, зависимость траектории движения организмов от параметров светового стимула l ( I r ), l ( dI/dx ), l ( dI/dt ), l ( s );

иные зависимости (например, n (l ), n ( P ), L ( P ) и др.) пока лишь - 24 предполагаются, они ещё не обнаружены, но, по-видимому, могут быть исследованы при измерении соответствующих параметров света и движения организмов или совокупностей последних.

Таким образом, предлагаемый параметрический принцип классификации проявлений светозависимого двигательного поведения подвижных микроорганизмов позволяет не только упорядочить существующие на сегодняшний день терминологию и данные о взаимосвязи некоторых характеристик светового стимула с особенностями движения живых объектов, но и наметить конкретные пути дальнейших исследований, развитие которых позволит конкретизировать представленную схему и завершить классификацию фототаксисов на строго логической основе. Предложенный принцип может быть использован и для других типов таксисов, обусловленных иными физическими факторами.

Таблица 2.1. Параметрическая классификация светозависимого движения (фототаксисов) отдельных организмов Параметры светового стимула Длина Параметры движения Интенсив- Градиент интенсивности Направление Поляри волны ность зация r s l I dI/dt dI/dx P Скорость движения индивидов:

r n линейная V r r r rr r r V (s ) n V (I) V (dI/dt) V (dI/dx) V (l) V (P) угловая n r n( s ) (частота пространствен- n(I) n(dI/dt) n(dI/dx) n(l) n(P) ных изменений траектории индивидов: колебаний, вращений, поворотов, рысканий) r r r rr r r Направление движения r r (I) r (dI/dt) r (dI/dx) r (s ) r (l) r (P) r индивидов r Траектория движения l( s ) l(I) l(dI/dt) l(dI/dx) l (l) l(P) индивидов l Таблица 2.2. Параметрическая классификация светозависимого движения (фототаксисов) совокупностей микроорганизмов Параметры светового стимула Длина волны Параметры движения Интенсив Градиент интенсивности Направление Поляри -ность зация r s l I dI/dt dI/dx P Концентрация индивидов r N( s ) (оптическая плотность) в N (I) N (dI/dt) N (dI/dx) N(l) N(P) популяции, колонии N Форма (пространст-венное r S( s ) S (I) S (dI/dt) S (dI/dx) S (l) S(P) распределение) индивидов в популя-ции, колонии S Траектория движения r L( s ) популяции, колонии L L(I) L(dI/dt) L(dI/dx) L (l) L(P) Относительное число r N/N0( s ) индивидов, проявляющих N/N0(I) N/N0(dI/dt) N/N0(dI/dx) N/N0 (l) N/N0(P) фотореакции N/N - 25 Что же касается фотореакций, то они как и фототаксисы, могут проявляться: в изменении скорости движения (фотокинетическая реакция), изменении направления и траектории (фотовекторная реакция) или одновременном изменении скорости и направления движения (фотофобическая реакция).

Таким образом, мы предлагаем отличать понятия фотодвижение (photomovement) и фоторегуляция (control) движения, а в границах фотодвижения – фототропизмы и фототаксисы (в исходном, более широком понимании). Для классификации светозависимого двигательного поведения неприкрепленных организмов (фототаксисов) предлагается использовать параметрический принцип как на индивидуальном, так и на групповом уровнях. В границах более широкого понятия “фототаксис” выделяется подчиненное ему понятие фотореакция с тремя феноменологическими типами (кинетическим, векторным и фобическим).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Критическое рассмотрение терминологии и классификации разных типов фотоиндуцированного поведения свободноподвижных организмов показало, что существование различных классификационных систем является источником терминологической путаницы (Масюк, Посудин, 1991а). Мы разработали параметрическую классификацию свето-зависимого поведения как отдельных подвижных клеток (индивидуальный или микроэффект, табл. 2.1), так и их совокупностей (групповой или макроэффект, табл.

2.2).



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.