У каждого человека есть свои предпочтения, когда речь идет о временах года. Кто-то обожает зиму, кому-то по душе лето, а кто-то с нетерпением ждет прихода весны. Вот кто точно не ждет сезона пробуждения природы, так это аллергики. Слезы, сопли, покраснение глаз и, естественно, чиханье становятся столь нежеланными, но порой неминуемыми спутниками многих людей в период цветения самых разных растений. Некоторые из этих симптомов хоть и неприятны, но они обладают вполне важной функцией — защита организма. Когда мы чихаем, организм таким образом пытается очистить верхние дыхательные пути от раздражителей (пыли, пуха, пыльцы, слизи и т. д.). И, как не удивительно, чиханье присуще далеко не только людям, но и другим существам. Ученые установили, что чихают даже морские губки. Как именно морские губки чихают, зачем они это делают, и как эти чихи влияют на среду их обитания? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Губки являются одними из старейших многоклеточных обитателей планеты Земля. На данный момент насчитывается порядка 8000 видов, обитающих в морях и океанах (некоторые виды обитают и в пресных водоемах) по всей планете.
Океан, как и любая другая экосистема, состоит из множества взаимосвязанных елементов, который в той или иной степени влияют на благосостояние не только ближайших соседей, но всей системы в целом. Губки не исключение и играют ключевую роль в круговороте питательных веществ во многих водных экосистемах.
Питаются губки отфильтровывая из воды мелкие пищевые частицы, размеры которых варьируются от 50 до 1 мкм. Как и в любом другом фильтре, у губок также случаются засоры, которые необходимо ликвидировать, иначе процесс фильтрации нарушится и, следовательно, поступление пищи тоже.
Самая крупная губка была обнаружена на глубине более 2100 м в регионе Папаханаумокуакеа (штат Гавайи, США). Ее габариты составляют 3.66 м на 2.13 м.
Ранее считалось, что губки удаляют твердые отходы с истечением воды через отчетливые отводные отверстия (оскулюм / оскула / osculum). Однако, как показывает данное исследование, все немного иначе.
Наблюдения за трубчатой губкой вида Aplysina archeri показали наличие иного механизма удаления отходов: губка активно перемещает слизь, улавливающую частицы, против направления ее внутреннего водного потока и выбрасывает ее в окружающую воду через входные отверстия для морской воды посредством периодических поверхностных сокращений, которые можно назвать «чиханьем». Визуально кажется, что губка непрерывно выделяет частицы слизи и чихает, чтобы избавиться от этих твердых отходов, что приводит к заметному потоку детрита, который активно потребляется фауной, обитающей рядом с губкой.
Результаты исследования
Губки эффективно отфильтровывают большое количество веществ из окружающей воды, включая растворенные органические вещества, вирусы, бактерии и фитопланктон, а также взвешенные отложения. С этой целью губки всасывают воду через мелкие поры (остии) во внутреннюю систему каналов с камерами, выстланными жгутиковыми фильтрующими клетками (хоаноцитами), которые направляют воду к одному или нескольким более крупным отверстиям оттока (оскула). Поток воды также может быть опосредован медленными перистальтически-подобными сокращениями (проще говоря, «чиханием») губчатого тела.
Принято считать, что губки переносят свои продукты жизнедеятельности вместе с течением и удаляют их через выпускные отверстия. Тем не менее исследования губок, испытывающих сильное осаждение, содержат отдельные наблюдения о том, что губки используют слизь и сокращения тела для захвата и удаления отложений со своей поверхности в качестве методики, позволяющей избежать засорения их системы фильтрации.
Удаление отложений наблюдалось даже через входные отверстия губок для забора морской воды, а не из их выходных отверстий. Однако механизмы, лежащие в основе удаления отходов и самоочищения, а также скорость удаления твердых частиц отходов губками остаются в значительной степени неизвестными.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые визуализировали количественно оценили механизмы удаления твердых отходов и самоочищения, используемые морской губкой Aplysina archeri. На основе наблюдений (изображение №1, видео №1) было сделано три основных вывода.
Видео №1
Во-первых, во всех сериях кадров ex situ (вне естественной среды обитания) особи A. archeri выбрасывают твердые частицы через входные отверстия для морской воды (остии) (1A–1C).
Во-вторых, частицы внедрялись в поток слизи, который непрерывно перемещался по поверхности губки, создавая полупрозрачные паутинообразные паттерны или, как назвали их ученые, «слизистые магистрали». Слизь и захваченные частицы перемещались со скоростью 2.0 ± 0.2 мм/с. Частицы агрегировались (объединялись) в волокнистые комки в «стыках» слизистых магистралей в определенных приподнятых участках (коннулах) на поверхности губки (1C и 1D).
В-третьих, каждые 3–8 часов волны согласованных сокращений с последующими релаксациями проходили по поверхности губки со скоростью 41 ± 13 мм/с в течение 20–50 минут, совпадая с закрытием остий на локальных участках и сбрасывание скопившихся волокнистых комков в толщу воды («чиханье»; 1D‒1G). После каждого расслабления возобновлялась агрегация частиц и слизи, начиная новый цикл.
Наблюдения за особью in situ (т. е. В естественной среде обитания) показали такие же результаты (1G‒1L). Следовательно, этот процесс не зависел от места обитания губки (будь то риф или аквариум лаборатории).
Дополнительно были проведены наблюдения за индо-тихоокеанской губкой Chelonaplysilla sp. У этого вида выделение слизи и частиц было таким же, как и у A. Archeri, но с более короткими циклами и менее отчетливыми слизистыми магистралями (видео №2).
Видео №2
Эти наблюдения говорят о том, что непрерывный поток слизи по поверхности губок действует как переносчик для улавливания и транспортировки частиц. Захваченные слизью твердые отходы губок, которые, как ранее было показано, содержат переваренные планктонные водоросли и выделенный непереваренный материал, также наблюдались внутри системы каналов губок. Таким образом, можно предположить, что A. archeri вырабатывает слизь для транспортировки частиц внутрь к остиям и из них против входящего потока воды.
Оскула губки часто направлена вверх в толщу воды. Выделение твердых частиц отходов и внешнего мусора через боковые стороны губок, вероятно, позволяет избежать обширного накопления более тяжелых частиц у основания оскулы. Кроме того, это предотвращает засорение системы фильтрации губок в периоды высокой мутности воды.
Секреция слизи и ее направленное движение для переноса твердых отходов являются вполне распространенной стратегией и у других животных, таких как кораллы. В дыхательных путях человека также наблюдаются такие процессы. Другими словами, губки могут чихать аналогично человеческому чиханью, перемещая содержащую частицы слизь и выбрасывая этот материал посредством скоординированных циклов сокращения и расслабления, которые распространяются по их телу.
В более ранних исследованиях было показано, что чиханье распространяется в виде подергиваний или ряби между внешней поверхностью губок и внутренними выводными каналами, чтобы вымыть морскую воду из оскулы. Поэтому исследования были сосредоточены на этапе «выдыхания» процесса чиханья в области оскулы, в то время как гораздо меньше внимания уделялось действиям, происходящим вокруг отверстий, где чиханье совпадало с удалением отходов во время наблюдений. Например, твердые частицы отходов, выделяемые A. archeri в этом исследовании, очень напоминают материал, обнаруженный на поверхности массивных губок в естественных условиях (изображение №3). Этот материал считается пелагическим мусором, который скапливается на поверхности губок, когда они набирают воду для кормления.
Такого мусора не было в лабораторных аквариумах (вода была предварительно очищена). Следовательно, выброс такого мусора у особей ex situ и in situ говорит о том, что он происходит из внутренних систем каналов A. archeri.
Любопытно, что детрит, выбрасываемый губками, был обнаружен внутри выводных каналов, но никогда непосредственно не наблюдался его выход через оскулу. Вместо этого, выбрасываемый материал часто скапливался на внешней поверхности в волокнистые комки, которые наблюдались у A. Archeri. Это подчеркивает возможность того, что поток слизи и удаление твердых частиц отходов жизнедеятельности из остий могут представлять собой общий механизм высвобождения детрита у губки.
Теперь возникает другой вопрос: каким образом A. archeri перемещает слизь из своей остии и по поверхностным тканям, учитывая, что морская вода течет в противоположном направлении (т. е. в остию)?
У других животных направленный поток слизи достигается за счет бичеобразного движения ресничек, выстилающих поверхности, по которым движется слизь. Маловероятно, что губки используют реснички сходным образом, т.к. реснички были обнаружены только на стенках их выводных каналов, где они редко распределены и, вероятно, не подвижны. Более того, скорость переноса слизи у A. Archeri (0.15–5.86 мм/с) на 2-4 порядка ниже, чем скорость переноса слизи, например, в дыхательных путях человека (70–117 мм/с), у кораллов (до 984 мм/с) или кормовых гребней устриц (2180 мм/с). В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что полученные наблюдения не обусловлены движением ресничек, и, следовательно, указывают на новый механизм транспорта слизи у губок.
Одним из основных отличий одноклеточных организмов от многоклеточных является развитие скоординированных механизмов поглощения и распределения питательных веществ, а также выведение из организма отходов жизнедеятельности. Быстрая пролиферация клеток и потеря клеток губчатого фильтра уже демонстрируют поразительное сходство с кинетикой эпителиальных клеток толстой кишки в желудочно-кишечном тракте млекопитающих.
Это сходство, а также факт «чиханья» у губок говорят о том, что эти многоклеточные системы действительно являются хорошими модельными организмами для изучения эволюционного происхождения дифференциации тканей многоклеточных животных.
Периодические циклы сокращения и расслабления тканей, приводящие к чиханию у губок, представляют собой ранний этап эволюции использования эпителиальных клеток в качестве мышц.
Изображение №2
Далее ученые решили изучить потоки твердых частиц (отходов) и их состав.
Особей A. archeri содержали в аквариумах и помещали в чашеобразные контейнеры на 24 часа для улавливания твердых частиц (морская вода постоянно пополнялась, а движение воды поддерживалось на очень низком уровне), а дополнительные пустые контейнеры исполняли роль контрольной группы. В среднем 51 ± 16 мг твердых отходов было собрано из контейнеров с губками через 24 часа (2А). Контейнеры без губок содержали вдвое меньше материала (25 ± 5 мг). Расчеты показали, что губки выбрасывали твердые отходы со скоростью потока 191 ± 89 мг/л в день.
Доли органического углерода © и азота (N) были выше в контейнерах с губками, чем в контрольных контейнерах: углерод — 6.8% ± 1.2% по сравнению с 4.7% ± 1.0%; азот — 1.0% ± 0.3% по сравнению с 0.7% ± 0.1% (2E и 2F). А вот соотношение углерода к азоту (C:N) были примерно одинаковы в обоих контейнерах (7.3 ± 0.7 и 7.1 ± 0.7; 2D).
Более высокое содержание С и N в выделяемом губкой материале вполне может отражать состав органической слизи. Гипотеза о том, что механизм, описанный выше, частично служит для удаления слизистых отложений, подтверждается высокой долей неорганических частиц (81% по массе) в материале, выделяемом A. archeri, наличием частиц, похожих на известняк (видео №1) и способностью губок жить в условиях высокой концентрации взвешенных отложений.
Стоит заметить, что поведение, демонстрируемое A. archeri, разительно отличается от современных представлений о производстве детрита у губок. Губки питают экосистемы, обитающие в олиготрофных (т. е. с низким содержанием пищи) водах, таких как коралловые рифы, путем преобразования растворенных органических веществ (например, сахаров, аминокислот) в органические частицы и перемещения этого детрита на более высокие трофические уровни. Этот процесс известен как губчатая петля.
Тем не менее согласно данным сравнения концентраций органических частиц в воде, поступающей в губку и вытекающей из нее, многие мелководные и глубоководные виды губок практически не производят твердых отходов.
Из этого следует, что петля может быть сверху вниз, т. е. растворенное органическое вещество не высвобождается в виде детрита, а включается в биомассу, таким образом входя в пищевые цепи хищников.
Но и эта гипотеза становится крайне хрупкой, если учесть полученные в ходе исследования результаты. Особенно в рамках ошибочного предположения, что все твердые отходы выбрасываются вместе с оттекающей водой через оскулы. К тому же в предыдущих трудах ученые могли переоценить приток органического материала в воде, поскольку часть этого материала могла быть произведена самой губкой.
Изображение №3
Наблюдения за губками в естественной среде обитания показали, что твердые отходы, выделяемые губками, привлекают организмы-падальщики (видео №3 и фото выше)
Видео №3
Следовательно, содержащиеся в слизи твердые частицы отходов жизнедеятельности губок могут представлять собой возможный источник детрического органического вещества для других рифовых организмов.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Губки могут казаться крайне скучными и малоинтересными существами. Они больше похожи на растения или даже на своеобразные статуи, украшающие морское или океаническое дно. Однако эти многоклеточные организмы намного сложнее, а потому и интереснее, чем кажется на первый взгляд. И рассмотренное нами сегодня исследование является тому подтверждением.
Проведя ряд наблюдений за губками в лабораторных условиях и в естественной среде обитания, ученые обнаружили механизм, с помощью которого губки производят значительное количество твердых частиц в слизи, которые выделяются из их остий, транспортируются по слизистым путям и впоследствии выбрасываются с помощью чиханья в окружающую среду.
Пока остается загадкой, является ли этот удивительный механизм «чиханья» слизью с твердыми отходами уникальным для изученной губки вида A. Archeri, или он распространен среди всех губок. Тем не менее результаты сего труда позволяют лучше понять круговорот веществ у одних из самых древних многоклеточных животных. А это в свою очередь полностью меняет представление о важности губок в поддержании стабильности экосистемы, где они обитают.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
