Альвинелла Помпежана
| Альвинелла Помпежана | |
|---|---|
 | |
Научная классификация  | |
| Домен: | Эукариоты |
| Королевство: | животное |
| Тип: | Аннелиды |
| Клэйд : | Плейстоаннелида |
| Клэйд : | Сидячий |
| Заказ: | Теребеллида |
| Семья: | Альвинеллиды |
| Род: | Альвинелла |
| Разновидность: | А. Помпеяна |
| Биномиальное имя | |
| Альвинелла Помпежана Дебрюйер и Лаубье, 1980 год. | |
Alvinella pompejana , червь Помпеи , представляет собой разновидность глубоководного многощетинкового червя (обычно называемого «щетинистым червем»). Это экстремофил, только в гидротермальных источниках Тихого океана , обнаруженный в начале 1980-х годов у Галапагосских островов французскими встречающийся морскими биологами .
Введение
[ редактировать ]В 1980 году Даниэль Дебрюйер и Люсьен Лаубье , всего через несколько лет после открытия первой гидротермальной жерловой системы, идентифицировали одно из самых жароустойчивых животных на Земле — Alvinella pompejana , помпейского червя. [1] Его описали как глубоководную полихету, обитающую в трубках возле гидротермальных источников на морском дне. В 1997 году морской биолог Крейг Кэри и его коллеги обнаружили таких же червей в новом участке Тихого океана, недалеко от Коста-Рики , также прикрепленном к гидротермальным источникам. Новое открытие и последующая работа привели к значительному прогрессу в научных знаниях об этих особенных червях. [2]
Они могут достигать 13 см (5,1 дюйма) в длину, бледно-серого цвета, с красными жабрами, похожими на щупальца, на голове. Пожалуй, самое интересное то, что их хвостовые концы часто покоятся при температуре до 80 °C (176 °F), а их похожие на перья головы торчат из трубок в воду, которая намного прохладнее, 22 °C (72 °F). . [3] Ученые пытаются понять, как черви Помпеи могут выдерживать такие экстремальные температуры, изучая бактерии, образующие на их спине «шерстяное» покрытие. Также было обнаружено, что бактерии являются хемолитотрофными , что вносит вклад в экологию жерлового сообщества. Недавние исследования показывают, что бактерии могут играть важную роль в питании червей. [4]
прикрепляясь к черным курильщикам , процветают при устойчивых температурах от 45 до 60 °C (от 113 до 140 °F) и даже 105 °C (221 °F) в течение короткого времени. Было обнаружено, что черви, [3] что делает червя Помпеи самым жаростойким сложным животным, известным науке, после тихоходок ( или водяных медведей), которые способны выдерживать температуру выше 150 °C.
Биология
[ редактировать ]Достигая длины до 13 см (5,1 дюйма), черви Помпеи имеют «волосатую» спину; эти «волосы» на самом деле представляют собой колонии бактерий, таких как Nautilia profundicola , которые, как полагают, обеспечивают червю некоторую степень изоляции. Железы на спине червя выделяют слизь, которой питаются бактерии, что является формой симбиоза . Черви Помпеи образуют большие агрегатные колонии, заключенные в длинные трубки.
Alvinella pompejana имеет относительно простые системы органов , сосредоточенные вокруг палочковидного сердца . Его самый внешний орган - жабры вдоль перьевой головы, четыре внешние жабры представлены в виде листовидных структур. [5] красного цвета из-за содержащегося в них гемоглобина . Сердце обеспечивает кровью эти органы посредством сокращений, проталкивая кровь по дорсальным и вентральным сосудам. Под сердцем находится желудок животного, который соединяется с пищеводом, который используется для потребления пищи. Наконец, органы окружает целом, заполненный целомоцитами , типом фагоцитов , который действует как иммунная система животного. [5]
Помпейский червь питается хемосинтезирующими бактериями, используя втягивающиеся реснитчатые питающиеся щупальца, чтобы зачерпывать их или поглощать органические вещества из гидротермальной жерловой жидкости. [6] Эти щупальца покрыты 4 типами секреторных клеток по всему эпидермису . Мышечные клетки щупальца, по-видимому, заполнены однородными клетками крови и отдельными клетками шляпчатой формы, шляпчатые клетки имеют конденсированное ядро и предполагается, что это сильно модифицированные сперматозоиды. [7]
Жабры A. pompejana перистые , со множеством тонких выростов. Этот орган ультраструктурно подобен жабрам теребеллид , эпидермис неравномерно загнут внутрь. Это обеспечивает доступ крови к пространству, очень близкому к коже A. pompejana , что обеспечивает более эффективную диффузию кислорода. Также наблюдались секреторные клетки бокаловидного типа, а также волосовидные рецепторные клетки, известные как биполярные реснитчатые рецепторные клетки. Важно отметить, что эпибиотические бактерии червя Помпеи отсутствуют как в жабрах, так и в щупальцах. [7]
Физиология
[ редактировать ]Кровь Alvinella pompejana аномально холодная, ее температура составляет 20–30 °C. Это связано с высокой положительной кооперативностью их крови при таких температурах, поэтому гемоглобин с большей вероятностью получит кислород, что является важной особенностью в среде с низким уровнем кислорода. Кроме того, жабры A. pompejana имеют самую высокую удельную поверхность среди всех полихет, а небольшие диффузионные расстояния между кровеносной системой и внешней морской водой дополнительно способствуют насыщению кислородом. [8]
Alvinellidae имеют исключительно высокое врожденное сродство к кислороду в дополнение к высокой потребности в тепле для оксигенации (𝚫H). Поэтому, чтобы обеспечить адекватное выделение кислорода в организме, у червя Помпеи кровь кислая с диапазоном pH 6,6-6,9. Более низкий pH уменьшает энергию, необходимую для отсоединения кислорода от гемоглобина за счет использования эффекта Бора . гемоглобина Эффект постепенно усиливается по мере того, как места связывания 4 O 2 опустошаются; он максимален, когда гемоглобин полностью дезоксигенирован. В результате они могут высвободить весь возможный кислород, не затрачивая при этом чрезмерной энергии. Вдобавок к этому, гемоглобин A. pompejana сосудистый имеет более низкое сродство к кислороду по сравнению с целомическим гемоглобином. Когда приходит время повторно связать кислород с гемоглобином, кровь необходимо охладить до 20–30 °C, чтобы восстановить оптимальную кооперативность. Однако гидротермальные источники достигают гораздо более высоких температур. Это делает низкую температуру крови странной и, казалось бы, ее трудно поддерживать. [8]
Текущая гипотеза состоит в том, что многощетинковый червь поддерживает « внешнюю микросреду », которая не превышает этот предел в 20-30 °C, возможно, за счет втягивания холодной воды в трубку во время многократного выхода и входа червей в дополнение к бактериям, циркулирующим в этой воде. вокруг тела червя. [9] Это подтверждается данными о том, что A. pompejana митохондрии разрушаются при превышении температуры 30 ° C. Несмотря на это, червю все же удается жить в жерлах, температура которых превышает 50 °C. Кроме того, между значением 𝚫H и температурным диапазоном окружающей среды существует обратная зависимость; более высокий 𝚫H означает, что в среде обитания меньший диапазон температур с меньшими колебаниями. Поскольку A. pompejana имеет высокую температуру 𝚫H, разумно предположить, что диапазон их обитаемой температуры довольно мал и с небольшими колебаниями. [8]
Воспроизведение
[ редактировать ]Alvinella pompejana — гонохорный вид с четкими различиями между мужскими и женскими половыми порами (расположенными у основания жабр). [5] У самцов возле рта имеется пара щупалец, которых нет у самок. Однако у самок имеются половые пути, состоящие из яйцеводов и сперматек . Точный метод размножения неизвестен, но считается, что это сложный многоэтапный процесс. Однако известно, что среда обитания помпейского червя быстро меняется и крайне нестабильна, поэтому их размножение соответствующим образом адаптировалось.
Размер женских ооцитов предполагает, что эмбрион лецитотрофен , то есть единственное питание находится в желтке яйца. До оплодотворения эти ооциты представляют собой уплощенные сферы с волнистой мембраной и слегка смещенным от центра зародышевым пузырьком , который менее плотен, чем окружающая цитоплазма . При разведении в морской воде они приобретают сферическую форму и ГВ исчезает, при этом весь ооцит выглядит однородным. Этот процесс не требует спермы. [10]
Текущая гипотеза синтеза и нереста яиц следующая: сначала желток формируется в результате длительного процесса внутри целома животного , затем зрелые яйца сохраняются и, наконец, яйца нерестятся, когда происходят экологические или биологические изменения (например, .перенос спермы). [11] Метод переноса сперматозоидов , вероятно, достигается за счет псевдокопулятивного поведения, поскольку было замечено, что черви ныряют головой вперед в трубки, демонстрируя, что это может быть спаривание. [12]
Когда считается целесообразным оплодотворить яйцеклетки, их отбирают по размеру, а затем индивидуально пропускают через сперматеки . Этот метод оплодотворения более эффективен, чем одновременное прохождение всех яйцеклеток. [11]
В период от 30 минут до нескольких часов после достижения оплодотворения оболочка оплодотворения постепенно поднимается. Это начинается в одной точке на периферии ооцита . Затем, перед первым расщеплением, образуется полярная доля, что приводит к асимметричным расщеплениям . Соотношение диаметров асимметричных бластомеров остается довольно постоянным (1:1,5), при этом у «4-клеточных» эмбрионов обычно одна клетка больше, чем остальные 3. Это похоже на картину, наблюдаемую у других полихет . [10]
Раннее развитие
[ редактировать ]Хотя наблюдения in situ еще не проводились за ранним развитием Alvinella pompejana , были проведены эксперименты, чтобы выдвинуть гипотезу об эмбриональных и ранних стадиях жизни этой полихеты . [10]
Эмбрионы помпейского червя не способны переносить как низкие, так и высокие температуры, развиваясь только при температуре выше 2 °С и ниже 20 °С. При температуре 2 °С (температура глубокого моря ) эмбрионы переходят в состояние остановки развития, а при 20 °С эмбрионы погибают. Таким образом, они не должны развиваться в колониях гидротермальных источников, поскольку в этой среде обитания достигаются температуры намного выше 20 ° C. [10]
Инкубация как in vitro, так и in situ подтвердила гипотезу о невозможности эмбрионального развития внутри взрослой колонии. Чтобы проверить свою теорию, исследователи поместили эмбрионы в 3 области: (I1) у основания дымохода, (I2) в колонии Riftia pachyptila и (I3) во взрослой колонии. Результаты представлены в таблице ниже, причем самая высокая скорость выживаемости и развития наблюдается в положениях (I1) и (I2). Также важно отметить, что хотя максимальная температура непосредственно рядом с инкубатором (I3) составляла 17 °C, на расстоянии 20 см была зафиксирована температура до 27 °C. [10]
| Выживаемость (%) | Эмбрионы с дроблением через 5 дней (%) | Средняя температура (°C) | Максимальная температура (°C) | Минимальный pH | Средний pH | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| я1 | ≤100% | 70% | 4±2 °С | 9 °С | 7.3 | 7.7 |
| я2 | ≤100% | 70% | 6±2 °С | 11 °С | 7.3 | 7.5 |
| я3 | 10% | 0% | 13±4 °С | 17 °С | 7.1 | 7.2 |
После рассмотрения всех результатов, а также предыдущих исследований был сделан вывод, что наиболее вероятными являются следующие 3 гипотезы.
- Эмбрионы развиваются в колонии Riftia pachyptila (часто вблизи гидротермальных источников).
- Эмбрионы развиваются у основания гидротермальных труб.
- Эмбрионы входят в состояние остановки и плавают в абиссальной колонне до тех пор, пока не будет найдена теплая среда, прежде чем возобновить развитие (это позволит расселить виды).
Однако новые данные о существовании экосистемы под гидротермальными жерлами позволяют предположить, что личинки червей вместо этого могут путешествовать под землей, чтобы колонизировать новые жерловые системы. [13]
Трубы
[ редактировать ]Червь Помпеи известен своими трубками, в которых он обитает. Дальнейшие исследования показали, что эти трубки представляют собой необычайно стабильные гликопротеиновые структуры с высоким содержанием серы . Их конструкция изначально была неизвестна, но теперь предполагается, что структура сделана из секрета эпидермиса pompejana Alvinella . Слои фибрилл трубок уложены так же, как и фанера, причем каждый слой имеет слегка хаотичное расположение. Внутри этих трубок присутствует слой нитчатых и палочковидных бактерий ; как ни странно, эти же самые бактерии можно обнаружить в стенках трубок. Было высказано предположение, что это бактерии, живущие в трубках червя, они, по-видимому, попадают в ловушку при выделении слизи. Кроме того, было обнаружено, что бактерии являются источником элементарной серы, что объясняет наличие серы, обнаруженной в стенках их трубок. [14]
Имя
[ редактировать ]Помпейские черви получили свое название от римского города Помпеи , который был разрушен во время извержения Везувия Alvinellidae в 79 году нашей эры. Его семейное название и название рода Alvinella происходят от DSV Alvin , подводного аппарата для трех человек, использовавшегося во время открытия гидротермальных источников. жерла и их фауна в конце 1970-х годов. Семейство Alvinellidae включает еще восемь видов, но ни один из них не соответствует жароустойчивости червя Помпеи.
Симбиотические бактерии
[ редактировать ]Хотя пока точно неизвестно, как червь Помпеи выживает в таких суровых условиях, ученые подозревают, что ответ кроется в похожих на шерсть бактериях на спине червя; этот слой может иметь толщину до 1 см. Бактерии могут обладать специальными белками , « эвритермными ферментами », обеспечивающими бактериям – и, соответственно, червям – защиту от широкого диапазона температур. [3] Исследования затруднены из-за трудностей отбора проб; В настоящее время Pompeii Worms довольно сложно пережить декомпрессию .
живут бактерии Известно, что в мутуалистических отношениях с A. pompejana , что делает их обоих симбиотрофами. Основное питание червя Помпеи получают хемосинтезирующие бактерии, поэтому он предпочитает жить в таких интенсивных условиях. Это происходит из-за содержания токсичных металлов в гидротермальной жидкости, фактора, необходимого хемосинтезирующим бактериям. К сожалению, низкий уровень pH, низкий уровень кислорода и вышеупомянутые металлы в жидкости создают среду, подходящую только для экстремофилов ; У A. pompejana есть физиологические особенности, помогающие бороться с этим, но их недостаточно. В результате у них сложилась прочная связь с бактериями. Бактерии обезвреживают жидкость, это позволяет червю питаться и жить. Затем, пока червь живет, он дышит , давая бактериям источник углерода для питания. Дополнительным преимуществом является то, что бактерии получают убежище и поверхности для размножения благодаря трубкам червя. [1]
Изучение бактерий червя Помпеи, казалось бы, поддерживающих жизнь, может привести к значительному прогрессу в биохимической , фармацевтической , текстильной , бумажной и моющей промышленности.
Поведение
[ редактировать ]Черви Помпеи одновременно держат голову (включая жабры) в гораздо более прохладной воде, в то время как их хвосты подвергаются воздействию горячей воды. Поскольку их внутреннюю температуру еще предстоит измерить, червь Помпеи может пережить воздействие горячей воды, рассеивая тепло через голову, чтобы поддерживать внутреннюю температуру в пределах, ранее известных как совместимые с выживанием животных. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Дебрюйер, Д.; Лаубье, Л. (1980). « Alvinella pompejana gen.sp. nov., Ampharetidae аберрантные гидротермальных источников Восточно-Тихоокеанского хребта» . Океанологика Акта . 3 (3): 267–274.
- ^ Ученым удалось осуществить первую в истории попытку секвенировать ДНК в море . НФС-ОЛПА. 1 ноября 2001 г.
- ^ Jump up to: а б с Грайм, Дж. Филип; Пирс, Саймон (2012). Эволюционные стратегии, формирующие экосистемы . Джон Уайли и сыновья . стр. 121–123. ISBN 978-1-118-22327-7 .
- ^ Гржимски, Джей Джей; и др. (2008). «Метагеномный анализ экстремального микробного симбиоза выявляет эвритермическую адаптацию и метаболическую гибкость» . ПНАС . 105 (45): 17516–17521. Бибкод : 2008PNAS..10517516G . дои : 10.1073/pnas.0802782105 . ПМЦ 2579889 . ПМИД 18987310 .
- ^ Jump up to: а б с Жуэн-Тулмонд, К.; Зал, Ф.; Урдез, С. (1997). «Половой аппарат и ультраструктура сперматозоидов Alvinella pompejana (Annelida: Polychaeta)» . Cahiers de Biologie Marine (2).
- ^ Гейл, Франсуаза; Дебрюйер, Даниэль; Лаубье, Люсьен. «Отношения между «помпейскими червями» и их эпибиотическими бактериями» (PDF) . Океанология .
- ^ Jump up to: а б Сторч, В.; Гейл, Ф. (1 сентября 1986 г.). «Ультраструктурные наблюдения за пищевыми придатками и жабрами Alvinella pompejana (Annelida, Polychaeta)» . Helgoländer Meeresuntersuruchungen . 40 (3): 309–319. Бибкод : 1986HM.....40..309S . дои : 10.1007/BF01983738 . ISSN 1438-3888 . S2CID 32663219 .
- ^ Jump up to: а б с Тулмонд, А.; Слитин, FEI; Де Фрешевиль, Дж.; Жуэн, К. (декабрь 1990 г.). «Внеклеточные гемоглобины гидротермальных кольчатых червей: структурные и функциональные характеристики трех видов альвинеллид» . Биологический вестник . 179 (3): 366–373. дои : 10.2307/1542329 . ISSN 1939-8697 . JSTOR 1542329 . ПМИД 29314955 .
- ^ Языджи, Айше Мерич; Перссон, Эрик (январь 2023 г.). «Новая модель, вдохновленная червем Помпеи, для устранения перегрева наноспутников» . Космос: Наука и технологии . 3 : 0017. Бибкод : 2023SpScT...3...17Y . дои : 10.34133/space.0017 . ISSN 2692-7659 .
- ^ Jump up to: а б с д и «Влияние условий окружающей среды на раннее развитие гидротермальной полихеты Alvinella pompejana» . Journals.biologies.com . Проверено 8 ноября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б ПРАДИЛОН, ФЛОРЕНЦИЯ; ГАЙЛ, ФРАНСУАЗА (1 июля 2003 г.). «Особенности оогенеза у полихеты гидротермальных источников Alvinella pompejana» . Размножение и развитие беспозвоночных . 43 (3): 223–235. Бибкод : 2003InvRD..43..223P . дои : 10.1080/07924259.2003.9652541 . ISSN 0792-4259 . S2CID 83704748 .
- ^ Дебрюйер, Д.; Шевальдонне, П.; Алайсе, А.-М.; Жолливе, Д.; Лалье, Ф.Х.; Жуэн-Тулмонд, К.; Зал, Ф.; Саррадин, П.-М.; Коссон, Р.; Капрэ, Ж.-К.; Арндт, К.; О'Брайен, Дж.; Гезеннек, Ж.; Урдез, С.; Рисо, Р. (1 января 1998 г.). «Биология и экология «червя Помпеи» (Alvinella pompejana Desbruyères and Laubier), обычного обитателя экстремально глубоководной среды: синтез современных знаний и последних разработок» . Глубоководные исследования, часть II: Актуальные исследования в океанографии . 45 (1): 383–422. Бибкод : 1998DSRII..45..383D . дои : 10.1016/S0967-0645(97)00083-0 . ISSN 0967-0645 .
- ^ Мок-Бантинг, Логан (8 августа 2023 г.). «Ученые обнаружили новую экосистему под гидротермальными жерлами» . Океанический институт Шмидта . Проверено 17 августа 2023 г.
- ^ Гейл, Ф; Хант, С. (19 декабря 1986 г.). «Трубки глубоководных гидротермальных жерловых червей Riftia pachyptila (эра Vestimentif) и Alvinella pompejana (Annelida)» (PDF) . Серия «Прогресс в области морской экологии» . 34 : 267–274. Бибкод : 1986MEPS...34..267G . дои : 10.3354/meps034267 .