Термиты и кишечные жгутиковые
О термитах (их зовут еще «белыми муравьями» ) рассказывают множество самых невероятных историй. О том, как они превращали в пыль огромные, кропотливо собранные библиотеки. О том, как они незаметно сгрызали изнутри целые дома, не делая различия между хижинами бедняков и княжескими дворцами, лишь бы здания были построены из дерева. И эти дома рассыпались от единого прикосновения. Как они уничтожили целый город – Джеймстаун на острове Святой Елены.
Что же дает «белым муравьям» удивительную способность поглощать и переваривать материалы, как бумага, древесина, – одним словом, целлюлоза?
До недавнего времени оставалось загадкой, каким образом термитам удается жить (и даже процветать) , питаясь одной древесиной. Было известно, что разложение потребленной ими целлюлозы осуществляют бактерии — внутриклеточные симбионты простейших, которые в свою очередь обитают в кишечнике термита. Но целлюлоза — малопитательный субстрат; кроме того, она не может служить источником азота, который термитам нужен в гораздо большем количестве, чем он содержится в растительных тканях.
Ученые, решившие исследовать пищеварение термитов, установили поразительный факт. Переваривать целлюлозу (то есть древесину, бумагу) термиты не способны. Переваривают ее простейшие – жгутиконосцы, обитающие в их кишечнике. Вес этих жгутиконосцев достигает 1/3 общего веса насекомого!
Термиты и жгутиконосцы настолько сжились между собой, что уже не смогли бы друг без друга существовать. Жгутиконосцы могут обитать только в кишечнике своих друзей-термитов (хотя дружба здесь не идеальная: при недостатке белковой пищи термит, недолго думая, переваривает часть своих «квартирантов») .
Но и термит, лишенный жгутиконосцев, проживет недолго. Он активно поглощает пищу… и недели через две гибнет, не в силах ее переварить (термиты с жгутиконосцами в кишечнике живут более года) . Единственный способ спасти такого «стерильногољ термита – снова заразить его жгутиконосцами.
Лишь у «царицы» термитника нет жгутиконосцев в кишечнике. Это и понятно: она избавлена от необходимости есть такую грубую «плебейскую» пищу, как древесина, и кормят ее «рабочие» термиты полупереваренной питательной кашицей.
Общее правило – паразиты имеют упрощенное строение – не действует в отношении жгутиконосцев, проживающих в кишечнике термитов (а всего их там обитает несколько сот видов) . Наоборот, это самые сложно устроенные простейшие из числа жгутиконосцев!
Любопытно, что кусочки древесины эти жгутиконосцы не отправляют в рот (которого у них нет) , а поглощают по способу амебы – обволакивая ложноножками.
Позднее выяснилось, что жгутиконосцы сами нуждаются в помощи эндосимбионтов — живущих в их клетках бактерий (эндосимбионт подразумевает «живущий в клетке») , которые и вырабатывают целлюлазу — фермент, разлагающий целлюлозу.
Таким образом, вся эта симбиотическая система устроена по принципу матрешки: в кишечнике термита живут жгутиконосцы, а внутри жгутиконосца — бактерии. Термиты находят пищу (растительные остатки или деревянные постройки) , измельчают древесную массу и доводят ее до мелкодисперсного состояния, в котором ее могут поглощать жгутиконосцы. Затем за дело берутся живущие внутри жгутиконосца бактерии, которые и проводят основные химические реакции по переработке исходно малосъедобного продукта во вполне усвояемую форму.
Источник
Термиты — это большая группа (отряд) преимущественно тропических насекомых, характерных своим «общественным» образом жизни. На территории Советского Союза термиты встречаются в Средней Азии и в окрестностях Одессы.
Эти насекомые, образующие большие колонии и строящие сложные гнезда — термитники, питаются преимущественно растительной пищей, в том числе древесиной, поглощая ее в больших количествах.
В кишечнике термитов, а именно в задней кишке, образующей большое расширение, живет огромное количество жгутиконосцев. Видовой состав их исключительно разнообразен. В настоящее время описано свыше 200 видов жгутиконосцев, обитающих в кишечнике термитов.
Жгутиконосцы из кишечника термитов относятся к нескольким отрядам. Это наиболее сложно устроенные среди жгутиконосцев формы. Количество простейших в кишечнике термитов иногда настолько велико, что составляет до V3 массы тела насекомого!
Для многих жгутиконосцев характерно большое количество жгутиков, которые или сосредоточены на переднем конце тела, или занимают значительную часть его поверхности. Жгутики могут быть расположены продольными рядами, по спирали (относительно продольной оси тела) или поперечными рядами. Иногда жгутики собраны пучками на переднем конце. Размеры жгутиконосцев различны, они варьируют от 30—40 мкм до 0,5 мм и более. Ядерный аппарат у разных представителей устроен неодинаково.
Некоторые виды имеют одно крупное ядро. Другие являются многоядерными. Иногда число ядер невелико, и они располагаются венчиком на переднем конце тела.
Иногда же число ядер достигает нескольких десятков, и они сосредоточены в передней трети тела. Характерной особенностью строения некоторых жгутиконосцев, обитающих в кишечнике термитов, является наличие у них опорных образований — аксостилей.
Пример таких эластических скелетных структур мы уже видели у трихомонад и лямблий (с. 69). Часто имеется не один, а целый пучок аксостилей. В цитоплазме жгутиконосцев, обитающих в Кишечнике термитов, обычно имеется большое количество пищевых включений.
Это кусочки растительных тканей разных размеров. Заглатывание пищи происходит различными способами. Ротовое отверстие у большинства видов отсутствует. Часть их цитоплазмы не имеет резко очерченной пелликулы, а сохраняет способность образовывать выросты, напоминающие псевдоподии.
При помощи таких выростов жгутиконосец заглатывает частицы растительных тканей, присутствующие всегда в большом количестве в кишечнике термита. На рисунке 53 изображены последовательные стадии заглатывания жгутиконосцем из рода трихонимфа (Trichonympha) довольно крупного кусочка древесины. Захват пищи осуществляется и по-другому.
Для заглатывания мелких частиц на заднем конце жгутиконосца образуется временное впячивание, в которое втягиваются кусочки пищи. Впячивание замыкается, и пищевые частицы оказываются лежащими в цитоплазме простейшего. Установлено, что взаимоотношения между термитами и населяющими их кишечник жгутиконосцами — это явление тесного симбиоза: жгутиконосцы могут существовать только в кишечнике термитов, содержимое которого является для них средой обитания и источником пищи.
Но и термиты не могут существовать без жгутиконосцев. Пищей для термитов служит почти исключительно клетчатка (древесина). Заглоченная пища переваривается в основном в заднем отделе кишечника, заселенном жгутиконосцами. В кишечнике самих термитов не выделяется ферментов, расщепляющих клетчатку.
Напротив, в теле симбиотических жгутиконосцев обнаружен фермент целлюлаза, расщепляющий клетчатку. Жгутиконосцы переводят клетчатку в растворимое состояние, используя при этом лишь часть переработанного вещества. Таким образом, питание термитов в значительной мере осуществляется при участии симбиотических простейших.
Довольно простым методом можно освободить термитов от жгутиконосцев, не повреждая самих насекомых. Если их поместить в чистый кислород при давлении в 3 атм, все простейшие вскоре погибают, тогда как термиты остаются живыми.
После освобождения насекомых от простейших Кливленд помещал их в нормальные условия с обильным количеством древесной пищи. В таких же условиях жили и нормальные термиты, т. е. содержащие простейших в кишечнике. Термиты со жгутиконосцами жили в условиях опыта в стеклянных сосудах долгое время, до 1—1,5 лет, пока не наступала естественная смерть их от старости.
Напротив, насекомые, лишенные жгутиконосцев, выживали не более 10—14 дней и потом неизбежно погибали. При этом они энергично поглощали пищу, но она не могла у них перевариваться. Стоило искусственно заразить таких «стерильных» термитов жгутиконосцами, как они приобретали способность переваривать пищу и жить продолжительное время.
Мы уже говорили, что каждая особь термита имеет в кишечнике жгутиконосцев. Возникает вопрос: какими путями происходит проникновение в кишечник молодых личинок их симбионтов — жгутиконосцев? У термитов существует особый инстинкт слизывания друг у друга жидких экскрементов, выступающих в форме капельки из анального отверстия.
Термит, проглатывающий содержимое задней кишки особи того же вида, получает некоторое количество усвояемой пищи, переведенной в растворенное состояние благодаря деятельности жгутиконосцев. Проглатывая жгутиконосцев, он вводит их в свой кишечник, где они продолжают жить и размножаться. Так же заражаются и молодые личинки. В колонии термитов лишены жгутиконосцев лишь половозрелые взрослые особи. В термитнике обычно имеется одна самка («царица»), непрерывно откладывающая яйца.
Эта самка не питается древесиной. Ее кормят «рабочие», которые представляют собой недоразвитых в половом отношении особей. Пищей служит отрыжка из переднего отдела кишечника, содержащая легкоусвояемые вещества.
Фауна жгутиконосцев развивается, кроме термитов, в кишечнике растительноядных тараканов рода Cryptocercus. Эти тараканы встречаются в нашей стране на Дальнем Востоке в Уссурийской тайге, где они живут в разлагающейся древесине пней, поваленных деревьев и т. п.
Рост и развитие термитов, как и других насекомых, сопровождается периодической линькой, в процессе которой сбрасывается тонкая хитиновая выстилка заднего отдела кишечника. При этом у большинства видов термитов выходят наружу и жгутиконосцы, и насекомое после линьки оказывается лишенным простейших.
Очень скоро они вновь появляются, так как слинявшее насекомое начинает энергично слизывать жидкие экскременты окружающих особей. У тараканов Cryptocercus во время линьки жгутиконосцы заползают в просвет между отделяемой внутренней выстилкой и эпителиальной стенкой кишки, откуда по окончании линьки вновь выходят и заполняют просвет кишечника.
У жгутиконосцев,; обитающих в кишечнике термитов, известно только бесполое размножение путем деления. Половой процесс у них отсутствует. Иное дело жгутиконосцы из кишечника таракана Cryptocercus. Работами Кливленда установлено наличие у них полового процесса по типу копуляции, который протекает строго периодически.
Оказалось, что половые процессы жгутиконосцев находятся в строгом соответствии с линькой личинок. Как известно, рост насекомых на личиночных стадиях сопровождается периодическим сбрасыванием хитинового покрова, так как последний может растягиваться лишь до определенного предела, а затем, после линьки, заменяется новым хитиновым покровом.
Процесс линьки — очень сложное явление. Наступление его связано с действием гормонов, которые выделяются некоторыми эндокринными железами насекомого и обусловливают отслаивание старой хитиновой кутикулы.
У разных видов жгутиконосцев половой процесс происходит строго закономерно в разные сроки подготовительного к линьке периода или же вскоре (через 1—2 Дня) после завершения линьки. Для каждого вида жгутиконосцев соотношение срока наступления полового процесса и линьки является строго определенным.
Очевидно, выделяемые хозяином гормоны линьки воздействуют не только на насекомое, но и. на обитателей его кишечника, стимулируя половое размножение. У взрослых тараканов, которые не растут и не линяют, половых процессов у населяющих кишечник жгутиконосцев не происходит.
Жизнь животных. Том первый. Простейшие. Кишечнополостные. Черви. Москва «просвещение» 1981
AOF |
29.12.2018 21:23:05
Источник
До недавнего времени оставалось загадкой, каким образом термитам удается жить (и даже процветать), питаясь одной древесиной. Было известно, что разложение потребленной ими целлюлозы осуществляют бактерии — внутриклеточные симбионты простейших, которые в свою очередь обитают в кишечнике термита. Но целлюлоза — малопитательный субстрат; кроме того, она не может служить источником азота, который термитам нужен в гораздо большем количестве, чем он содержится в растительных тканях. Однако к поразительному заключению пришла недавно группа японских исследователей, взявшихся за изучение состава генома симбиотических бактерий жгутиконосцев. Наряду с генами, отвечающими за синтез целлюлазы — фермента, разрушающего молекулы целлюлозы, в геноме оказались гены, кодирующие ферменты, ответственные за азотфиксацию — связывание свободного азота атмосферы N2 и превращение его в форму, пригодную для использования не только самими бактериями, но также жгутиконосцами и термитами.
Люди, далекие от биологии, порой путают термитов с муравьями, поскольку и те и другие ведут колониальный образ жизни, возводят крупные постройки (термитники и муравейники), а кроме того, характеризуются разделением труда между отдельными группами особей: у них есть рабочие, солдаты, а также производящие потомство самки (царицы) и самцы.
Однако сходство муравьев с термитами — чисто внешнее, объясняющееся возникшим в обеих группах общественным образом жизни. На самом деле эти насекомые относятся к разным, далеко не родственным, отрядам. Муравьи — перепончатокрылые, родственники ос и пчел. Термиты же образуют особый отряд, причем, в отличие от перепончатокрылых, они относятся к насекомым с неполным превращением (у них нет куколки, а личинка через ряд последовательных линек постепенно становится всё более похожей на взрослое насекомое).
Термиты не встречаются в умеренных, тем более — северных широтах, но они чрезвычайно многочисленны в тропиках, где являются основными потребителями растительных остатков. В отличие от многих других животных термиты могут питаться одной древесиной — точнее, клетчаткой (целлюлозой), с которой справляются чрезвычайно быстро. Любая деревянная постройка, возведенная в тропиках, подвержена разрушающей деятельности термитов. Дом, не имеющий специальной защиты, может быть буквально съеден термитами за несколько лет.
Исследователей давно занимал вопрос: как термиты справляются с разложением клетчатки (ведь это всегда считалось прерогативой бактерий и грибов!) и как они вообще могут обходиться столь малопитательным кормом? Долгое время считалось, что в переработке клетчатки термитам помогают простейшие — представители особой группы жгутиконосцев, которые обитают в кишечнике термитов. Но позднее выяснилось, что жгутиконосцы сами нуждаются в помощи эндосимбионтов — живущих в их клетках бактерий (эндосимбионт подразумевает «живущий в клетке»), которые и вырабатывают целлюлазу — фермент, разлагающий целлюлозу.
Таким образом, вся эта симбиотическая система устроена по принципу матрешки: в кишечнике термита живут жгутиконосцы, а внутри жгутиконосца — бактерии. Термиты находят пищу (растительные остатки или деревянные постройки), измельчают древесную массу и доводят ее до мелкодисперсного состояния, в котором ее могут поглощать жгутиконосцы. Затем за дело берутся живущие внутри жгутиконосца бактерии, которые и проводят основные химические реакции по переработке исходно малосъедобного продукта во вполне усвояемую форму.
Однако многое в этой системе оставалось неясным. К примеру, неизвестно было, откуда термиты черпают необходимый им азот (а его относительное содержание в телах животных, в том числе — термитов, существенно выше, чем в растительных тканях). Однако недавние исследования японских ученых позволили ответить на этот вопрос.
Объектом исследования Юити Хонго (Yuichi Hongoh) и его коллег из Исследовательского института РИКЕН в Сайтаме (RIKEN Advanced Science Institute, Saitama) и других научных учреждений Японии стала симбиотическая система массового в Японии термита Coptotermes formosanus. Вид этот, ведущий подземный образ жизни, известен как злостный вредитель, наносящий огромный ущерб деревянным сооружениям, причем не только на своей родине, в Юго-Восточной Азии, но и в Америке, куда он случайно был завезен. На борьбу с Coptotermes formosanus в Японии ежегодно расходуется несколько сот миллионов долларов, а в США — около миллиарда.
Обитающие в заднем отделе кишечника термита жгутиконосцы Pseudotrichonympha grassii относятся к роду, представители которого часто встречаются у разных термитов, ведущих подземный образ жизни. В каждом жгутиконосце постоянно обитают около 100 тысяч бактерий, относящихся к отряду Bacteroidales и имеющих условное название «phylotype CfPt1-2».
В ходе работы жгутиконосцев извлекали из кишечника термита, разрушали мембраны их клеток и высвобождали из каждого по 103–104 клеток эндосимбиотических бактерий. Полученную массу бактерий подвергали амплификации (увеличению числа копий имеющихся там молекул ДНК), после чего проводили поиск определенных последовательностей генов. В кольцевой хромосоме, содержащей 1 114 206 пар оснований, были выявлены 758 последовательностей, предположительно кодирующих белки, 38 генов транспортной РНК и 4 гена рибосомальной РНК. Обнаруженная совокупность генов позволила реконструировать в общих чертах всю систему метаболизма эндосимбиотической бактерии.
Самым поразительным стало обнаружение генов, ответственных за синтез тех ферментов, которые необходимы для азотфиксации (nitrogen fixation) — процесса связывания атмосферного N2 и превращения его в форму, удобную для использования организмом. В частности, нашлись гены, отвечающие за синтез нитрогеназы — важнейшего фермента, осуществляющего расщепление прочной тройной связи в молекуле N2, а также гены, кодирующие другие необходимые для азотфиксации белки.
Авторы обсуждаемой работы отмечают, что на самом деле способность термитов к азотфиксации уже обнаруживалась ранее, но было неясно, какие симбиотические организмы за нее отвечают. Выявление ответственных за азотфиксацию генов у исследованных эндосимбиотических бактерий стало неожиданностью, поскольку раньше у бактерий этой группы (Bacteriodales) азотфиксация никогда не отмечалась. Помимо связывания N2 и перевода его в NH3 изученные бактерии по-видимому способны утилизировать и те продукты азотного обмена, которые образуются в ходе метаболизма самих простейших. Это важный момент, поскольку связывание N2 требует больших энергетических затрат, и если в пище термитов азота хватает, то интенсивность азотфиксации можно и снизить.
Источник: Yuichi Hongoh, Vineet K. Sharma, Tulika Prakash, et al. Genome of an Endosymbiont Coupling N2 Fixation to Cellulolysis Within Protist Cells in Termite Gut // Science. 2008. V. 322. P. 1108–1109.
Алексей Гиляров
Источник