Одноклеточные водоросли — урок. Биология, Бактерии. Грибы. Растения (5–6 класс).
Водоросли возникли и живут в воде. Они появились на Земле намного раньше всех остальных групп растений. Среди водорослей есть микроскопические одноклеточные, так и крупные многоклеточные организмы. Тело водорослей не разделено на органы, поэтому их относят к низшим растениям. Они могут размножаться бесполым и половым способами.Одноклеточные водоросли
Зелёные водоросли живут в солёных и пресных водоёмах и в сырых местах на суше. Их можно встретить на поверхности почвы, на коре деревьев, на камнях и стенах зданий.
Одноклеточные водоросли можно обнаружить с помощью микроскопа в воде мелких водоёмов, когда вода становится изумрудной, т. е. наблюдается её «цветение».
Одна из самых распространённых одноклеточных водорослей — хламидомонада.
Хламидомонада — подвижная зелёная водоросль грушевидной формы.
У хламидомонады на переднем конце клетки есть два жгутика.
С помощью жгутиков хламидомонада передвигается в воде.
Клетка покрыта прозрачной оболочкой, под которой находится цитоплазма. В цитоплазме имеется ядро, зелёный хроматофор и крупная вакуоль, заполненная клеточным соком. Есть также две маленькие пульсирующие вакуоли и красный «глазок» (светочувствительное тельце).
Хлорелла — неподвижная зелёная водоросль, которая нетребовательна к условиям и встречается в водоёмах, на коре деревьев и на поверхности почвы.
Микроскопические неподвижные клетки имеют шаровидную форму. Клетки хлореллы покрыты плотной целлюлозной оболочкой. Под ней находится цитоплазма с ядром и зелёным хроматофором.
Рис. \(1\). Одноклеточные водоросли
Источники:
Рис. 1. Одноклеточные водоросли. © ЯКласс.
Итоговый тест «Бактерии.
Одноклеточные организмы. Переход к многоклеточности»Запитання 1
Микроскопические одноклеточные грибы, размножающиеся почкованием, это —
варіанти відповідей
Запитання 2
Бактерии — это…
варіанти відповідей
Запитання 3
Какое принципиальное отличие бактерий от клеток животных, растений и грибов?
варіанти відповідей
неклеточное строение
не могут жить в экстремальных условиях
Запитання 4
Выбери верные утверждения:
варіанти відповідей
Полезных бактерий не бывает.
Грибы — это тоже вид бактерий.
Бактерии живут повсюду- в воде, почве, земле, в организме людей и животных.
Бактерии бывают самой разнообразной формы.
Запитання 5
Бактерии — это…
варіанти відповідей
одни из самых маленьких и самых простых живых существ на Земле ;
Запитання 6
На картинке изображены
варіанти відповідей
Запитання 7
Роль бактерии в природе
варіанти відповідей
Повышают плодородие почвы
Портят продукты питания
Понижают урожайность сельскохозяйственных культур
Очищают окружающую среду
Запитання 8
Бактерии могут существовать
варіанти відповідей
Среди вечных льдов
В горячих источниках
В глубоких подземных скважинах
Все ответы верны
Запитання 9
Для изготовления йогурта применяют
варіанти відповідей
Запитання 10
Некоторые виды бактерий способны длительное время сохранять жизнеспособность, так как они
варіанти відповідей
при наступлении неблагоприятных условий образуют споры
имеют микроскопические размеры
вступают в симбиоз с другими организмами
питаются, как правило, готовыми органическими веществами
Запитання 11
Споры бактерий, в отличие от спор грибов,
варіанти відповідей
выполняют функцию питания и дыхания
образуются в результате полового размножения
необходимы для размножения и расселения на новые места
служат приспособлением к перенесению неблагоприятных условий
Запитання 12
Молекула ДНК бактерии расположена в:
варіанти відповідей
аппарате Гольджи
цитоплазме, замкнута в кольцо
Запитання 13
Бактерии размножаются
варіанти відповідей
половым путем
делением клетки пополам
Запитання 14
Одноклеточным организмом, способным осуществлять фотосинтез, является.
..
варіанти відповідей
эвглена зеленая
хламидомонада
малярийный плазмодий
Запитання 15
Какой из изображенных организмов является одноклеточным?
варіанти відповідей
Запитання 16
Способ питания клетки путем захвата частиц пищи с последующим их перевариванием в цитоплазме, называется:
варіанти відповідей
Запитання 17
В пресноводных простейших продукты обмена и излишки воды выводятся через …
варіанти відповідей
пищеварительную вакуоль
сократительную вакуоль
Запитання 18
Организмы, в клетках которых есть ядро, называют:
варіанти відповідей
Запитання 19
Одноклеточная водоросль, передвигающаяся при помощи жгутиков:
варіанти відповідей
хламидомонада
эвглена зеленая
Запитання 20
Амебы двигаются с помощью:
варіанти відповідей
Запитання 21
Инфузория-туфелька движется с помощью .
варіанти відповідей
Запитання 22
Два ядра — большое и малое имеет:
варіанти відповідей
инфузория туфелька
воротничковый джгутиконосець
Запитання 23
Для инфузории туфельки характерно:
варіанти відповідей
Клетка не имеет ядра
Имеет хлоропласты и как у растений происходит процесс фотосинтеза
Образует цисту при неблагополучных условиях
Есть возбудителем малярии
Движется с помощью ресничек
Имеет два ядра
Запитання 24
Для амебы протей характерно:
варіанти відповідей
Клетка не имеет ядра
Имеет хлоропласты и как у растений происходит процесс фотосинтеза
Образует цисту при неблагополучных условиях
Есть возбудителем малярии
Движется с помощью ресничек
не имеет постоянной формы
Запитання 25
Для эвглены зеленой характерно:
варіанти відповідей
Клетка не имеет ядра
Имеет хлоропласты и как у растений происходит процесс фотосинтеза
Образует цисту при неблагополучных условиях
Есть возбудителем малярии
Движется с помощью ресничек
Движется с помощью жгутика
Запитання 26
Укажите водоросль которая относится к многоклеточным
варіанти відповідей
Хламидомонада
Запитання 27
Укажите организм, который относится к колониальным
варіанти відповідей
Хламидомонада
Запитання 28
У колониальных организмов (например, вольвокс) все клетки
варіанти відповідей
разные по строению
почти одинаковы по строению и не связаны между собой
почти одинаковы по строению и связаны между собой цитоплазматическими мостиками
Запитання 29
Почему губок считают одними из самых примитивных многоклеточных животных:
варіанти відповідей
имеют лишь одну клетку
сочетает клетки, похожие на клетки одноклеточных животноподобных организмов
имеют два ядра
родственны с воротничковыми жгутиковыми
Запитання 30
Отличиями между одноклеточными животноподобными организмами (например, амеба) и губками являются:
варіанти відповідей
губки-многоклеточные организмы
схожесть некоторых типов клеток
клетки губок взаимодействуют между собой
каждая клетка живет отдельно
одноклеточные животноподобные организмы состоят из одной клетки
Створюйте онлайн-тести
для контролю знань і залучення учнів
до активної роботи у класі та вдома
Натисніть «Подобається», щоб слідкувати за оновленнями на Facebook
Конспект урока по биологии «Одноклеточные организмы» 5 класс
Задачи: сформировать представления об особенностях строения и жизнедеятельности одноклеточных организмов; развить умения работать с различными источниками информации, в том числе микропрепаратами, сравнивать, делать выводы на основе сравнения.
Основные термины и понятия: одноклеточные организмы, хроматофор, простейшие; пищеварительная вакуоль, сократительная вакуоль; органоиды движения: реснички, жгутики, ложноножки.
Оборудование: микроскоп, микропрепарат «Гриб-мукор», учебник Л.Н. Сухорукова, В.С. Кучменко, И.Я. Колесникова «Биология. Живой организм»; тетрадь-тренажер.
Ход урока
I. Организационный момент.
II. Активизация опорных знаний.
Назовите органоиды общие для растительной, животной и грибной клетки? (цитоплазма, оболочка, ядро)
Перед вами растительная клетка, задание какой цифрой на рисунке обозначено цитоплазма, оболочка и ядро?
– Какие органоиды имеют клетки растений, в отличие от клеток животных?(Пластиды и вакуоль).
Соотнесите части клетки с выполняемыми ими функциями?
На прошлом уроке мы рассматривали деление клетки, задание?
Проверяем свои знания.
1. В чем заключается биологическое значение деление клеток?
2. Клетки, каких живых организмов вам известны?
3. На какие группы можно разделить все живые организмы в зависимости от количества клеток? (Одноклеточные и многоклеточные).
Итак, как вы думаете о ком пойдет речь на уроке? Тема нашего урока звучит…….предположения учащихся (Одноклеточные организмы). (СЛАЙД 1)
-Ребята давайте сформулируем цели нашего урока? (Сегодня мы постараемся выяснить, как устроены и какую роль в природе играют одноклеточные растения, грибы и животные) (СЛАЙД 2)
Для этого нам нужно открыть тетради, записать число и тему нашего урока.
“ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ ядерные ОРГАНИЗМЫ”
Записали, теперь давайте вспомним, Кто относится к одноклеточным организмам? (растения, животные, грибы)
— А кто такие одноклеточные организмы? (ответы детей) (СЛАЙД 3)
К одноклеточным
относят организмы, тело которых состоит из одной клетки, имеющей ядро. (запись в тетрадь) (СЛАЙД 4)-А можем ли мы увидеть одноклеточные организмы? (ответы детей)
Итак, именно эти организмы должны мы с вами изучить. Я предлагаю вам совершить виртуальное путешествие. Согласны?
Знакомство с одноклеточными организмами мы начнем с одноклеточных растений, а именно с водорослей.
– Куда же отправиться нашей экспедиции на их поиски? Где обитают водоросли? (В водоемах)
-Ребята, давайте с вами выясним какие бывают одноклеточные водоросли, а для этого откройте параграф 19 (хлорелла, хлорококк, хламидомонада)
Запись в тетрадь:
Одноклеточные водоросли
Хлорелла Хламидомонада
Хлорококк
-Какое строение имеют водоросли?
Строение хлореллы (СЛАЙД 5,6, 7)
-Что такое хроматофор? (хлоропласт)
— Для чего он нужен? (с помощью него, под действием солнечного света образуются органические вещества)
—
– Чем хламидомонада отличается от хлореллы и хлорококка? (Она подвижная, у неё есть светочувствительный глазок, сократительные вакуоли)
– Как вы думаете, с помощью чего хламидомонада двигается? (С помощью жгутиков)
Действительно, жгутики – это органоиды передвижения хламидомонады.
С их помощью она активно движется в сторону лучшего освещения.
– Зачем хламидомонаде искать освещенные участки водоема? (Свет необходим для фотосинтеза)
– С помощью чего она может определить степень освещенности? (С помощью светочувствительного глазка)
Рассмотрим следующую группу организмов, а именно – грибы.
— Ребята, а что это у нас на хлебе? (пушистая плесень)
Пушистая плесень называется –гриб мукор.
-Давайте познакомимся с ним поближе. Изучим строение мукора .
«Строение мукора»
– Каково же строение гриба мукора? (Клетка мукора вытянута и состоит из тонких бесцветных ветвящихся нитей. В клетке находится много ядер, вакуоли с клеточным соком).
—Ребята, а что такое дрожжи? (ответы детей)
Оказывается- это тоже грибы. Только полезные. Дрожжи имеют типичное строение грибной клетки.
-Ребята, а каких представителей одноклеточных организмов, мы с вами еще не назвали? (животных)
Итак, давайте познакомимся с ними поближе.
Невооруженным глазом их рассмотреть не удастся. Они тоже имеют очень маленькие размеры. Всех одноклеточные животных, не смотря на большое разнообразие, объединили в одну группу – простейшие. Давайте разберемся, так ли они просты?
-Кто же у нас относится к простейшим? (СЛАЙД 8)
1. Амеба
2. Инфузория-туфелька
-Какое строение имеет амеба?
Строение амебы (СЛАЙД 9)
Пищеварительная вакуоль (переваривание пищи)
Сократительные вакуоли (удаляется избыток воды и продукты обмена)
Проницательная оболочка (через нее поступают кислород и вда, а выделяются различные вещества)
Ложноножки ( с их помощью, амеба двигается и захватывает пищу)
– Чем строение инфузории-туфельки похоже на строение амёбы? (Имеет оболочку, ядро и цитоплазму, сократительные и пищеварительные вакуоли)
– Какие различия в строении этих простейших вы заметили? (У инфузории два ядра малое или микронуклеус (функция передача наследственной информации) и большое ядро или макронуклеус (регулирует процессы движения, питания, выделения , две сократительные вакуоли с канальцами, нет ложноножек, постоянная форма клетки, она покрыта ресничками с помощью которых они передвигаются) (СЛАЙД 10)
IV.
Закрепление
Чем отличается строение клеток одноклеточных водорослей от строения клеток многоклеточных растений?
Чем различается строение клетки одноклеточных растений и животных?
Почему одноклеточные грибы не содержат хлоропластов?
Какие дополнительные органоиды есть у простейших? С чем это связано?
V. Рефлексия (СЛАЙД 11)
Продолжите фразу
На уроке я узнал….
Меня удивило….
Мне было интересно….
На уроке мне не понравилось…
Я хотел бы узнать о……
VI. Домашнее задание (СЛАЙД 12)
Параграф 19, тетрадь-тренажер с. 40 №4.
Саркомастигофоры | Саркодовые | Амеба протей (обыкновенная), амеба дизентерийная, радиолярия |
Жгутиковые | Эвглена зеленая, вольвокс, трипаносома африканская, лейшмания, трихомонада, лямблия печеночная | |
Споровики | Кокцидиеобразные | Малярийный плазмодий |
Инфузории | Ресничные | Инфузоря-балантидий, инфузория-туфелька, инфузория-трубач |
Трихофриоз |
Какими бывают одноклеточные
— М.: Просвещение, 2000. 3.Биология: учеб.-справ.пособие / А.Г.Лебедев. М.: АСТ: Астрель. 2009. 4.Биология. Полный курс общеобразовательной средней школы: учебное пособие для школьников и абитуриентов / М.А.Валовая, Н.А.Соколова, А.А. Каменский. — М.: Экзамен, 2002. 5.Биология для поступающих в вузы. Интенсивный курс / Г.Л.Билич, В.А.Крыжановский. — М.: Издательство Оникс, 2006. 
Половое размножение осуществляется путем копуляции (слияния клеток).
При бесполом размножении происходит продольное деление клетки. При половом процессе между двумя инфузориями образуется цитоплазматический мостик. Полиплоидные (большие) ядра разрушаются, а диплоидные (малые) ядра делятся мейозом с образованием четырех гаплоидных ядер, три из которых погибает, а четвертое делится пополам, но уже митозом. Образуется два ядра. Одно – стационарное и другое – мигрирующее. Затем между инфузориями происходит обмен мигрирующими ядрами. Потом стационарное и мигрировавшее ядра сливаются, особи расходятся и в них снова образуются большое и малое ядра.
Жгутики вкручиваются в жидкость, словно штопор, а реснички «хлопают», создавая волновое движение.
Различают три способа поглощения пищи.Бактерии — мельчайшие одноклеточные организмы
Биология. 6 класс. Костиков
Изучая эту тему, вы узнаете:
- о мирах микроскопических организмов;
- о строении и жизни бактерий, одноклеточных животноподобных организмов и водорослей;
- о пользе и вреде тех, кого без увеличительных приборов мы не видим
Вы узнаете: что такое бактерии, в чём особенности их строения, как они размножаются; а также узнаете, сколько бактерий нас окружает.
Что такое бактерия? Какой вид имеют бактерии? Каковы их особенности? Какого размера самая большая и самая маленькая бактерия? Из чего они состоят и как размножаются?
В окружающем нас мире мы встречаем множество различных живых организмов — растения, животные, грибы. Однако, хотя в это трудно поверить, нас окружает более разнообразный мир живых существ, которых мы вообще не видим. Эти организмы присутствуют в каждом комочке почвы, в каждой капле воды, попадают в наше тело при каждом вдохе. Они живут на нашей коже, и даже в нашем теле.
Они найдены на суше и в океанах, в горячих источниках и в ледяных пустынях, в нефтяных месторождениях и в сверхсолёных озёрах. Причём в огромных количествах. Эти организмы — бактерии.
Впервые бактерии увидел Антони ван Левенгук при наблюдении в оптический микроскоп обыкновенной воды и зубного налёта. Но «отцом» науки о бактериях — микробиологии — считают французского учёного Луи Пастера (1822-1895 гг.
), разработавшего методы исследования бактерий и выяснившего, что эти организмы являются причиной ряда заболевании (сибирской язвы, холеры и др.) и некоторых явлений (в частности, брожения). Он также разработал первые методы борьбы с бактериями.
Бактерии очень малы. Так, размер бактериальной клетки обычно составляет от 0,5 до 2 мкм. Это в 10-100 раз меньше средних размеров клеток растений или животных.
Миниатюрность даёт бактериям немало преимуществ: способность быстро поглощать вещества всей поверхностью клетки, быстро делиться, быстро распространяться (например, животными пли даже ветром), легко проникать в тела больших организмов. Однако, мелкие клетки имеют также и недостатки — они, например, легко становятся добычей существ больших размеров.
Клетки бактерий по форме могут быть шаровидными (они называются кокки), палочковидными (бациллы), изогнутыми (вибрионы) или спиралевидными (спириллы). Клетки бактерий бывают одиночными или соединёнными в пары, четвёрки или в более многочисленные группы (рис.
29).
Рис. 29. Основные формы клеток бактерий
Бактериальная клетка покрыта клеточной мембраной, содержит цитоплазму с органеллами и носителя наследственной информации — молекулу ДНК. Бактерии не имеют ядра — их ДНК располагается непосредственно в цитоплазме (рис. 30).
Рис. 30. Строение клетки бактерии
Из-за отсутствия ядра клетки бактерии называются прокариотическими (от греческого «про» — до, перед и «карион» — ядро).
У большинства бактерии, подобно клеткам растений, над клеточной мембраной находится крепкая клеточная оболочка; но у некоторых её нет. Из органелл в бактериальной клетке имеются только рибосомы. А митохондрии, хлоропласты, лизосомы, вакуоли с клеточным соком вообще отсутствуют. Некоторые бактерии приспособлены к активному движению при помощи жгутиков или путем червеобразного изгибания клетки. Таким образом, бактерии имеют очень простое строение.
Жгутики — это органеллы, обеспечивающие движение одноклеточных организмов.
Прокариоты, или доядерные организмы, — это организмы, клетки которых не имеют ядра.
Несмотря на простое строение, клетки бактерий питаются — поглощают из внешней среды вещества, превращают их в те органические вещества, за счет которых растут; выделяют вредные продукты жизнедеятельности во внешнюю среду, вырабатывают необходимую химическую энергию, удваивают ДНК и размножаются.
Размножение бактерий происходит путём деления клетки надвое. Промежуток времени между делениями может быть очень коротким. Например, бактерия кишечная палочка при благоприятных условиях способна делиться каждые 20 мин. При таких темпах размножения масса потомков только одной материнской клетки могла бы превысить массу всей нашей планеты через двое суток. Этого не случается потому, что благоприятные условия возникают только тогда, когда одновременно совпадает несколько факторов: присутствует влага и питательные вещества, есть доступ к источникам энергии, благоприятная температура, отсутствуют организмы, которые питаются этими бактериями или как-то иначе мешают их развитию.
При неблагоприятных условиях бактерии способны переходить в состояние анабиоза — временного прекращения жизнедеятельности организма. Чтобы пережить неблагоприятные условия некоторые бактерии способны образовывать особые «спящие» клетки.
Количество бактерий вокруг нас огромно, хотя и колеблется в широких пределах. В таблице 2 приведены приблизительные оценки количества бактерий вокруг нас.
Таблица 2
Среда | Примерное количество клеток бактерий |
Плодородные почвы | 3-6 млн в 1 г |
Бедные почвы | 0,5-1 млн в 1 г |
Фасованная вода | до 20 в 1 мл |
Питьевая водопроводная вода | до 50 в 1 мл |
Чистая природная вода | до 100 в 1 мл |
Грязная вода* | 100 тыс в 1 мл |
Воздух над морем | 10-1000 в 1 м3 |
Воздух в проветренном помещении | 3-5 тыс. |
Воздух в непроветренном помещении* | 300 тыс. — 1 млн в 1 м3 |
Вымытый пол | 500 на 1 см2 |
Поверхность парты или стола | 20-3000 на 1 см2 |
Бумага из только что распакованной пачки | до 10 на 1 см2 |
в 1 м3* В зависимости от степени и характера загрязнения, может колебаться более чем в 100 раз.
ВЫВОДЫ
- 1. Бактерии являются самыми мелкими живыми, преимущественно одноклеточными, организмами.
- 2. Бактерии относятся к прокариотам — их клетки не имеют ядра и многих органелл.
- 3. Бактерии могут быстро расти и размножаться.
- 4. Бактерии распространены практически всюду.
ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ, КОТОРЫЕ ВАЖНО ЗНАТЬ
Бактерии, жгутики, прокариоты, анабиоз.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- 1. Чем клетки бактерий принципиально отличаются от клеток растений и животных?
- 2. Почему бактериальная клетка называется прокариотической?
- 3. Какие процессы, свойственные бактериальной клетке, свидетельствуют о том, что бактерии являются живыми организмами?
ЗАДАНИЯ
От школьников поступил ряд вопросов:
- 1. «Какая максимальная продолжительность жизни бактерии?»
- 2. «Почему бактерии невидимы?»
- 3. «Есть ли такое место, где не было бы бактерий?»
- 4. «Присутствуют ли бактерии в воде?»
- 5. «Умирает ли бактерия, когда мы её заливаем водой?»
- 6. «Сколько мы вдыхаем бактерий при одном вдохе?»
Попробуйте самостоятельно на них ответить.
Проверьте, насколько ваши ответы совпадают с вариантами, приведёнными ниже.
Ответы на вопросы школьников
1. Клетка бактерии живёт отделения к делению: при благоприятных условиях — только несколько десятков минут. Однако в состоянии анабиоза бактерии могут находиться неограниченное количество времени.
2. Из-за своих микроскопических размеров.
3. Такого места нет. Бактерии отсутствуют разве что в некоторых лабораториях, где с помощью специальных средств обеспечивается режим стерильности.
4. Да. И количество зависит от чистоты воды (табл. 2).
5. Нет, не умирает, обычно — наоборот, ведь именно недостаток влаги чаще всего замедляет рост бактерий.
6. При расчёте нужно принять во внимание: во-первых, количество бактерий в единице воздуха зависит от того, насколько чистым он является; во-вторых, объём воздуха, который вдыхает человек за один раз, в среднем составляет примерно 0,5 л. Результаты расчёта: приблизительно от 1-2 клеток — в хорошо проветренном помещении, до 150-500 клеток — в помещении со спёртым и затхлым воздухом.
ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Бактерии самые маленькие и самые большие
Самый малый теоретически возможный диаметр клетки, при котором она ещё способна размножаться — 0,15-0,2 мкм. При меньших размерах в клетке просто не хватит места для размещения рибосом, ДНК и минимального набора необходимых белков.
Размер бактерии микоплазмы грибовидной, вызывающей воспаление лёгких у крупного рогатого скота и коз, приближается к минимальной теоретически возможной границе: её клетки имеют диаметр около 0,25 мкм.
Самыми большими среди известных бактерий являются эпулописций Фишельсона и намибийская серная жемчужница. Первая живёт в пищеварительном тракте тропической рыбы-хирурга и имеет клетки до 0,5 мм длиной. Вторая найдена в океанических донных отложениях у берегов Намибии: её клетки достигают диаметра до 1 мм и видны без увеличительных приборов.
ГДЗ к учебнику можно найти тут. Подцарство одноклеточные кратко. Одноклеточные организмы — список с названиями и примерами
Тип простейшие включает примерно 25 тыс.
видов одноклеточных животных, обитающих в воде, почве или организмах других животных и человека. Имея морфологическое сходство в строении клеток с многоклеточными организмами, простейшие существенно отличаются от них в функциональном отношении.
Если клетки многоклеточного животного выполняют специальные функции, то клетка простейшего является самостоятельным организмом, способным к обмену веществ, раздражимости, движению и размножению.
Простейшие — это организмы на клеточном уровне организации. В морфологическом отношении простейшее равноценно клетке, но в физиологическом представляет собой целый самостоятельный организм. Подавляющее большинство их — микроскопически малых размеров (от 2 до 150 мкм). Однако некоторые из ныне живущих простейших достигают 1см, а раковины ряда ископаемых корненожек имеют в диаметре до 5-6 см. Общее количество известных видов превышает 25 тыс.
Строение простейших чрезвычайно разнообразно, но все они обладают чертами, характерными для организации и функции клетки.
Общим в строении в строении простейших являются два основных компонента тела — цитоплазма и ядро.
Цитаплазма
Цитоплазма ограничена наружной мембраной, которая регулирует поступление веществ в клетку. У многих простейших она усложняется дополнительными структурами, увеличивающими толщину и механическую прочность наружного слоя. Таким образом возникают образования типа пелликулы и оболочки.
Цитоплазма простейших обычно распадается на 2 слоя — наружный более светлый и плотный — эктоплазму и внутренний, снабженный многочисленными включениями,- эндоплазму.
В цитоплазме локализуются общеклеточные органоиды. Кроме того, в цитоплазме многих простейших могут присутствовать разнообразные специальные органеллы. Особенно широко распространены различные фибриллярные образования — опорные и сократимые волоконца, сократительные вакуоли, пищеварительные вакуоли и др.
Ядро
Простейшие обладают типичным клеточным ядром, одним или несколькими.
Ядро простейших имеет типичную двухслойную ядерную оболочку. В ядре распределен хроматиновый материал и ядрышки. Ядра простейших характеризуются исключительным морфологическим многообразием по размерам, числу ядрышек, количеству ядерного сока и т.д.
Особенности жизнедеятельности простейших
В отличие от соматических клеток многоклеточные простейшие характеризуются наличием жизненного цикла. Он слагается из ряда следующих друг за другом стадий, которые в существовании каждого вида повторяются с определенной закономерностью.
Чаще всего цикл начинается стадией зиготы, отвечающей оплодотворенному яйцу многоклеточных. За этой стадией следует однократно или многократно повторяющееся бесполое размножение, осуществляемое путем клеточного деления. Затем образуются половые клетки (гаметы), попарное слияние которых вновь дает зиготу.
Важной биологической особенностью многих простейших является способность к инцистированию. При этом животные округляются, сбрасывают или втягивают органеллы движения, выделяют на своей поверхности плотную оболочку и впадают в состояние покоя.
В инцистированном состоянии простейшие могут переносить резкие изменения окружающей среды, сохраняя жизнеспособность. При возвращении благоприятных для жизни условий цисты раскрываются и простейшие выходят из них в виде активных, подвижных особей.
По строению органоидов движения и особенностей размножения тип простейшие делится на 6 классов. Основные 4 класса: Саркодовые, Жгутиковые, Споровики и Инфузории.
Определение 1
Одноклеточные (простейшие) — организмы, в которых все функции живого выполняет одна клетка.
Кроме прокариот, к ним относятся одноклеточные эукариоты, среди которых есть и растения, и животные, и грибы.
Особенности одноклеточных организмов
Размеры простейших микроскопически малы. К особенностям одноклеточных организмов относится то, что они выполняют все функции живого с помощью клеточных органелл и является отдельным самостоятельным организмом, представленным лишь одной клетки. По строению и набором органелл клетки одноклеточных организмов подобные клеткам многоклеточных организмов.
Среди одноклеточных эукариот выделяют как просто построенные организмы (амеба, хлорелла), так и достаточно сложные (инфузории, ацетабулярии).
Если для клеток многоклеточных организмов характерно дифференцировка функций и невозможность выполнять сразу все функции живого, то одноклеточные организмы эту способность сохраняют. Высокий уровень их организации — клеточный. Клетка одноклеточных организмов — это целостный организм, которому присущи все свойства живого: обмен веществ, раздражимость, рост, размножение и тому подобное.
Их тело состоит из цитоплазмы, в которой различают внешний слой — эктоплазму, и внутренний — эндоплазму. В большинстве видов клетка снаружи покрыта оболочкой, которая предоставляет одноклеточной животному постоянную форму. У простейших проявляются органеллы, выполняющие различные функции:
- пищеварения (пищеварительные вакуоли),
- выделения (сократительные вакуоли),
- движения (жгутики, реснички),
- восприятия света (светочувствительный глазок)
и другие органеллы, обеспечивающие все процессы жизнедеятельности.
По способу питания — это гетеротрофные организмы.
Простейшим свойственна раздражительность, проявляющаяся в различных движениях — таксисе. Различают положительные таксисы — движения к раздражителю, и отрицательные таксисы — движения от раздражителя.
Попадая в неблагоприятные условия, простейшие образуют цисты. Инцистирование — важная биологическая особенность простейших. Оно не только обеспечивает переживания неблагоприятных условий, но и способствует широкому расселению.
Водные одноклеточные
Морские одноклеточные животные, например фораминиферы и радиолярии, имеют внешний скелет в виде известковой раковины.
К высокоорганизованных одноклеточных животных относятся инфузории. Органоидами движения в них выступают реснички, тело покрыто прочной эластичной оболочкой, которая предоставляет ему постоянной формы. Большинство инфузорий имеет два ядра: большое и малое. Большое вегетативное ядро — регулирует процессы движения, питания, выделения, а также бесполое размножение, осуществляемое поперечным делением клетки пополам.
Малое ядро — генеративное, оно выполняет важную функцию в половом процессе.
Среди водных одноклеточных организмов также выделяют миксотрофы — организмы, которые могут питаться как с помощью фотосинтеза, так и гетеротрофно. Например, эвглена зеленая.
Живет эвглена в пресноводных водоемах и плавает с помощью единого жгутика, расположенного на переднем конце тела. В цитоплазме эвглены имеются хлоропласты, содержащие хлорофилл, позволяет эвглену питаться фототрофные. Если нет света, она переходит на гетеротрофное питания. Благодаря этому свойству эвглена сочетает в себе признаки растения и животного, что свидетельствует об эволюционном единстве растительного и животного мира.
Одноклеточные растения и грибы
Замечание 1
В природе много не только одноклеточных животных, но и одноклеточных растений и грибов. Например, среди зеленых водорослей к представителям одноклеточных принадлежат хламидомонада и хлорелла, а среди грибов одноклеточными являются дрожжи.
Одноклеточные растения и животные являются типичными эукариотическими клетками, имеющими соответствующие органеллы:
- поверхностную мембрану,
- ядро,
- митохондрии,
- аппарат Гольджи,
- эндоплазматическую сеть,
- рибосомы.
Различия строения одноклеточных животных и одноклеточных растений связаны с различиями способа их питания. Для растительных клеток характерно наличие пластид, вакуоли, клеточной стенки и других особенностей, связанных с фотосинтезом. Для животных клеток характерно наличие гликокаликса, пищеварительных вакуолей и других особенностей, связанных с гетеротрофным питанием.
У грибов клетка имеет клеточную стенку, в этом проявляется сходство грибов с бактериями и растениями. Но грибы являются гетеротрофами, и это роднит их с животными.
Одноклеточные эукариоты размножаются преимущественно бесполым путем, но у некоторых из них (например, у инфузории-туфельки) наблюдается половой процесс — обмен генетической информацией, а в других (например, в хламидомонады) происходит половое размножение. Бесполое размножение происходит путем деления клетки пополам с помощью митоза. При половом размножении образуются гаметы, которые затем сливаются с образованием зиготы.
Замечание 2
Животные, состоящие из единственной клетки, располагающей ядром, называются одноклеточными организмами.
В них сочетаются характерные особенности клетки и независимого организма.
Одноклеточные животные
Животные подцарства Одноклеточных или Простейших обитают в жидких средах. Внешние формы их разнообразны — от аморфных особей, не имеющих определенных очертаний, до представителей со сложными геометрическими формами.
Насчитывается около 40 тысяч видов одноклеточных животных. К наиболее известным относятся:
- амеба;
- зеленая эвглена;
- инфузория-туфелька.
Амеба
Принадлежит классу корненожки и отличается непостоянной формой.
Она состоит из оболочки, цитоплазмы, сократительной вакуоли и ядра.
Усвоение питательных веществ осуществляется с помощью пищеварительной вакуоли, а кормом служат другие простейшие, такие как водоросли и . Для респирации амебе необходим кислород, растворенный в воде и проникающий через поверхность тела.
Зеленая эвглена
Обладает вытянутой веерообразной формой.
Питается за счет превращения углекислого газа и воды в кислород и продукты питания благодаря световой энергии, а также готовыми органическими веществами при отсутствии света.
Относится к классу жгутиковые.
Инфузория-туфелька
Класс инфузории, своими очертаниями напоминает туфельку.
Пищей служат бактерии.
Одноклеточные грибы
Грибы отнесены к низшим бесхлорофилльным эукариотам. Они отличаются наружным пищеварением и содержанием хитина в клеточной стенке. Тело образует грибницу, состоящую из гифов.
Одноклеточные грибы систематизированы в 4 основных классах:
- дейтеромицеты;
- хитридиомицеты;
- зигомицеты;
- аскомицеты.
Ярким примером аскомицетов служат дрожжи, широко распространенные в природе. Скорость их роста и размножения велика благодаря особенному строению. Дрожжи состоят из одиночной клетки округлой формы, размножающейся почкованием.
Одноклеточные растения
Типичным представителем низших одноклеточных растений, часто встречающихся в природе, являются водоросли:
- хламидомонада;
- хлорелла;
- спирогира;
- хлорококк;
- вольвокс.
Хламидомонада отличается от всех водорослей подвижностью и наличием светочувствительного глазка, определяющего места наибольшего скопления солнечной энергии для фотосинтеза .
Многочисленные хлоропласты заменены одним большим хроматофором. Роль насосов, откачивающих излишки жидкости, выполняют сократительные вакуоли. Передвижение осуществляется при помощи двух жгутиков.
Зеленые водоросли хлореллы, в отличие от хламидомонады, обладают типичными растительными клетками. Плотная оболочка защищает мембрану, а в цитоплазме расположено ядро и хроматофор. Функции хроматофора сходны с ролью хлоропласт наземных растений.
С хлореллой схожа водоросль шарообразной формы хлорококк. Местом ее обитания служит не только вода, но и суша, стволы деревьев, растущих во влажной среде.
Кто открыл одноклеточные организмы
Честь открытия микроорганизмов принадлежит голландскому ученому А. Левенгуку.
В 1675 году он разглядел их в микроскоп собственного изготовления.
За мельчайшими существами закрепилось название инфузория, а с 1820 года их стали называть простейшими животными.
Зоологами Келлекером и Зибольдом в 1845 году одноклеточные были отнесены к особому типу животного царства и разделены на две группы:
- корненожки;
- инфузории.
Как выглядит клетка одноклеточного животного
Строение одноклеточных организмов возможно изучить лишь с помощью микроскопа. Тело простейших существ состоит из единственной клетки, выполняющей роль независимого организма.
В состав клетки входят:
- цитоплазма;
- органоиды;
- ядро.
Со временем, в результате приспособления к окружающей среде, у отдельных видов одноклеточных появились специальные органоиды движения, выделения и питания.
Кто такие простейшие
Современная биология относит простейших к парафилетической группе животноподобных протистов. Наличие в клетке ядра, в отличие от бактерий, включает их в список эукариотов.
Клеточные структуры разнятся с клетками многоклеточных. В живой системе простейших присутствуют пищеварительные и сократительные вакуоли, у некоторых наблюдаются схожие с ротовой полостью и анальным отверстием органеллы.
Классы простейших
В современной классификации по признакам отсутствует отдельный ранг и значение одноклеточных.
Лабиринтула
Их принято подразделять на следующие типы:
- саркомастигофоры;
- апикомплексы;
- миксоспоридии;
- инфузории;
- лабиринтулы;
- асцестоспородии.
Устаревшей классификацией считается деление простейших на жгутиковых, саркодовых, ресничных и споровиков.
В каких средах обитают одноклеточные
Средой обитания простейших одноклеточных служит любая влажная среда. Амеба обыкновенная, эвглена зеленая и инфузория-туфелька являются типичными обитателями загрязненных пресных водных источников.
Наука долгое время относила опалин к инфузориям, благодаря внешнему сходству жгутиков с ресничками и наличию двух ядер.
В результате тщательных исследований родство было опровергнуто. Половое размножение опалин происходит в результате копуляции, ядра одинаковые, а ресничный аппарат отсутствует.
Заключение
Биологическую систему невозможно представить без одноклеточных организмов, являющихся источником питания других животных.
Простейшие организмы способствуют образованию горных пород, служат показателями загрязненности водоемов, участвуют в круговороте углерода . Широкое применение микроорганизмы нашли в биотехнологиях.
Одноклеточными или простейшими организмами принято называть те организмы, тела которых представляют собой одну клетку. Именно эта клетка и осуществляет все необходимые функции для жизнедеятельности организма: перемещение, питание, дыхание, размножение и удаление ненужных веществ из организма.
Подцарство Простейших
Простейшие выполняют одновременно и функции клетки, и отдельного организма. В мире насчитывается около 70 тыс. видов данного Подцарства, большая часть из них являются организмами микроскопического размера.
2-4 микрон — это размер мелких простейших, а обычные достигают 20-50 мкм; по этой причине увидеть их невооруженным глазом невозможно. Но встречаются, например, инфузории длиной в 3 мм.
Встретить представителей Подцарства простейших можно лишь в жидкой среде: в морях и водоемах, в болотах и влажных почвах.
Какими бывают одноклеточные?
Существует три типа одноклеточных: саркомастигофоры, споровики и инфузории. Тип саркомастигофор включает в себя саркодовые и жгутиковые, а тип инфузории — ресничные и сосущие.
Особенности строения
Особенностью строение одноклеточных является наличие структур, которые свойственны исключительно простейшим. Например, клеточный рот, сократительная вакуоль, порошица и клеточная глотка.
Для простейших характерно разделение цитоплазмы на два слоя: внутренний и наружный, который называют эктоплазмой. Строение внутреннего слоя включается в себя органеллы и эндоплазму (ядро).
Для защиты существует пелликула — слой цитоплазмы, отличающийся уплотнением, а подвижность и некоторые функции питания обеспечивают органеллы.
Между эндоплазмой и эктоплазмой расположены вакуоли, которые регулируют водно-солевой баланс в одноклеточном.
Питание одноклеточных
У простейших возможны два вида питания: гетеротрофный и смешанный. Различают три способа поглощения пищи.
Фагоцитозом называют процесс захвата твердых частиц пищи при помощи выростов цитоплазмы, которые есть у простейших, а также других специализированных клеток у многоклеточных. А пиноцитоз представлен процессом захвата жидкости самой клеточной поверхностью.
Дыхание
Выделение у простейших осуществляется при помощи диффузии или через сократительные вакуоли.
Размножение простейших
Существует два способа размножения: половое и бесполое. Бесполое представлено митозом, во время которого происходит деление ядра, а затем цитоплазмы.
А половое размножение происходит при помощи изогамии, оогамии и анизогамии. Для простейших характерно чередование полового размножения и однократного или многократного бесполого.
Класс Жгутиковые
Строение . У жгутиковых имеются жгутики, служащие органоидами движения и способствующие захвату пищи. Их может быть один, два или множество. Движением жгутика в окружающей воде вызывается водоворот, благодаря которому мелкие взвешенные в воде частички увлекаются к основанию жгутика, где имеется небольшое отверстие — клеточный рот, ведущий в глубокий канал-глотку.
Почти все жгутиковые покрыты плотной эластичной оболочкой, которая наряду с развитыми элементами цитоскелета определяет постоянную форму тела.
Генетический аппарат у большинства жгутиковых представлен одним ядром, но существуют также двуядерные (например, лямблии) и многоядерные (например, опалина) виды.
Цитоплазма четко делится на тонкий наружный слой — прозрачную эктоплазму и глубже лежащую эндоплазму.
Способ питания. По способу питания жгутиковые делятся на три группы. Автотрофные организмы как исключение в царстве животных синтезируют органические вещества (углеводы) из углекислого газа и воды при помощи хлорофилла и энергии солнечного излучения.
Хлорофилл находится в хроматофорах, сходных по организации с пластидами растений. У многих жгутиконосцев с растительным типом питания имеются особые аппараты, воспринимающие световые раздражения, — стигмы.
Гетеротрофные организмы (трипаносома — возбудитель сонной болезни) не имеют хлорофилла и поэтому не могут синтезировать углеводы из неорганических веществ. Миксотрофные организмы способны к фотосинтезу, но питаются также минеральными и органическими веществами, созданными другими организмами (эвглена зеленая).
Осморегуляторная и отчасти выделительная функции выполняются у жгутиковых, как у саркодовых, сократительными вакуолями, которые имеются у свободноживущих пресноводных форм.
Размножение. У жгутиковых отмечается половое и бесполое размножение. Обычная форма бесполого размножения — продольное деление.
Среда обитания. Жгутиковые широко распространены в пресных водоемах, особенно небольших и загрязненных органическими остатками, а также в морях. Многие виды паразитируют у различных животных и человека и тем самым приносят большой вред (трипоносомы, паразиты кишечника и др.
).
Что такое одноклеточные и многоклеточные организмы в вопросах ОГЭ по биологии. | ОГЭ и ЕГЭ по химии и биологии
Здравствуйте дорогие читатели моего канала. Сегодня я вам расскажу 3 тему или 3 вопрос из ОГЭ по биологии. 3 тема или 3 вопрос в ОГЭ по биологии называется «Одноклеточные и многоклеточные организмы. Царство грибы».
Сперва разберемся какие организмы относятся к одноклеточным и какие организмы относятся к многоклеточным организмам. К одноклеточным организмам относятся простейшие,бактерии, некоторые водоросли и некоторые виды грибов.
Представители одноклеточных организмов.Представители одноклеточных организмов.
Представители грибов.Представители грибов.
Почему я пишу что некоторые водоросли, так как выделяют 9 отделов водорослей. Это отдел сине-зелёные водоросли, отдел зеленые водоросли, отдел эвгленовые, отдел золотистые, отдел динофитовые, отдел жёлто-зеленые, отдел диатомовые, отдел бурые и отдел красные водоросли.
Кроме этого эти отделы делятся на классы, а классы делятся на порядки. И среди этих водорослей есть целые классы, а иногда бывают целые отделы которые относятся к многоклеточным организмам. К одноклеточным организмам относятся только низшие грибы, а высшие грибы относятся к многоклеточным организмам. Низшие грибы в основном выглядят в виде плесени, так как к низшим грибам еще относится и дрожжи. А высшие грибы которых мы видим — это грибы которое имеют тело и шляпку.
Сперва я разберу в чем сходство одноклеточных и многоклеточных организмов. Сходство одноклеточных и многоклеточных организмов: оба имеют клеточное строение и схожие процессы жизнедеятельности. А различием одноклеточных и многоклеточных является то что: одноклеточные состоят из одной клетки, а многоклеточные из большого количества клеток, также одноклеточные имеют микроскопический размер, а у многоклеточных клетки образую ткани и тогдалее.
Кроме этого нужно нужно знать в чем сходство и различие водорослей.
А также строение и функции бактерий, какие типы бактерий есть, какие бактерии бывают болезнетворными, то есть какие болезни вызывают бактерии.
Кроме этого нужно знать что такое лишайники. Лишайники представляют симбиоз гриба и водорослей.
Про грибы надо знать какие грибы относятся к низшим, а какие грибы относятся к высшим грибам. Так же надо знать способ питания грибов, строение низших и высших грибов, кроме этого чем отличаются грибы от растений и животных.
Подведя итог можно сказать что для того чтобы решить 3 вопрос по ОГЭ по биологии надо знать что такое одноклеточные и многоклеточные организмы, кто к ним относиться, а также строение и способ питания грибов и водорослей.
Если хотите узнать более подробно что такое одноклеточные и многоклеточные организмы и кто к ним относятся, а также что такое грибы более подробно то записывайтесь на занятие по подготовке к ОГЭ по биологии.
одноклеточных против многоклеточных | National Geographic Society
Клетки функционируют по-разному в одноклеточных и многоклеточных организмах, но в каждом организме каждая клетка имеет специализированные клеточные структуры или органеллы, которых много.
Эти органеллы отвечают за различные клеточные функции, такие как получение питательных веществ, производство энергии и производство белков. Одноклеточные организмы состоят только из одной клетки, которая выполняет все функции, необходимые организму, в то время как многоклеточные организмы используют для функционирования множество различных клеток.
Одноклеточные организмы включают бактерии, простейшие и дрожжи. Например, парамеций — это одноклеточный организм в форме тапочки, обитающий в воде пруда. Он принимает пищу из воды и переваривает ее в органеллах, известных как пищевые вакуоли. Питательные вещества из пищи проходят через цитоплазму к окружающим органеллам, помогая поддерживать функционирование клетки и, следовательно, организма.
Многоклеточные организмы состоят из более чем одной клетки, причем группы клеток дифференцируются, чтобы выполнять специализированные функции.У людей клетки дифференцируются на ранней стадии развития, чтобы стать нервными клетками, клетками кожи, мышечными клетками, клетками крови и другими типами клеток.
Различия в этих клетках легко наблюдать под микроскопом. Их структура связана с их функцией, а это означает, что каждый тип клеток принимает определенную форму, чтобы наилучшим образом служить своей цели. Нервные клетки имеют придатки, называемые дендритами и аксонами, которые соединяются с другими нервными клетками, чтобы двигать мышцы, посылать сигналы к железам или регистрировать сенсорные стимулы.Клетки внешней кожи образуют плоские стопки, которые защищают тело от окружающей среды. Мышечные клетки представляют собой тонкие волокна, которые соединяются вместе для сокращения мышц.
Клетки многоклеточных организмов также могут выглядеть по-разному в зависимости от органелл, необходимых внутри клетки. Например, в мышечных клетках больше митохондрий, чем в большинстве других клеток, поэтому они могут легко производить энергию для движения; клетки поджелудочной железы должны производить много белков и иметь больше рибосом и шероховатой эндоплазматической сети, чтобы удовлетворить эту потребность.
Хотя все клетки имеют общие органеллы, количество и типы присутствующих органелл показывают, как функционирует клетка.
Одноклеточные организмы: определение и примеры — видео и расшифровка урока
Примеры одноклеточных организмов
Все прокариоты, большинство простейших и некоторые грибы являются одноклеточными. Некоторые из этих организмов живут большими колониями, но каждая отдельная клетка представляет собой простой живой организм. Давайте посмотрим на некоторые примеры одноклеточных организмов.
Valonia ventricosa — протист. Это одноклеточная водоросль и один из крупнейших существующих одноклеточных организмов. Их можно найти в Карибском море и на севере, вплоть до Флориды. Обычно они одиночные, но иногда встречаются небольшими группами. Они имеют шаровидную форму и зеленый цвет. Подобно типичным одноклеточным организмам, они питаются, растут, размножаются и умирают как одна единственная клетка.
Почти каждый курс биологии использует Euglena, род простейших, который включает такие виды, как Euglena sanguinea и Euglena viridis , в качестве примера одноклеточных организмов.
Эвглена — один из наиболее изученных одноклеточных организмов. Ученые проводят разнообразную работу с эвгленами, чтобы узнать о ее жизненном цикле и повадках. Эвглены — одноклеточные жгутиковые протисты. Это означает, что они состоят из одной клетки и используют для передвижения хлыстообразный хвост, известный как жгутик (во множественном числе жгутики). Эвглена — это зеленые водоросли, встречающиеся в пресной и соленой воде, а также в тихих водоемах. Они занимаются фотосинтезом, чтобы производить энергию и выполнять все свои жизненные функции как одна одиночная клетка.
Другим широко изучаемым одноклеточным организмом является парамеций. Парамеции — одноклеточные реснитчатые простейшие. Их можно найти в пресноводной и морской среде, а также в стоячих прудах. Их одноклеточное тело покрыто маленькими волосками, называемыми ресничками, которые они используют для передвижения.
Итоги урока
Давайте повторим. Одноклеточные организмы — это полные особи, состоящие только из одной клетки.
Эти организмы состоят из протистов, прокариот и грибов. Хотя все они различаются по внешнему виду и местам обитания, у всех у них есть одна очень важная общая черта; они способны выполнять все свои необходимые жизненные функции, состоящие только из одной клетки.
Что нужно помнить
- Одноклеточные организмы – это организмы, все процессы жизнедеятельности которых осуществляются в пределах одной клетки
- Одноклеточные организмы включают протистов, прокариот и грибы
Результат обучения
Закончив этот урок, вы сможете описать и перечислить примеры одноклеточных организмов.
Эволюция апоптозоподобной запрограммированной гибели клеток у одноклеточных простейших паразитов | Parasites & Vectors
Апоптозоподобная программируемая клеточная гибель (PCD) была описана в нескольких таксонах одноклеточных простейших, включая простейших паразитов Plasmodium [1, 2], Trypanosoma [3, 4] и Leishmania [1, 2].
5].PCD у протистов, по-видимому, имеет некоторые общие морфологические черты с апоптозом в многоклеточных организмах, включая хромосомную конденсацию, фрагментацию ядерной ДНК, сморщивание клеток, потерю потенциала митохондриальной мембраны, образование апоптотических телец и экстернализацию фосфатидилсерина [2, 4]. Однако без знания молекулярных механизмов, участвующих в апоптозоподобной ПКС паразитов, неясно, какие маркеры можно ожидать и при каких условиях. Апоптоз у многоклеточных организмов инициируется в ответ на широкий спектр стрессовых факторов, начиная от клеточного старения и заканчивая окислительным повреждением [6, 7], и осуществляется путем активации каспазного семейства цистеиновых протеаз [8].Хотя апоптозоподобная ПКС у одноклеточных организмов также может быть инициирована различными стрессами [4, 5, 9], а морфологические признаки (диагностика) сходны у многоклеточных и одноклеточных таксонов [2, 4, 9], большая часть молекулярных Механизмы одноклеточных организмов, по-видимому, различаются.
Например, канонические каспазы кодируются только в геномах Metazoan [10–12].
Эта смесь сходства в основных чертах апоптоза и ключевых различий в основных механизмах у разных таксонов привела к спорам о том, действительно ли апоптоз или его форма является процессом, наблюдаемым у простейших паразитов.Это противоречие должно быть разрешено, поскольку возможность манипулирования путями гибели клеток у паразитов может открыть новые возможности для борьбы с болезнями. Эмпирические тесты функции генов достигли прогресса в идентификации некоторых молекул, участвующих в выполнении апоптоза, и биоинформатика предлагает дополнительный подход для интеграции этих результатов по таксонам. Биоинформационное сравнение многоклеточных модельных систем, простейших паразитов и их свободноживущих родственников может выявить гены-кандидаты, которые кодируют белки со сходной функцией в разных таксонах с разным образом жизни, а также выявить степень сохранения или расхождения в их последовательностях.
Здесь мы используем биоинформатический подход для выявления инициаторов и исполнителей клеточной гибели, которые, по-видимому, являются общими для простейших паразитов и многоклеточных таксонов. Этот тип анализа может помочь функциональным исследованиям в поиске возможных мишеней для лекарств, а также может пролить свет на то, возникли ли эти общие механизмы в результате конвергентной или дивергентной эволюции, что необходимо для информирования исследований, задающихся вопросом, «почему» такие черты развились.
Понимание эволюционного и экологического давления, формирующего экспрессию апоптозоподобной PCD у простейших паразитов, также имеет решающее значение для успеха вмешательств, нацеленных на эту черту.Эволюция и экология апоптозоподобного PCD у простейших паразитов рассматривается в Pollitt et al . [13], но вкратце: предполагается, что естественный отбор будет благоприятствовать генотипам (клонам), в которых некоторые паразиты подвергаются апоптозу, если это увеличивает передачу их клонов-сородичей (родственников).
Эта гипотеза предсказывает, что паразиты должны использовать апоптоз в соответствии с их родством и в соответствии с изменениями их плотности. Например, генотип паразита (группа, полученная в результате клональной экспансии) может выиграть от снижения скорости его размножения, если неконтролируемая репликация может привести к преждевременной смерти хозяина или переносчика.В ситуации, когда инфекция состоит из близких родственников (то есть клонов), погибшие паразиты могут способствовать передаче (приспособленности) своих родственников и косвенно передавать общую генетическую информацию, проявляя осторожность. Однако если инфекция содержит несколько неродственных коинфицирующих генотипов, то преимущества ПЦД распространяются на все генотипы. В этой ситуации, если бы паразиты подвергались PCD, они помогали бы неродственным конкурентам, что не является стратегией, одобряемой естественным отбором.
Недавняя эмпирическая работа предполагает, что паразиты Plasmodium , подобно бактериям, способны координировать поведение как клональная группа и изменять свои репродуктивные стратегии в ответ на изменения как родства, так и плотности [13–17].
Если на экспрессию апоптозоподобной PCD влияют родство и плотность, то выявление механизмов, лежащих в основе этого признака, может также показать, как паразиты координируют свое социальное поведение. Однако проверка того, является ли смерть, подобная апоптозу, в одноклеточных организмах per se , является сложной задачей, и на сегодняшний день лишь немногие исследования предоставляют подтверждающие данные (обзор в [18]).С другой стороны, апоптоз в одноклеточных организмах потенциально может быть неблагоприятным, но неизбежным следствием некоторых клеточных процессов (таких как старение [18]). В этом случае идентификация молекул, участвующих в апоптозоподобной ПКС, может выявить гены, связанные с плейотропными взаимодействиями. Поскольку одно и то же давление отбора не обязательно может быть вовлечено как в эволюцию, так и в поддержание смерти, подобной апоптозу, внутри и между таксонами паразитов, требуется идентификация механизма, участвующего в инициации и осуществлении смерти.
Апоптоз в многоклеточных организмах
Во время апоптоза в многоклеточных организмах клетка активирует механизм самоубийства, который завершается конденсацией хромосом и фрагментацией ядерной ДНК [19, 20]. У млекопитающих внутренний путь апоптоза активируется пермеабилизацией митохондриальной мембраны [21, 22] и высвобождением митохондриальных белков, цитохрома c [23], фактора индукции апоптоза (AIF) [24] и эндонуклеазы G (EndoG). в цитоплазму [25]; активация цистеиновых эндопротеаз семейства каспаз является ключом к катаболическому осуществлению апоптоза [8].Цитохром c , AIF и каспазы активируют нуклеазы. У растений апоптоз также активируется высвобождением факторов из митохондрий (хотя цитохром c , по-видимому, не участвует), что приводит к конденсации хроматина и деградации ДНК [26]. Растения не содержат канонических каспаз, но эту роль выполняют их ортологи в семействе метакаспаз. Интересно, что растительные метакаспазы имеют другую субстратную специфичность по сравнению с каспазами млекопитающих, но они все же проявляют биологическую активность, сходную с каспазами, которая приводит к апоптозу [26, 27].
Апоптоз, подобный PCD в одноклеточных организмах 28]. Многие элементы сети апоптоза дрожжей аналогичны описанным ранее у млекопитающих [29, 30]. Это включает транслокацию митохондриальных белков AIF [31], EndoG [32] и цитохрома
c [33] в цитоплазму, где их способы действия сходны с их аналогами у млекопитающих.Как и растения, дрожжевые клетки экспрессируют гомологи каспаз – метакаспазы [10, 11]. Разрушение метакаспаз дрожжей отменяет апоптоз, индуцированный перекисью водорода, тогда как избыточная экспрессия метакаспаз увеличивает индуцированную перекисью водорода протеолитическую активность метакаспаз, что приводит к апоптозу [10]. Апоптоз также происходит у свободноживущих одноклеточных реснитчатых простейших во время конъюгации. Например, у Tetrahymena thermophila родительский макронуклеус избирательно удаляется из цитоплазмы с помощью процесса, подобного апоптозу [34].Апоптоз, подобный ПКС у паразитов
По сравнению с апоптозом в модельных организмах понимание механизмов ПКС в паразитарных организмах остается ограниченным.
Однако исследования выявили маркеры апоптоза у разных таксонов паразитов, в том числе у трипаносом [3, 4], Leishmania [5] и Plasmodium [1, 2, 35, 36]. У этих организмов наблюдаются типичные признаки апоптозоподобной гибели клеток, такие как сморщивание клеток, ядерная конденсация или фрагментация ДНК, активация протеаз семейства каспаз и накопление цитохрома c в цитоплазме [2, 4].Апоптоз можно индуцировать с помощью различных агентов, таких как лекарства или окислительный стресс, вызванный перекисью водорода [4, 5] или встречающимися в природе донорами оксида азота [35]. Скорость апоптоза была количественно определена для паразитов Plasmodium [1, 2, 13] — у P. berghei до 50% паразитов в средней кишке комара (оокинеты) подвергаются апоптозу [1]. Однако существуют значительные различия во времени и доле оокинетов, положительных на апоптоз, как между видами, так и в соответствии с используемыми маркерами [13].Экспериментально подтверждены функции всего двух факторов апоптоза одноклеточных простейших: AIF Tetrahymena [37] и EndoG трипаносоматид [38].
Хотя такие исследования предлагают элегантный способ экспериментального определения функций генных продуктов, это может быть сложно, если молекулы участвуют во многих регуляторных путях или активны только в определенных ситуациях. Кроме того, сложность механизмов индукции и выполнения апоптоза у других таксонов может свидетельствовать о том, что у простейших также задействованы множественные пути.
Исполнители апоптоза: каспазы
Биохимические эксперименты позволяют предположить, что протеазы активируются во время апоптоза у Plasmodium [2] и трипаносоматидных паразитов рода Leishmania [39]. Однако неясно, какие протеазы играют центральную роль в осуществлении апоптозоподобной гибели клеток. Хотя геномы этих паразитов не кодируют «классические» каспазы, они кодируют близких членов семейства, метакаспазы [40, 41], как и других эукариот, не относящихся к млекопитающим [10, 11, 26, 27]; метакапазы, как и истинные каспазы, относятся к семейству С14 с цистеиновыми протеазами клана CD [42].
Было высказано предположение, что метакаспазы могут выполнять биологические функции, аналогичные каспазам многоклеточных животных, и, хотя данных мало, они были связаны с запрограммированной гибелью клеток у растений и дрожжей [10, 11, 26, 27]. Участвуют ли метакаспазы непосредственно в апоптозе простейших, остается неясным, поскольку доказательства их участия противоречивы по причинам, изложенным ниже.
Во-первых, в то время как каспазы позвоночных обладают специфичностью в отношении Asp и P1, на сегодняшний день ни одна охарактеризованная цистеиновая протеаза из простейших паразитов не имеет такого же предпочтения в отношении P1; действительно, при изучении метакаспазы, включая растительные метакаспазы, обладают специфичностью к Arg и/или Lys на P1.Во-вторых, Trypanosoma brucei обладает пятью генами метакаспаз. У двух из них (MCA1 и MCA2) отсутствует предполагаемый цистеин в активном центре, и поэтому, вероятно, они не являются активными цистеиновыми протеазами [43]. Тройной нулевой мутант, лишенный активных метакаспаз, был выделен после последовательных делеций генов, но у этого мутанта все еще наблюдалась активация программ апоптоза.
Эти эксперименты демонстрируют, что метакаспазы участвуют не только в апоптозоподобной гибели клеток трипаносоматид [44]. В-третьих, паразиты Plasmodium обладают тремя метакаспазами.Добавление ингибитора каспаз Z-VAD-fmk к Plasmodium berghei приводит к уменьшению количества апоптотических оокинетов, а также увеличению числа ооцист в средней кишке комара [1]. Однако использование зондов, разработанных для клеток млекопитающих, таких как Z-VAD-fmk, в высоких концентрациях может привести к ингибированию цистеиновых протеаз, отличных от метакаспаз. Такой нецелевой эффект может дополнительно усугубляться небольшим гидрофобным остатком Ala в P2 Z-VAD-fmk, поскольку он предпочитает цистеиновые протеазы папаинового семейства [45].Исследования метакаспазы 1 Plasmodium berghei показывают, что этот белок экспрессируется в женских гаметоцитах и на всех стадиях комаров, включая стадии средней кишки. Однако, когда PbMC1 был удален, авторам не удалось обнаружить фенотип, связанный с апоптозом [46], хотя они также не наблюдали апоптозоподобной гибели клеток в контрольной линии дикого типа.
Картина еще больше осложняется предположением, что делеция MC1 участвует в повышении плотности паразитов, но не через предотвращение апоптоза [13].
В целом знания об эволюционно консервативных субстратах протеаз семейства каспаз, участвующих в апоптозе, все еще очень ограничены. Фактически TSN (Tudor Staphylococcal Nuclease), нуклеаза, участвующая в процессе сплайсинга РНК, является единственным хорошо известным субстратом протеаз апоптоза высших растений и млекопитающих [27]. Опосредованный каспазой протеолиз TSN важен для развития апоптоза, поскольку инактивация экспрессии TSN в клетках растений [27] и человека [27] приводит к индукции программы апоптоза.Расщепление TSN ингибирует его активацию сплайсинга мРНК и его рибонуклеазную активность, и это играет важную роль в осуществлении апоптоза. Идентификация субстратов метакапаз простейших обеспечит еще один подход к функциональным исследованиям для оценки роли метакаспаз в апоптозе. Чтобы решить эту проблему, мы использовали BLASTP [47] для обнаружения гомологов TSN в геномах простейших паразитов и обнаружили гомологи этого белка в трипаносоматидах и апикомплексах (значения e < 5,1e-54).
В частности, мы обнаружили следующие предполагаемые нуклеазы TSN (лучшие бласты) в: L. major (идентификатор uniprot Q4Q5I7_LEIMA), T. cruzii (идентификатор uniprot Q4DY53_TRYCR), P. falciparum (plasmodb PF11_0302) и T. gondii (идентификатор uniprot B6KG97_TOXGO). Мы предполагаем, что, поскольку белки TSN являются субстратами каспаз животных и метакаспаз растений, они могут быть также субстратами протеаз апоптоза у простейших паразитов.
Исполнители апоптоза: нуклеазы
Как упоминалось ранее, нуклеосомная фрагментация ДНК является классическим признаком апоптоза в многоклеточных системах [19, 20].Фрагментация ДНК вызывается нуклеазами апоптоза, которые разрезают ядерную ДНК во время программы апоптоза. Предполагаемой первичной мишенью ДНКаз являются паразитические плазмиды и вирусы бактерий. В пользу этой гипотезы говорит тот факт, что в бактериальных геномах присутствуют близкие гомологичные белки нуклеаз (например, EndoG [25, 32, 38], ZEN1 [48], NUC1 [49]).
Многие типы ДНКаз, участвующих в апоптозе, идентифицированы у разных видов. В таблице 1 представлены результаты нашего поиска гомологии BLAST для гомологов различных нуклеаз апоптоза, которые обсуждаются ниже.
Одной из наиболее известных нуклеаз апоптоза является ДНКаза, активируемая каспазой млекопитающих, или CAD [50]. CAD находится в комплексе с его белком-ингибитором ICAD, также называемым фактором фрагментации ДНК 45 [51]. Показано, что расщепление этого ингибитора каспазами активирует апоптозную деградацию. Как показано в таблице 1, гомологи CAD и ICAD присутствуют только в геномах некоторых животных. Другой хорошо описанной нуклеазой апоптоза является эндонуклеаза G [25, 32, 38], митохондриальная ДНКаза, которая высвобождается из митохондрий во время апоптоза.Экспериментальные данные указывают на то, что активность этого белка эволюционно законсервирована в многоклеточных организмах, дрожжах и трипаносоматидах [25, 32, 38].
Как показано в Таблице 1, EndoG эволюционно консервативен в большинстве эукариотических систематических групп, включая растения и некоторые Apicomplexa. Удивительно, но у вида Plasmodium нет очевидных ортологов. Хорошо известно, что с геномом Plasmodium трудно работать с использованием биоинформационных подходов (см. [52]), поэтому мы подтвердили этот результат с помощью анализа доменов PFAM [53, 54].Эндонуклеазный NS-домен (PFAM ID PF01223) типичен для белка EndoG и не обнаружен в известных протеомах Plasmodium .
Это наблюдение позволяет предположить, что делеция EndoG произошла во время эволюции паразитов Plasmodium из других Apicomplexa, предполагая, что паразиты Plasmodium должны иметь другие нуклеазы апоптоза. Другой типичной ДНКазой апоптоза в таксонах животных является NUC1 [49]. Как показано в таблице 1, NUC1 кодируется в геноме Tetrahymena , но не в простейших паразитах.Помимо EndoG, ZEN1 является ключевой ДНКазой апоптоза у растений [48].
Как показано в таблице 1, гомологи ZEN1 присутствуют у протистов, но не у животных или грибов. ZEN1 является предполагаемой ДНКазой апоптоза паразитических одноклеточных простейших. Мы предполагаем, что этот фермент может быть активен во время апоптоза у паразитов Plasmodium , у которых нет гомологов EndoG и NUC1. Эти результаты также позволяют предположить, что апоптоз простейших паразитов более похож на процессы апоптоза у растений, чем у животных.Однако также интересно отметить, что у трипаносоматидов есть гомологи как Zen1, так и EndoG.
Фактор индукции апоптоза
AIF (фактор индукции апоптоза) представляет собой митохондриальный флавопротеин [24], впервые охарактеризованный в клетках млекопитающих. Показано, что AIF достаточно для индукции апоптоза изолированных ядер и что при апоптозе этот белок транслоцируется в ядро. Микроинъекция AIF в цитоплазму вызывает конденсацию хроматина, расщепление ДНК и диссипацию митохондриальной трансмембраны.Он также может функционировать как электронная трансфераза через механизм, аналогичный ферредоксинредуктазам у бактерий [55].
Проапоптозная активность AIF не требует активности кофактора FAD или каспазы. Совсем недавно апоптотическая деградация ДНК, индуцированная AIF, наблюдалась у нематоды Caenorhabditis elegans [56] и у слизевика Dictyostelium discoideum [57]. В очень недавней статье показано [37], что AIF также является фактором индукции апоптоза у свободноживущих простейших инфузорий Tetrahymena thermophila .Нарушение AIF задерживает нормальный ядерный апоптоз и ядерную конденсацию. В этом случае AIF также транслоцируется из митохондрий в макронуклеус во время ядерного апоптоза. Эти наблюдения позволяют предположить, что запрограммированная гибель клеток, опосредованная AIF, является филогенетически примитивной формой апоптоза, законсервированной у многоклеточных организмов и простейших. Мы использовали поиск гомологии BLAST для обнаружения гомологов генов AIF в геномах паразитических простейших. Наш филогенетический анализ, показанный на рисунке 1, показывает, что ортологи AIF кодируются в геномах Apicomplexa, но не в геномах трипаносоматид.
Это также указывает на то, что гомологи AIF, кодируемые геномами трипаносоматидов, более тесно связаны с другими белками, чем с AIF, предполагая, что у трипаносоматидов нет ортологов AIF.
Согласованное филогенетическое дерево экономии гомологов AIF . Рассчитано с использованием программного обеспечения PHYLIP с 1000 репликациями начальной загрузки. Выравнивание белков было отредактировано, а столбцы, содержащие пробелы, удалены. Прикладные выравнивания содержали 269 информативных сайтов. Красные подписи обозначают ортологи фактора индукции апоптоза (AIF), зеленые подписи обозначают ортологи НАДН-дегидрогеназы, а синие обозначают ортологи глутатионоксидоредуктазы.Метки ветвей указывают значения начальной загрузки. Ортологов AIF у трипаносоматид нет.
Сигнальные пути апоптоза
В дополнение к объяснению процессов, связанных с тем, как клетка выполняет свою программу апоптоза, также важно понимать, как он регулируется.
Например, апоптоз не всегда является необратимым процессом, и апоптоз может взаимодействовать с другими формами гибели клеток, такими как аутофагия. У млекопитающих апоптоз можно индуцировать через активацию сигнальных комплексов смерти [40].К ним относятся лиганды (например, TNF), рецепторы (например, FAS, TNFR1) и адаптеры, такие как TRAF и MATH. У большинства этих белков нет явных ортологов вне многоклеточных организмов [см. обзор [40]], но обнаружение эволюционных отношений между животными и одноклеточными гомологичными сигнальными белками требует очень чувствительных инструментов для доменного анализа [40]. Однако также возможно, что механизмы регуляции апоптоза менее эволюционно консервативны, чем механизмы, участвующие в осуществлении апоптоза.Если разные обстоятельства вызывают реакцию апоптоза у разных видов паразитов, то могут потребоваться различные регуляторные механизмы, но они могут подавать сигналы одному и тому же исполнительному механизму.
Другим ключевым пробелом в понимании апоптоза является то, как клетки решают, следует ли инициировать запрограммированную смерть.
Например, пути восприятия питательных веществ [58] хорошо изучены и могут обеспечивать сигналы для инициации запрограммированной смерти через аутофагию в ответ на голодание. Если апоптозоподобный PCD аналогичен самоубийству, эволюционная теория предсказывает, что он должен быть условно инициирован в ответ на плотность и родственность паразитов в пределах инфекции (обзор в [13]).Если да, то как отдельные клетки паразита обнаруживают эту информацию и определяют, заслуживают ли их условия апоптоза или пролиферации? Например, действительно ли факторы стресса, вызывающие апоптоз, обнаруживаются паразитами для сбора информации о плотности и родстве? Очевидная параллель здесь — регуляция социального поведения у бактерий посредством чувства кворума [59]. Клонально-родственные группы бактерий используют чувство кворума для инициации зависимого от плотности поведения, соответствующего их обстоятельствам, включая: секрецию антибиотиков, производство внеклеточного матрикса и образование биопленки, испускание света и переключение режима подвижности [59].
Трудно предсказать, имеют ли такие гомологи аналогичную функцию у эукариот, потому что сигнальные и регуляторные сети быстро развиваются [60-62]. Следовательно, в то время как многие гены, участвующие в сетях распознавания кворума, были проверены, идентификация гомологов в геномах прокариотических и эукариотических организмов является очень сложной задачей. В качестве альтернативы, недавняя работа, выявляющая рецепторы, участвующие в зависящей от плотности дифференцировке Trypanosoma brucei , может послужить отправной точкой в поисках зависимых от плотности влияний на апоптоз.Передача трипаносом мухе цеце требует дифференциации от «тонких форм» к «приземистым формам», которые циркулируют в организме хозяина в стадии остановки G0, предварительно адаптированные для передачи [63]. Производство коренастых форм зависит от плотности и включает зависящий от плотности сигнал (SIF), что приводит к экспрессии транспортеров в семействе PAD, которые передают сигналы об изменении окружающей среды [63].
Однако наши поиски BLASTP не выявили гомологичных белков этих рецепторов в Plasmodium или Tetrahymena , подтверждая предположение, что существуют значительные различия в механизмах, регулирующих апоптозоподобную PCD у простейших паразитов.
Апоптозоподобная ПКС без митохондрий
Trichomonas vaginalis не имеет митохондрий [64], но вместо них имеет гидрогеносомы. Гидрогеносомы редуцированы как структурно, так и биохимически по сравнению с классическими митохондриями, и недавние исследования показывают, что они имеют общего предка с митохондриями [64]. У T. vaginalis апоптозоподобная гибель клеток может быть вызвана обработкой проапоптозными препаратами (активаторами каспазы) или истощением питательных веществ [65, 66], а ингибиторы панкаспазы способны предотвращать апоптоз.Фрагменты ДНК при каноническом апоптозе имеют определенную длину и выявляются с помощью типичного лестничного профиля электрофореза. Напротив, T. vaginalis демонстрирует фрагментацию ДНК без специфического масштаба, и фрагменты наблюдаются в виде мазка.
Мы использовали биоинформатику, чтобы выяснить, являются ли элементы механизма апоптоза общими для митохондриальных и амитохондриальных простейших паразитов, сосредоточившись на AIF, EndoG и цитохроме c , используя поиск BLASTP.Когда цитохром пекарских дрожжей c (идентификатор uniprot CY1_YEAST) и эндонуклеаза G человека (идентификатор uniprot NUCG_HUMAN) использовались в качестве последовательностей запроса, лучшие совпадения были обнаружены с очень низкими значениями e (0,56 и 0,6), что позволяет предположить, что гомологи этих белков отсутствуют в T. vaginalis . Однако при использовании Tetrahymena AIF было обнаружено шесть сильных попаданий со значениями e меньше 0,01. Затем мы проверили этот результат, используя взаимный взрыв с нашим сервером аннотаций HT-SAS [67, 68].Это показывает, что предполагаемые гомологи AIF более тесно связаны с бактериальными флавопротеинами, тиоредоксинредуктазой, редуктазой оксида азота, флуоредуксином и дигидролипоилдегидрогеназой.
Мы также обнаружили гомологи факторов апоптоза: ДНКазы ZEN1, NUC1 (см. Таблицу 1) и TSN (идентификатор uniprot A2DM81_TRIVA; e-значение 2,2e-34) при использовании поиска гомологии BLASTP в базе данных uniprot. Эти анализы предполагают, что митохондриальные факторы апоптоза отсутствуют у T. vaginalis , но их функция заменена ядерными факторами апоптоза.
Факты об одноклеточном организме для детей
Valonia ventricosa , вид водорослей, является одним из крупнейших одноклеточных видов. Его диаметр может достигать 5 сантиметров (2,0 дюйма).Одноклеточные организмы – это организмы, состоящие из одной клетки. Они делятся на два совершенно разных типа, из разных классификационных царств.
Различия между прокариотами и эукариотами значительны. У эукариот есть ядро и различные субклеточные органы, называемые органеллами, а у прокариот их нет.
Наблюдения
Почти все одноклеточные организмы являются микроорганизмами, но эукариот и многих прокариот можно наблюдать с помощью сложного микроскопа.
Бактерии выглядят как темные точки. Чтобы собрать одноклеточные организмы для наблюдения, можно положить покровное стекло на поверхность воды в пруду и оставить на ночь. К следующему утру многочисленные одноклеточные организмы вырастут на дне листа целыми колониями. Они быстро размножаются: колонии могут удвоить свой размер в период от 30 минут до нескольких часов.
Одноклеточные организмы можно найти повсюду. Древнейшие формы жизни существовали 3,8 миллиарда лет назад, если не больше. Они используют различные стратегии выживания: фотосинтез (цианобактерии), хемотрофию (многие археи) и гетеротрофию (амебы). У некоторых одноклеточных организмов есть жгутики, маленькие хвостики, которые они используют для передвижения, или лобоподы, расширения клеточного скелета (цитоскелета), которые выглядят как шарикообразные руки. Жгутики наших одноклеточных предков встречаются вплоть до животных, где они выглядят как жгутиковые сперматозоиды.
Из всех шести супергрупп эукариот четыре состоят исключительно из одноклеточных организмов.
Одноклеточные организмы различаются по размеру: самые маленькие бактерии имеют размер всего треть микрона (300 нанометров) в поперечнике, вплоть до титанических плазмодиальных слизевиков, которые могут вырасти до 20 см (8 дюймов) в поперечнике. Крупнейшие одноклеточные организмы могут иметь миллионы ядер, разбросанных по всей клеточной оболочке. Чтобы наблюдать за некоторыми из самых маленьких одноклеточных организмов, требуется электронный микроскоп, в то время как самые большие можно увидеть с помощью микроскопа или любого другого устройства, улучшающего изображение.
Связанные страницы
Картинки для детей
Современные строматолиты в заливе Шарк, Западная Австралия. Строматолиту может потребоваться столетие, чтобы вырасти на 5 см.
Сообщество донных обитателей, обитающее глубоко в европейской части Арктики.
Paramecium tetraurelia , инфузория с видимой ротовой бороздкой
Изображение диатомовой водоросли, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа
Изображение почкования с помощью просвечивающего электронного микроскопа Ogataea polymorpha
Наши древнейшие предки были одноклеточными организмами: 13.
7: Космос и культура: NPRТо, что ученые считают нашим старейшим предком, одноклеточный организм по имени LUCA, вероятно, жил в экстремальных условиях, когда магма встречалась с водой — в обстановке, похожей на эту из вулкана Килауэа в Национальном парке вулканов Гавайев. Данита Делимонт / Getty Images / Gallo Images скрыть заголовок
переключить заголовок Данита Делимонт / Getty Images / Gallo Images То, что ученые считают нашим старейшим предком, одноклеточный организм по имени LUCA, скорее всего, жил в экстремальных условиях, когда магма встречалась с водой — в обстановке, похожей на эту из вулкана Килауэа в Национальном парке вулканов Гавайев.
Если викторианцы были оскорблены утверждением Чарльза Дарвина о том, что мы произошли от обезьян, представьте себе их удивление, когда они узнали, что наш первопредок был гораздо более примитивным, простым одноклеточным существом, нашей микробной Евой.
Теперь мы знаем, что все существующие живые существа произошли от одного общего предка по имени ЛУКА, Последний Всеобщий Общий Предок.Трудно придумать более объединяющий взгляд на жизнь. Все живые существа связаны с одноклеточным существом, корнем сложно-ветвящегося древа жизни. Если бы мы могли воспроизвести фильм о жизни в обратном порядке, мы бы нашли этого маленького человечка в отправной точке, единственного актера в том, что станет очень драматической историей, продолжающейся около 4 миллиардов лет.
Вполне возможно, что до LUCA существовали и другие формы жизни. Мы точно не знаем, кем была LUCA и когда она процветала.
Но палеобиологи — ученые, изучающие существа, жившие давным-давно, — блестяще преуспели в отображении эволюции жизни снизу вверх с необычайной детализацией, особенно учитывая трудности с поиском ископаемых свидетельств существования существ, живших миллиарды лет назад.Вместо того, чтобы искать кости или отпечатки в скалах, чтобы найти LUCA, они смотрят на ДНК. Они могут проследить LUCA до простого прокариотического существа (одноклеточная бактерия с незащищенным генетическим материалом), которое жило около 3 миллиардов лет назад. Должно быть, это был очень крепкий организм, способный выжить в очень экстремальных условиях.
Древо жизни довольно сложное. Однако, если вы посмотрите на картинку, вы узнаете две важные вещи: во-первых, что люди и другие животные являются абсолютным меньшинством, веточка внизу справа в составе эукариот, организмов с клетками, имеющими ДНК в качестве защищенного генетического материала мембраной.(К эукариотам относятся животные, растения, грибы и простейшие.
) Во-вторых, подавляющее большинство живых существ — бактерии.
Рядом с эукариотами вы найдете археи, также одноклеточные организмы, способные выживать в экстремальных условиях, например вблизи горячих подводных термальных источников или бескислородных болот. Все данные указывают на то, что LUCA была примитивной формой архей.
Биолог-эволюционист Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, попытался найти LUCA в генах бактерий и архей.Это непростая задача, так как организмы часто обмениваются генами, что затрудняет определение того, что произошло от очень древней линии, а что было получено совсем недавно.
Стратегия Мартина заключалась в поиске генов, обнаруженных по крайней мере в двух видах современных бактерий и архей; это указывало бы на то, что ген был унаследован от далеких предков, а не был получен случайным образом недавно.
Проанализировав гены 2000 современных микробов, секвенированные за последние 20 лет, исследователи обнаружили 355 семейств генов, которые часто появлялись среди микробов, предполагая, что они имеют общее происхождение.
После анализа данные ДНК показали, что LUCA был анаэробом (жил в отсутствие кислорода) и термофилом, то есть теплолюбивым. Как писали Мартин и его сотрудники:
«LUCA населяли геохимически активную среду, богатую H 2 (газообразный водород), углекислый газ и железо. Данные подтверждают теорию автотрофных [организмов, способных питаться простыми неорганическими веществами] зарождение жизни… в гидротермальной среде».
Другими словами, согласно этим результатам, LUCA, вероятно, был простым одноклеточным организмом, который жил там, где морская вода и магма встречались на дне океана, в так называемых гидротермальных жерлах.
Есть, конечно, и критики теории, которые утверждают, что жизнь возникла вместо этого на суше и мигрировала в подводные среды обитания, чтобы защитить себя от сложных условий на поверхности — из-за интенсивных и частых метеоритных ударов, которые угасли около 3,9 миллиарда лет. тому назад. Ответ, если его удастся найти, будет зависеть от того, действительно ли сохранились какие-либо биохимические признаки такой примитивной земной жизни, что является трудной задачей из-за постоянного взбалтывания древних горных пород.
На данный момент данные указывают на нашу микробную Еву как на крепкий подводный организм, способный процветать в очень суровых условиях. Мы должны ожидать этого от любого организма, который разветвился, чтобы стать любым другим когда-либо жившим существом. Разговор о генетическом наследии!
Марсело Глейзер — физик-теоретик и писатель, профессор натурфилософии, физики и астрономии в Дартмутском колледже. Он является директором Института междисциплинарного взаимодействия в Дартмуте, соучредителем 13.7 и активный популяризатор науки среди широкой публики. Его последняя книга — Простая красота неожиданного: поиски форели и смысла всего естествоиспытателем . Вы можете следить за Марсело по телефону , Facebook и Twitter: @mgleiser
.Достижение температурно-размерных изменений в одноклеточном организме
Одноклеточный организм C. глаукома прошел TSR, при этом акклиматизированные клетки показали отрицательное линейное снижение объема (от размера при 15 °C) на 3.
6% (±0,45% ДИ) при повышении температуры на 1 °C (рис. 5а). Это изменение объема клеток существенно не отличается от мета-анализа реакции размера протистов, проведенного Atkinson et al. (2003), которые показали линейное изменение размера клеток примерно на -2,5% °C -1 (±0,78% ДИ) от объема при 15 °C. Кроме того, в их исследовании не было обнаружено существенной разницы между TSR у автотрофных и гетеротрофных видов. Таким образом, C. glaucoma представляется разумным одноклеточным организмом, у которого можно изучать формирование TSR, на основании того, что степень, в которой он меняет размер в зависимости от температуры, довольно типична.
Данные по размеру матери и дочери показали, что температурная акклиматизация происходит быстро, она достигается в течение ∼70,5 и 120 часов соответственно (оценивается как момент, когда реакция температура-размер существенно не отличается от реакции акклиматизации). Эти акклиматизированные процентные изменения массы требовали, чтобы крутизна зависимости температуры от размера клетки достигла постоянного значения.
Учитывая, что время удвоения при 8 °C составляло 165 часов, эта обработка при самой низкой температуре, вероятно, ограничивала время, необходимое TSR для акклиматизации.Тем не менее, похоже, что акклиматизация к размеру была внутрипоколенческой. Изменения размера впоследствии сохранялись после точки акклиматизации. Хотя изменения размеров наблюдаются как у матери, так и у дочери, мы обнаружили, что дочерям потребовалось больше времени для достижения акклиматизационного состояния, чем матерям (рис. 4). Вероятно, это связано с тем, что изменения размера дочерних клеток зависят от изменения размера материнских клеток, с отставанием до того, как популяция дочерних клеток акклиматизировалась. Это первое известное нам исследование, в котором был определен период термической акклиматизации размера одноклеточного организма, и одно из немногих исследований, сосредоточенных на акклиматизационных изменениях, связанных с новой средой (акклиматизация к солености: Finlay et al. др., 2006). Наши результаты имеют важное значение в отношении уравнения 1: мы подтверждаем, что индивидуальные скорости роста и развития (скорости удвоения) действительно только временно разъединяются, в то время как отношение размеров материнских и дочерних клеток снова восстанавливается через ∼120 часов (рис.
4). ).
Значительное расцепление роста и развития при тепловой акклиматизации (в течение 0–120 ч, рис. 4) ранее не регистрировалось у одноклеточных. Изменения в размере клеток, которые мы показали во время логарифмической фазы увеличения популяции этого простейшего, могут иметь важное значение для других исследований, основанных на данных той же фазы.Например, скорость роста многих простейших обычно рассчитывают на основе измерений увеличения числа клеток, как скорость удвоения во время логарифмической фазы роста (например, Eppley, 1972; Rose and Caron, 2007). Неявное предположение состоит в том, что удвоение численности связано с удвоением биомассы (при постоянном размере клеток). Это может быть неполное описание роста, поскольку оно не учитывает MCV, которые значительно меняются в зависимости от условий (здесь температура и численность популяции).Кроме того, в классических исследованиях, используемых для оценки темпов роста в полевых условиях, используются эксперименты по разбавлению и последующее удвоение темпов роста (Landry and Hassett, 1982).
Опять же, здесь могут возникнуть проблемы, если размер клеток меняется и увеличение численности больше не связано с увеличением общей биомассы. Кроме того, тот факт, что MCV меняются в зависимости от температуры и численности популяции, приведет к расхождению между темпами роста, оцененными по флуоресценции (на которую, предположительно, будет влиять изменение размера клеток), и темпами, оцененными по количеству клеток.Это подчеркивает важность выявления разделения роста и скорости удвоения во время акклиматизации, как это было обнаружено в этом исследовании.
Наши результаты, касающиеся размеров и скорости адаптации к температуре, показывают как сходство, так и различия между одноклеточными и многоклеточными организмами. Обе группы демонстрируют быструю тепловую акклиматизацию: C. glaucoma акклиматизируется по размеру в течение одного поколения. Точно так же многоклеточные организмы, по-видимому, акклиматизируются к своей термической среде в течение одного поколения (Karan et al.
, 1998; Форстер и Херст, 2011). Кроме того, эти изменения размера впоследствии сохраняются у C. glaucoma в нескольких поколениях, что также было обнаружено у многоклеточных организмов (Karan et al., 1998; Forster and Hirst, 2011; Potter et al., 2011). Однако относительные изменения размера различаются между этими двумя группами. C. глаукома показывает акклиматизированные изменения размера у дочерей и матерей, которые существенно не отличаются друг от друга -4,07% °C -1 (ДИ ± 0,0.34%) и -3,76% °C -1 (ДИ ± 0,28%), соответственно, рис. 4), в то время как акклиматизированный размер потомства многоклеточных организмов обычно меньше зависит от температуры, чем размеры взрослых особей (Forster et al., 2011a), в результате в акклиматизированном развитии и скорости роста имеют разную температурную зависимость (Forster et al. , 2011a, b).
TSR одноклеточных организмов
Что это означает для нашего понимания TSR? Непосредственные механизмы, ранее предложенные для объяснения TSR, были обусловлены либо разъединением скорости роста и развития (Sily and Atkinson, 1994; van der Have and de Jong, 1996; Walters and Hassall, 2006), либо различной температурной чувствительностью анаболизма и катаболизма.
(Стронг и Даборн, 1980; Перрин, 1995; Вудс, 1999; Карл и Фишер, 2008).Поскольку соотношение M A / M P изменяется в зависимости от температуры у многоклеточных организмов, рост и развитие (и, возможно, анаболизм и катаболизм) должны быть разделены и иметь различную температурную зависимость для нескольких (акклиматизированных) поколений (Forster). и др., 2011а). Однако у протистов этого не может быть, так как размеры возвращаются к акклиматизированному состоянию, и M A / M P становится константой (рис. 4).Для этого требуется, чтобы г / D также были постоянными при разных температурах при акклиматизации (уравнение 1). Наши результаты предоставляют эмпирические данные, подтверждающие концептуальную схему Forster et al. (2011b), таким образом, одноклеточные виды достигают изменения размера, связанного с температурой, с помощью механизмов, отличных от тех, которые используются многоклеточными видами.
Было показано, что у многоклеточных организмов изменения размеров вызываются изменениями размера клеток (van Voorhies, 1996; Stelzer, 2002), изменениями числа клеток (Noach et al., 1997; Arendt, 2007) или и то, и другое (French et al., 1998; Blanckenhorn and Llaurens, 2005). Было показано, что даже внутри организма специфические изменения размера происходят в одних типах клеток, но не в других (Atkinson et al., 2006). Эти различия свидетельствуют о том, что не существует единого универсального ближайшего механизма для объяснения TSR у одноклеточных и многоклеточных организмов, поэтому мы вынуждены предположить, что TSR является адаптивной реакцией, то есть меньший размер при более высоких температурах дает преимущество в приспособленности организму. большинство видов.Следующим важным шагом является определение того, почему быть меньше при более высоких температурах выгодно.
Размер, температура и численность популяции
Наряду с температурными изменениями размера C.
glaucoma , мы обнаружили, что численность популяции значительно влияет на размеры клеток. Отрицательная корреляция между размером клеток и численностью популяции присутствовала на протяжении всей фазы экспоненциального роста при более высоких температурах (например, рисунок 3). Если увеличение численности популяции связано со снижением MCV у C.глаукома , то откуда мы знаем, что существует истинный эффект температуры и размера и что изменения размера не вызваны просто увеличением численности популяции? Из GLM мы находим, что температура оказывает значительное влияние на размер, независимо от численности популяции, поскольку между этими двумя параметрами не было взаимодействия. Таким образом, эти факторы независимо влияют на изменение размера. Действительно, наряду с C. glaucoma снижение MCV с увеличением численности популяции ранее наблюдалось у динофлагеллят Alexandrium ostenfeldii (Jensen and Moestrup, 1997) и A.tamarense и четыре вида диатомей (Prakash et al.
, 1973), что позволяет предположить, что это может быть обычным явлением для простейших.
Почему MCV меняются в зависимости от численности популяции C. glaucoma ? Одним из факторов, потенциально вызывающих изменение размера, является концентрация пищи: по мере увеличения численности популяции концентрация пищи уменьшается, а MCV снижается. Было проведено множество исследований по наблюдению за взаимодействием хищник-жертва с использованием протистов в качестве модельных организмов. В этих взаимодействиях хищник-жертва мы обнаруживаем циклическую популяционную реакцию, при которой популяции простейших увеличиваются до пика, а затем исчезают по мере того, как пищи становится мало (Sharon and Morin, 1993).Если бы снижение концентрации пищи приводило к изменениям в размере, связанным с фазой экспоненциального роста, наблюдаемой у C. glaucoma , то мы могли бы ожидать резкого падения численности популяции после пика. Однако, когда мы наблюдаем повторы 17 °CB и 25 °CA, где численность популяции достигает пика в течение первых 100 часов эксперимента, мы не видим такого падения численности популяции в течение последующих 500 часов, что позволяет предположить, что концентрация пищи может поддерживать эту численность популяции и таким образом, изменения размера не вызваны нехваткой продовольствия.
Кроме того, как только культуры достигают несущей способности, MCV сохраняются (например, с 200 часов и далее, на рисунке 3), тогда как можно было бы предсказать дальнейшее уменьшение размера клеток, если пища стала более ограничивающей. Кроме того, предыдущее исследование, посвященное взаимодействию температуры и пищи на объемах клеток Oxyrrhis marina (Kimmance et al., 2006), обнаружило интерактивный эффект между пищей и температурой, однако наш GLM не обнаружил существенного взаимодействия между численностью популяции и температурой, что снова предполагает изменения размера, связанные с численностью популяции, не были связаны с пищей.
Тот факт, что размеры клеток меняются с численностью популяции у C. glaucoma , и было показано, что они меняются во время фазы экспоненциального роста у ряда других видов простейших (Prakash et al., 1973; Jensen and Moestrup, 1997). ), имеет важное значение для нашего понимания TSR. Во-первых, он демонстрирует очень пластичную реакцию объема клеток у видов простейших; размер клеток может быстро реагировать на изменения условий окружающей среды и численности популяции.
Во-вторых, он показывает, что измерение размера видов простейших в фазе экспоненциального роста, вероятно, связано с высокой изменчивостью MCV, обусловленной аддитивными эффектами изменений численности популяции и температуры.Как указывали Jensen и Moestrup (1997), эта фаза экспоненциального роста не свидетельствует о «сбалансированном росте в постоянной среде». Предыдущий метаанализ данных о протистах пытался решить эту проблему, регистрируя только данные о размере клеток, полученные во время логарифмической фазы роста популяции (Atkinson et al., 2003), однако мы предполагаем, что эта фаза связана с высокой изменчивостью MCV, обусловлено обилием населения.
TSR, грузоподъемность и максимальная биомасса
Данные грузоподъемности для C.глаукома не выявила четкой закономерности, связанной с температурой (рис. 5b). Хотя температурной зависимости внутривидовой несущей способности уделялось мало внимания, предыдущая теоретическая работа, посвященная несущей способности (количество клеток в объеме), предсказывает, что она отрицательно зависит от температуры (Savage et al.
, 2004), в соответствии с зависимостью, обнаруженной при межвидовой уровень. Точно так же межвидовые данные использовались для прогнозирования универсального снижения грузоподъемности при увеличении массы тела (Belgrano et al., 2002), в соответствии с метаболической теорией экологии (Brown et al., 2004). Такие прогнозы влияния температуры и размера тела на внутривидовую переносимую способность не подтверждаются в этом исследовании C.glaucoma . Мы обнаружили, что пропускная способность не зависит от температуры и размера: поэтому мы предлагаем с осторожностью экстраполировать это на внутривидовые отношения.
Хотя грузоподъемность не меняется в зависимости от температуры, это не относится к биомассе.Поскольку биомасса является продуктом размера (рис. 5а) и численности популяции (рис. 5b), самая низкая температура была связана с самыми высокими значениями биомассы, с линейным уменьшением максимальной поддерживаемой биомассы по мере повышения температуры из-за зависимости размера от температуры.
MCV (рис. 5а). Это дает потенциальные ключи к разгадке адаптивной природы TSR у одноклеточных организмов. Если количество особей, которых можно поддерживать, не зависит от температуры, то максимизация репродуктивной способности за счет размера индивидуальной клетки при повышенной температуре будет максимизировать приспособленность, поскольку более быстро размножающиеся особи будут составлять большую часть конечной популяции (закон «сложные проценты», Аткинсон и др., 2003).
Это исследование демонстрирует быструю внутрипоколенческую реакцию размеров одноклеточных видов на изменение температуры. Это показывает принципиальные различия между одно- и многоклеточными организмами. Кроме того, обнаружено, что численность популяции не зависит от температуры, но максимальная биомасса уменьшается с температурой, что обусловлено изменением размера отдельных клеток в соответствии с TSR. Данные, посвященные взаимодействию между размером клеток, численностью популяции и температурой во время акклиматизации, затем требуют расширения за пределы гетеротрофных Protista как на внутривидовом уровне, так и на уровне пищевой сети, чтобы определить потенциальное воздействие потепления на размер, численность популяции и биомассу.
Как и почему одноклеточные организмы превратились в многоклеточные
Gonium pectorale (фотография из информационного проекта Volvocales Авроры Неделку). Предоставлено: Информационный проект Volvocales Авроры Неделку.На протяжении всей истории жизни на Земле многоклеточная жизнь эволюционировала из одиночных клеток множество раз, но объяснение того, как это произошло, является одной из главных эволюционных загадок нашего времени. Однако теперь ученые завершили исследование полной ДНК одного из наиболее важных модельных организмов, Gonium pectorale , простой зеленой водоросли, состоящей всего из 16 клеток.
Этот микроскопический организм помогает заполнить эволюционный пробел в нашем понимании. Двухлетний исследовательский проект представлял собой глобальное сотрудничество между Канзасским государственным университетом, университетами Аризоны и Токио и Университетом Витса. Это задокументировано в престижном журнале Nature Communications .
Пьер Дюран, научный сотрудник отдела молекулярной медицины и гематологии Института эволюционных исследований Университета Витса, является одним из соавторов проекта.
«Эволюция от одноклеточной к многоклеточной жизни была большим делом. Она навсегда изменила то, как будет выглядеть планета. От червей к насекомым, динозаврам, травам, цветковым растениям, хадедам и людям, вам просто нужно оглянуться и увидеть экстраординарные формы многоклеточного существования», — говорит Дюран.
«Было трудно объяснить, как это произошло, потому что это было непросто. Так что вопросы типа «почему отдельные клетки жили вместе в группах в самом начале многоклеточности, когда это ставит их в невыгодное положение?» долгое время бросали нам вызов», — говорит Дюран.Мы до сих пор не знаем большинства ответов, но этот проект, безусловно, заполнил один из пробелов в нашем нынешнем понимании.
Существует множество модельных систем для изучения многоклеточности, но ни одна из них не сравнится с вольвоциновыми зелеными водорослями, к которым принадлежит G.
pectorale .
«Эволюционный переход к многоклеточности происходил много раз во всех сферах жизни, однако эволюционная история этого перехода изучена недостаточно.Тем не менее, вольвоциновые зеленые водоросли включают разнообразные одноклеточные, колониальные и многоклеточные виды», — говорит Дюран.
Существует много представителей вольвоцин с разной степенью сложности, поэтому можно исследовать разные этапы на пути к многоклеточности. Вольвоцины также эволюционировали сравнительно недавно (в триасовый период, примерно в то время, когда появились первые динозавры), и загадки многоклеточности не утеряны во времени эволюции.
Сообщая о секвенировании генома Gonium pectorale , ученые обнаружили некоторые гены, которые регулируют рост и деление клеток в этом организме.Это открытие помогает объяснить, как отдельные клетки живут вместе в группах — один из первых шагов на пути к многоклеточному существованию.
Ученые разгадывают основную часть происхождения биологической сложности
Дополнительная информация: Эрик Р.
Ханшен и др. Геном Gonium pectorale демонстрирует кооптацию регуляции клеточного цикла во время эволюции многоклеточности, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11370Предоставлено Университет остроумия
Цитата : Как и почему одноклеточные организмы превратились в многоклеточные (25 апреля 2016 г.) получено 11 февраля 2022 г. с https://физ.org/news/2016-04-cell-evolved-multicellular-life.html
Этот документ защищен авторским правом.