ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ ЛИЦЕЙ № 1535 РЕПАРАТИВНАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ У МОРСКИХ ЗВЕЗД КАК ПРОЦЕСС АДАПТАЦИИ К ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ Авторы работы: Литовских Анна 8Е E-mail: annalit99@gmail.com, телефон: +7(909)655-57-60 Бурлаков Илья 9Ж E-mail: sleepsharki@gmail.com, телефон: +7(963)963-66-55 Научный руководитель Анисимова Татьяна Ивановна Учитель биологии телефон: +7(903)115-64-51 Москва 2013 Содержание 1. Введение…………………………………………………….………………..…3 1.1. Цель проекта 1.2. Задачи проекта 1.3. Оборудование и методы, использованные в ходе исследований 1.4. Актуальность темы проекта 2. Основная часть………………………………………………..……………...…4 2.1. Общие сведения о регенерации 2.1.1. Типы и способы регенерации 2.1.2. Стадии регенерационного процесса 2.2. Строение морских звезд 2.3. Особенности регенерации морских звезд 3. Экспериментальная часть………………………………………………….....10 4. Заключение……………………………………………….…………………....14 5. Список литературы……………………………………………...….……..…..15 6. Приложение 2 Введение 1.1. Цель проекта. Изучение регенерации у морских звезд как процесса адаптации к изменяющимся условиям внешней среды на примере вида Linсkia multiflora. 1.2. Задачи проекта. Теоретически и экспериментально изучить: 1) процесс регенерации морских звезд вида Linсkia multiflora; 2) влияние факторов окружающей среды на регенерацию морских звезд. 1.3. Оборудование и методы, использованные в ходе исследований. 1) Работа с литературой, другими источниками (теоретический метод). 2) Беседы с учителями, преподавателями кафедры Зоологии беспозвоночных МГУ, специалистами в области аквариумистики. 3) Приобретение морского аквариума в необходимой комплектации. 4) Постановка эксперимента, наблюдение, измерение, химический анализ. 1.4. Актуальность темы проекта. Регенерация – свойство, присущее всем живым организмам, без которого невозможно сохранение жизни на Земле. Изучение процессов регенерации служит основой всего учения о восстановительных процессах в медицине. Открытие свойства стволовых клеток усиливать процессы роста и восстановления повысило потребность в новых знаниях о процессах регенерации. Способность морских звезд образовывать новый целостный организм из части (луча) феноменальна. Научные и технические достижения в области изучения клетки, появление электронных микроскопов, сложный биохимический анализ протекающих в организме процессов, позволяют ученым все дальше продвигаться в изучении тайн регенерации. Важной проблемой современности является ухудшение условий окружающей среды, загрязнение мирового океана, увеличение температуры и кислотности океана. Морские звезды, типичные и древнейшие 3 представители мирового океана играют важную роль в сложившейся экосистеме. Изучение влияния изменяющихся экологических факторов на жизнедеятельность и регенерацию морских звезд, поможет в прогнозировании экологической ситуации ближайшего времени, в принятии своевременных мер по поддержанию стабильности экосистем. 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. 2.1. Общие сведения о регенерации. Регенерация - это свойство организмов заново образовывать свои органы и ткани, утраченные в результате различных причин. Регенерация, как и размножение, относится к тем основополагающим свойствам всего живого, без которых невозможно было бы сохранение жизни на Земле. Трудно представить ситуацию, при которой животное любого уровня организации могло бы избежать ранения или заболевания. Без регенерационной способности любое ранение оканчивалось бы гибелью. 2.1.1 Типы и способы регенерации Ученые выделяют репаративную. Под восстановление клеток, Поддержание 2 типа регенерации: физиологической тканей, жизнедеятельности физиологическую регенерацией органов и любого подразумевают субклеточных организма и структур. зависит от непрерывного обновления тканей и органов. Например, человек нуждается в постоянном обновлении клеток эпидермиса. Репаративная регенерация включает в себя процесс заживления ран и замещения утраченных частей тела из-за повреждения, включает восстановление органов, частей органов, конечностей или даже целого организма. Этот тип регенерации развит не во всех организмах. Ученые полагают, что способность к репаративной регенерации запрограммирована в геноме, но как аварийный, резервный вариант. 4 Существует эпиморфоз и 2 основных морфаллаксис. способа В репаративной эпиморфозе регенерации: утраченные части восстанавливаются посредством роста регенерационной почки или бластемы. Бластемы содержат клетки, которые будут формировать восстанавливаемую часть. Клетки бластемы очень похожи друг на друга, несмотря на различия в происхождении из различных тканей, оставшихся после ампутации. Рост происходит в результате митотического деления клеток бластемы. Этот способ регенерации характерен и для морских звезд. Морфаллаксис происходит в простых формах животного, а также растительного мира: в растениях, губках, кишечнополостных. Утраченные части замещаются существующими. В ответ на повреждение происходит уменьшение особи. Впоследствии она вырастает до нормальных размеров. Но митотического деления клеток, в отличие от эпиморфоза, не происходит. 2.1.2. Стадии регенерационного процесса В процессе регенерации любого представителя животного мира выделяют 5 стадий1: закрытие раневого дефекта, деструкция клеток, дедифференцировка, стадия бластемы, дифференцировка. Первая стадия регенерации – закрытие раневого дефекта – характерна для всех животных: от простейших до млекопитающих. Временное закрытие раны происходит в кратчайшие сроки. Затем оно сменяется более надежными механизмами защиты. У иглокожих в области ранения резко сокращаются мышцы, в результате чего края раны сближаются. После временного закрытия раны происходит эпителизация путем наползания эпителиальных клеток с краев раны, без их деления. Еще в период первой стадии начинает развиваться вторая стадия регенерации, характеризующаяся деструкцией (разрушением) клеток, примыкающих к ране. Гибель клеток в области раны сопровождается 1 Бабаева А.Г. Регенерация: факты и перспективы. Москва: Издательство РАМН, 2009. сохранения вида 5 воспалительными процессами с признаками фагоцитоза. Фагоцитоз – это процесс, при котором специальные клетки организма захватывают и переваривают твердые частицы. В 1968 г. русский ученый Полежаев Л.В. доказал, что усиление деструктивных процессов стимулирует регенерацию. Третья стадия начинает развиваться в период второй стадии. Третью стадию называют дедифференцировкой. Дедифференцировка отражает процесс возврата к периоду, предшествующему окончательному установлению структурной и функциональной зрелости клетки, к тому периоду развития эмбриональной клетки, когда еще невозможно отличить клетки одного типа от клеток другого типа. В световом микроскопе дедифференцированные клетки имеют одинаковый вид и очень похожи на клетки эмбрионального типа. Сравнительный анализ процесса восстановления разных органов и животных показал, что регенерация всегда сопровождается упрощением клеточных структур, их омоложением и утратой определенных функций. Дедифференцированные клетки приобретают способность к усилению пролиферации, то есть к разрастанию тканей организма путем деления клеток. В результате наступает четвертая стадия регенерации – стадия бластемы, при которой начинают восстанавливаться утраченные клетки, и возникает зачаток будущих частей тела. Клетки регенерирующего органа не только приобретают вновь способность к делению, но в них возобновляется синтез белка, характерный для эмбрионального периода. Пятой, заключительной стадией регенерации является процесс дифференцировки вновь образованных клеток и тканей. 2.2. Строение морских звезд. Название класса Asteroidea (морские звезды) происходит от формы тела представителей иглокожих, имеющих вид звезды. В ископаемом состоянии морские звезды известны с нижнего палеозоя, отстоящего от нашего времени на 400 миллионов лет. 6 Строение и физиология. Тело морских звезд состоит из центрального диска и лучей (от 5 и более). Звезды, как и все иглокожие, имеют радиальную симметрию. Животное ползает по дну оральной (брюшной) стороной, где находится рот. Ползание совершается при помощи небольших отростков, так называемых амбулакральных ножек, расположенных на дне амбулакральной борозды на оральной стороне каждого луча. Стенка тела состоит из однослойного эпителия и слоя соединительной ткани. Под соединительной тканью находится перитонеальный эпителий, ограничивающий вторичную полость тела, или целом. В подкожной соединительной ткани развивается известковый скелет. На аборальной стороне выделяется мадрепоровая пластинка, пронизанная многочисленными мелкими отверстиями. Мадрепоровая пластинка выполняет функцию всасывания и фильтрации воды. Органами осязания служат пять коротких щупалец на концах лучей, где располагаются простые глазки, реагирующие на свет. Звезды обладают обонянием, так как даже после искусственного удаления глаз, все равно ползут за пищей в правильном направлении. Пищеварительная система. В центре диска на оральной стороне находится рот, окруженный мягкой кольцевой губой. Рот сообщается при помощи короткого пищевода с желудком, занимающим внутренность диска. Желудок переходит в заднюю кишку, открывающуюся в центре аборальной стороны диска. Звезды – хищницы, питаются различными беспозвоночными, главным образом двустворчатыми моллюсками и морскими ежами. Мелкую добычу легко глотают, а для овладения крупной добычей выворачивают через рот желудок и облекают им добычу; Нервная система, залегающая в наружном эпителии, примитивна. Главная часть центральной нервной системы состоит из околоротового нервного 7 кольца и отходящих от него пяти радиальных нервов, располагающихся на дне амбулакральной борозды. Органы дыхания. Органами дыхания служат кожные жабры. Это короткие выпячивания стенки тела, в которые заходит продолжение целома. Они имеются на аборальной стороне животного, а также по бокам амбулакральной борозды. Через стенки жабр кислород, растворенный в морской воде, проникает в целом, где находятся амебоидные клетки. Васкулярная система. Каналы васкулярной системы объединяются околоротовым кольцом. Васкулярная система представляет собой систему просветов в соединительной ткани (лакун). Жидкость накапливается главным образом за счет поступления из стенки кишечника питательных веществ в располагающиеся здесь лакуны. Таким образом, она соответствует не столько крови, сколько лимфе высших позвоночных, т. е. разносит по телу питательные вещества. Половая система. Морские звезды раздельнополы. Половые железы имеют вид ветвистых гроздевидных мешочков, залегающих попарно в основании лучей и открывающихся наружу при помощи коротких каналов между лучами. Половые продукты выводятся в окружающую воду. Происходит наружное оплодотворение. Учитывая исключительную способность к регенерации, вид Linckia Multiflora предпочитает размножаться бесполым путем. Эти звезды отбрасывают луч, из которого будет развиваться полноценная взрослая особь. Такой процесс бесполого размножения называют аутотомией. Амбулакральная система представляет собой систему каналов, наполненных водянистой жидкостью, начинается мадрепоровой пластинкой и заканчивается амбулакральными ножками. Ножка - полый, растяжимый мускулистый вырост, снабженный маленькой присоской. Ножки сидят в 2 или 4 ряда. Движение осуществляется следующим способом. Вытянувшиеся ножки пристают присосками к субстрату. Затем мускулатура ножек 8 сокращается, жидкость из ножек выталкивается в соответствующие ампулы амбулакральной системы, а сами ножки сильно укорачиваются. Так животное передвигается. 2.3. Особенности регенерации морских звезд Род Linckia назван в честь ученого J.H. Linck, впервые его описавшего. Долгое время считалось, что для полноценной регенерации луча на нем должна присутствовать небольшая часть центрального диска. Однако исследования показали, что оторванные лучи некоторых особей для регенерации не нуждаются в наличии части центрального диска. Также было установлено, что лучше всего регенерирует луч, располагавшийся рядом с мадрепоровой пластинкой. Этот луч является «ведущим» во время движения морской звезды2. Если у звезды один луч длиннее других, это свидетельствует о том, что звезда сформировалась из оторванного луча. Экспериментально доказано, что воздействие различных внешних раздражителей, изменение условий обитания приводит к увеличению случаев аутотомии. Так из 50 особей Linckia Multiflora, выловленных Эмондсоном на рифе и помещенных в лабораторные аквариумы, 18 звезд отбросили один или более лучей в течение первых 18 часов. Процесс аутотомии луча был впервые описан МакБрайдом в 1906 г. Он начинается на брюшной поверхности, затем место разрыва расширяется сбоку и на спине. При помощи амбулакральных ножек происходит растяжение звезды и луча в противоположных направлениях до полного разрыва (см. рис. 6а). Весь процесс происходит достаточно быстро, примерно за 60 минут. 2 Эдмондсон Ч.Х. Автотомия и регенерация у Гавайских морских звезд. Публикация музея Бишопа Б.П., т. XI, №8, Гонолулу, Гавайи, 1935. 9 Наблюдения показали, что чем ближе находится разрыв к диску, тем быстрее происходит регенерация. После разрыва поврежденные концы становятся неровными. Начинается первая стадия регенерации - закрытие раневого эффекта. Это самая опасная стадия, так как именно в это время внутрь может проникнуть огромное количество бактерий. Рана затягивается примерно за 10 дней. На рисунке 6-b показан поперечный срез отброшенного луча Linckia Multiflora. Из него сначала вырастают 4 луча, как показано на рисунке 6-е, а потом в центре появляется рот (6-d). Мадрепоровая пластинка появляется через 6 месяцев, но начинает функционировать только через 10. Через 6 месяцев лучи вырастают на 8 мм, а через 10 месяцев – на 10 мм. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Экспериментальная часть проекта посвящена исследованию процессов регенерации морских звезд видов Linckia multiflora, обитающих в морском аквариуме, и влиянию на регенерацию химического состава воды аквариума. Звезды используют морскую воду в васкулярной системе и относятся к пойкилосмотическим животным, не способным регулировать концентрацию солей в жидкостях, заполняющих полость тела. Поэтому вода в аквариуме должна соответствовать по химическому составу морской воде в местах естественного обитания звезд. Важным показателем качества воды является содержание неорганических соединений азота: аммония (NH4+), нитритов (NO2-), нитратов (NO3-), которые чрезвычайно токсичны, и проникая в клетки, блокируют жизненные функции, препятствуют дыханию животных. Органически связанный азот (например, в протеинах) в остатках еды и экскрементах преобразуется бактериями и высвобождается в форме неорганического иона аммония. В здоровом, хорошо подготовленном аквариуме ионы аммония быстро окисляются бактериями в менее токсичные 10 нитриты, а затем в нитраты. Нормальным считается содержание аммония не более 0.1 ppm (мг/л). Превышение значения 0,5 ppm недопустимо: такая концентрация приведет к гибели обитателей аквариума 3. Содержание нитритов в морской воде не должно превышать 0,05 ppm, нитратов - 80 ppm. Оптимальный уровень кислотности для морского аквариума соответствует показателям pH океана и находится в пределах между 8.0 и 8.5, плотность воды должна быть 1,022-1,025 г/см3 температура +25оС. Эксперимент проводился в домашних условиях. По рекомендации специалистов компании «Аква Лого» был приобретен аквариум Nano Marinus Сube, укомплектованный необходимым оборудованием. Для приготовления морской воды использовалась осмотическая вода и биоактивная морская соль Tropic Marin. Используя ареометр, морская вода доводилась дo идеальной плотности 1,023 г/см3. В аквариум поместили «живые камни». Это камнеподобная известковая субстанция из скелетов отмерших жестких кораллов и раковин моллюсков, которые соединяются друг с другом губками и известковыми водорослями. «Живые камни» населены огромным количеством морских животных и содержат полезные бактерии. Обломок «живого камня» из кораллового рифа – это настоящий «мешок с чудесами». Уже через 2-3 недели после помещения «живых камней» в аквариум мы наблюдали появление и развитие различных морских организмов: маленького ракаотшельника Paguristes, краба-боксера Lybia tessellate, нескольких мелких звезд Asterina, офиуру Amphipholis, актинии стеклянная роза Aiptasia, многощетинкового червя, улиток рода Euplica. Когда на наш взгляд экосистема аквариума стабилизировалась, было решено заселять морские звезды. В аквариум были заселены 2 красных 3 Морская мини-аквариумистика, Деннерле Гмбх, Германия, 2010. 11 Linckia multiflora диаметром 7 см и 2 голубых Linckia laevigate диаметром 9 мм. Одна из красных звезд была особо энергична. Через два дня при помощи скальпеля мы ампутировали у этой звезды один луч в месте соединения с диском. Непосредственно после ампутации мы наблюдали крайне интересное явление. После отсечения луч был помещен на песок к краю аквариума, а «звезда-родитель» - на один из камней. Между лучом и звездой находился еще один камень. Через несколько минут луч и звезда, двигаясь по направлению друг к другу, оказались на другом камне, расположенном между исходными позициями. Луч и звезда соприкасались друг с другом, перемещались друг по другу в течение нескольких минут, после чего звезда уползла с камня. Этот случай позволяет сделать предположение о наличии у звезды и ее отсеченного луча, системы взаимного ощущения «родительпотомок». Отсеченный луч обычно передвигался по стенкам аквариума раненой стороной вниз. Через неделю после заселения на двух лучах голубой звезды появились ранки в виде разрыва эпителиальной ткани длиной около 5 мм. Эти признаки свидетельствовали о том, что звезда погибает. Зная, что звезда часто прибегает к аутотомии для выживания, было принято решение отсечь у звезды два поврежденных луча. После ампутации трехлучевая звезда прожила около суток, хотя в первые часы несколько «оживилась» и двигалась. Другая Linckia laevigate погибла через день. В качестве причин произошедшего мы выделили следующие: нарушение процесса адаптации при смене аквариума, неблагоприятное состояние воды, недостаточность или неправильный подбор корма. В природе Linckia питается в основном мертвой органикой – детритом и падалью, микроскопическими беспозвоночными и одноклеточными водорослями. Считается, что в условиях аквариума этим звездам хватает 12 обрастания живых камней и стенок, они живут за счет органических остатков, скапливающихся на дне, могут потреблять сухой донный корм. Аквариум был достаточно молод для обеспечения питанием таких крупных звезд, и растительность на морских камнях была сильно поедена в первые дни. Отходы жизнедеятельности двух рыбок-клоунов не решали проблему, и мы применяли для подкормки сухие таблетки для сомов. Этими таблетками с удовольствием питались рыбы, краб-боксер, многощетинковый червь. Однако таблетки полностью не поедались, и растворяясь в воде, могли испортить состав воды. Для контроля химического состояния воды, определения уровня pH, аммония, нитритов, нитратов, фосфатов, карбонатов и гидрокарбонатов использовались специальные наборы реактивов компании Tropic Marin и компании Salifert. Оказалось, что концентрация аммония и нитритов имеют завышенные значения, уровень нитратов превысил предельно допустимую концентрацию, величина pH опустилась до 7,8. Спасая аквариум и оставшихся красных звезд, мы стали чаще заменять морскую воду, добавили макроводорсли, увеличили время освещения аквариума для роста растений и азотоперерабатывающих водорослей, ограничили кормление рыб, приобрели фильтр Eheim с угольным и биологическим наполнителем, способствующий снижению неорганических азотных соединений. На восстановление параметров морской воды ушло около 10 дней. К сожалению, погибла еще одна красная звезда, но отсеченный луч и его звезда выжили, хотя и потеряли мышечную массу. Рыбы были совершенно здоровы, увеличились в размере. Для продолжения эксперимента мы приобрели еще маленькую красную звезду диаметром 4 см. На второй день мы произвели у этой звезды надрез ближе к концу луча, пытаясь воспроизвести результат эксперимента Эдмондсона (см. рис. 6j). Наблюдая за лучом большой звезды, через 6 недель после его отсечения на месте раны вокруг амбулакральной бороздки мы заметили 13 образование желтого оттенка, которому Эдмондсон дал название зародышевого полумесяца («germinal crescent») (см. рис. 6b). Вскоре на полумесяце проявились поперечные амбулакральные бороздки. Позже в точке, из которой исходят бороздки, начал формироваться рот (см. рис. 6d-e). Полученные нами результаты приведены в фотоотчете в приложениях к проекту. Таким образом, была экспериментально доказана регенеративная способность морских звезд вида Linckia multiflora. К моменту написания проекта (3 месяца эксперимента) на отсеченном луче отчетливо просматривается 4 отростка лучей длиной до 1-2 мм и формирующийся диск. Однако формирования абулакральных ножек и мадрепоровой пластины предстоит ожидать еще 3-5 месяцев. Что касается самой звезды, у которой был ампутирован луч, то на его месте сформировался отросток нового луча длиной около 2 мм. Наблюдая за надрезом луча малой звездой, мы обнаружили появление в этом месте небольших выростов четырех новых лучей длиной около 0,5 мм (см. фото в Приожении). Тем самым, был экспериментально подтвержден случай образования маленькой морской звезды на конце поврежденного луча, описанный в литературе Эдмондсоном, а ранее Корщелтом4. Токин Б.П. отмечал такой случай как проявление соматического эмбриогенеза5, то есть процесса вторичного развития, вызванного повреждением. Токин Б.П. считает этот процесс не регенерацией, а бесполым размножением, когда на месте повреждения развивается целый организм. Соматический эмбриогенез выпадает из общепринятого представления о регенерации как о процессе обязательного восполнения утраченного. Кроме того, в процессе эксперимента при помощи специальных реактивов оценивалось влияние состава морской воды на регенерацию и 4 5 Корщелт Е. Регенерация и трансплантация. Берлин, Трансплантация, 1927. Токин Б.П. Регенерация и соматический эмбриогенез. Л., 1959, 268 с. 14 жизнедеятельность звезд Linckia multiflora и Linckia laevigate. Установлено, что вид Linckia laevigate менее устойчив к составу морской воды по сравнению с Linckia multiflora. Было экспериментально доказано, что резкое ухудшение состава воды сказывается на состоянии звезд, а достижение предельных параметров концентрации азотсодержащих неорганических соединений и уровня кислотности, названных в разделе 3.1 проекта, губительно для морских звезд. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Из изученных литературных источников следует, что морские звезды используют аутотомию в случае сильного стресса, резкого изменения условий окружающей среды для сохранения вида и адаптации к изменяющимся условиям. Экспериментальные исследования звезд вида Linkia multiflora позволили пронаблюдать процесс регенерации новой звезды из ампутированного луча, восстановление ампутированного луча у взрослой звезды, проявление соматического эмбриогенеза, выраженного формированием маленькой морской звезды на теле взрослой звезды в месте повреждения луча. Таким образом, способность животных к регенерации является итогом многовековой приспособляемости к изменяющимся условиям окружающей среды. Способность восстанавливать целостный организм из его части, отсутствующая у высокоорганизованных животных, позволяет иглокожим, и в частности морским звездам Linckia адаптироваться и выживать на протяжении многих тысяч и миллионов лет. 5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бабаева А.Г. Регенерация: факты и перспективы. Москва: Издательство РАМН, 2009, 336 с. 2. Edmondson Ch.H. Autotomy and regeneration in Hawaiian starfishes. Hawaii, Honolulu. Published by Bishop B.P. Museum, 1935, vol. XI, №8. 15 Эдмондсон Ч.Х. Автотомия и регенерация у Гавайских морских звезд. Гавайи, Гонолулу, Публикация музея Бишоп Б.П., 1935, т. XI, №8. 3. Mladenov Ph.V. Environmental factors influencing asexual reproductive processes in echinoderms. New Zealand, University of Otago. Oceanologica, 1996. vol.19. Младенов Ф.В. Факторы окружающей среды, влияющие на процессы бесполого размножения Иглокожих. Новая Зеландия, Университет Отаго, Океанологика, 1996, т.19. 4. Морская мини-аквариумистика, Деннерле Гмбх, Германия, 2010. 5. Korschelt E. Regeneration and transplantation. Transplantation, Berlin, 1927. Корщелт Е. Регенерация и трансплантация. Берлин: Трансплантация, 1927. 6. Токин Б.П. Регенерация и соматический эмбриогенез. Л., 1959, 268 с. 16