Уровни организации и уровни изучения живой материи

ЛЕКЦИИ 1-2 1. Уровни организации и уровни изучения живой материи Для живой природы характерно сложное, иерархическое соотношение уровней организации. Весь органический мир и окружающая среда образует биосферу, которая, в свою очередь состоит из биогеоценозов (экосистем) – территорий с характерными природными условиями и определёнными растительными и животными комплексами (биоценозами). Биоценозы образованы популяциями – группами растительных и животных организмов одного вида, живущими на определённой территории и способными к воспроизведению. Популяции состоят из представителей конкретных видов (особей), способных свободно давать плодовитое потомство. Многоклеточные организмы состоят из органов и тканей, образованных клетками. Одноклеточные организмы и клетки образованы внутриклеточными структурами, которые состоят из молекул. Исходя из этого, выделяют несколько уровней организации живой материи. Для каждого уровня организации живых организмов характерны свои закономерности, связанные со своими конкретными принципами организации, особенностями взаимоотношения с другими уровнями. Общая биология изучает основные закономерности жизненных явлений, которые происходят на различных уровнях организации живого. Рассмотрение организации живой материи начинается из выяснения строения и свойств сложных органических молекул. Клетки многоклеточных организмов входят в состав тканей, две или несколько тканей формируют орган. Многоклеточный организм имеет сложное строение, который состоит из тканей и органов, в то же время есть элементарной единицей биологического вида. Взаимодействуя между собой виды составляют сообщество, или экологическую систему, которая, в свою очередь, является одним из компонентов биосферы. Каждый уровень организации организмов изучают соответствующие отрасли биологии. На каждом уровне исследований живой материи всегда возникают актуальные проблемы, требующие решений в связи с накоплением новых фактов. Молекулярный уровень Любая живая система, как бы сложно она не была организована, определяется на уровне функционирования биологических макромолекул – биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а так же иных важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации. На этом уровне изучают физико-химические процессы, происходящие в живом организме (синтез, разложение и взаимные преобразования белков, нуклеиновых кислот, полисахариды, липидов и других веществ в клетке; обмен веществ, энергии и информации, которые регулируют эти процессы). Такие исследования живых систем показали, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органических соединений, которые в неживой природе практически невозможно обнаружить. Для живых организмов наиболее характерны такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды (жироподобные соединения) и составляющие их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, жирные кислоты). Так же, на этом уровне изучается синтез, распад и взаимные преобразования этих соединений в клетках, обмен веществ, энергии и информации, регуляция данных процессов. В результате подобных исследований было выяснено, что важнейшая особенность основных путей обмена – действие биологических катализаторов – ферментов (соединений белковой природы), которые строго избирательно влияют на скорость химических реакций. Так же изучено строение некоторых аминокислот, ряда белков и многих простых органических соединений. Установлено, что химическая энергия, которая освобождается в ходе биологического окисления (процессы дыхания, гликолиза), запасается в виде богатых на энергию соединений (в основном – аденозинфосфорные кислоты АТФ, АДФ и др.), а потом используется в процессах, которые требуют поступления энергии (мышечные сокращения, синтез и транспорт веществ). Крупным успехом стало открытие генетического кода. Выяснено, что закодированная в ДНК наследственность через белки-ферменты контролирует как структурные белки, так и все основные свойства клеток и организма в целом. Исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, раскрытия их взаимосвязи между собой. Клеточный уровень На клеточном уровне цитология, гистология, и их отделы (кариология, цито- и гистохимия, цитофизиология, цитогенетика), многие разделы физиологии, микробиологии и вирусологии изучают строение клетки и внутренних клеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в тканях и органах организма. Свободноживущих неклеточных форм жизни не существует. Клетка – основная самостоятельная функциональная и структурная единица многоклеточного организма. Существуют одноклеточные организмы (водоросли, грибы, простейшие, бактерии). Также клетка есть единицей развития всех живых организмов, которые существуют на Земле. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции. Совокупность клеток одного типа образует ткань. Сочетание нескольких тканей – орган, который выполняет определённую функцию в организме. Благодаря исследованиям на клеточном уровне изучены основные компоненты клетки, строение клеток и тканей, их изменения в процессе развития. Тканевый уровень Ткань есть совокупностью сходных за строением клеток, объединённых исполнением общей функции. Сотни разнообразных клеток составляют тело разнообразных многоклеточных организмов. Разнообразные клетки образуют ткани. У растений различают образующие (меристемы) и постоянные ткани. К постоянным тканям относятся покровные, проводящие, механические и основные ткани. Органный уровень Органы – это высоко дифференцированные части тела, которые размещены в определённом месте и исполняют специальные функции. Это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Они образуются в процессе развития из клеток различных тканей. Группы разных органов коллективно функционируют для исполнения общей для организма функции. У растений различают вегетативные и репродуктивные органы, которые исполняют конкретныею функции, но все вместе работают как одна «команда», обеспечивая максимальную эффективность всей системы. На этом уровне для создания общей теории онтогенеза проводятся исследования, направленные на раскрытие причинных механизмов становления биологической организации, её дифференцировки и интеграции, реализации генетической информации в онтогенезе. Также изучаются механизмы работы органов и их систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов. Популяционно-видовой уровень Определённые отрасли биологии (морфология, физиология, генетика, экология) изучают элементарную единицу эволюционного процесса – популяцию как совокупность особей одного вида, населяющих определённую территорию, более или менее изолированную от соседних групп. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано с молекулярным, клеточным и организменным уровнями. Популяция и вид как целое могут служить объектами исследования самых разных биологических отраслей. Биогеоценотический, или биосферный, уровень Биогеоценология, экология, биогеохимия и другие отрасли биологии изучают процессы, происходящие в биогеоценозах (экосистемах) – элементарных структурных и функциональных единицах биосферы. На этом уровне ведутся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения биотических и абиотических компонентов, которые входят в состав биогеоценоза; изучается движение живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов. Такой подход даёт возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека и в форме международной программы «Человек и биосфера» координировать усилия биологов многих стран. Важное практическое значение имеет изучение биологической продуктивности биогеоценозов (утилизации энергии солнечной радиации путём фотосинтеза и использования гетеротрофными организмами энергии, запасённой автотрофами). Необходимость детального изучения биосферного уровня организации живого обусловливается тем, что биогеоценозы – среда, в которой протекают любые жизненные процессы на нашей планете. Выделение основных уровней организации жизни на Земле основано на следующих критериях: - наличие специфических элементарных (дискретных) структур; - наличие элементарных явлений. При этом подходе оказывается необходимым и достаточным выделять только 4 уровня (Н.В.Тимофеев-Ресовский): молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический (биосферный). 1. На молекулярно-генетическом уровне организации жизни гены представляют элементарные единицы, тогда как элементарными явлениями, связанными с генами, считают их локальные структурные изменения (мутации) и передачу хранящейся в них информации внутриклеточным управляющим системам. 2. На онтогенетическом уровне жизнь представлена в форме дискретных индивидов. В царствах органического мира индивиды имеют разное морфологическое содержание. Одноклеточные формы иногда рассматривают как особый клеточный уровень организации жизни. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, он может быть образован из миллионов и миллиардов клеток. Особи обладают системной организацией, регуляцией и выступают как единое целое. Элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни служат клетки, элементарными явлениями – процессы, связанные с дифференцировкой и саморегуляцией развития. Онтогенез совершается вследствие работы саморегулирующейся иерархической системы, которая обеспечивает согласованную реализацию наследственных свойств и управление процессами в организме. 3. На популяционно-видовом уровне организации жизни популяция – элементарная структура, элементарное явление – естественный отбор мутационных изменений генотипического состава популяции под действием среды. Популяции выступают как элементарные эволюционные единицы, представляющие собой генетически открытые системы (особи разных популяций иногда дают общее потомство и популяции обмениваются генетической информацией). Виды как системы популяций, являются наименьшими, в природных условиях генетически закрытыми системами (родительские особи разных видов в природе в подавляющем большинстве случаев не образуют плодовитое потомство). Популяции – элементарные единицы эволюции, виды – качественные этапы эволюции. 4. На биогеоценотическом (экосистемном) уровне организации жизни элементарной структурой является экосистема (или биогеоценоз), тогда как элементарное явление – связь биотических и абиотических элементов, выраженная в форме обмена веществом и энергией. 2. Клеточный (онтогенетический) уровень 2.1. Классические представления о двумембранных органеллах и плазмодесмах растительных клеток В современной учебной литературе (Ботаника. Анатомия и морфология растений. Васильев А.Е., Воронин Н.С. и др. М.: Просвещение. 1978. 480 с.; 1988. 480 с. Лотова Л.И. Ботаника. Морфология и анатомия высших растений. М.: КомКнига. 2007. 512 с.; и многие другие) такие органеллы, как ядро, митохондрии и пластиды традиционно называют двумембранными органеллами, поскольку их оболочки, определяющая внешние границы, состоят из наружной и внутренней биологических мембран с полупроницаемыми свойствами (таблица 1, по: Лотова, 2007). 2.2. Пластиды и митохондрии растений Наружные (внешние) мембраны митохондрий и пластид описаны как гладкие, не имеющие складок, тогда как внутренние мембраны – складчатые. Между наружной и внутренней мембранами имеется светлый промежуток (рисунки 1, 2 по: Васильев и др., 1988). У митохондрий наружная мембрана контролирует обмен веществ между митохондрией и гиалоплазмой. Внутренняя мембрана отличается по строению и химическому составу, она образует выросты в полость митохондрии в виде различной длины пластин или трубок. Эти складки называются митохондриальными кристами. Кристы значительно увеличивают внутреннюю поверхность митохондрий. Совокупность митохондрий в клетке носит название хондриом. Рис. 1. Схема строения митохондрии в объёмном изображении (1) и на срезе (2): ВМ – внутренняя мембрана оболочки митохондрии, НМ – наружная мембрана оболочки митохондрии, К – криста, Ма – матрикс, р – рибосомы, ДНК – нить митохондриальной ДНК Рис. 2. Схема строения хлоропласта в объёмном изображении (1) и на срезе (2): ВМ – внутренняя мембрана оболочки хлоропласта, НМ – наружная мембрана оболочки хлоропласта, Гр – грана, ТиГ – тилакоид граны, ТиМ – межгранный тилакоид (тилакоид стромы), Пг – пластоглобула, р – рибосомы, ДНК – нить пластидной ДНК У пластид – специфических органелл растительных клеток, внутренние мембраны, образуют немногочисленные ламеллы (тилакоиды стромы, или межгранные тилакоиды). У хлоропластов высших растений часть тилакоидов имеет дисковидную форму небольшого диаметра (0,5 мкм) и собрана наподобие стопки в группы (граны). В гране многочисленные тилакоиды расположены параллельно друг другу, и контактируют мембранами. В мембранах тилакоидов гран содержатся фотосинтетические пигменты – хлорофиллы. Граны связаны между собой тилакоидами стромы. В строме хлоропластов имеются пластоглобулы – сферические включения жирных масел, содержащие вспомогательные незелёные пигменты (каротиноиды). Совокупность пластид в клетке носит название пластидом, или пластом. Митохондрии и пластиды локализованы в гиалоплазме, то есть окружены цитозолем (рисунки 3 и 4, по: Васильев и др., 1988). Рис. 3. Схема строения растительной клетки (ЦВ – центральная вакуоль, Я – ядро, Яд – ядрышко, ЯО – ядерная оболочка, Хм – хроматин, Пя – пора в ядерной оболочке, КО – клеточная оболочка, СП – срединная пластинка, Пд – плазмодесма, Д – диктиосома, Хл – хлоропласт, Пг – пластоглобула, Гр – грана, Ти – тилакоид, КЗ – крахмальное зерно, Т – тонопласт (вакуолярная мембрана), М – митохондрия, ЛК – липидная капля, ГЭР – цистерна гранулярного эндоплазматического ретикулума, По – полисома, Г – гиалоплазма Рис. 4. Положение митохондрий в гиалоплазме: М – митохондрии, Т – тонопласт (вакуолярная мембрана), В – вакуоль, Д – диктиосома, По – полисома, ГЭР – цистерна гранулярного эндоплазматического ретикулума, Г – гиалоплазма 2.3. Плазмодесмы Растительным клеткам присущи также плазмодесмы – тонкие цитоплазматические тяжи, пронизывающие оболочки смежных клеток в многоклеточном растении. При возникновении клеточной пластинки во время цитокинеза между сливающимися пектиновыми пузырьками Гольджи сохраняются содержащие ретикулярные элементы перешейки, в которых цитоплазма между дочерними клетками не разобщается – будущие плазмодесмы. Стенки канала плазмодесмы оказываются выстланными плазмалеммой, формирующейся при слиянии пузырьков Гольджи. Диаметр канала составляет всего 30-60 нм. Плазмалемма, выстилающая плазмодесменный канал, непрерывна с плазмалеммой смежных клеток. В центре плазмодесмы проходит мембранный цилиндр – центральный тяж плазмодесмы, непрерывный с мембранами расположенных у входа в плазмодесменный канал элементов эндоплазматического ретикулума обеих клеток. Между центральным стержнем и плазмалеммой в канале находится лишенная рибосом гиалоплазма, непрерывная с гиалоплазмой смежных клеток. Таким образом, протопласты смежных клеток сообщаются по каналам плазмодесм. По ним происходит путём диффузии транспорт ионов и мелких молекул (аминокислоты, сахара, АТФ), а также гормоны. Протопласты клеток в многоклеточном растительном организме образуют единое целое, называемое симпластом, а транспорт веществ через плазмодесмы получил название симпластического в отличие от апопластического транспорта по оболочкам клеток и по межклетникам (по: Васильев и др., 1988). Рис. 5. Плазмодесмы при большом увеличении электронного микроскопа (схема продольного среза, проведённого перпендикулярно клеточной оболочке): Г – гиалоплазма, КО – клеточная оболочка, СП – срединная пластинка, Пл – плазмалемма, ЭР – элемент плазматического ретикулума, ЦС – центральный стержень плазмалеммы 3. Новые представления о вакуоме (совокупности вакуолей) растительных клеток (по материалам члена-корреспондента РАН Ю.В. Гамалея) 3.1. Введение Конфокальная лазерная микроскопия (КЛМ), трансгенные методы внедрения флуоресцентных зондов, видеозаписывающая и видеовоспроизводящая техника дали возможность наблюдать прижизненную структуру клеток и трассы подвижности флуоресцентных маркёров почти с таким же увеличением и разрешением, как трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ). В результате локализация и эндосимбиотические взаимоотношения цитоплазмы и органелл (пластид, митохондрий) стали визуально наблюдаемыми в живых, непрепарированных клетках. Эндосимбиогенетическая гипотеза получила, наконец, полное признание. Возникли новые направления ее развития. Пионером этих взглядов, ученым, гонимым за них, был А.С.Фаминцын, профессор, заведующий кафедрой физиологии растений Санкт-Петербургского университета. Основоположник петербургской школы физиологов растений; автор первого отечественного учебника по физиологии растений (1887). Прорыв зрел более 100 лет. В эпоху теоретического оформления гипотеза оказалась не ко времени, другого объяснения трудностей ее признания нет. Она требовала пересмотра базовых положений клеточной теории, на которые уже опиралась стремительно развивавшаяся генетика, не менее популярная тогда, чем молекулярная биология сегодня. Теперь ревизия устаревших взглядов на организацию клеток и клеточных систем высших растений ничему не грозит. Практически она уже произошла, повлияв на развитие многих фундаментальных и прикладных направлений биологии растений. Идёт рабочее обсуждение композитной индивидуальности растений, базирующейся на взаимодействии геномов ядра и органелл. Согласно эндосимбиогенетической гипотезе, хлоропласты растений – несвободно живущие в теле растений цианобактерии. Инвазия цианобактерий в эукариотические клетки по этой гипотезе завершается их локализацией в эндосомах. Плазматическая по происхождению мембрана эндосом преобразуется в ходе их слияния в эндоплазматическую (или вакуолярную, тонопласт). Наполняясь фотосинтатами и осмотически поглощаемой водой, эндоплазматические полости (вакуоли) растут и перетекают из клетки в клетку в направлении от клеток-доноров к клеткамакцепторам, формируя на своем пути плазмодесмы. Основные труды А.С.Фаминцына связаны с фотосинтезом и обменом веществ в растениях. В докторской диссертации «Действие света на водоросли и некоторые другие близкие к ним организмы» (1866) Фаминцын впервые доказал, что процесс ассимиляции CO2 и образование крахмала в зелёных клетках водорослей могут происходить не только при естественном дневном свете, но и при искусственном освещении. Вместе с О.В.Баранецким (1867) показал сложную природу лишайников и впервые выделил из лишайников зелёные клетки (гонидии), установив тождество их со свободноживущими водорослями. Открыл симбиоз водорослей с радиоляриями. Развивал теорию симбиогенеза. Впервые в России начал развивать экспериментальные исследования в физиологии растений. Микроскопическая техника подарила наблюдателю новый мир, невидимый невооруженным глазом, позволила заглянуть внутрь живых организмов. Она очень широко востребована и в связи с этим стремительно развивается. Для многих ботанических дисциплин микроскопия – базовый метод. Ткани растений (древесина, кора) относятся к числу ее первых объектов. На их материале были получены данные, ставшие фундаментом клеточной теории, клеточной терминологии. Дальнейшее их развитие тоже во многом было обязано ботаническим исследованиям. Гистология, цитология, кариология, эмбриология на первых этапах успешнее развивались на материале растительных клеток и тканей по причине их более легкой доступности для микроскопических исследований. Наряду с универсальностью использования в разных областях биологии, широкими возможностями и перспективностью, микроскопический метод исходно имел и слабые стороны. Его было гораздо проще применять в работе с фиксированными препаратами, чем на живом материале. В этом же состоял один из главных недостатков. Работа с тонкими срезами давала возможность получать двумерные изображения, которые исследователь в простейшем варианте сам в уме преобразовывал в трехмерные. Это качество субъективно. Необходимость препарирования материала перед наблюдениями в принципе не давала возможности следить за развитием структуры. Указанные недостатки микроскопической техники так или иначе преодолевались в ходе ее совершенствования. Разрабатывались методы прижизненных наблюдений структуры растительных клеток. Создавались технические приемы автоматического перевода 2D-изображений в 3D. Микроскопические видеофильмы, ставшие реальностью последнего десятилетия, компенсировали сразу многие недостатки. Новые материалы, полученные с применением более совершенных методов микроскопии, стимулировали развитие клеточной теории. Основные проблемы и противоречия возникали при попытках совмещения результатов наблюдений прижизненных и фиксированных препаратов. Прижизненные методы наблюдений (световая микроскопия в 19 веке и конфокальная лазерная в 21 веке) демонстрировали динамичную внутриклеточную структуру растений, наблюдения на фиксированном материале (трансмиссионная электронная микроскопия в 20 веке) – статичную, ведущую к артефактам и субъективным интерпретациям. Анатомические и цитологические исследования на мёртвых препаратах приводили к ошибкам серьезным и длительным, перераставшим в застойные догмы. Уже сложившиеся представления трудно пересматривались, даже когда аргументы для этого уже накопились. Для исследований общей мембранной топографии клеток методы электронной микроскопии фиксированных препаратов были вполне информативны. Для выяснения её динамики они оказались непригодными. Методический перелом произошел с появлением конфокальной и видеомикроскопии. По сравнению с методами электронной микроскопии принципиальная новизна подхода состояла в возврате к прижизненным наблюдениям. В результате внедрения новой микроскопической техники наблюдения световых микроскопистов в 19 веке, поставленные под сомнение данными электронной микроскопии в 20 веке, оказались реабилитированными. В качестве примера можно напомнить историю представлений об углеводном «пищевом тракте» высших растений, его взаимоотношениях с пластидами и митохондриями. 3.2. История исследований углеводного «пищевого тракта» растений В исследования флоэмного транспорта наибольший вклад внесли представители немецкой научной школы: открытие плазмодесм – Э.Тангл (Tangl, 1879) и Э.Страсбургер (Strasburger, 1882), анатомия терминальной флоэмы – А.Фишер (Fischer, 1885), осмотические механизмы транспорта – Ф.Пфеффер (Pfeffer, 1877), представление о симпласте и апопласте – Э.Мюнх ( Münch, 1930), биохимия флоэмного экссудата – М.Циммерманн и Х. Циглер (Zimmermann, 1957; Ziegler, 1975), загрузка флоэмы – В.Эшрих (Eschrich, 1970). Школы флоэмного транспорта К.Эсау в США и А.Л.Курсанова в России базировались на достижениях немецкой школы. Представления, сформулированные Э.Мюнхом, стали фундаментом концепции углеводного пищевого тракта сосудистых растений, эндоплазматического для деревьев и экзоплазматического (апопластного) для трав (Гамалей, 1994, 2004). Непосредственным поводом развернуть сравнительные исследования структуры и функций терминальной флоэмы стали публикации сотрудников Белфастского университета (Ирландия), посвященные «transfer cells» травянистых растений. Предшественники, работавшие на бобовых, нашлись и по этой теме, в том числе немецкие ученые. Их публикации прошли практически незамеченными. Работы ирландских исследователей, наоборот, сразу привлекли общее внимание благодаря тому, что в них было обращено внимание на специфичность «transfer cells» и апопластных лабиринтов для луговых трав, подсказанное флорой Ирландии, описываемой как обеднённый вариант альпийской луговой флоры. Далее в развитии сравнительных исследований флоэмного транспорта заметную роль сыграла отечественная наука. Это стало следствием ряда обстоятельств, и не только научных. Во-первых, многие западные исследователи перешли на молекулярную тематику. Среди специалистов по флоэме стало модным заниматься передвижением регуляторных белков. Верность углеводному транспорту сохранили единицы. Во-вторых, благодаря информационной системе, сложившейся в годы «холодной войны», отечественные научные работники имели доступ к западной литературе, их коллеги на западе о результатах российских (советских) учёных были осведомлены хуже. Например, занимаясь исследованиями терминальной флоэмы деревьев, отечественные ученые знали о работах профессора Ганнинга и сотрудников по луговым травам, а они о результатах россиян – нет. Из-за политической ситуации в Северной Ирландии группа Ганнинга распалась, её костяк эмигрировал в Австралию, тематика исследований сменилась. В других обстоятельствах всё могло сложиться иначе. В Ботаническом институте Российской академии наук направление сравнительных исследований флоэмного транспорта, начатое немецкими и ирландскими ботаниками, было продолжено под руководством академика Ю.В. Гамалея. Акцент сместился на влияние климатических факторов на структуру флоэмы и формы роста растений. Сравнение их структурно-функциональной специфики привело к обнаружению принципиальных различий углеводного пищевого тракта у древесных форм палеогена и трав неогена. Переход в олигоцене от тёплого и влажного, оранжерейного для растений, климата палеогена к сезонно холодному, изобилующему оледенениями климату неогена привел к замене термочувствительного эндоплазматического флоэмного транспорта на свободный от температурного влияния экзоплазматический. По мере охлаждения климата древесные формы дождевого леса с эндоплазматическим экспортом углеводов уступали место луговым травам с экзоплазматическим их распределением. Чтобы убедиться в этом, потребовалось исследовать не десятки и не сотни, а тысячи видов. Результатом стала электронная база структурно-функциональных параметров флоэмы, организованная по группам растительных форм. Ее анализ дал пищу для новых направлений осмысления роли климата в их эволюции. Такова краткая история исследований углеводного пищевого тракта сосудистых растений за сто с небольшим лет. Особый интерес к плазмодесмам как к межклеточным контактам растений вспыхивал за эти годы неоднократно. Профессор Кенигсбергского университета Э. Тангл ещё в 1879 г., используя методы прижизненного окрашивания цитоплазмы реактивами JKJ и ClZnJ, обнаружил «цитоплазматические нити, связывающие протопласты соседних клеток». Аналогичные результаты были получены московским профессором И.Н. Горожанкиным на эмбриологическом материале. Его наблюдения менее известны, поскольку, как многие русские ученые, он не спешил с публикацией своих результатов на европейских языках. Несколькими годами позже Э. Страсбургер (1882, 1901) обнаружил цитоплазматические нити между протопластами соседних клеток методом плазмолиза и дал им название «Plasmodesmen», прочно вошедшее в цитологическую литературу. Роль плазмодесм в качестве межклеточных транспортных коммуникаций была понята сразу и широко обсуждалась. Сравнительные исследования разных тканей показали, что они повсеместны в теле растений, но в количественном отношении распределены неравномерно. Флоэмоцентрический градиент плазмодесм был оценён как одно из свидетельств их участия в распределении фотосинтатов по телу растения. Начинать описание и обсуждение экспортного пути фотосинтатов логично было бы не с плазмодесм, а со «стромул» пластид, но они были открыты и описаны на 120 лет позже плазмодесм, с появлением и внедрением в цитологическую практику конфокальной лазерной микроскопии и трансгенных флуоресцентных белков-маркеров углеводного тракта. Густая сеть нитей, исходящих от пластидной оболочки, была обнаружена и описана как сеть «стромул» 2001 г. Авторы, предложившие этот термин, полагали, что открыта новая, не известная ранее цитологам растений структура. Они описали ее как нитевидные выросты пластид, ограниченные, как и сами пластиды, двойной мембранной оболочкой и заполненные стромой. По их мнению, все пластиды в клетке объединены ими в общий фотосинтезирующий сетевой комплекс (рис. 6, a). По-видимому, авторов нисколько не смущала парадоксальность такой интерпретации. Никаких строгих доказательств двух мембран оболочки и наполнения «стромул» стромой, как и сетевой структуры пластид, на тот момент представлено не было. Это были наиболее простые и казавшиеся логичными интерпретации данных абсолютно нового метода наблюдений. Этой же группой авторов сообщалось, что нити объединяют не только пластиды, но и митохондрии в единую внутриклеточную сеть, что выглядело правдоподобно, но совсем не сочеталось с интерпретацией их содержимого как стромы пластид или матрикса митохондрий. Конфокальная микроскопия не дает достаточного разрешения для возможности наблюдения двух мембран оболочки, поэтому среди исследователей сразу нашлись скептики, усомнившиеся и в наличии двойной оболочки, и в наполнении «стромул» стромой. Нитевидные выросты, обнаруживаемые в 2012 г. на базе оболочки других органелл, по аналогии со «стромулами» пластид были названы «матрикулами» митохондрий, «пероксилами» пероксисом. Рис. 6. Альтернативные модели интерпретации эндоплазматического ретикулума, «стромул» пластид и «матрикул» митохондрий растительной клетки: а – как нескольких самостоятельных сетевых структур клетки (по: Mathur et al., 2013); б – как общей сети углеводного тракта сосудистых растений, генерируемой хлоропластами в процессе фотосинтеза (по: Gamalei, 2014). Авторов конфокальных наблюдений прижизненных структур должен был насторожить тот факт, что мембранных структур клетки, не обнаруживаемых методами электронной микроскопии, в принципе быть не может: четырёхокись осмия и цитрат свинца – контрастёры, специфичные именно для мембран. Не показалась им странной и весьма поверхностная аналогия между столь разными по происхождению компонентами клетки, как пластиды, митохондрии и пероксисомы. Тиражировался новый подход к клеточной номенклатуре. Уточнения в скором времени последовали. Ни нуклеоидов, ни рибосом, свойственных строме пластид и матриксу митохондрий, в нитевидных выростах не оказалось. От представлений об обязательном объединении нитевидными выростами оболочки всех пластид и митохондрий клетки тоже пришлось отказаться. Первоначальная интерпретация структуры и функционального статуса «новых структур», по мнению части авторов, оказалась не слишком удачной. Но термины уже успели прижиться. Инициатива их замены более точными под давлением новых фактов должна была бы исходить от тех же авторов, которые их предложили, но пока этого не произошло. Виной столь запутанной ситуации отчасти стало стремление авторов, описавших «стромулы» и «матрикулы» как новые прижизненные структуры, не использовать уже существовавшую к тому времени терминологию, созданную на материале электронно-микроскопических наблюдений структур фиксированной клетки. Альтернативная модель интерпретации «стромул» и «матрикул» базировалась на представлениях о высокой подвижности межклеточной эндоплазматической сети растений и локализации пластид и митохондрий внутри нее (см. рис. 6, б). Эти представления логически вытекали из гипотезы симбиогенетического происхождения растений (Фаминцын, 1907; Margulis, 1981), согласно которой монополистами фотосинтеза являются цианобактерии (цианеи), а растения выполняют только роль их носителей (рис. 7). Рис. 7. Преобразование буферной зоны эндосимбиогенеза прохлорофитов и протистов в структурный ряд производных: пластиды → эндоплазматический ретикулум → плазмодесмы → межклеточный вакуом → ситовидные трубки флоэмы (a–г) (по: Гамалей, 2014) Инвазия цианей принесла с собой в тело эукариотных растений не только фотосинтез, но и эндоцитозную мембранную камеру, развернувшуюся по мере накопления в ней фотосинтатов в эндоплазматическую сеть. Увеличение популяции цианей внутри сети и её рост сопровождаются делением клеток и распределением фотосинтатов по клеточной цепи с образованием трубчатых плазмодесм в местах пересечения структурами эндоплазматической сети клеточных оболочек. Двигаясь из клетки в клетку под давлением раствора фотосинтатов и сливаясь, потоки эндоплазматического ретикулума образуют каналы магистрального транспорта фотосинтатов – ситовидные трубки флоэмы (см. рис. 7). Обязательность фотосинтеза для формирования «стромул» пластид, эндоплазматической сети, плазмодесм, ситовидных трубок подтверждается тем, что у растений сезонного климата все эти структуры элиминируются в диапаузах фотосинтеза и формируются заново на каждом очередном периоде фотосинтетической активности. Именно поэтому флоэма, в отличие от ксилемы, функционирует в течение одного вегетационного сезона. Предложенная гипотеза предполагала, что пластиды не только источник эндоплазматической сети мембран, но и локализованы внутри нее (см. рис. 6, б). Первые сведения об их локализации не в цитоплазме, а внутри изолированного мембранного компартмента публиковались еще в 19 веке по материалам световой прижизненной микроскопии. Аналогичные результаты были получены методами темнопольной и фазово-контрастной микроскопий в 20 веке. Описания эндоплазматического ретикулума, как и сам этот термин, относятся к более позднему периоду освоения цитологами трансмиссионной электронной микроскопии. Естественно, наблюдения ультратонких срезов мёртвого (фиксированного четырёхокисью осмия) материала не давали возможности составить представление о степени динамичности внутриплазматической мембранной сети. Частично эти недостатки компенсировались методами 3Dреконструкций по серийным срезам. По причине трудоёмкости массовыми они быть не могли. Наиболее проницательные интерпретаторы электронномикроскопических снимков предполагали локализацию пластид и митохондрий в эндоплазматической сети растительной клетки и публиковали свидетельства в пользу этой версии. Но к этим наблюдениям относились с большой осторожностью. Их принятие потребовало бы отказа от представлений о двойной мембранной оболочке пластид и митохондрий, а они уже стали догмой. Перелом во взглядах произошёл с появлением методов прижизненной видеомикроскопии в сочетании с использованием трансгенных флуоресцентных белков-маркёров углеводного пищевого тракта. Новизна подхода состояла в возврате к прижизненным наблюдениям, но на гораздо более высоком, чем прежде, техническом уровне. Особенно полезными оказались прижизненные видеофильмы в реальном масштабе времени. Результат не замедлил сказаться: была подтверждена и локализация пластид внутри эндоплазматической сети, и высокая подвижность самой сети в клетке. Забытые на сто с лишним лет рисунки первых оптических исследователей прижизненной структуры стали воспроизводиться вновь в обзорных статьях по «стромулам» пластид. С целью адаптации к уже устоявшимся представлениям о «стромулах» они интерпретируются поновому как доказательство существования структур, связующих пластиды в пластидную сеть. Терминологии, созданные на основании наблюдений фиксированных и прижизненных препаратов, действительно оказываются не совсем совместимыми. Наконец, возникает принципиальный прорыв: окраска двумя трансгенными флуоресцентными белками, специфичными для «стромул» пластид (зелёный) и для эндоплазматической сети клетки (жёлтый), показывает полную пространственную идентичность обеих окрашиваемых в разные цвета структур. Их внутриклеточная структура и в динамике оказывается одинаковой. Казалось бы, гипотеза тождественности «стромул» пластид элементам эндоплазматической сети должна торжествовать. Но переломить сложившуюся догму уже непросто. Червь сомнений остается: может быть, все-таки «стромулы и эндоплазматическая сеть только структурно одинаковы, но функционально различны и существуют независимо друг от друга?» (см. рис. 6, а). Потому что они описаны разными методами: на основании наблюдений прижизненных и фиксированных препаратов? Или потому, что это связано с отказом от представлений о двойной мембранной оболочке органелл? Интерпретация двух мембран, ограничивающих органеллы, как их собственной оболочки была уязвима для критики и раньше. Мембраны – поверхностные структуры белкового золя, принадлежность каждой из них определяется по тому золю, на поверхности которого она находится. Внешняя мембрана органелл образуется на поверхности цитозоля, а не стромы пластид или матрикса митохондрий. Она может быть только эндоплазматической, не пластидной и не митохондриальной. Две мембраны, визуально воспринимаемые микроскопистами как «оболочка» пластид и митохондрий, имеют разные происхождение, барьерные свойства, подвижность. Их независимость демонстрируют и видеофильмы: внешняя мембрана находится в состоянии текучести, внутренняя – статична. Объединять их в общую структуру нет ни малейших оснований. Тем не менее, разрешение спора отодвигается даже несмотря на то, что появляются прямые доказательства связи образования «сети стромул» с распределением фотосинтатов: образование «стромул» может быть инициировано или усилено введением экзогенных сахаров, причем эффект достигается только сахарами первичного метаболизма (сахароза, глюкоза), вторичные сахара (маннитол, сорбитол) его не вызывают. И хотя гипотеза экспортной функции эндоплазматической сети в целом и «стромул» пластид в качестве ее истока представляется непротиворечивой, её принятие исследователями, не имеющими опыта электронной микроскопии, на время откладывается. 3.3. Структура «пищевого тракта» растений Элементы эндоплазматической сети по форме могут быть трубками, цистернами, везикулами и вакуолярными полостями в зависимости от общей топографической ситуации в клетке. Диаметр трубок, размер везикул и вакуолей растёт в клетке по мере накопления в ней пула фотосинтатов, в клеточной системе – в направлении от терминальных к магистральным участкам сети. На роль истоковой структуры всех элементов эндоплазматической сети претендует «внешняя мембрана» хлоропластов. Электронная микроскопия позволяет наблюдать радиально расходящиеся от нее трубчатые каналы эндоплазматического ретикулума (см. рис. 6, б). При использовании конфокальной микроскопии и трансгенных флуоресцентных белков в качестве маркёров пищевого тракта её базовость для стромул, интерпретируемых как «нитевидные выросты пластид», полностью подтверждается. Диаметр истекающих из нее трубок варьирует от 50 до 850 нм (0,05-0,85 мкм), что вполне соответствует диапазону разнообразия элементов эндоплазматического ретикулума, наблюдаемого методами электронной микроскопии. Протяжённость трубок от внешней мембраны пластидной оболочки может быть прослежена по распространению маркёров на значительные расстояния: от 10 мкм (диаметр одной клетки) до 400 мкм (цепь из 10-15 последовательных клеток). В последнем случае устанавливается факт их проникновения через клеточные оболочки с образованием плазмодесм. Трубки способны ветвиться, углы ветвления специфичны для клеток разной формы. Считается, что они контролируются цитоскелетом и повторяют форму клеток. Каждая точка роста «стромул» имеет каплевидную вершину. Диапазон варьирования скорости роста трубок – от 0,2 до 1,5 мкм/с, средняя скорость около 1 мкм/с. Наблюдаемый импульсный характер распространения стромул в цитозоле, возможно, связан с преодолением сопротивления цитоскелета в ходе роста. Достигая клеточной стенки, трубки «стромул» проходят через неё с образованием плазмодесм (см. рис. 6, б). Ректикулярная трубка («десмотрубка») внутри плазмодесм структурно аналогична «стромулам» пластид. Независимо от образования – первичного в делящихся клетках или вторичного в интерфазных – трубка эндоплазматического ретикулума – базовая структура плазмодесм любой конфигурации. Цитоплазматическое кольцо образуется как вторичная структура. Диаметр «десмотрубки» – 20-30 нм, вместе с цитоплазматическим кольцом – 50-60 нм. Внутри цитоплазматического кольца обнаружен актомиозиновый сфинктер, состоящий из фибрилл актина, прикрепленных к эндоплазматической трубке, и моторного миозина, заякоренного на плазмалемме. Наличие сфинктера обеспечивает движение трубки внутри кольца. Импульсный характер ее движения, как и импульсный рост стромул, очевиден: он проявляется периодическими сокращениями просвета трубки. Им соответствует выброс ретикулярных везикул в цитоплазму соседней клетки. По данным измерений электрического сопротивления, секреция растворов углеводов через плазмодесмы описывается как межклеточная пульсация ретикулума в темпе 5-6 сокращений в минуту. Как и стромулы пластид, плазмодесмы могут ветвиться в толще оболочки. Кустовая модификация плазмодесм производна от структуры эндоплазматического ретикулума: расходящиеся в периферической цитоплазме ветви оказываются «запечатанными» внутри клеточной стенки. Полисахариды клеточной стенки, находящиеся в контакте с плазмодесмами, окисляются активными формами кислорода, формируя каллозные чехлы вокруг цитоплазматического кольца. При механических нарушениях целостности транспортных каналов отложения каллозы блокируют плазмодесмы, сохраняя герметичность эндоплазматической сети, важную для ее функционирования. Все методические приемы визуализации структуры и динамики стромул и плазмодесм одинаковы. Пульсирующий рост трубок и их ветвление имеют одинаковые параметры для стромул и плазмодесм. Ни по форме, ни по размеру принципиальных различий между ними нет. Взаимозависимость их развития очевидна. 3.4. Функционирование О функциях эндоплазматической сети, стромул и плазмодесм равно мало что известно, главным образом это спекуляции. Хотя со времени этих публикаций прошло почти 20 лет, за которые были опубликованы десятки статей, ситуация принципиально не изменилась. Основной функцией эндоплазматической сети и ее межклеточных участков (плазмодесм) традиционно считалось распределение продуктов фотосинтеза. Длительная полемика по вопросу о конкретном канале транспорта сахаров в плазмодесмах завершилась в пользу эндоплазматической трубки, не цитоплазматического кольца. По цитоплазматическому кольцу плазмодесм предполагалось распространение вирусов, белков и малых РНК регуляторного значения. Материалы публикаций этих авторов легли в основу гипотезы участия плазмодесм в распространении сигнальных молекул: гормонов, белков и даже нуклеиновых кислот. В следовых количествах эти соединения периодически находились во флоэмном экссудате, что позволило предполагать их участие в «дальней» сигнализации. Увлечение этими идеями со временем пошло на убыль, когда выяснилось, что продолжительность жизни молекул малых информационных РНК (1-2 часа) значительно меньше, чем длительность флоэмного транспорта от донорных к акцепторным зонам (24-36 часов). Этот аргумент не привел к исключению плазмодесменного транспорта из регуляторных процессов, но вызвал поворот внимания исследователей от надклеточной регуляции к внутриклеточной. «Ближняя» сигнализация по плазмодесмам теперь обсуждается в качестве механизма регуляторных взаимоотношений ядра, пластид и митохондрий соседних клеток. Но и здесь не все логически объяснимо. Например, в гифах грибов есть плазмодесмы нормальной структуры (с цитоплазматическим кольцом и плазмалеммой), но нет пластид. Логически рассуждая, цитоплазматическое кольцо вообще может не иметь функциональной нагрузки: оно формируется как обязательная побочная структура при пересечении трубкой ретикулума клеточной стенки. Движение по цитозолю трудно представить иным, чем диффузия с низкой скоростью и без определенного направления. Отдельные авторы резонно предлагали рассматривать цитоплазматическое кольцо как «сточную канаву», «неизбежное зло». «Зло» потому, что транспорт по цитоплазматическому кольцу может иметь сопутствующие отрицательные последствия: распространение вирусов и ксенобиотиков отнюдь не регуляторного свойства. Углеводное питание относится к универсальным свойствам всех растительных клеток и грибных тоже. Наибольшее число описаний «стромул» пластид и плазмодесм эндоплазматической сети сделано на фотосинтезирующих тканях листа, являющихся источником сахаров и истоком их транспортной системы. В этой же зоне (граница мезофилл/терминальная флоэма) наблюдаются наиболее плотные скопления плазмодесм. В осевой флоэме структуры эндоплазматической сети сменяются её магистральными дериватами – ситовидными трубками. По трубчатой структуре и транспортной функции они не отличаются принципиально от стромул и плазмодесм периферической сети. Полость ситовидных трубок имеет значительно больший диаметр (10-20 мкм). По изображению на снимках и содержанию она аналогична вакуолям соседних паренхимных клеток, возникающим путём расширения полостей эндоплазматического ретикулума. Ко времени зрелости ситовидных трубок они теряют цитоплазму и ядро, но сохраняют довольно много пластид и митохондрий не совсем обычной структуры. Внешняя мембрана оболочки этих органелл частично или полностью утрачивается. Возможно, она преобразуется в мембрану, ограничивающую полость клетки. Зеркальные, то есть вывернутые относительно друг друга, плазмалемма и тонопласт различаются по барьерным свойствам для сахаров и флуоресцентных белков-маркёров. Тонопласт для них является барьером, плазмалемма этими качествами не обладает. Результаты соответствующих тестов показывают, что транспортный канал ситовидных трубок действительно ограничен тонопластом, а их полость относится к структурному ряду ретикулярно-вакуолярных производных. Не только в ситовидных трубках, но и в паренхимных клетках пластиды и митохондрии локализованы не в цитоплазме, а внутри эндоплазматического ретикулума. Для органов потребления, где происходит запасание сахаров, стромулы и плазмодесмы не менее, а по сведениям некоторых авторов, даже более характерны, чем для тканей листа. Показано, что развитие симбиотического грибного партнера, питающегося сахарами в тканях корня, стимулирует формирование и стромул и плазмодесм. Судя по этим материалам, элементы эндоплазматической сети – стромулы и плазмодесмы – базовые структуры донорно-акцепторных отношений между всеми органами растения и между симбиотическими партнерами. Широко известны эффекты стимуляции фотосинтеза, роста и, соответственно, эндоплазматической подвижности формированием микоризы на корнях или частичным поеданием (потравой) животными. Есть немало оснований считать межклеточную эндоплазматическую сеть растений аналогом кровеносной сети животных. Обе сети – пищевые тракты, носители внутриклеточной и одновременно межклеточной среды, обе осмотически гомеостатированы. Кроме трофических соединений, кровь содержит нейрогормоны, синхронизирующие внутриклеточный белковый синтез. По эндоплазматической сети растений, кроме углеводов, тоже распределяются регуляторные соединения, синхронизирующие процессы белкового синтеза, фотосинтеза, дыхания. Недавно получены новые данные о транспорте ароматических и гормональных соединений по стромулам и плазмодесмам. По совокупности этих данных и их аналогии с клеточными системами животных есть подозрение, что и в клеточных системах растений стареют не сами клетки. Они имеют возможность обновляться неограниченно. Возможно, с возрастом ослабевает транспортная и синхронизирующая функция межклеточной сети (внутриклеточной среды). Известно, например, что с возрастом снижается сократительная способность актомиозинового аппарата, контролирующего подвижность пищевого тракта. Убывание скорости роста растений в ходе их старения, судя по возрастным изменениям ширины годичных колец деревьев, аналогично. 3.5. Подвижность Все элементы межклеточной эндоплазматической сети отличаются высокой степенью подвижности. Теперь это стало возможным иллюстрировать даже в преподавательской практике видеофильмами в реальном масштабе времени. Диапазон скоростей – от 0 до 2-3 мкм/с – соизмерим с диапазоном величин фотосинтетической активности и роста. Выясняется, что представление о неподвижности растений сильно преувеличено. Их рост и есть подвижность. Не случайна этимология термина «растение» в русском и немецком языках: он произведен от корня «рост». Подвижность растений кардинально отличается от подвижности животных, несмотря на то, что в основе обоих явлений лежит механизм актомиозиновых сокращений. Причина различий в противоположной схеме закрепления моторных головок миозина и актиновых фибрилл на внешней и внутренних мембранах (плазмалемме и тонопласте). Находясь внутри пищевого тракта, пластиды наполняют его осмотически активными углеводами. Транспортная система растёт по мере увеличения их пула. Зоны использования фотосинтатов в ходе этого процесса удаляются от зон их производства. Общий принцип распределения фотосинтатов базируется на полярной локализации фотосинтеза и дыхания. Высшие растения, имеющие внутри себя и донорные и акцепторные зоны, – один из немногих примеров полной пищевой самодостаточности. Эксперименты с ингибиторами сборки актина (цитохалазин D, латринсулин В) подавляют подвижность стромул. Такой же эффект вызывает ингибитор АТФазы миозинового мотора. Аналогичный механизм контроля подвижности эндоплазматической трубки описан для плазмодесм. Микротрубочковые ингибиторы (оризалин, амипрофосметил) не оказывают влияния ни на подвижность стромул, ни на динамику плазмодесменного транспорта. Органеллы растительных клеток – пластиды и митохондрии – тоже подвижны. Очевидным свидетельством тому могут быть их сезонные и суточные перемещения, которые во многих публикациях рассматриваются как светозависимые. Собственного двигательного аппарата пластиды и митохондрии не имеют. Сократительный аппарат цитоскелета косвенно может быть инициатором и их подвижности. Если органеллы находятся внутри эндоплазматической сети (см. рис. 6, б; рис. 7), их подвижность должна рассматриваться как вторичная относительно её собственной подвижности. Картину согласованной подвижности эндоплазматической сети и органелл убедительно демонстрируют видеофильмы. Поскольку для подвижности эндоплазматической сети обязателен фотосинтез, он может оказывать косвенное влияние и на подвижность органелл, объясняя отмечаемую многими авторами светозависимость подвижности хлоропластов. 3.6. Температурный диапазон образования и функционирования Образование стромул на внешней мембране пластидной оболочки свойственно всем исследованным растениям и всем типам клеток, это их универсальное свойство. Температурный диапазон этого явления ограничен температурными пределами сократительной активности актомиозинового цитоскелета. На материале сначала альпийских, а затем и арктических трав установлено, что до +10°С формирования стромул из оболочки пластид не происходит. Их образование становится массовым после +15°С и достигает пика выше +20°С. Учитывая, что для фотосинтеза важно сочетание температуры и света, в экспериментальных условиях к температурным вариациям в качестве второго фактора были добавлены вариации интенсивности света. В результате было выяснено, что низкая температура обладает подавляющим образование стромул эффектом, варьирование интенсивности света существенным образом на этот процесс не влияет (за исключением полной темноты). Авторы полагают, что блокада образования стромул связана с температурными изменениями пластичности актомиозинового цитоскелета. Данные о температурном режиме формирования плазмодесм аналогичны. У растений, обитающих постоянно в условиях низких температур, их количество минимально. Если они уже сформированы, как у многих растений умеренного климата, то при низких положительных температурах их функциональная активность очень слабая. Различия по численности плазмодесм у термофильных древесных форм и криофильных трав составляют два порядка. Таким образом, по температурному режиму формирования и функционирования между стромулами и плазмодесмами тоже существенных различий нет. При температурах ниже +10°С не существует ни тех, ни других. Выше этого температурного порога обе группы структур появляются, становятся многочисленными и функционально эффективными. Вышеприведенные данные подтвердили, что температурные режимы фотосинтеза и экспорта фотосинтатов не совпадают. Фотосинтез возможен при нулевой и даже минусовой температуре. Экспорт фотосинтатов по эндоплазматической сети, судя по формированию стромул и плазмодесм, начинается только после +10°С и резко возрастает выше +20°С. Различия температурных оптимумов фотосинтеза, экспорта фотосинтатов и соответственно роста растений в литературе получили наименование «температурных ножниц». Причины этого явления, вероятно, восходят к эпохе происхождения растений путем симбиогенеза фототрофных прохлорофитов и хемотрофных протистов. Каждому из партнеров по симбиогенезу могли быть свойственны собственные температурные требования к среде обитания, они ведь имели разный эволюционный возраст. Следствием этих различий могло стать большое разнообразие жизненных форм растений, основанное на множестве вариантов стабилизации функционального баланса процессов фотосинтеза, транспорта, роста. Из естественных факторов формирование и подвижность стромул и плазмодесм в равной мере подавляются темнотой и холодом. Влияние темноты опосредовано через подавление фотосинтетической активности хлоропластов. Холод действует в том же направлении на экспорт фотосинтатов через усиление ригидности цитоскелета. Роль балансовых взаимоотношений фотосинтеза и контролируемого цитоскелетом экспорта фотосинтатов в формировании тех и других структур может быть проиллюстрирована характером изменений фотосинтеза вдоль горных профилей. До 2500 м над уровнем моря (в Альпах, на Кавказе и Памире) фотосинтез растет, оптимизируясь за счет понижения внешнего давления, ускоряющего экспорт фотосинтатов. На высотах более 2500 м негативное влияние градиента понижения температуры на экспорт фотосинтатов становится более сильным, чем позитивное влияние градиента понижения давления. 3.7. Заключение Эндоплазматическая сеть растений обязана своим происхождением фотосинтезу цианобактерий. Их эндоцитозное внедрение в клетки растений – ключ к пониманию природы углеводного пищевого тракта. Блокада подвижности структур пищевого тракта внешними или внутренними факторами вызывает подавление фотосинтеза избытком его продуктов. Вероятно, это главный фактор эндогенной регуляции фотосинтеза высших растений. Трубчатая структура стромул пластид и десмотрубок плазмодесм сходна. Нет никаких сомнений в общности их транспортных функций. Образование и стромул, и плазмодесм может быть индуцировано или усилено введением экзогенных сахаров. Для обеих структур показаны одинаковый актомиозиновый механизм и сходный темп импульсной подвижности. Температурный режим появления и функционирования тоже оказался общим, зависимым от температурных свойств актомиозинового цитоскелета. Исток обеих структур – мембранная капсула хлоропластов. По направлению движения стромулы первичны, плазмодесмы – вторичны. Из совокупности наблюдений возникает не предположение, а уверенность, что они – фрагменты одной и той же более общей сетевой структуры, названной в статье углеводным пищевым трактом. В качестве претендента на эту роль может выступать только свойственная всем растительным клеткам эндоплазматическая сеть, появившаяся одновременно с зелёными эукариотами в результате симбиогенетического объединения нескольких прокариотных предшественников. Внешний партнер формирует эндоплазматическую мембранную сеть и обеспечивает ее межклеточную подвижность. Внутренний наполняет подвижный пищевой тракт продуктами фотосинтеза, гомеостатируя осмотическое давление в сети. Первые доказательства правомерности интерпретации стромул и плазмодесм в качестве фрагментов эндоплазматической сети не клеток, а целых растений уже получены. Способность эндоплазматической сети растений функционировать в качестве межклеточного донорно-акцепторного канала распределения углеводов сближает её с кровеносной сетью животных. Обе являются для клеток межклеточной средой, которая может быть ответственной за старение многоклеточных организмов. Объединенные вместе, данные электронной и конфокальной микроскопии дали богатый материал для обновления моделей образования и функционирования клеточных систем высших растений. Но полностью снять интригу их организации пока не удалось. У клеточной теории по-прежнему много проблем. Тождественность эндоплазматической сети и плазмодесм, наблюдаемых методами электронной микроскопии, «стромулам» пластид и «матрикулам» митохондрий, описанным по изображениям лазерного конфокального микроскопа, – предмет острой полемики последних двух десятилетий. Несмотря на их структурное сходство, часть исследователей готова принять скорее собственную сетевую организацию пластид и митохондрий, чем непротиворечивую возможность их локализации внутри общей эндоплазматической сети. Осторожность, вероятно, оправданна. Предлагаемый переход от клеточной к клеточносетевой модели организации высших растений может иметь далеко идущие последствия. Благодаря комплексному использованию разных методов микроскопии, вопросы поставлены. Ответом на них должна стать очередная ревизия клеточной парадигмы. Трудности поиска однозначного решения видятся в сложности интерпретации результатов, в разном опыте поколений, работающих методами трансмиссионной и конфокальной микроскопии, в различиях мотивации их научного поиска, степени финансовой независимости, позволяющей иметь собственное мнение. До сих пор развитие методов микроскопии было более всего мотивировано потребностями микробиологии и медицины. Первостепенная важность медицинских исследований не подлежит сомнению. Но приоритеты в ситуации, когда численность людей на планете приближается к 10 млрд, а площадь лесов сократились до 10 % поверхности континентов, и эти тенденции явно взаимосвязаны, могут поменяться. Растения были и остаются важным, благодарным, удобным объектом для микроскопистов. Вложение денег в их исследования – в конечном счете, тоже вложение в профилактику заболеваний. Растительный покров – фундамент, способный возрождать биосферу, которую человечество, стоящее на вершине трофической пирамиды, так или иначе губит. Прогресс в познании растений благодаря использованию быстро прогрессирующих методов микроскопии велик. Очевидно, что оксигенная фототрофия и способность к инвазиям в другие организмы – свойство бактериальной составляющей биосферы. Особая роль грибов – в неограниченной способности к симбиогенетическим взаимоотношениям. Разнообразие форм растительной жизни стало возможным благодаря организации альго-мико-бактериального союза на границе трех сред. Все это теперь наблюдаемо благодаря развитию микроскопической техники и успехам микроскопии. Задания по теме лекций (ответы формулировать самостоятельно и по существу в виде лаконичных законченных предложений, не копируя отрывочные фрагменты текста из предоставленного материала) 1. Сколько мембранных оболочек имеют митохондрии и пластиды согласно классическим представлениям? 2. Какая клеточная среда окружает митохондрии и пластиды согласно классическим представлениям? 3. Какая клеточная среда заполняет плазмодесмы согласно классическим представлениям? 4. Сравнить положение митохондрий и пластид относительно вакуолей при классических взглядах и новых представлениях о вакуоме клетки. 5. Как возник тонопласт согласно эндосимбиогенетической гипотезе происхождения митохондрий и пластид. 6. Какая клеточная среда заполняет плазмодесмы согласно эндосимбиогенетической гипотезе происхождения митохондрий и пластид? 7. Что называют сетью стромул? 8. В чём различие представлений об эндоплазматическом ретикулуме растительной клетки, выраженных на рисунках 6 а и 6 б? 9. Выполнить рисунок 6 б, показав положение пластид и митохондрий относительно вакуолярной мембраны (тонопласта). 10. Выполнить рисунок 7 г, показав на схеме положение митохондрий и пластид относительно вакуолярной мембраны (тонопласта). 11. Какую структуру клетки растений образно называют «пищевым трактом»? 12. В чём состоит основная функция эндоплазматической сети растительной клетки? 13. Чем обусловлена подвижность митохондрий и пластид внутри клетки? 14. В каком температурном диапазоне происходит активный рост стромул? 15. Какие методы позволили вести прижизненные наблюдения ультраструктуры растительных клеток и обнаружить сеть стромул?