Картирована мышечная активность живой гидры

Рис. 1. Благодаря специальному окрашиванию на этом снимке видны два типа клеток гидры: мышечные (светло-коричневые) и нервные (зеленые и синие). Изображение с сайта news.uchicago.edu

Гидры — одни из самых простых и примитивных по своему строению живых существ: их тело состоит всего из двух слоев клеток нескольких типов. Несмотря на это, изучение гидр продолжает преподносить сюрпризы. Новое исследование американских ученых показало, что на удивление сложное для такого существа поведение объясняется многофункциональностью его мышечных клеток и большей, чем до сих пор считалось, внутренней связностью нервной системы.

Гидра — это небольшой (типичный размер — считанные миллиметры) вытянутый цилиндрический «мешочек», у которого на одном полюсе («нижнем») расположена подошва (для передвижения и крепления к субстрату), а на другом («верхнем») — венчик из расположенных по кругу щупалец, между которыми находится ротовое отверстие, открывающееся в кишечную полость. В этой полости переваривается то, что щупальца гидры поймали и отправили в рот. У тела гидры радиальная симметрия относительно оси, соединяющей центры полюсов.

На тканевом уровне тело гидры состоит всего из двух слоев клеток: внутренней энтодермы (еще также называют гастродермой) и внешней эктодермы, которые разделены мезоглеей — внеклеточным матриксом. Слои состоят из клеток следующих типов:
1) кожно-мышечные клетки, которые одновременно формируют покровы тела и способны сокращаться, чтобы гидра могла двигаться (их в организме гидры около 20 000);
2) интерстициальные клетки, расположенные между кожно-мышечными и способные превращаться в клетки других типов — таких у гидры примерно 15 000;
3) нервные клетки, которые объединены в диффузную нервную систему (то есть равномерно разбросаны по всему организму, без ярко выраженных центров/скоплений) и передают нервные сигналы — их у животного около 5 000;
4) железистые клетки, выделяющие в кишечную полость пищеварительные ферменты — таких тоже около 5 000;
5) стрекательные клетки, «стреляющие» во врагов ядовитыми нитями;
6) половые клетки, образующие яйцеклетки и сперматозоиды, которые потом сливаются, образуя зародыши новых организмов (у гидр есть и бесполое, вегетативное размножение, когда новый организм просто отпочковывается от старого, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Общая схема строения тела гидры. Рисунок с сайта infourok.ru

Конечно, клетки разных типов распределены по двумя слоям неравномерно. Например, железистые клетки по понятным причинам сосредоточены в энтодерме, а стрекательные — в эктодерме.

В эктодерме гидры образуемые кожно-мышечными клетками двигательные волоконца идут продольно, от подошвы к окруженному щупальцами рту, в энтодерме же ориентированы поперечно и опоясывают тело. Синапсы (соединения между клетками, передающие возбуждение) у гидры есть как между нейронами, так и между кожно-мышечными клетками, которые тоже способны передавать друг другу сигналы к сокращению.

Для такого простого строения тела поведение гидры на удивление сложно: она может шевелить щупальцами и «стрелять» в неприятелей стрекательными клетками, а также сжимать свое тело в горизонтальном направлении, уменьшать и увеличивать его ширину, изгибать в разных направлениях и даже «шагать», перекатываясь с подошвы на «розетку» щупалец и обратно. Все это (кроме стрекания) осуществляется благодаря сокращению кожно-мышечных клеток, которые получают сигналы от нейронов (например, о том, что к телу животного кто-то прикоснулся) и передают их дальше друг другу.

До сих пор считалось, что эктодерма и энтодерма, в которых кожно-мышечные волокна перпендикулярны друг к другу, отвечают за разные движения (эктодермальные — сокращаясь по вертикальной оси, а энтодермальные — по окружности тела) и осуществляют их независимо друг от друга, каждый с собственным механизмом иннервации. Однако недавняя работа, выполненная сотрудниками лаборатории морской биологии Чикагского университета, показала, что картина сложнее.

Распространение возбуждения между нервными и кожно-мышечными клетками гидры изучалось с помощью двух методов: вживления в тело животного электродов и добавления в клетки гидры (с помощью генетической модификации плазмидами) кальциевых индикаторов — флуоресцентных молекул, изменяющих интенсивность своей флуоресценции в ответ на изменение содержания в клетке кальция. Кальций здесь важен потому, что его ионы, перемещаясь в клетку или из клетки по кальциевым каналам, меняют ее электрический заряд, — таким образом передаются нервные сигналы. Кальциевые индикаторы, регистрирующие активность клеток энтодермы, флуоресцировали оттенками красного, индикаторы эктодермы — зеленым, а при одновременной активности клеток двух слоев получался желтый цвет (справа на рис. 3).

Рис. 3. Слева — наложенные друг на друга микроснимки движений гидры: вытягивание (фиолетовый), сжатие (голубой) и сгибание (желтый). Справа — запись движений гидры, на которой зеленым светятся в моменты активности клетки эктодермы, а красным — клетки энтодермы. Изображения с сайта news.uchicago.edu

В результате было выделено семь основных разновидностей движений гидры, которым соответствуют семь пространственно-временных паттернов появления и волнообразного распространения возбуждения в кожно-мускульной ткани гидры (рис. 4).

Рис. 4. Основные движения гидры: резкие вертикальные сокращения тела (contraction pulse), активное вытягивание тела (active elongation), наклоны (bending), «кивание» верхней частью тела (nodding), открывание рта (mouth opening), бегущая по телу вертикально волна сокращений (body column wave), сжимание/разжимание щупалец (tentacle pulse). Красным выделены области, в которых движения совершаются за счет сокращения кожно-мышечных клеток энтодермы; зеленым — клеток эктодермы, желтым — клеток обоих слоев. Вверху в середине: энтодерма и эктодерма в теле гидры. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Как менялся со временем уровень активности кальциевых индикаторов (а значит, — и возбуждения клеток) в энтодерме и эктодерме гидры при совершении каждого движения, видно на кимограммах (диаграммах, показывающих изменение определенного физиологического параметра во времени), которые показаны на рис. 5.

Рис. 5. Слева: флуоресценция кальциевых индикаторов в кожно-мышечных клетках гидры при совершении ею разных движений (А — резкие вертикальные сокращения тела, B — вытягивание тела, C — наклоны, D — «кивание» верхней частью тела, E — открывание рта, F — бегущая по телу вертикально волна сокращений, G — сжимание/разжимание щупалец). Красным цветом светится энтодерма, зеленым — эктодерма. Справа: кимограммы активности кальциевых индикаторов с течением времени для каждого движения. Верхняя часть каждой кимограммы — энтодерма, нижняя — эктодерма. Цветовая «температура» отражает уровень активности каналов, ширина полос — масштаб распространения этой активности в соответствующем слое. Изображение из обсуждаемой статьи в Current Biology

Характер нарастания и спада возбуждения кожно-мышечной ткани в разных слоях тела гидры также отличается при движениях разных типов. Например, при резком вертикальном сокращении тела пик притока ионов кальция через кальциевые каналы достигается примерно через 0,15 с после начала совершения движения (это движение очень быстрое), а при активном вытягивании тела — только через 3,15 секунд (рис. 6).

Рис. 6. Интенсивность флуоресценции (красный — в энтодерме, зеленый — в эктодерме) и уровень притока ионов кальция через кальциевые каналы (пунктир) при резких вертикальных сокращениях тела (contraction pulse), сжимании/разжимании щупалец (tentacle pulse), «кивании» (nod) и активном вытягивании тела (active elongation). Время максимума притока ионов кальция отмечено вертикальной чертой. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Ученые выяснили, что одни и те же мышечные клетки у гидры могут быть задействованы в разных паттернах с разной кинетикой. И наоборот, в одном паттерне могут быть задействованы клетки из разных слоев тела гидры. То есть, каждая из них мультифункциональна, может передавать возбуждения по разным схемам и с разной интенсивностью через связи, выходящие за пределы того слоя тела, в котором она находится (здесь имеются в виду цепочки передачи сигналов и между кожно-мышечными клетками, и между нервными, и между обоими этими типами сразу с помощью синапсов).

Это первое исследование такого рода, выполненное для целого — и живого — организма, и оно позволяет сделать интересные выводы. Во-первых, мультифункциональность и межслойная взаимосвязь кожно-мышечных и нервных клеток помогает понять, как такому примитивному многоклеточному животному с просто устроенным телом и небольшим количеством клеток удалось освоить множество разных движений, необходимых для жизни. Во-вторых же, это в целом проливает свет на ранние этапы эволюции поведения многоклеточных организмов, когда дифференциация их тканей и клеток еще только начиналась, однако со всеми основными вызовами — необходимостью питаться, защищаться и размножаться — они уже столкнулись. Благодаря таким исследованиям, в перспективе, возможно, удастся лучше понять и физиологические основы нашего поведения.

Источник: John R. Szymanski, Rafael Yuste. Mapping the Whole-Body Muscle Activity of Hydra vulgaris // Current Biology. 2019. DOI: 10.1016/j.cub.2019.05.012.

Олег Соколенко