Гідри

Гідри (лат. Hydra) - рід прісноводних сидячих кишковопорожнинних з класу гідроїдних (Hydrozoa). Представники мешкають у стоячих водоймах та річках з повільною течією, прикріплюючись до водних рослин або ґрунту. Довжина тіла гідри становить 1-20 мм, іноді дещо більше. Це одиночний малорухливий поліп.

Гідри (Прісноводні поліпи) вперше були описані швейцарським натуралістом XVIII століття Абраамом Трамбле. Відкриття спочатку викликало недовіру біологів, особливо здатність поліпів до регенерації. У 1744 році Трамбле випустив двотомну монографію, присвячену поліпам [1] . Тіло гідри циліндричної форми, на передньому кінці тіла (на навколоротовому конусі, або гіпостомі) розташований рот, оточений віночком з 5-12 щупалець. У деяких видів тіло розділене на тулуб і стеблинку. На задньому кінці тіла (стеблинка) розташована підошва, з її допомогою гідра пересувається і прикріплюється до чогось. Гідра має радіальну (одноосно-гетеропольну) симетрію. Вісь симетрії з'єднує два полюси - оральний, на якому знаходиться рот, і аборальний, на якому знаходиться підошва. Через вісь симетрії можна провести кілька площин симетрії, що поділяють тіло на дві дзеркально-симетричні половини. Тіло гідри - мішок зі стінкою з двох шарів клітин (ектодерми та ентодерми), між якими знаходиться тонкий шар міжклітинної речовини (мезоглею). Порожнина тіла гідри - гастральна порожнина - утворює вирости, що заходять усередину щупалець. Хоча зазвичай вважають, що гідра має тільки один ведучий в гастральну порожнину отвір (ротовий), насправді на підошві гідри є вузька аборальна пора. Через неї може виділятися рідина з кишкової порожнини, а також бульбашка газу.При цьому гідра разом з бульбашкою відкріплюється від субстрату і спливає, утримуючись головою вниз в товщі води. У такий спосіб вона може розселятися водоймою. Що стосується ротового отвору, то у гідри, що не живиться, воно фактично відсутнє — клітини ектодерми ротового конуса стуляються і утворюють щільні контакти, такі ж, як і на інших ділянках тіла [2] . Тому при харчуванні гідро щоразу доводиться «проривати» рот заново. Підошва гідри, що прикріпилася до скла акваріума

Епітеліально-м'язові клітини

Епітеліально-м'язові клітини ектодерми та ентодерми утворюють основну масу тіла гідри. У гідри близько 20 000 епітеліально-м'язових клітин. Клітини ектодерма мають циліндричну форму епітеліальних частин і формують одношаровий покривний епітелій. До мезоглії прилягають скорочувані відростки цих клітин, що утворюють поздовжню мускулатуру гідри. Епітеліально-м'язові клітини ентодерми спрямовані епітеліальними частинами в порожнину кишки та несуть по 2-5 джгутиків, які перемішують їжу. Ці клітини можуть утворювати ложноніжки, за допомогою яких захоплюють частинки їжі. У клітинах формуються травні вакуолі. Епітеліально-м'язові клітини ектодерми та ентодерми є дві незалежні клітинні лінії. У верхній третині тулуба гідри вони діляться мітотично, які нащадки поступово зміщуються або у бік гіпостома і щупалець, або убік підошви. У міру переміщення відбувається диференціювання клітин: так, клітини ектодерми на щупальцях дають клітини жагучих батарей, а на підошві — залізисті клітини, що виділяють слиз.

Залізисті клітини ентодерми

Залізисті клітини ентодерми виділяють у гастральну порожнину травні ферменти, які розщеплюють їжу.Ці клітини утворюються з інтерстиціальних клітин. У гідри близько 5000 залізистих клітин.

Інтерстиціальні клітини

Між епітеліально-м'язовими клітинами знаходяться групи дрібних, округлих клітин, званих проміжними або інтерстиціальними (i-клітини). У гідри їх близько 15000. Це недиференційовані клітини. Вони можуть перетворюватися на інші типи клітин тіла гідри, крім епітеліально-м'язових. Проміжні клітини мають всі властивості мультипотентних стовбурових клітин. Доведено, що кожна проміжна клітина потенційно здатна дати як статеві, і соматичні клітини. Стовбурові проміжні клітини не мігрують, однак їх клітини-нащадки, що диференціюються, здатні до швидких міграцій.

Нервові клітини та нервова система

Нервові клітини утворюють в ектодерма примітивну дифузну нервову систему - розсіяне нервове сплетення (дифузний плексус). У ентодермі є окремі нервові клітини. Усього у гідри близько 5000 нейронів. У гідри є згущення дифузного плексусу на підошві, навколо рота і на щупальцях. За новими даними, у гідри (принаймні у деяких видів) є навколоротове нервове кільце, подібне до нервового кільця, розташованого на краю парасольки у гідромедуз. У гідри немає чіткого поділу на чутливі, вставні та моторні нейрони. Одна й та клітина може сприймати роздратування і передавати сигнал епітеліально-м'язовим клітинам. Проте є два основних типи нервових клітин – чутливі та гангліозні. Тіла чутливих клітин розташовані поперек епітеліального пласта, вони мають нерухомий джгутик, оточений комірцем з мікроворсинок, який стирчить у зовнішнє середовище і здатний сприймати подразнення.Гангліозні клітини розташовані в основі епітеліально-м'язових, їх відростки не виходять у зовнішнє середовище. За морфологією більшість нейронів гідри - біполярні або мультиполярні. У нервовій системі гідри є як електричні, так і хімічні синапси. З нейромедіаторів у гідри виявлені дофамін, серотонін, норадреналін, гамма-аміномасляна кислота, глютамат, гліцин та багато нейропептидів (вазопресин, речовина Р та ін.). Гідра — найпримітивніша тварина, в нервових клітинах якої виявлено чутливі до світла білки опсини. Аналіз гена опсину гідри дозволяє припустити, що опсини гідри та людини мають загальне походження [3] .

Жабудні клітини

Стрічальні клітини утворюються з проміжних лише області тулуба. Спочатку проміжна клітина ділиться 3-5 разів, утворюючи кластер (гніздо) з попередників кліток (книдобластів), з'єднаних цитоплазматичними містками. Потім починається диференціювання, під час якої містки зникають. Книдоцити, що диференціюються, мігрують у щупальця. Приголомшливі клітини найбільш численні з усіх клітинних типів, їх у гідри близько 55 000. Приголомшлива клітина має жагучу капсулу, заповнену отруйною речовиною. Всередину капсули повернута жагуча нитка. На поверхні клітини знаходиться чутлива волосинка, при її подразненні нитка викидається і вражає жертву. Після вистрілювання нитки клітини гинуть, та якщо з проміжних клітин утворюються нові. У гідри є чотири типи кліток — стенотелі (пенетранти), десмонеми (вольвенти), голотрихи ізорізи (великі глютинанти) і атрихи ізорізи (малі глютинанти). При полюванні першими вистрілюють вольвенти.Їхні спіральні жалюгідні нитки обплутують вирости тіла жертви і забезпечують її утримання. Під дією ривків жертви і викликаної ними вібрації спрацьовують пенетранти, що мають більш високий поріг подразнення. Шипи, що є у підстави їх стріляльних ниток, заякорюються в тілі видобутку, а через порожнисту стрітку нитку в її тіло вводиться отрута. Велика кількість кліток знаходиться на щупальцях, де вони утворюють стріляльні батареї. Зазвичай до складу батареї входить одна велика епітеліально-м'язова клітина, в яку занурені клітки. У центрі батареї знаходиться велика пенетранта, навколо неї — дрібніші вольвенти та глютинанти. Кнідоцити з'єднані десмосомами з м'язовими волокнами епітеліально-м'язової клітини. Великі глютинанти (їхня жалюгідна нитка має шипи, але не має, як і у вольвент, отвори на вершині), мабуть, в основному використовуються для захисту. Малі глютинанти використовуються лише при пересуванні гідри для міцного прикріплення щупальцями до субстрату. Їхнє вистрілювання блокується екстрактами з тканин жертв гідри. Вистрілювання пенетрант гідри було вивчено за допомогою високошвидкісної кінозйомки. Виявилося, весь процес вистрілювання займає близько 3 мс. У його початковій фазі (до вивертання шипів) швидкість його досягає 2 м/c, а прискорення становить близько 40 000 g (дані 1984 [4] [5] ); мабуть, це один із найшвидших клітинних процесів, відомих у природі. Першою видимою зміною (менш ніж через 10 мкс після стимуляції) було збільшення об'єму жагучої капсули приблизно на 10%, потім знижується обсяг майже до 50% від вихідного.Надалі з'ясувалося, як і швидкість, і прискорення при вистрілюванні нематоцист були недооцінені; за даними 2006 [6] , на ранній фазі вистрілювання (викидання шипів) швидкість цього процесу становить 9-18 м / с, а прискорення становить від 1 000 000 до 5 400 000 g. Це дозволяє нематоцисте масою близько 1 нг розвивати на кінчиках шипів (діаметр яких становить близько 15 нм) тиск близько 7 гПа, що можна порівняти з тиском кулі на ціль і дозволяє пробивати товсту кутикулу жертв.

Статеві клітини та гаметогенез

Як і всім тваринам, гідрам властива оогамія. Більшість гідр роздільностатеві, але зустрічаються гермафродитні лінії гідр. І яйцеклітини, і сперматозоїди утворюються із i-клітин. Вважається, що це особливі субпопуляції i-клітин, які можна відрізнити за клітинними маркерами і які у невеликій кількості присутні у гідр і в період безстатевого розмноження. При оогенезі ооцити фагоцитують цілі оогонії, потім кілька ооцитів зливаються, після чого ядро ​​однієї з них перетворюється на ядро ​​яйцеклітини, інші ядра дегенерують. Ці процеси забезпечують швидке зростання яйцеклітини. Як нещодавно показано, при сперматогенезі має місце програмована клітинна смерть частини клітин-попередників сперматозоїдів та їх фагоцитування оточуючими клітинами ектодерма [7] Дихання та виділення продуктів обміну відбувається через всю поверхню тіла тварини. Ймовірно, у виділенні певну роль відіграють вакуолі, які є у клітинах гідри. Головна функція вакуолей, ймовірно, осморегуляторна; вони виводять надлишки води, які постійно надходять у клітини гідри шляхом осмосу. Гідри мають сітчасту нервову систему. Наявність нервової системи дозволяє гідро здійснювати прості рефлекси.Гідра реагує на механічне подразнення, температуру, освітленість [3] , наявність у воді хімічних речовин та на ряд інших факторів зовнішнього середовища. Гідра харчується дрібними безхребетними — дафніями та іншими гіллястоусими, циклопами, а також олігохетами-наїдидами. Є дані про споживання гідрамами коловраток та церкарій трематод. Видобуток захоплюється щупальцями за допомогою кліток, отрута яких швидко паралізує дрібних жертв. Координованими рухами щупалець видобуток підноситься до рота, а потім за допомогою скорочень тіла гідра «вдягається» на жертву. Травлення починається в кишковій порожнині (порожнинне травлення), закінчується всередині травних вакуолей епітеліально-м'язових клітин ентодерми (внутрішньоклітинне травлення). Неперетравлені залишки їжі викидаються через рот.
Так як у гідри немає транспортної системи, а мезоглія (шар міжклітинної речовини між екто-і ентодермою) досить щільна, виникає проблема транспорту поживних речовин до клітин ектодерми. Ця проблема вирішується рахунок утворення виростів клітин обох шарів, які перетинають мезоглею і з'єднуються через щілинні контакти. Через них можуть проходити дрібні органічні молекули (моносахариди, амінокислоти), що забезпечує харчування клітин ектодерми. За сприятливих умов гідра розмножується безстатевим шляхом. На тілі тварини (зазвичай у нижній третині тулуба) утворюється нирка, вона росте, потім формуються щупальця та проривається рот. Молода гідра відгалужується від материнського організму (при цьому материнський та дочірній поліпи прикріплюються щупальцями до субстрату і тягнуть у різні боки) та веде самостійний спосіб життя. Восени гідра переходить до статевого розмноження.На тілі, в ектодермі закладаються гонади — статеві залози, а в них із проміжних клітин розвиваються статеві клітини. При утворенні гонад гідр формується медузоїдний вузлик. Це дозволяє припускати, що гонади гідри — дуже спрощені споросаки, останній етап у перетворенні втраченого медузоїдного покоління в орган. Більшість видів гідр роздільностатевий, рідше зустрічається гермафродитизм. Яйцеклітини гідр швидко ростуть, фагоцитуючи навколишні клітини. Зрілі яйцеклітини досягають діаметра 05-1 мм. Запліднення відбувається в тілі гідри: через спеціальний отвір у гонаді сперматозоїд проникає до яйцеклітини та зливається з нею. Зигота зазнає повного рівномірного дроблення, в результаті якого утворюється целобластула . Потім у результаті змішаної деламинации (поєднання імміграції та деламинации) здійснюється гаструляція. Навколо зародка формується щільна захисна оболонка (ембріотека) із виростами-шипиками. На стадії гаструли зародки впадають у анабіоз. Дорослі гідри гинуть, а зародки опускаються на дно та зимують. Навесні продовжується розвиток, у паренхімі ентодерми шляхом розходження клітин утворюється кишкова порожнина, потім формуються зачатки щупалець, і з-під оболонки виходить молода гідра. Таким чином, на відміну від більшості морських гідроїдних, у гідри відсутні вільноплаваючі личинки, розвиток у неї прямий.

Міграція та оновлення клітин

У нормі у дорослої гідри клітини всіх трьох клітинних ліній інтенсивно діляться в середній частині тіла і мігрують до підошви, гіпостому та кінчиків щупалець. Там відбувається загибель та злущування клітин. Таким чином, усі клітини тіла гідри постійно оновлюються.При нормальному харчуванні «надлишок» клітин, що діляться, переміщається в нирки, які зазвичай утворюються в нижній третині тулуба.

Регенеративна здатність

Гідра має дуже високу здатність до регенерації. При розрізанні поперек на кілька частин кожна частина відновлює «голову» і «ногу», зберігаючи вихідну полярність — рот і щупальця розвиваються на тій стороні, яка була ближчою до орального кінця тіла, а стеблинка і підошва — на аборальному боці фрагмента. Цілий організм може відновлюватися з окремих невеликих шматочків тіла (менше 1/200 об'єму), зі шматочків щупалець, а також із суспензії клітин. При цьому сам процес регенерації не супроводжується посиленням клітинних поділів і є типовим прикладом морфалаксису. Гідра може регенерувати із суспензії клітин, отриманих шляхом мацерації (наприклад, при протиранні гідри через млиновий газ). В експериментах показано, що для відновлення головного кінця достатньо утворення агрегату приблизно з 300 епітеліально-м'язових клітин. Показано, що регенерація нормального організму можлива з клітин одного шару (тільки ектодерми або ентодерми). Фрагменти розрізаного тіла гідри зберігають інформацію про орієнтацію осі тіла організму в структурі актинового цитоскелета: при регенерації вісь відновлюється, волокна направляють поділ клітин. Зміна структури актинового скелета може призвести до порушень у регенерації (утворення кількох осей тіла) [8] .

Досліди з вивчення регенерації та моделі регенерації

Вже ранні досліди Абраама Трамблі показали, що з регенерації зберігається полярність фрагмента.Якщо розрізати тіло гідри впоперек на кілька циліндричних фрагментів, то на кожному з них ближче до колишнього орального кінця регенерують гіпостом і щупальця (в експериментальній ембріології гідри закріпився термін «голова» для позначення орального кінця тіла), а ближче до колишнього аборального полюса - підошва ( "Нога"). При цьому у тих фрагментів, які розташовувалися ближче до «голови», швидше регенерує «голова», а у тих, що розташовувалися ближче до «ноги», – «нога». Пізніше досліди щодо вивчення регенерації були вдосконалені внаслідок застосування методики зрощування фрагментів різних особин. Якщо вирізати збоку тулуба гідри фрагмент і зростити його з тілом іншої гідри, то можливі три результати досліду: 1) фрагмент повністю зливається з тілом реципієнта; 2) фрагмент утворює виступ, на кінці якого розвивається «голова» (тобто перетворюється на нирку); 3) фрагмент утворює виступ, на кінці якого утворюється "нога". З'ясувалося, що відсоток освіти «голів» тим вищий, чим ближче до «голови» донора взято фрагмент для пересадки і що далі від «голови» реципієнта він поміщений. Ці та аналогічні досліди призвели до постулювання існування чотирьох речовин-морфогенів, що регулюють регенерацію – активатора та інгібітора «голови» та активатора та інгібітора «ноги». Ці речовини, згідно з цією моделлю регенерації, утворюють концентраційні градієнти: у районі «голови» у нормального поліпа максимальна концентрація як активатора, так і інгібітора голови, а в районі «ноги» — максимальна концентрація і активатора, і інгібітора ноги. Ці речовини справді були виявлені.Активатор голови - пептид з 11 амінокислот (pGlu-Pro-Pro-Gly-Gly-Ser-Lys-Val-Ile-Leu-Phe), активний у пікомолярній концентрації (спочатку 20 мкг активатора були отримані з 200 кг морських актиній). У людини він присутній у гіпоталамусі та кишечнику і в тій же концентрації має нейротрофічну дію. У гідри та ссавців цей пептид має також мітогенну дію і впливає на клітинну диференціювання. Активатор ноги - теж пептид з молекулярною масою, близькою до 1000 Так. Інгібітори голови та ноги – низькомолекулярні гідрофільні речовини небілкової природи. У нормі всі чотири речовини виділяються нервовими клітинами гідри. Активатор голови має більший час напівжиття (близько 4 год), ніж інгібітор (30 хв) і повільніше дифундує, оскільки пов'язаний з білком-носієм. Інгібітор голови в дуже низькій концентрації пригнічує виділення активатора, а в 20 разів більшої концентрації своє власне виділення. Інгібітор ноги також пригнічує виділення активатора ноги.

Молекулярні механізми регенерації

Регенерація у гідр регулюється кількома ключовими молекулярними механізмами. Найважливішу роль відіграють сигнальні шляхи, такі як Wnt, які активують гени, відповідальні за зростання та диференціювання клітин. Ці гени, наприклад β-катенін, беруть участь у формуванні нових тканин, таких як гіпостом та щупальця. На додаток до цього, стволові клітини гідри, особливо інтерстиціальні клітини, активно проліферують і диференціюються, замінюючи пошкоджені або втрачені клітини. Важливу роль регенерації також грають морфогенетичні градієнти, що визначають позиційну інформацію для клітин і контролюють зростання і напрямок регенерації.Епігенетичні механізми та баланс між клітинною проліферацією та апоптозом також впливають на успішність регенерації. Таким чином, здатність гідри до регенерації забезпечується злагодженою роботою складних молекулярних механізмів, що включають сигнальні шляхи, стовбурові клітини, морфогени та епігенетичну регуляцію.

Отримання «безнервових» гідр

• гідра довгостебельна (Hydra (Pelmatohydra) oligactis, синонім Hydra fusca) - Велика, з пучком дуже довгих ниткоподібних щупалець, що в 2-5 разів перевищують довжину її тіла. Ці гідри здатні до дуже інтенсивного брунькування: на одній материнській особини часом можна зустріти до 10-20 поліпчиків, що ще не відбрунькалися.
• гідра звичайна (Hydra vulgaris, синонім Hydra grisea) — Щупальці в розслабленому стані значно перевищують довжину тіла — приблизно вдвічі довші за тіло, а саме тіло звужується ближче до підошви;
• гідра тонка (Hydra circumcincta, синонім Hydra attenuata) - Тіло цієї гідри має вигляд тонкої трубочки рівномірної товщини. Щупальці у розслабленому стані не перевищують довжину тіла, а якщо й перевищують, то дуже незначно. Поліпи дрібні, зрідка сягають 15 мм. Ширина капсул голотрих ізоріз перевищує половину їхньої довжини. Вважає за краще жити ближче до дна. Майже завжди прикріплюється на бік предметів, звернених до дна водойми.
• гідра зелена (Hydra (Chlorohydra) viridissima) з короткими, але численними щупальцями, трав'янистого зеленого кольору.
• Hydra oxycnida - щупальця в розслабленому стані не перевищують довжину тіла, а якщо й перевищують, то дуже мало. Поліпи великі, досягають 28 мм. Ширина капсул голотрих ізоріз не перевищує половини їхньої довжини.

У так званих «зелених» гід Hydra (Chlorohydra) viridissima у клітинах ентодерми живуть ендосімбіотичні водорості роду Chlorella - Зоохлорели. На світлі такі гідри можуть тривалий час (більше чотирьох місяців) обходитися без їжі, тоді як штучно позбавлені симбіонтів гідри без годування гинуть через два місяці. Зоохлорели проникають у яйцеклітини і передаються потомству трансоваріально. Інші види гідр у лабораторних умовах іноді вдається заразити зоохлорелами, проте стійкого симбіозу при цьому не виникає.

Саме зі спостережень за зеленими гідрами розпочав свої дослідження А. Трамбле.

На гідр можуть нападати мальки риб, котрим опіки стріляльних клітин, мабуть, досить чутливі: схопивши гідру, малюк зазвичай випльовує її і відмовляється від подальших спроб з'їсти.

На поверхні тіла гідр як паразитів або комменсалів часто мешкають Kerona polyporum, триходина та інші інфузорії.

До харчування тканинами гідр пристосований гіллястоусий рачок із сімейства хідорид. Anchistropus emarginatus.

Тканями гідр можуть також харчуватися турбеллярії мікростоми, які здатні використовувати неперетравлені молоді стріляльні клітини гідр як захисні клітини - клептокнід.

Очевидно, вперше описав гідру Антоніо ван Левенгук. Докладно вивчив харчування, рух та безстатеве розмноження, а також регенерацію гідри Авраам Трамбле, який описав результати своїх дослідів та спостережень у книзі «Мемуари до історії одного роду прісноводних поліпів з руками у формі рогів» (перше видання вийшло французькою мовою в 1744 році. ). Відкриття Трамблі набуло гучної слави, його досліди обговорювалися у світських салонах і при французькому королівському дворі.Ці досліди спростували переконання, що панувала тоді, що відсутність безстатевого розмноження і розвиненої регенерації у тварин — одна з найважливіших їх відмінностей від рослин. Вважається, що вивчення регенерації гідри (досліди А. Трамблі) започаткувало експериментальну зоологію. Наукову назву роду відповідно до правил зоологічної номенклатури присвоїв Карл Лінней. Назва містить посилання на багатоголову Лернейську гідру, перемога над якою була одним із дванадцяти подвигів Геракла. Ймовірно, Лінней мав на увазі регенераційні здібності: коли Лернейській гідрі відрубували одну голову, на її місці відразу виростала інша [11] .

Трансгенна гідра Hydra vulgaris лінії AEP з ентодермальними клітинами, в яких експресується зелений флуоресцентний білок

В останні десятиліття гідра використовується як модельний об'єкт для вивчення регенерації та процесів морфогенезу. Геном гідри (північноамериканський вигляд Hydra magnipapillata) частково розшифрований. У Японії та Німеччині є колекції мутантних ліній гідри. Розроблено методику отримання трансгенних гідр.