"...Почти бессмертны и всегда молоды"

230 миллионов лет под водой

Линда Медлин, Пэт Симс

Говорят, что диатомовые водоросли живут в стеклянных домиках. И действительно, уникальная особенность этих одноклеточных организмов – панцирь из прозрачного кремнезема, состоящий из двух частей, одна из которых как крышка накрывает другую. Через отверстия в стенке живая клетка обменивается химическими сигналами с окружающим миром и получает пищу, кислород и углекислый газ для фотосинтеза.

Чтобы разделить половинки коробочки и соединяющие их пояски, и изучить их в деталях, клетки диатомей кипятят в кислоте. Пустые клеточные стенки заливают смолой с высоким коэффициентом преломления – это позволяет лучше рассмотреть их орнамент. В зависимости от мощности микроскопа в строении клеточных стенок можно увидеть большее или меньшее количество деталей, по которым определяется вид диатомей.

После гибели диатомей их пустые прочные кремнистые створки прекрасно сохраняются в осадках. Причем зачастую неповрежденными остаются даже мельчайшие элементы структуры ископаемых стенок диатомей, что позволяет идентифицировать их до вида спустя миллионы лет.

Cтенки диатомей настолько малы и прозрачны, что их удалось впервые обнаружить тогда, когда был изобретен микроскоп – в XVII в. А в следующие столетия стенки диатомей уже использовали для оценки качества линз микроскопов. По мере совершенствования микроскопа удавалось наблюдать все новые и новые детали строения диатомовых стенок.
В XIX в. в Германии, Англии, Франции и Америке было налажено серийное производство микроскопов, в результате чего они появились в домах большинства представителей среднего класса. Микроскописты того времени интересовались различными мельчайшими биологическими объектами. Препараты панцирей диатомовых считались ценным приобретением, что ускорило обмен информацией об их строении между энтузиастами, членами обществ микроскопистов, которых было много тогда в больших городах. Данные диатомистов-любителей публиковались в периодических научных журналах.
Постоянными препаратами диатомей обменивались так, как сейчас обмениваются марками. Индивидуальные клетки обводились на стеклах кружками с помощью алмазного резца. Диатомисты вовсю торговали порошками высушенного материала диатомей, снабженного этикетками с указанием объекта и места находки. Некоторые продавали орнаменты, составленные в виде рядов или узоров из одиночных клеток и сопровождавшиеся списком с названиями видов.
Клетки выбирали вручную, используя волоски из ресниц свиньи или микроманипулятор, а затем помещали их на предметное стекло микроскопа с мельчайшей капелькой смолы кустарника трагаканта с высоким индексом преломления. Чтобы зафиксировать препарат, достаточно было просто подышать на стекло – смола застывала, удерживая клетки в определенном положении

С помощью метода молекулярных часов удалось установить, что диатомовые появились около 230 млн лет назад. Вероятно, первые диатомеи были обнаженными жгутиковыми клетками (в настоящее время их относят к Heterokonta – разножгутиковым, так как на некоторых стадиях жизненного цикла они имеют один жгутик с тончайшими волосками).

Самые ранние отложения диатомей были найдены в Корее в осадках, сформировавшихся на суше. Была высказана гипотеза, что океан, отступивший около 230 млн лет назад, оставил за собой лужи, где и обитали жгутиковые диатомеи. Они стали использовать кремнезем, тормозящий процесс старения, чтобы переживать в стадии покоя неблагоприятные условия.

Древние диатомеи потребляли так много кремнезема, что он начал осаждаться в клетках, по-видимому сначала в виде маленьких чешуек, которые выдавливались из клеток и создавали вокруг них защитную оболочку, препятствующую обезвоживанию при высыхании мелководных водоемов. В конце концов две чешуйки превратились в створки панциря, соединенные друг с другом подобно половинкам капсулы для лекарств, а остальные – в поясковые ободки, соединяющие створки.

По характеру узоров ребер и пор на лицевой части створки диатомеи можно разделить на две большие группы – центрические и пеннатные. Однако анализ родственных взаимоотношений путем сравнения геномов показал, что диатомовые водоросли разделяются не на две, а на три группы. Две из них являются центрическими, а одна – пеннатной, причем каждой группе свойственен и определенный тип полового размножения. На молекулярных родословных деревьях диатомовых самая ранняя форма – современный морской род Ellerbeckia, прежде обитавший в водоемах суши. Это подтверждает наземное, а не океаническое происхождение диатомей. Следующие ископаемые формы – уже исключительно морские – начинают встречаться с периода раннего мела. Похоже, ранние наземные диатомеи были смыты в океан, когда его уровень вновь поднялся. Эти диатомеи очень сильно отличались от современных, имея необычайно толстые, орнаментированные клеточные стенки, которые соединялись в цепочки. Судя по их тяжелым створкам, они обитали в морских прибрежных зонах с турбулентным потоком воды.

Отложение створок диатомей происходило во все геологические периоды вплоть до настоящего времени. Сегодня диатомеи встречаются во всех природных водах и на любых постоянно увлажненных твердых поверхностях, поэтому было бы справедливо сказать, что каждый второй глоток кислорода, который мы вдыхаем, создан этими невидимыми тружениками.

Но этим роль диатомовых в биоценозах не ограничивается. Диатомеи поедаются зоопланктоном. Как создатели первичной органической продукции мирового океана они являются главными участниками глобальных циклов биогенных элементов, образуя основу пищевых цепей водных экосистем.

Поскольку в результате обычного клеточного деления клетки диатомовых водорослей уменьшаются в размерах, то, в конце концов, они могли бы стать такими маленькими, что не смогли бы выжить. Но этого, к счастью, не происходит. Эволюция обошлась с диатомеями милостиво: они изобрели способ вновь становиться из маленьких большими – с помощью полового размножения с образованием так называемых ауксоспор (растущих спор). Во время полового процесса клетки сбрасывают стенки, становясь гаметами (мужскими либо женскими), находят партнера и сливаются, образуя зиготу – аналог младенца. Обнаженная зигота набухает и увеличивается в размерах благодаря большой центральной вакуоли – полости, постепенно заполняемой водой. Став достаточно большой, клетка заново формирует кремнистые створки и снова вступает в обычный жизненный цикл

К настоящему времени у двух видов диатомей полностью расшифрована наследственная информация. Структура геномов указывает на то, что диатомеи – наполовину животные, наполовину растения. Кстати сказать, вопрос о систематическом положении диатомей – принадлежат ли они к растительному или животному царству – широко обсуждался еще первыми диатомистами. Этот факт отражает эволюционную историю диатомовых: много миллионов лет назад некое жгутиковое одноклеточное животное поглотило одноклеточную водоросль и заимствовало у нее фотосинтезирующие органы, хлоропласты, сохранив их для себя в качестве неисчерпаемого источника пищи.

Поэтому в диатомеях обнаружены как гены, принадлежавшие животному-хозяину, так и гены поглощенной водоросли. Они умеют производить мочевину в точно­сти так же, как это делают животные, но, в отличие от последних, ее не выделяют, а используют как исходное вещество для синтеза. Зачем они это делают, пока непонятно. Более того, сегодня ученым удалось определить назначение лишь около 60 % идентифицированных у диатомей генов. И кто знает, какие еще продукты вырабатывают оставшиеся неопознанными гены? Древние и по существу бессмертные, диатомеи не перестают нас удивлять…

Хлоропласты из группы внедрения: история одного открытия

Н. И. Стрельникова

Русские ученые внесли немалую лепту в исследования диатомовых водорослей. Особо хочется выделить работы К. С. Мережковского, а конкретно – его важнейшие общебиологические выводы об эволюционной роли симбиоза и происхождении организмов.

Основные теоретические воззрения Мережковского в этой области сформировались при изучении хлоропластов диатомовых водорослей, в которых осуществляется фотосинтез. «…Ни в одной группе растений хроматофоры не играют такой выдающейся морфологиче­ской роли и не приобретают поэтому такого значения и интереса, как в классе диатомовых водорослей… Перед нами точно открывается какой-то особый, своеобразный и в высшей степени любопытный мир явлений; внутри клетки диатомовых мы встречаемся как будто с какими-то самостоятельными и независимыми от клетки организмами, живущими в ней точно гости, развивающиеся по своим законам, делящиеся и размножающиеся, не справляясь с самой диатомовой, находясь в зависимости от нее лишь постольку, поскольку вообще организмы находятся в зависимости от окружающей их среды. Ничего подобного, по крайней мере в таких грандиозных размерах, мы нигде в растительном цар­стве не встречаем» (1906).

Новаторская статья Мережковского «О природе и происхождении хроматофоров в царстве растений», навсегда вписавшая его имя в историю науки, появилась в 1905 г. В ней он четко сформулировал гипотезу о том, что хлоропласты – суть фотосинтезирующие организмы-симбионты, внедрившиеся в клетку и ставшие там главными поставщиками питательных веществ, и предложил собственный термин «симбиогенез».

Миллионы лет назад некое жгутиковое одноклеточное животное поглотило водоросль, сохранив для себя ее фотосинтезирующие органеллы в качестве неисчерпаемого источника пищи

В 1909 г. он публикует статью «Теория двух плазм как основа симбиогенезиса, нового учения о происхождении организмов», где пишет: «Если существуют две принципиально отличные по своим свойствам плазмы и соответственно этому два мира органических существ, то это может быть объяснено только тем, что обе эти плазмы возникли независимо друг от друга и притом при совершенно различных условиях, а следовательно, в разные эпохи истории земли». Нужно заметить, что разделение всего органического мира на две основополагающие группы – прокариотов и эукариотов – было предложено французским исследователем Э. Шаттоном лишь спустя 16 лет! Мы можем только удивляться поразительному научному видению Мережковского и радоваться тому, что изучение именно диатомовых водорослей привело его к этим выдающимся открытиям.

Вообще же история любой отрасли науки состоит из этапов, которые определяются основными открытиями и достижениями на тот или иной период. Последние в конечном счете обусловлены уровнем развития общества и техническими возможностями, однако главной движущей силой научного процесса всегда были и будут люди. Личности, которых влечет неведомое, заставляя постоянно искать ответы на вопросы «почему» и «как».

Написать историю диатомологии – задача неподъемная, и трудности связаны главным образом с тем, что слишком мало сохранилось сведений об ученых, способствовавших накоплению и систематизации знаний о мире диатомей. В кратком очерке невозможно даже упомянуть имена всех исследователей, поскольку в этом случае он превратился бы в словарь-справочник. Создание же развернутой истории диатомологиии с подробными данными об исследователях должно стать одной из задач Международного общества диатомологов, под эгидой которого в разных странах раз в два года проводятся международные диатомовые симпозиумы.

Сибирь под микроскопом

Регина Ян, Вольф-Хеннинг Кузбер

Когда известный путешественник и ученый А. Гумбольт предложил профессору Х. Г. Эренбергу сопровождать его в путешествии по России, тот был уже известен как молодой перспективный биолог, собравший и описавший множество видов животных и растений в Северной Африке и на Ближнем Востоке. Излюбленным объектом исследования Эренберга были микроскопические организмы, объединяемые в то время под названием «инфузории»

Эренберг так напишет позднее о своей русской экспедиции: «Господин барон Александр фон Гумбольт путешествовал в некоторые области России вплоть до границ Китайской “Дзунгари” [сегодня это провинция Северного Китая Хинянг. – Ред.] … У меня появилась возможность изучить немалую часть земной суши … во время путешествия я неустанно изучал географическое распределение самых малых форм жизни на этой огромной территории» (1830). «…Я был глубоко поражен тем миром микроскопических форм, о котором столь мало было известно в прошлом…» (1838).

Гумбольт был приглашен Николаем I для изучения природных и минеральных ресурсов Урала и Сибири. Путешествие началось 12 апреля 1829 г. и продолжалось почти девять месяцев. На всем пути немецких путешественников встречали и сопровождали российские ученые. Однако интересы Эренберга несколько отличались от интереса его коллег: всю дорогу он занимался отбором проб во множестве встречающихся по дороге водоемах, включая реки Неву, Волгу, Урал, Иртыш, Обь.

И в каждой капле воды он вновь и вновь сталкивался с миром удивительных микроскопических созданий. В своей публикации о Сибири, вышедшей сразу после окончания путешествия, Эренберг так определит эти формы жизни: «Инфузории, являющиеся самыми мельчайшими жгутиковыми организмами, не представляют собой лишенную структуры слизь, они обладают определенной организацией, по крайней мере, у них имеется рот, система пищеварения» (1830). В состав «инфузорий» ученый включал все микроскопические организмы – не только диатомовые водоросли, но и бактерии, бесцветные и окрашенные жгутиковые, даже коловраток. Он был уверен, что видит сложные организмы, поэтому наделял их органами, которые есть у обычных животных. И в этом смысле точка зрения Эренберга значительно расходилась с общепринятой в то время, согласно которой микроскопические организмы не имели определенных форм и возникали из ничего.

В стремлении доказать миру правильность своих исследований Эренберг делал все, чтобы полученные им данные могли быть перепроверены. Он всегда старался привезти образцы в Берлин, а после поездки в Сибирь начал составлять коллекцию препаратов «инфузорий», в основном диатомовых водорослей, всегда привлекавших его особое внимание, о которых он писал, что их створки слагают прочные почвы, камни и скалы.

Эренберг не уставал повторять, что инфузории не могут самозарождаться: «Исследование инфузорий показало, что их размножение происходит путем деления. Эти формы устойчивы и переносятся течениями и ветром. Говоря образно, они почти бессмертны и всегда молоды. Они способны делиться бесконечно, оставаясь юными несчетное множество лет» (1838)

Отбирая живые клетки и помещая их в пробирку, Эренберг научился культивировать микроорганизмы для изучения их in vivo. Ему удалось создать, по его словам, «изящную коллекцию живых инфузорий», которую он хранил на подоконнике, чтобы они могли перезимовать.

«Соавторы» Дарвина

Дэвид Вильямс

После своего знаменитого путешествия на корабле «Бигль» Чарльз Дарвин напишет: «Путешествуя… в качестве натуралиста, я был поражен некоторыми фактами, касавшимися распределения обитателей Южной Америки, и геологическими связями между прежними и современными жителями этого континента. Факты эти… кажется, могут пролить некоторый свет на происхождение видов — эту тайну из тайн, по словам одного из наших величайших философов»(1839). Таким образом источником вдохновения для создателя эволюционной теории стала биогеография и «натуральная история» организмов: «брак», заключенный между ними, поставил эволюцию в ряд жизнеспособных концепций и выполнимых исследовательских программ.

Исследования характера географического распределения, родства и различий между разными формами диатомей, продолженные рядом известных ученых-диатомистов, остаются актуальны и сегодня, поскольку позволяют пролить свет не только на ход эволюции этой важной группы, но и на векторы глобальных экологических и геологических изменений на планете

В число обитателей континента, столь впечатливших эволюционного классика, входили и диатомеи, о чем свидетельствуют замечания Дарвина относительно краски, которую наносили на свои лица жители Огненной Земли: «Это вещество, если его высушить, достаточно компактно и имеет небольшой удельный вес: профессор Эренберг исследовал это вещество… и утверждает, что оно состоит из инфузорий [в число которых входили диатомеи – Ред.]… Он говорит, что все эти существа — обитатели пресных вод…». Далее Дарвин отмечает, что Эренберга особенно поразил тот факт, что виды в этом веществе, хотя и были отобраны в самой южной точке Огненной Земли, относятся к уже описанным, хорошо известным и широко распространенным формам (1860).

Позднее Эренберг сделает несколько обобщающих комментариев относительно географического распределения диатомей: «… Скалистые горы [Кордильеры – Ред.] представляют собой более высокий барьер между двумя частями Америки, чем Тихий океан – барьер между Америкой и Китаем; формы инфузорий из Орегона и Калифорнии совершенно отличны от тех, которые можно найти к востоку от горных хребтов, но они отчасти идентичны тем, которые найдены в Сибири» (1849).