PIERWOTNIAKI
Jakkolwiek sprawny ruch zapewniony jest przez dwa układy — mięśniowy i szkieletowy, stanowiący układ oporowy, to jednak najpierwotniejszym i najwcześniej wytworzonym przez organizmy ruchem postępowym jest ruch pełzakowaty — pełzanie po podłożu. Takim sposobem ruchu (powstałym zresztą niezależnie od siebie) posługują się współcześnie żyjące korzenionóżki, a w szczególności ameby, i to zarówno nagie, jak skorupkowe, swobodne komórki w ciele zwierząt wielokomórkowych, jak np. limfocyty (czy może ogólniej mówiąc amebocyty), taki sposób ruchu reprezentuje też jedyna grupa roślin nim obdarzona zaliczana do grzybów — Myxomycetes. Są one, jak wszystkie grzyby, heterotrofami i wszystkie wyglądają mniej więcej podobnie. Są to organizmy wielojądrowe, tzw. plazmodia. Liczne jądra komórkowe tkwią w jednolitej masie protoplazmy. Brak błon komórkowych, a tym samym podziału ciała na komórki sprawia, że nie można ich zaliczyć do organizmów wielokomórkowych.
Plazmodium ich ma zdolność ruchu postępowego — pełza po podłożu. Ruchy te są powolne i polegają na przelewaniu się plazmy raz w jedną, raz w drugą stronę, Ruch w jednym z kierunków jest silniejszy i w tę stronę przesuwa się cały organizm. Przelewająca się plazma w tylnej części plazmodium tworzy cienkie strumyki plazma-tyczne, a cały organizm pozostawia na podłożu ślad w postaci śluzu stale wydzielanego przez ektoplazmę i otaczającego całe plazmodium. Ruch ten przypomina pełzanie ameb. Szybkość przepływu plazmy u plazmodium Physarum polycephalum i Physarum convertum wynosi 1,3 mm/s.
Jak poruszają — 2
17 Plazma w każdej komórce, zarówno zwierzęcej, jak i roślinnej, znajduje się w stałym ruchu. Wymagają tego, a zapewne też jednocześnie powodują to, podstawowe potrzeby życiowe — procesy asymilacji i dysymilacji, konieczność transportu tlenu, substancji odżywczych, produktów przemiany materii, substancji zapasowych i energetycznych, wreszcie powoduje to wzrost i rozwój komórki. Ponieważ struktura i funkcja łączą się u pierwotniaków w nierozerwalną całość, przedstawimy nie tylko ich budowę, lecz i sposoby ich pełzania po podłożu. Można sobie wyobrazić, że w zamierzchłej przeszłości, w erze archeozoicznej — gdzieś około 2 miliardy lat temu jakieś dopiero co powstałe praorganizmy, prapierwótniaki były grudkami protoplaz-my, która także się poruszała, przelewała się w ich wnętrzu. Zewnętrznie przypominały one zapewne obecne nagie ameby, wewnętrznie t różniły się od nich ogromnie. Obecne ameby, mimo pozorów, wcale nie są organizmami o prostej budowie (rys. 7). W ich ciele, okrytym elastyczną błoną komórkową złożoną z trzech warstw i zwykle dodatkowo otoczoną osłonką zbudowaną z mukopolisacharydów, znajduje się plazma zróżnicowana na zewnętrzną ektoplazmę i wewnętrzną endoplazmę różniące się między sobą m. in. stanem skupienia. W en-doplazmie tkwią: jądro komórkowe, tzw. retikulum endoplazmatyczne (skomplikowana siateczka drobnych kanalików i wakuolek zwana też aparatem Goldiego), wodniczki trawiące, wodniczka tętniąca, mito-
Rys. 10. Wygląd plazmodium Myxomycetes i schemat przedstawiający ruch plazmy. Ciemne kreski oznaczają fibrylle F-aktyny, puste kółeczka wakuole bez jonów wapnia, kółeczka z + to wakuole z jonami wapnia. Schemat przepływu strumienia plazmy w ciele ameby. Schemat endo- i egzocytozy w czasie ruchu ameb
Nie jest zupełnie jasne co wywołuje rytm uwalniania i pochłaniania jonów Ca++ przez wakuole, ale można sądzić, że istotną rolę gra tu zmiana potencjału elektrycznego błony komórkowej. Jony Ca+ + uwalniane na jednym końcu plazmodium wywołują więc koncentrację i skurcz fibrylli, które cisnąc na endoplazmę wywołują jej ruch ku przodowi. Można więc ruch ten określić jako hydrauliczny. Na przednim końcu plazmodium jony wapnia są pochłaniane przez wakuole. Po pewnym czasie następuje odwrócenie kierunku i stąd rytmiczne przelewanie się plazmodium raz w jedną, raz w drugą stronę. Jakkolwiek ruch nagich ameb nie jest identyczny z ruchem plazmodiów Myxomycetes to jednak badania opisane wyżej wyjaśniły bardzo wiele z poprzednio tajemniczych zjawisk. Pamiętajmy, że bardzo małe rozmiary ameb powodują ogromne trudności w poznaniu ich struktur wewnętrznych i mechaniki ich ruchu. Najogólniej można powiedzieć, że ruch ameb też jest realizowany na zasadach hydraulicznych — jest to przelewanie się endoplazmy, czy też, ściślej mówiąc, powstanie strumienia endoplazmy w tylnej części ciała ameby (tzw. części uroidalnej) i jej ruch ku przodowi. Tu strumień ten traci swój ruch. Jak strumień fontanny rozchodzi się on promieniście na boki i ku tyłowi i zamiera w warstwie ekto-plazmy. Ta ostatnia jest nieruchoma i niby pochewka otacza przesuwającą się w jej wnętrzu endoplazmę (rys. 10). W ektoplazmie właśnie znajdują się kurczliwe fibrylle, które kurcząc się wypychają ku przodowi strumień endoplazmy. Motorem ruehu byłby więc (podobnie jak u plazmodiów) aktywny nacisk kurczliwych włókienek na półpłynną endoplazmę — a więc wspomniana już zasada hydraulicznego ruchu. Mimo usilnych badań nie jest zupełnie jasne, gdzie takie kurczliwe włókienka są zlokalizowane. Na podstawach analogii do ruchu plazmodiów można przyjąć, że koncentrują się one, lub nawet powstają w razie potrzeby, w tylnej części komórki (w części uroidalnej), skąd endoplazma zostaje „wyciśnięta" ich skurczem. Nie wszyscy tak sądzą. Są badacze, którzy uważają, że kurczliwe włókienka układają się z boków przedniej strony ameby i skurcz ich nie „wypycha" endoplazmy, lecz „ciągnie" ją ku przodowi i na boki do nieruchomej otoczki ektoplazmatycznej. Dalej badania ruchu ameb wykazały, że bardzo ważną rolę gra tu też błona komórkowa. Jest ona zbudowana z trzech warstw, a jej całkowita grubość wynosi od 80 do 110 A. W wielu przypadkach okryta jest osłonką śluzową zbudowaną z mukopolisacharydów. U Amoeba proteus i u Chaos chaos błona komórkowa w całości składa się z 32% lipidów, 25% protein i do 15% polisacharydów. Podczas gdy lipidy i proteiny tworzą przede wszystkim wspomniane trzy warstewki właściwej błony komórkowej, polisacharydy wchodzą głównie w skład owej śluzowej otoczki. A zatem kontakt z otoczeniem, ze środowiskiem (no i oczywiście z podłożem, po którym zwierzę pełza) mają ameby właśnie poprzez tę śluzową otoczkę. Następnie stwierdzono, że błona komórkowa ameb ma zróżnicowany na swej powierzchni potencjał elektryczny — inny w przedniej części ciała, inny w tylnej. Na przodzie ciała wynosi on około 30 mV, z tyłu około 70 mV. Powoduje to oczywiście ciągły ruch jonów — przepływ kationów w tył ciała i anionów ku przodowi. Ma to zapewne wpływ (podobnie jak i struktura błony) na wyczuwanie przez amebę zmian chemizmu środowiska i na wysuwanie nibynóżek w o-kreślonych kierunkach, a więc tym samym na kierunek ruchu lub jego zmiany. Dalej stwierdzono, że ameba w czasie ruchu częściowo pochłania, likwiduje własną błonę komórkową. Sądzono, że ma to związek z niszczeniem się błony w czasie ruchu. Okazało się, że z pochłanianej w tylnej części zwierzęcia błony tworzone są w plazmie ameby wakuo le. Proces ten zachodzi stale i jest nazywany endocytozą. Wakuole te zawierają nie tylko błonę, lecz także ową śluzową otoczkę z muko-polisacharydów, oczywiście z zaabsorbowanymi w niej wolnymi jonami. Wakuole te częściowo przekształcają się w plazmie ameby "W łisosomy, częściowo zaś oddzielają się od nich drobne wakuole "Wtórne, których zawartość zapewne ulega strawieniu, a resztki są transportowane do wakuoli tętniącej i tu usuwane. Wydaje się, że ta stała (tzw. permanentna) endocytozą dostarcza amebie między innymi jonów wapnia Ca++ ze środowiska (a właściwie z warstwy mukopoli-sacharydów) i ma wpływ na kontrakcję (skurcz) miofibrylli, a więc pośrednio na ruch zwierzęcia (rys. 10). Jednocześnie z permanentną endocytozą odbywającą się na tylnym iońcu ameby istnieje proces odwrotny — egzocytoza — na jej przednim końcu. Jest to odtwarzanie błony komórkowej w aparacie Gol-:giego i diktiosomach. Powstają tu wakuole docierające do błony komórkowej i regenerujące ją. • Obliczono, że Amoeba proteus w ciągu 4,5 godzin odtwarza 36% swej całej zewnętrznej powierzchni (0,14% na minutę). Tak więc -w ciągu 12 godz. odtwarzana jest przez amebę cała błona komórkowa. Zjawisko endocytozy i egzocytozy jest zrównoważone, wobec czego i stan błony komórkowej jest ustabilizowany. Nie ma też to "bezpośredniego wpływu na ruch, ani mu nie przeszkadza, ani nie jest bodźcem czy jego przyczyną. Ma jednak wpływ pośredni (o czym już wspominaliśmy). Gra rolę przy tworzeniu się (a być może i przy zaniku) włókienek kurczliwych w plazmie. Wpływa więc na powstanie siły hydraulicznej uruchamiającej strumień endoplazmy. Nie są to jedyne funkcje błony komórkowej, które pełni ona ■w czasie ruchu ameb. Zauważono mianowicie, że wysuwająca się nibynóżka ma powierzchnię gładką — błona komórkowa ściśle ją ■otacza, jest jakby „napięta". W czasie skurczu, w czasie cofania się .nibynóżki powierzchnia jej fałduje się — błona tworzy liczne fałdy, luźno otacza cofającą się endoplazmę (rys. 11). Kontur takiej nibynóżki zwiększa swą długość o 100%. Zauważono też, że tylny koniec ciała ameby jest również silnie, acz nieregularnie pofałdowany. Pamiętać trzeba, że w czasie ruchu cytoplazma podlega stałym przemianom — ektoplazma zmienia się w endoplazmę i odwrotnie. Jednocześnie stale ulega zmianie jej stan skupienia, ze stanu solu przechodzi w żel i żel znów zmienia się w sol. Kształty zwierzęcia, zarówno tylnego, jak i przedniego końca są również stale zmienne. Te stałe przekształcenia plazmy, i jednoczesne zmiany kształtu błony komórkowej są, jak się wydaje, nawzajem zależne i wskazują na ważną dynamiczną i mechaniczną rolę właśnie błony komórkowej. Powstały na temat liczne hipotezy usiłujące powiązać stan błony i zjawisko ruchu ameby, odkształcanie i odtwarzanie się błony komórkowej i stosunek tych zjawisk do istnienia bezpośrednio pod błoną ektoplazmatycznej „pochewki", w której płynie strumień endoplazmy. Sądzono więc, że tarcie dolnej części błony o podłoże wstrzymuje jej ruch. Jest ona na tylnym końcu pochłaniana, a jej górna część przesuwa się szybko ku przodowi, gdzie jest regenerowana. Poprzednio przedstawiony proces endo- i egzocytozy zapewnia jednak stałość (względną) błony w stosunku do wewnętrznych organelli. Tak więc ruch
Rys. 11. Schemat zmian stanu błony i ruchu cytoplazmy u ameb w czasie powstawania nibynóżek, czyli w czasie ruchu postępowego. Na czarno zaznaczono błonę „napiętą" o charakterze żelu
górnej i dolnej strony ciała jest tak samo szybki. Można sądzić, że pofałdowania powierzchni błony komórkowej odpowiadają rejonowi kontrakcji (skurczów) wypychających strumień endoplazmy w kierunku ruchu. To samo ciśnienie hydrostatyczne usztywnia, „napina" błonę wokół „rosnącej" (wy- dłużającej się) nibynóżki. Dlatego H ^ ^jt też miejsca skurczów — cofająca ~T Się nibynÓŻka, lub też koniec Cia-
Rys. 12. Widok (z boku) pełzających
ła ameby — mają błonę pofałdowaną. ameb Można też obserwować pełznącą amebę nie z góry (jak się ją widuje najczęściej), lecz z boku, „z profilu". Obserwacje takie dały zaskakujące rezultaty. Okazało się, że w czasie ruchu do podłoża wcale nie dotyka cała dolna strona zwierzęcia, lecz że tworzą się niewielkie wypukłości, na których ameba wspiera się w czasie ruchu (rys. 12). Tak więc pierwotniak nie pełza całą swą brzuszną stroną, lecz przelewa ku przodowi swą plazmę wsparty na niewielu plazma-ijtycznych wypustkach. Usprawnia to zapewne posuwanie się ku przodowi. Ten właśnie amebowaty ruch o napędzie hydraulicznym, którego bezpośrednią przyczyną jest kontrakcja kurczliwych włókienek w określonych częściach komórki, zapewnia amebom „połykanie" przestrzeni z następującą szybkością: Amoeba limax 1 /an/s, Amoeba ver-rucosa 0,5 /um/s, Amoeba geminata 1,5—3 ^m/s, Myxosporidia 0,33 —1,3 //m/s, Didynium serpida 6,6 fim/s. Szybkość ta bardzo zależy od stanu środowiska zewnętrznego. Optimum, w którym ruch jest najsprawniejszy, leży przy pH 6,6—7,6. Duży wpływ ma też temperatura. Można tu wyróżnić pewne punkty krytyczne. Najszybciej ameby pełzają przy temperaturze wynoszącej +24 °C. Przy wzroście temperatury do +28 °C szybkość ruchu ulega bardzo nieznacznemu obniżeniu, jednak powyżej tej temperatury — gwałtownie maleje. Drugie gwałtowne zmniejszenie się szybkości ruchu obserwuje się po przekroczeniu +30°C, a przy +33 °C ruch ustaje całkowicie.
Rys. 7. Budowa i wygląd ameb nagich polipodialnych, monopodialnych i ameb skorupkowych
chondria, lizosomy; mogą też pojawiać się okresowo różne struktury włókniste, różnego rodzaju włókienka, między innymi o charakterze kurczliwym. Wszystko to znajduje się w organizmie nie przekraczającym z reguły 0,5 mm wielkości, zwykle mniejszym. Największe z żyjących obecnie ameb dochodzą do 5 mm długości. Taka naga ameba posuwa się wysuwając w kierunku ruchu jeden lub kilka płatów plazmy (czy może raczej wypustek) przelewając do nich resztę swego ciała. Płaty takie noszą nazwę nibynóżek. Zwykle określone gatunki ameb tworzą wypustki zawsze w podobnej liczbie i podobnego kształtu, np. pasożyty jelitowe tworzą na ogół jedną, krótką i szeroką nibynóżkę; jedną nibynóżkę wysuwa Amoeba limax (rys. 7). Takie formy zalicza się do ameb monopodialnych. Inne gatunki, jak np. Amoeba radiosa, tworzą liczne, cienkie nibynóżki -— zaliczane są do grupy ameb polipodialnych. Okazało się, że sprawa nie jest aż tak rygorystycznie ustalona, lecz że istnieje lub może istnieć znaczna zmienność tworzenia nibynóżek, a ich liczba i kształt często wiążą się z warunkami otaczającymi zwierzę — z charakterem środowiska. Amoeba proteus, którą poddano licznym eksperymentom, wykazała ogromną zmienność kształtu i liczby nibynóżek w zależności od pH wody, w której była umieszczona. I tak w środowisku skrajnie zasadowym (pH 10) Amoeba proteus tworzyła gładką kulkę; w środowisku skrajnie kwaśnym (pH 2,5) też przybierała kształt kuli, ale z licznymi, regularnymi, drobnymi wypustkami. W miarę zmieniania odczynu od zasadowego przez obojętny do kwaśnego ameba zmieniała swój kształt i sposób tworzenia oraz liczbę nibynóżek. Można wyróżnić dwa punkty krytyczne czy też może lepiej powiedzieć dwa punkty stałe, przy pH 3—4 i pH 7—8, gdy kształt ciała i forma nibynóżek jest taka sama. Jest to wówczas postać mniej więcej kulista o niewielkich i dość szerokich nibynóżkach. Pomiędzy tymi stężeniami ameba początkowo ma postać wydłużoną o jednej nibynóżce, która następnie poszerza się i przy pH 6—7 staje się szeroką, wielopłatową. Korzenionóżki nie są jednolite morfologicznie, a kształty różnych gatunków tu zaliczanych są nadzwyczaj różnorodne. Nie wszystkie są zwierzętami nagimi tak jak ameby, o których do tej pory mówiliśmy. Zalicza się tu także ameby skorupkowe (Testacea) budujące sobie pancerzyki w kształcie czapeczki lub parasola, czasem misternie inkrustowane drobnymi ziarenkami piasku. W dolnej części czapeczki znajduje się otwór, przez który zwierzę wysuwa nibynóżki — zwykle płatowate (tzw. lobopodia), które służą zarówno do poruszania się, jak i poławiania pokarmu (rys. 7, 8). Pancerzyki innego typu budują sobie z węglanu wapnia morskie korzenionóżki — otwornice (Foraminifera). Pancerzyki te mogą mieć jeden dość duży otwór, którym zwierzątko wysuwa lobopodia, lub też mogą być całkowicie zamknięte. Cała powierzchnia pancerzyka jest natomiast pokryta bardzo licznymi, mikroskopowo drobnymi otworkami (stąd nazwa grupy), przez które wydostają się na zewnątrz bardzo cienkie, nitkowate nibynóżki — tzw. filipodia.
Rys. 9. Szczegóły budowy nibynóżek u otwornic (z lewej strony) i słonecznic (z prawej strony), oraz ruch plazmy w nibynóżkach
Badania prowadzone przy użyciu mikroskopu elektronowego wykazały, że są one złożone z bardzo drobnych, równoległych pasemek plazmy otoczonych wspólną, dość luźną pochewką. W ten sposób tworzą one pęczek złączonych ze sobą „potoków" plazma-tycznych (rys. 9). Plazma płynie w nich zarówno ku przodowi, od ciała ameby, jak też i z powrotem — do ciała. Warto zwrócić uwagę na to, że w badaniach prowadzonych przy użyciu mikroskopu świetlnego stanowiło to nierozwiązywalną zagadkę. Wydawało się, że w tak cienkich nibynóżkach ruch może odbywać się jedynie jednokierunkowo. Morskie promienice (Radiolaria) i Acantharia również budują misterne szkieleciki wewnętrzne z węglanu wapnia lub z siarczanu strontu. Wewnątrz plazmy może też tworzyć się organiczny szkielecik tzw. torebka centralna. Obie te grupy tworzą także cienkie (podobnie jak otwornice), często splątane i nawzajem zlewające się ze sobą nibynóżki noszące nazwę rizopodiów. U słodkowodnych słonecznic {łłeliozoa~), (kształtem przypominających nieco dwie poprzednie grupy zwierząt) wytwarza się jeszcze inny typ nibynóżek — tzw. akso-podia. Są one usztywnione wewnętrzną osią (silnie łamiącą światło) co nadaje im stały kształt. Te „osie" aksopodiów wnikają w głąb plazmy słonecznicy kończąc się albo koło centralnie położonego centrosomu, albo koło kilku jąder komórkowych znajdujących się w ciele pierwotniaka. W owych aksopodiach, podobnie jak w filipodiach otwornic, plazma może płynąć jednocześnie w kilku kierunkach. Badania prowadzone za pomocą mikroskopu elektronowego wykazały, że nie mają one budowy przypominającej fili-podia, że nie składają się z cienkich, równoległych „potoków" płynącej protoplazmy, lecz że budują je sztywne wyrostki protoplazmatyczne, utrzymywane przez wewnętrzne wzmacniające struktury protoplazmatyczne, tzw. stereoplazmę (rys. 9). Buduje ona oś aksopodium i składa się z równolegle ułożonych mikrotubuli o regularnym układzie. W czasie skracania się aksopodium musi ona być przebudowywana w struktury glo-bularne. Nie jest jasne jak te mikrotubule rozdzielają poruszającą się w nibynóżce plazmę (tzw. reoplazmę), pewne jest natomiast, że jest to ich funkcją. Pełnią więc nie tylko rolę wzmacniającą, mają nie tylko znaczenie szkieletowe, lecz biorą jakiś udział w samym ruchu plazmy w nibynóżce. Początkowo sądzono nawet, że w nich jest zlokalizowane kurczliwe białko, dzięki któremu odbywa się ruch plazmy. Nie zostało to jednak potwierdzone i ich dokładna funkcja nie jest jeszcze jasna. Jakkolwiek ruch ameb intrygował badaczy już od 130 lat, to jednak intensywny rozwój badań tego zjawiska i poznanie jego mechaniki są efektem ostatnich 10 lat wytężonej pracy. Najczęściej i najszczegółowiej badano Amoeba proteus i Chaos chaos, dwa gatunki 0 płatowatych nibynóżkach (lobopodiach). Badaniom poddano także plazmodia Myxomycetes, sądząc, że poznanie mechaniki ich ruchu rzuci światło na tajniki mechaniki pełzania ameb. Badania ich są o tyle łatwiejsze, że są one znacznie większe 1 dają się bardzo łatwo hodować. Okazało się, że podobieństwa w mechanice ruchu są jednak raczej zewnętrzne, natomiast z badań tych wynikło niezbicie, że w plazmodiach Myxomycetes istnieją białka kurczliwe takie same jak w mięśniach zwierząt — aktomiozyną. Tworzą one w plazmie plazmodiów nitkowate (fibryllarne) struktury długości 80 A w miarę potrzeby organizmu. Udało się też stwierdzić obecność fibrylli F-aktyny (które powstają przez podwójne skręcenie łańcucha G-aktyny, a więc białka typowego dla mięśni poprzecznie prążkowanych). Stwierdzono też, że aktyna ta jest identyczna z aktyną mięśni zwierzęcych i z miozyną takich mięśni tworzy aktomiozynę. Podobnie jest i odwrotnie — miozyna pochodząca z plazmodiów może łączyć się z aktyną wyizolowaną z mięśni zwierzęcych tworząc też aktomiozynę. Jej działanie jest takie samo jak opisywaliśmy w poprzednim rozdziale, ma taki sam wpływ na ATP i tak samo aktywność całego kompleksu zależy od odpowiedniego stężenia jonów Ca+4 Tak jak w komórkach mięśniowych bardzo ważną rolę gra siateczka plazmolemmy wraz z jej cysternami i systemami T, tak u plazmodiów główną rolę gra błona komórkowa i system wakuolarny. Właśnie wakuole są odpowiedzialne za uruchamianie lub wychwytywanie jonów Ca++, a więc za ich koncentrację w plazmie. Poziom wapnia uruchamiający lub wstrzymujący skurcz jest tu też bardzo podobny jak w mięśniach i waha się w granicach 10~7 —10~5 M Ca+ + . W przypadku wzrostu koncentracji wapnia następuje przed skurczem uporządkowanie poprzednio nieregularnie rozrzuconych w plazmie kurczliwych fibrylli (rys. 10).