Журнал общей биологии, 2020, T. 81, № 6, стр. 421-443

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объект исследования – колониальный гидроид Dynamena pumila (L., 1758) (Sertulariidae, Leptothecata, Hydrozoa), обитающий в зоне нижней литорали–верхней сублиторали на камнях и талломах водорослей. Колониальный организм (для краткости, колония) D. pumila состоит из стелющихся по субстрату прямолинейных столонов и отходящих от них побегов (рис. 1). Гидранты на побегах располагаются попарно супротивно в два ряда, что позволяет при микроскопировании на малых увеличениях видеть сразу в одной плоскости и ценосарк ствола побега, и отходящие попарно от него гидранты. Это удобно при изучении распределительной системы и перемещения гидроплазмы внутри гастроваскулярной полости колонии.

Рис. 1.

а – небольшая колония Dynamena pumila и ее схематическое изображение. D1 и D2 – сечения ценосарка в пределах поля зрения одного модуля. б – схематическое изображение материнских побегов исследованных колоний. Черная линия – участок столона (столон целиком не прорисован).

Прирост столонов и побегов осуществляется апикально в зонах, которые называются верхушками роста (ВР). Вблизи ВР ценосарк почти прозрачен, а по мере удаления от ВР становится все более темным и менее прозрачным. ВР столонов и побегов покрыты тонким желтоватым, но прозрачным хитиноидным перисарком. Гидранты у всех гидроидов из отряда Leptothecata (Thecaphora), к которому относится и D. pumila, также окружены перисарком, формирующим убежища, из которых гидранты могут высовываться через устье или прятаться внутри. Перисарк вокруг гидрантов отличается по форме от покрывающего столоны и побеги и называется гидротекой. Перисарк (как и ценосарк) по мере удаления от ВР побега или столона становится более плотным и менее прозрачным. Поэтому визуальное изучение распределительной системы удобнее проводить на молодых колониях или в пределах дистальных частей длинных столонов и больших побегов.

Столоны и побеги состоят из повторяющихся по строению частей, которые условно называются модулями. В столоне модуль ограничен двумя побегами, а в побегах – одной парой гидрантов с участком ствола между ними (рис. 1). Нумерацию модулей мы проводим от апикальной части побега или столона в проксимальном направлении. Апикальный формирующийся модуль называется нулевым, последующие от ВР – соответственно, первым, вторым и т.д.

Колонии D. pumila можно культивировать в лаборатории (Бурыкин и др., 1984). Мы выращивали их на предметных стеклах и на стеклах бóльшего размера (9 × 12 см) в непроточных аквариумах объемом 10 л с непрерывной циркуляцией морской воды при температуре 14–16°С. Колонии кормили свежевылупившимися науплиями Artemia salina. Кормление определялось задачами исследования и могло быть ежесуточным, непрерывным или же дозированным (по числу науплиев, проглоченных определенными гидрантами).

В эксперименте использовали 12 колоний D. pumila примерно одинаковой длины – до восьми модулей с неразветвленными столонами, несколькими маленькими побегами (по 1–3 модуля) на них и большими (материнскими) побегами, из которых были выращены колонии (обычно по 30–40 модулей). Материнские побеги несли короткие боковые ветви (рис. 1). В материнских побегах почти все гидранты были активны, а верхушки роста оставались растущими или еще не рассасывающимися. Остановка роста материнского побега с последующей резорбцией части ценосарка ствола нередко случается при выращивании от них колоний на стеклах.

Для регистрации пульсаций ценосарка ствола и гидрантов материнского побега использовали методику цейтраферной микровидеосъемки колоний на прозрачном субстрате в контролируемых условиях с записью изображения на компьютер и последующей расшифровкой данных видеорегистрации. Съемку вели при помощи камеры Arecont-AV3100 через микроскоп MБИ-1 при увеличении ×100. Частота съемки – 4 кадра/с. Методика видеорегистрации была неоднократно описана в предшествующих работах, посвященных исследованию распределительной системы у гидроидов (Дементьев, Марфенин, 2018, 2019; Марфенин, Дементьев, 2018а, б). Для получения необходимых данных о пульсациях ценосарка и перемещении гидроплазмы в полости ценосарка через каждые 120 кадров (30 с) производили измерение следующих основных показателей: 1) величины просвета полости ценосарка и желудка гидранта в нескольких сечениях (D1, D2, Dc и Dh) и 2) длины пробега любой распознаваемой частицы или группы частиц в полости за 1 с, т.е. за 4 кадра, – и на их основе рассчитывали вторичные показатели и индексы. Способ расчета вышеуказанных параметров изложен в табл. 1.

При обработке видеосъемок определяли величины просвета и амплитуды латеральных пульсаций ценосарка столона, ствола побега и желудка гидрантов. В столоне эти измерения проводили на экране компьютера всегда по двум сечениям (D1 и D2) в пределах кадра: ближе к левому и правому краям поля зрения. В побеге – в нулевом модуле и середине ствола; величину просвета ценосарка ствола обозначали Dс, а сечение желудка гидранта – Dh (рис. 1, 2). Таким образом, в побеге удавалось одновременно регистрировать пульсации ценосарка и одного из двух прилегающих к этому участку гидрантов.

Рис. 2.

Участок побега и его схематическое изображение (справа).

При последующей обработке видеосъемок одновременно с замерами просвета ценосарка определяли пробег в течение одной секунды различимых частиц в полости ценосарка. Поэтому пробег за секунду избранных частиц определяли по их положению от края кадра на первом и четвертом кадрах. Эта величина соответствует показателю скорости ГПТ в данном месте (табл. 1).

Съемку осуществляли в трех зонах: 1) в прилегающем к верхушке роста участке материнского побега; 2) в середине ствола материнского побега; 3) в прилегающем к материнскому побегу модуле столона. В качестве первого модуля побега снимали участок ствола, заключенный между первой парой гидрантов. Это позволило регистрировать пульсации как выше ответвления гидрантов от ствола (нулевой модуль), так и ниже этого ответвления (первый модуль). При съемке середины ствола выбирали наиболее прозрачные модули, пульсации ценосарка в которых можно было отчетливо наблюдать. В разных колониях эти модули могли находиться на разном удалении от верхушки побега. По своему расположению они были в пределах от 6-го до 15-го модуля побега (от верхушки роста побега). В основании побега нам не удалось провести качественную видеосъемку ввиду снижения прозрачности перисарка и наличия на нем водорослевого оброста. Для определения характеристик порождаемого побегом результирующего течения снимали модуль столона, непосредственно прилегающий к материнскому побегу.

Статистические характеристики представленных в работе результатов (среднее арифметическое значение x, стандартная ошибка среднего ±SE, выборка n) вычислены в программе Excel для всех отснятых эпизодов при одинаковых условиях в пределах эксперимента. Для оценки достоверности различий сравниваемых величин использован двухвыборочный критерий Стьюдента (t-критерий).

Помимо видеосъемок 12 колоний под микроскопом с последующим анализом количественных показателей, те же колонии были исследованы под бинокуляром с целью выявления ритмичности работы отдельных пульсаторов побега (табл. 2). Под бинокуляром при увеличении ×10 провели фотосъемку дистальных участков побегов, состоявших из нескольких модулей. Продолжительность каждой съемки – 1.5 ч. При обработке фотоданных представили на схемах модули побега D. pumila в виде череды T-образных фигур (рис. 2). Каждый модуль состоит из фрагмента ценосарка и пары боковых гидрантов. В фрагменте ствола условно выделяли два сегмента: между гидрантами и ниже их. Иными словами, в каждом модуле регистрировали пульсации четырех составляющих, применяя к каждой из них в равной мере термин “пульсатор”. Регистрировали два режима: расширение и сжатие.

Не на всех колониях удалось ясно различать фазы расширения и сжатия гидрантов и особенно ценосарка, так как при малом увеличении бинокуляра это возможно сделать только при условии отсутствия обрастания на перисарке. Среди 12 отснятых колоний достоверно различимые пульсации по всему материнскому побегу наблюдались только в двух колониях, а именно: № 3-9 (съемка № 4) и № С-1 (съемка № 9), результаты анализа пульсаций в которых представлены ниже.

Исследование проведено на Беломорской биологической станции им. Н.А. Перцова биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Гидроплазматические течения

Последовательное осуществление цейтраферной микровидеосъемки на трех уровнях побега по его высоте, а именно: 1) апикальном модуле материнского побега, 2) середине этого побега и 3) под побегом в столоне, – позволило определить: максимальные скорости однонаправленного ГПТ, период смены направления ГПТ и средний объем гидроплазмы одного ГПТ в трех исследованных участках (рис. 3).

Рис. 3.

Гидроплазматические течения в различных модулях D. pumila: период и скорость ГПТ (а), протяженность пробега частиц (б) и объем перенесенной гидроплазмы (в). Выборки для модулей первого, среднего и столона соответственно см. в табл. 3.

В каждом из трех рассмотренных мест амплитуды А_(+)HF и А_(–)HF , т.е. максимальные скорости ГПТ, оказались почти одинаковыми и мало вариабельными (табл. 3). Следовательно, ГПТ к верхушке побега и к его основанию, определенные в одном и том же месте, по пиковым скоростям не различались.

Таблица 3.  

Параметры латеральных пульсаций ценосарка и ГПТ в дистальной части материнского побега D. pumila, затем в середине этого же побега и в столоне у его основания по данным регистрации в 12 колониях (см. табл. 2)

Параметр	Единицы измерения	Первый модуль побега		Середина ствола		Модуль столона у материнского побега
		эпизоды № 189, 194, 198, 201, 204, 207, 210, 213, 216, 219, 222, 225 (2017)		эпизоды № 190, 195, 199, 202, 205, 208, 211, 214, 217, 220, 223, 226 (2017)		эпизоды № 191, 196, 200, 203, 206, 209, 212, 215, 218, 221, 224, 227 (2017)
		х ± SE	n	x ± SE	n	x ± SE	n
Латеральные пульсации (D1 и Dc)
Ptrp(D1) и Ptrp(Dс)	мин	9.0 ± 0.3	201	10.8 ± 0.4	206	13.4 ± 0.5	128
Atrp(D1) и Аtrp(Dс)	мкм	26.5 ± 1.2	212	16.4 ± 0.7	221	16.1 ± 0.1	146
(+)D%	%	8.9		7.6		7.7
(–)D%	%	8.7		7.0		7.9
(0)D%	%	82.4		85.4		84.4
Латеральные пульсации (D2 и Dh)
Ptrp(D2) и Ptrp(Dh)	мин	9.6 ± 0.3	189	11.3 ± 0.5	197	13.4 ± 0.5	127
Atrp(D2) и Atrp(Dh)	мкм	35.6 ± 1.8	201	45.3 ± 2.0	213	16.4 ± 1.0	146
(+)D%	%	9.2		9.6		7.8
(–)D%	%	9.0		9.2		7.9
(0)D%	%	81.7		81.2		84.3
Гидроплазматические течения
PHF	мин	21.1 ± 2.9	20	16.2 ± 1.3	69	15.2 ± 0.3	109
A(+)HF	мкм/с	16.2 ± 1.0	22	19.9 ± 1.1	66	54.2 ± 3.4	121
A(–)HF	мкм/с	(–)16.0 ± 1.4	17	(–)19.8 ± 1.1	53	(–)42.8 ± 2.5	123
$v_{{m( + )HF}}^{ - }$	мкм/с	14.7 ± 0.3	55	17.2 ± 0.4	137	30.8 ± 0.9	901
$v_{{m( - )HF}}^{ - }$	мкм/с	(–)15.3 ± 0.4	30	(–)17.3 ± 0.4	116	(–)23.2 ± 0.7	1435
(+)HF%	%	2.0		4.2		24.8
(–)HF%	%	1.1		3.1		33.4
(0)HF%	%	96.9		92.7		41.7
Протяженность непрерывного перемещения частиц
Z(+)HF	мкм	1008 ± 134	24	1012 ± 69	70	5036 ± 363	165
Z(–)HF	мкм	(–)808 ± 115	17	(–)1096 ± 83	55	(–)4241 ± 278	235
Объем перенесенной гидроплазмы
V(+)HF	мкм3	2 748 386 ± 352 065	24	2 554 142 ± 288 574	70	6 689 478 ± 515 290	165
V(–)HF	мкм3	(–)187 691 ± 360 225	17	(–)2 982 041 ± 381 415	55	(–)4 412 605 ± 314 757	235
Продолжительность непрерывного перемещения частиц
T(+)HF	мин	0.9 ± 0.1	17	1.1 ± 0.1	55	2.7 ± 0.1	165
T(–)HF	мин	1.2 ± 0.1	24	1.0 ± 0.1	70	3.1 ± 0.2	235

Поэтому при сравнении максимальных скоростей ГПТ ограничимся только генерируемыми побегом и направленными в нем к основанию и далее к верхушке столона. Соответствующие обозначения: А_(+)HF(1) в верхней и А_(+)HF(2) в средней частях побега, что отражает ГПТ, направленные от верхушки побега к его основанию. А_(+)HF(3) в столоне у основания побега соответствует продолжению исходящего из побега ГПТ по столону. При сравнении использовали средние значения максимальных скоростей ГПТ.

В верхней части побега и в его середине А_(+)HF(1) и А_(+)HF(2) мало различались (рис. 3). Средняя амплитуда ГПТ в верхней части побега незначительно меньше, чем в его середине (p < 0.05).

Тот же результат дает показатель средней скорости ГПТ ($v_{{m\left( + \right)HF}}^{ - },$ $v_{{m\left( - \right)HF}}^{ - }$; табл. 2), т.е. показатель, характеризующий весь цикл изменения скорости от начала однонаправленного ГПТ до его окончания.

На выходе из побега скорости ГПТ, как максимальные, т.е. А_(+)HF(3), так и средние скорости, т.е. $v_{{m\left( + \right)HF}}^{ - },$ были в 2–3 раза больше, чем в средней и верхней частях побега. Вдоль верхней части побега ГПТ одинаковы по своей скорости, но у основания побега скорость ГПТ больше, чем в верхней его половине.

Период ГПТ (Р_HF), судя по средним значениям, казалось бы, сокращается в ряду “нулевой модуль побега → середина ствола побега → ближайший к основанию побега модуль столона” (табл. 3, рис. 3), однако это различие недостоверно (p > 0.05). В данном случае нет признаков несогласованности процессов, так как период фактически везде одинаков.

Протяженность перемещения частиц (Z_HF) в однонаправленном ГПТ определяется средней скоростью и продолжительностью ГПТ. В нашем случае протяженность ГПТ в верхней и средней частях побега неразличимы, а в столоне у основания побега значительно выше (рис. 3). Это соответствует последовательности и кратности изменения амплитуды ГПТ А_HF , а главное, средней скорости ГПТ $v_{{mHF}}^{ - }$.

Средняя продолжительность (T_HF) однонаправленных ГПТ в побеге одинакова, а в прилежащем к материнскому побегу модуле столона достоверно возрастает (p < 0.01) почти в 3 раза (табл. 3).

Объем гидроплазмы, перенесенной одним течением, зависит от трех показателей: скорости и продолжительности ГПТ, а также площади просвета ценосарка столона. В данном случае увеличение объема перенесенной гидроплазмы на выходе из побега является прямым следствием возрастания средней скорости и продолжительности ГПТ, указанных выше.

V_(+)HF в верхней и средней частях побега близки по значению, а в основании побега больше в 2 раза (рис. 3). Следовательно, в процессе формирования в побеге магистрального ГПТ его объем возрастает в нижней части побега. Также и в процессе приема компенсаторного ГПТ объем переносимой гидроплазмы наполовину поглощается нижней частью побега.

У основания побега доля покоя ГПТ(0)HF_% снижается по сравнению с серединой и первым модулем побега более чем в 2 раза: с 96.9 до 41.7% (табл. 3). Доля покоя отражает удельную продолжительность отсутствия перемещений гидроплазмы в ценосарке. Значит, отдаляющиеся от верхушки побега течения становятся не только более быстрыми, протяженными и объемными, но и более продолжительными, а фазы покоя сокращаются.

ГПТ из побега и в него различаются между собой по всем показателям, кроме периода (табл. 3). Поступающие в побег (–)ГПТ отличаются меньшими по сравнению с (+)ГПТ средней и максимальной скоростями, протяженностью и объемом, но бóльшей продолжительностью. Это характерное различие магистральных и компенсаторных ГПТ (Марфенин, 1985), которое будет подробнее обсуждено ниже.

Пульсации ствола побега и гидрантов

Периоды пульсаций ценосарка побега P_trp(Dc) и желудка гидранта P_trp(Dh) в середине ствола ненамного, но достоверно возрастают (p < 0.01) по сравнению с расположенным выше первым модулем (табл. 3). Это различие обусловлено не реальной разницей между преобладающими значениями периода латеральных пульсаций, а различиями в количестве продолжительных циклов. Вариационный ряд латеральных пульсаций ствола побега в середине ствола шире, чем в верхней его части (рис. 4). По основному пику (преобладающим значениям) они не различимы, но в середине ствола зарегистрировано больше продолжительных циклов сжатия, что оказало влияние на среднее P_trp(Dc). Нередко продолжительность выпадающих из общей закономерности пульсаций ценосарка соответствует двум или даже трем циклам пульсаций, т.е. поперечное сжатие ценосарка иногда становится плохо обозначенным. Оно проявляется лишь в виде подергивания, различимого только при просмотре в режиме видео, а при покадровой обработке видеозаписи не учитывается.

Рис. 4.

Вариационный ряд периода латеральных пульсаций в 12 исследованных колониях: ценосарка ствола материнского побега в первом модуле (а), ценосарка в середине ствола (б), у основания побега в прилежащем модуле столона (в). Выборки: а – 201, б – 206, в – 128.

Иная картина наблюдается при сравнении поперечных пульсаций гидрантов. Преобладающее значение латеральных пульсаций гидрантов в средней части побега отличается от верхней части, и кроме того, в средней части есть отдельные сверхпротяженные циклы пульсаций, которые выглядят как отклонения от нормы (рис. 5).

Рис. 5.

Вариационный ряд периода латеральных пульсации гидрантов материнского побега в 12 исследованных колониях: в первом модуле (а) и середине ствола (б). Выборки: а – 189, б – 196.

Амплитуда пульсаций ценосарка побега А_trp(Dc) сущесвенно снижается в середине ствола, а желудков гидрантов А_trp(Dh) – возрастает (табл. 3), т.е. наиболее продуктивны среди пульсаторов дистальные участки ценосарка и зрелые гидранты, расположенные на отдалении от верхушек роста. Доли покоя латеральных пульсаций примерно одинаковы и составляют 81–85% (табл. 3).

Данные по латеральным пульсациям в модуле столона (P_trp, А_trp и др.) приведены в табл. 3, однако сравнивать их по амплитуде с ценосарком побега и гидрантами было бы некорректно в отличие от течений гидроплазмы, проходящих через все эти структуры.

Цейтраферная фотосъемка участков побега под бинокуляром позволила изучить последовательность пульсаций сегментов ствола и гидрантов (рис. 6). Сегменты ствола поперечно пульсируют преимущественно синхронно. В двух колониях из 12 исследованных пульсации были наиболее распознаваемыми. Приведем их в качестве примера. Не было ни одного случая, когда все сегменты ствола (8) и гидранты (8), попавшие в поле зрение, были бы одновременно расширены (Р) либо сжаты (С). В одной колонии (№ С-1) только в одном случае было одновременно расширено 14 пульсаторов (так мы будем называть сегменты ствола и гидрантов обобщенно). В восьми случаях – 13 пульсаторов, в четырех – 12 пульсаторов, в 22 случаях 11 пульсаторов были одновременно расширены (рис. 7). Аналогичная ситуация в колонии № 3-9. Только на 19 кадрах из 90 некоторые сегменты ствола побега были в расширенном состоянии, а некоторые в сжавшемся. На остальных кадрах все сегменты ствола были либо в расширенном состоянии, либо в сжатом.

Рис. 6.

Пульсации ценосарка ствола и боковых гидрантов в дистальной части побега D. pumila. а – учет № 9 под бинокуляром (колония № С-1), б – учет № 4 (колония № 3-9). Обозначения: Р – расширенное состояние пульсатора, С (и темные клетки) – сжатое состояние. Через дробь – отношение фаз расширения к сжатию (Р/С). Сверху – время с начала наблюдения.

Рис. 6.

Окончание

Рис. 7.

Вариационный ряд числа одновременно расширенных и сжавшихся пульсаторов (гидранты + ствол побега) в дистальной части материнского побега D. pumila (съемка № 9, колония № С-1). Из 90 кадров последовательной съемки с интервалом 1 мин. Всего в каждом кадре 16 пульсаторов.

В семи случаях в дистальном участке ствола сегменты были в состоянии поперечного сокращения ценосарка, а в проксимальной части – в состоянии расширения просвета канала. Через 1–2 мин уменьшение просвета ствола охватывало уже весь ствол, находившийся в кадре, т.е. сокращение распространилось проксимально – к основанию побега (минуты: 9, 22, 33, 44, 56, 71, 83) (рис. 6а). Также и расширение ствола побега вначале появлялось в его верхней части (минуты: 15, 29, 37, 48, 65, 78, 87), а затем распространялось на весь ствол побега (рис. 6а). Во второй колонии (№ 3-9) все указанные особенности соотношения расширенных и сокращенных пульсаторов сохраняются (рис. 6б).

Не обнаружено ни одного случая, когда бы сжатие или расширение распространилось в дистальном направлении.

Если сопоставить состояния ствола побега и гидрантов на нем, то только в шести случаях из 90 все гидранты были расширены, в то время как все сегменты ствола сжаты, т.е. все гидранты оказывались иногда в противофазе с побегом. В то время как ствол побега часто бывает в едином состоянии сжатия или расширения, среди гидрантов, отходящих от этого ствола, обычно одни сжаты, а другие расширены.

Не обнаружено какого-либо порядка и очередности в пульсации гидрантов. На 90 кадрах гидранты оказались в расширенном состоянии 435 раз, а в сжатом – 285 (рис. 8). Это означает, что в расширенном состоянии гидранты пребывают чаще, чем в сжатом. Причем у разных гидрантов в пределах соседних модулей верхней части побега продолжительности фаз расширения (так же как и сжатия) существенно различаются (рис. 6). Среди сегментов ствола побега такого разброса значений нет.

Рис. 8.

Число кадров из 90 в выборке, на которых гидранты и участки ценосарка были в расширенном либо сжатом состоянии с учетом их местоположения на стволе побега. Учет № 9 под бинокуляром (колония № С-1).

В одном модуле побега два гидранта часто бывают в синхронном состоянии – расширенном или сжатом (рис. 9).

Рис. 9.

Число кадров из 90 в выборке, на которых супротивно расположенные гидранты были одновременно в расширенном или сжатом состояниях с учетом их местоположения на стволе побега.

В двух модулях гидранты одновременно бывают в одинаковом состоянии – расширенном или сжатом. Так, гидранты двух верхних модулей в колонии № 3-9 были одновременно в синхронном состоянии 27 раз из 90 возможных, а в колонии № С-1 – 23 раза из 90. В подавляющем большинстве случаев при этом гидранты двух модулей находятся в противофазе с пульсациями фрагмента ствола между ними, т.е. если четыре гидранта одновременно расширены, то фрагмент ствола между ними сжат (93%) и наоборот (100%) (рис. 6).

При количественном сопоставлении пульсирующих гидрантов и сегментов ствола, находящихся в одной фазе (сжатия или расширения), обнаружено, что пульсации ствола и гидрантов происходят преимущественно в противофазе (рис. 10).

Рис. 10.

Учет № 9 под бинокуляром (колония № С-1), шаг 1 мин, продолжительность 90 мин. Период пульсаций ценосарка ствола – 12.0 ± 1.6 мин. а – динамика сжавшихся гидрантов к числу сжавшихся модулей ствола D. pumila. б – соотношение суммарных рабочих объемов сжавшихся гидрантов модулей ствола D. pumila.

На графике отчетливо видно, что в стволе регулярно число сжавшихся сегментов достигает абсолютного максимума и минимума, т.е. восьми и нуля, в то время как число сжавшихся гидрантов редко достигает абсолютного максимума или минимума. Хотя в целом число сжавшихся гидрантов изменяется волнообразно, этот показатель значительно варьирует от цикла к циклу. Промежуточные пики соответствуют изменению числа сжавшихся гидрантов, которых становится то больше, то меньше. В этом проявляется независимость пульсаций гидрантов друг от друга. И все же, если регистрировать пульсации гидрантов не по отдельности, а в совокупности, то прослеживается цикличность.

Ствол побега расширяется (Р) и сжимается (С) более-менее одновременно в дистальном участке материнского побега. Лишь порой (рис. 6а: 0:09, 0:15, 0:33, 0:48, 1:06, 1:18, 1:27) можно наблюдать состояния, при которых часть ствола расширена, а другая сжата. Ценосарк, скорее всего, пульсирует как одно целое, так как фазы Р и С охватывают весь ствол (в зоне видимости). Варианты ССРРРРРР и РРСССССС похожи на перистальтическую волну смены одной фазы на другую. Во всех случаях смена фаз начинается сверху побега. Обычно при расширенных желудках гидрантов мы наблюдали сжатие ствола (рис. 6а: 0:00, 0:09, 0:24, 0:36, 1:00, 1:15, 1:24). И наоборот – при сжатых гидрантах просвет ценосарка ствола обычно расширен. Можно сказать, что гидранты пульсируют в противофазе со стволом, хотя и не всегда синхронно. Иногда сжатыми оказываются одновременно и участок ствола, и боковые гидранты соответствующего модуля (рис. 6а: 0:12, 0:15, 0:27, 0:45, 0:57, 1:03, 1:12, 1:18).

Соотношение количества сжавшихся и расширенных пульсаторов внутри обследованной зоны побега (рис. 6а – см. дробь над схемой побега) только в девяти случаях из 90 было равным (8/8), а во всех остальных – неравным, т.е. в побег входили и выходили ГПТ. Также и в колонии № 3-9 (рис. 6б) паритетное соотношение сжавшихся к расширенным пульсаторам было равным 8/8 только в девяти кадрах.

Положение фаз сжатия и расширения гидрантов по отношению к стволу непостоянно и переменчиво. Из восьми гидрантов лишь у трех количество фаз Р и С было почти одинаковым (рис. 11), у четырех гидрантов фазы расширения преобладали над фазами сжатия, а у одного гидранта превалировали фазы сжатия (он реже расширялся). В целом гидранты пульсируют асинхронно по отношению друг к другу.

Рис. 11.

Соотношение фаз Р/С для гидрантов D. pumila. Учет № 9 под бинокуляром (колония № С-1).

Остальные исследованные под бинокуляром колонии обнаружили сходную ритмику пульсаций: ствол и гидранты пульсировали преимущественно в противофазе.

Пульсации гидрантов не столь правильны, как пульсации ствола. Гидранты в течение многих минут способны оставаться расширенными или сжатыми. Регулярность пульсаций у них выражена слабее, чем у ствола (рис. 12), а в группе одновременно сжавшихся могут оказаться то одни гидранты, то другие (рис. 6).

Рис. 12.

Соотношение пульсаций двух гидрантов (а и б) и участка ствола побега (в) между ними во втором модуле материнского побега колонии D. pumila (колония № С-1). По оси абсцисс – время, по оси ординат – состояние гидранта (1 – расширен, 0 – сжат).

Если же обратить внимание на динамику соотношения сжатых пульсаторов к расширенным (без подразделения их на гидранты и участки ствола), то отчетливо видно периодическое преобладание сжатия над расширением (рис. 13). Это означает, что пульсаторы не компенсируют друг друга взаимно, не перегоняют гидроплазму только между собой в пределах побега, а регулярно число сжавшихся оказывается больше, чем расширяющихся, и наоборот.

Рис. 13.

Динамика соотношения числа сжавшихся и расширенных пульсаторов (включая гидранты и фрагменты стволов) в дистальном участке материнского побега D. pumila. Учет № 9 под бинокуляром (колония № С-1), шаг 1 мин, продолжительность 90 мин.

ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования порядка перемещения гидроплазмы в колониальном организме гидроидов всегда были ограничены зоной столонов (Hale, 1960; Fulton, 1963; Rees et al., 1970; Wyttenbach, 1973; Blackstone, 1996; Winkle, Blackstone, 1997; Harmata et al., 2013). В столонах формируются быстрые и протяженные ГПТ от отдельных гидрантов и побегов. Столоны – это область взаимодействия локальных ГПТ из побегов или гидрантов. Кроме того, именно в столонах проще всего проводить наблюдения за пульсациями ценосарка и ГПТ (Marfenin, Dementyev, 2017), потому что столоны расположены в одной плоскости, а побеги с боковыми ветвями объемны, что осложняет их изучение под микроскопом. Поэтому не удивительно, что в побегах перемещения гидроплазмы до сих пор почти не изучены. Имеется ряд статей Ю.Б. Бурыкина (1999, 2008, 2010, 2013, 2015), в которых представлены результаты его наблюдений за ГПТ в побегах нескольких видов колониальных гидроидов, в том числе Gonothyraea loveni (Allman, 1859) и Dynamena pumila (L., 1758).

При простом наблюдении можно разобраться только в направлении локальных ГПТ и отчасти в скорости течений, и то – скорее на качественном уровне, чем на количественном. К сожалению, у Ю.Б. Бурыкина не было возможности регистрировать пульсации ценосарка и перемещения гидроплазмы с помощью видеосъемки, чтобы затем покадрово расшифровывать видеозаписи, содержащие большой объем точной информации. Так же и мы в своих ранних исследованиях распределительной системы гидроидов ограничивались лишь регулярными замерами положения апикальной точки верхушки роста, диаметра просвета ценосарка и продолжительности пробега частиц в границах поля зрения микроскопа (Карлсен, Марфенин, 1976, 1984; Марфенин, 1985, 1988). Современные возможности оцифрованной видеозаписи позволяют многократно и намного точнее анализировать любой эпизод наблюдений.

Тем не менее подробно описанные наблюдения Ю.Б. Бурыкина весьма содержательны. Они подтвердили наше предположение (Марфенин, 1985) о том, что зарождению исходящего из побега ГПТ предшествуют локальные перемещения гидроплазмы в пределах побега (Бурыкин, 2008). Пульсирующие гидранты перегоняют гидроплазму между собой, причем исходящий из одного гидранта рабочий объем гидроплазмы обычно поступает не в один, а в несколько гидрантов, активизируя их и вызывая ответные сжатия – некое подобие цепной реакции. Однако роль ствола побега в генерации регулярных ГПТ не была отмечена ни в наших ранних исследованиях, ни в работах Ю.Б. Бурыкина.

Пульсации ценосарка ствола побегов были известны всем исследователям, которые так или иначе касались этого вопроса (Hale, 1960; Fulton, 1963; Карлсен, Марфенин, 1984). Однако за исключением апикального отдела ценосарка, примыкающего к верхушке роста, весь остальной ценосарк пульсирует с небольшой амплитудой, выполняя скорее роль трубопровода, чем активного двигателя гидроплазмы. Поэтому никто не рассматривал роль пульсаций ценосарка в перемещении гидроплазмы. Лишь в одной статье были изложены данные, согласно которым сокращение гидранта в колонии Cordylophora sp. продолжается перистальтической волной сжатия по побегу к его основанию (Fulton, 1963).

Анализ соотношения пульсаций гидрантов и ствола побега – пусть в ограниченной части побега – проведен нами впервые.

Цейтраферная видеосъемка верхней части материнского побега под бинокуляром при малом увеличении позволила обнаружить закономерное соотношение между числом поперечно сжавшихся гидрантов и числом сегментов ствола с суженным просветом ценосарка. Оказалось, что ствол и совокупность гидрантов, находящихся на нем, пульсируют в противофазе, причем пульсации ствола намного регулярнее, чем отдельных гидрантов (рис. 9 и 10). Сегменты ствола с ясным периодом поперечно сжимаются все вместе, пусть не одномоментно, а в некоторой последовательности. Но они все равно достигают фазы поперечного сжатия всего ствола по крайней мере в четырех модулях в поле зрения бинокуляра.

Суммарный рабочий объем восьми гидрантов равен, следовательно, 17 434 304 мкм³, в то время как совокупный рабочий объем единовременно сжавшихся гидрантов периодически достигал значений 12–14 млн мкм³ и реже 16 млн мкм³ (рис. 10). Это означает, что на долю не сжавшихся синхронно гидрантов приходится примерно 3.5–5.5 млн мкм³ и реже только 1.5 млн мкм³. Иначе говоря, при каждом акте формирования исходящего ГПТ в нем не принимают участия до двух гидрантов из восьми (25%). Из рис. 7 следует, что такими невпопад сжимавшимися гидрантами оказывались не одни и те же гидранты, а разные – то одни, то другие.

Используя эти данные, можно соотнести общий рабочий объем гидроплазмы, выходящей из сжимающихся гидрантов, с общим рабочим объемом участка ствола, от которого эти гидранты отходят. Если эти рабочие объемы соответствуют друг другу, а ствол побега и гидранты на нем пульсируют в противофазе, то естественно предположить, что во время их пульсаций гидроплазма должна перетекать между стволом побега и гидрантами попеременно. В таком случае вся гидроплазма должна оставаться в пределах побега и не выходить из него, т.е. исходящее из побега ГПТ не должно возникать, так как нет избытка выдавливаемой гидроплазмы из ствола (или из гидрантов).

Однако расчеты показывают, что совокупный единовременный рабочий объем пульсирующих гидрантов оказывается существенно больше, чем у ствола (рис. 14). Эта разница составляет 4–6 млн мкм³, что примерно соответствует среднему объему одного ГПТ, регистрируемого в столоне вблизи основания материнского побега (табл. 3). Следовательно, в разбираемом нами случае именно пульсации гидрантов порождают исходящее из побега магистральное ГПТ. Не совместное сжатие ствола и гидрантов, как мы предполагали раньше (Марфенин, 1993), а сжатие гидрантов при одновременном расширении полости ствола побега.

Рис. 14.

Динамика суммарного рабочего объема гидрантов и ствола побега у D. pumila. Учет № 9 под бинокуляром (колония № С-1), шаг 1 мин. Средний период пульсаций 12.0 ± 1.6 мин.

Мы знаем, что регулярные, но слабые ГПТ в столонах наблюдаются и при отсутствии гидрантов¹¹, например, при рассасывании гидрантов после голодания гидроида или после отсечения всех побегов. В этих случаях можно полагать, что ГПТ порождают только пульсации ценосарка побегов и/или столона.

При наличии гидрантов на побеге вся система “побег–гидранты” могла бы оказаться замкнутой, т.е. ценосарк ствола и гидранты перегоняли бы гидроплазму друг в друга. Замкнутость системы была бы возможна при условии равенства совокупного рабочего объема гидрантов рабочему объему ствола побега. Однако при неравенстве этих рабочих объемов избыток гидроплазмы, образующийся при одновременном сжатии нескольких (а в больших побегах – многих) гидрантов, не вмещается в расширенный ствол побега и выходит за пределы побега, т.е. в столон. Появляются магистральные ГПТ. Об их регулярности мы можем судить по рис. 14, на котором представлена динамика суммы рабочих объемов сжимающихся гидрантов и ствола побега. Если бы гидроплазма перетекала только в пределах побега из сжимающихся пульсаторов в расширяющиеся, то величина совокупного рабочего объема варьировала бы мало. Однако мы видим, что вариации значительные, что свидетельствует о поступлении гидроплазмы в побег и выходе из него, т.е. появлении магистральных ГПТ. Видно, что пульсации объема избыточной гидроплазмы не столь регулярны, как пульсации ствола побега, и даже менее регулярны по сравнению с совокупностью сжимающихся гидрантов. И это вполне понятно, так как пульсации ценосарка и гидрантов накладываются друг на друга несовершенно из-за неполной синхронизации пульсаций гидрантов между собой и со стволом побега.

График, полученный на основе расчетов рабочих объемов и регистрации количества сжавшихся гидрантов и модулей ствола в дистальной части материнского побега, в целом соответствует графику динамики объема исходящего из этого побега ГПТ, зарегистрированного с помощью микровидеосъемки в прилежащем к побегу модуле столона (рис. 15). Надо учесть, во-первых, что съемки под микроскопом и под бинокуляром были произведены хотя и на одних и тех же колониях, но не одновременно, а спустя несколько часов, и во-вторых, что на рис. 14 исходящий объем ГПТ соответствует разности между максимальным и минимальным рабочими объемами, а следовательно, равен примерно 10–12 млн мкм³. Объем гидроплазмы на рис. 14 соответствует шагу измерений в 60 с, а на рис. 15 – 30 с. С учетом этого обстоятельства максимальные значения объемов гидроплазмы на рис. 14 и 15 хорошо соответствуют друг другу. Периоды пульсаций суммарного рабочего объема (12.0 ± 1.6 мин) и ГПТ в модуле столона, прилежащем к материнскому побегу колонии (11.0 ± 3.5 мин), можно считать идентичными.

Рис. 15.

Динамика объема перенесенной гидроплазмы в модуле столона, прилежащем к материнскому побегу колонии D. pumila (колония № С-1, эпизод № 218/2017). Средний период ГПТ (P_HF) составляет 11.0 ± 3.5 мин. Объем ГПТ был вычислен как произведение скорости ГПТ (мкм/с) на величину площади сечения столона (мкм²) и на 30 с, так как регистрация этих показателей происходила с шагом в 30 с.

Итак, причиной выхода из материнского побега избытка гидроплазмы, т.е. возникновения магистрального ГПТ, является сжатие большинства гидрантов. Сами по себе гидранты пульсируют недостаточно ритмично, чтобы ожидать, что они все вместе и регулярно сжимаются и расслабляются. Ранее мы предполагали, что избыток гидроплазмы образуется в результате другого механизма синхронизации гидрантов. В его основе продолжительная фаза покоя, в течение которой гидранты не могут принять входящее в побег ГПТ. Это явление было изучено на ростовых пульсациях ценосарка верхушек роста побегов и столонов (Wyttenbach et al., 1965; Wyttenbach, 1968; Beloussov et al., 1972; Косевич, 2006). После фазы сжатия ценосарка наступает фаза остаточного сжатия (по Wyttenbach, 1968: “retracted and resting”), в течение которой просвет ценосарка остается минимальным вплоть до наступления релаксации. При релаксации возможно растяжение ценосарка, проявляющееся в увеличении его просвета. Было доказано, что ценосарк не может активно расширяться (Марфенин, 1985), а лишь растягивается под воздействием давления других пульсаторов, передающемся гидравлически в замкнутой гастроваскулярной полости колонии. Нами установлено, что фаза остаточного латерального сжатия ценосарка дольше (нередко в несколько раз) фазы активного сжатия (“retraction”) (рис. 16). Мы предполагаем, что в это время ценосарк еще не может быть растянут даже под давлением. Поэтому пульсатор в течение фазы сжатия не способен принять избыток гидроплазмы, поставляемый ГПТ.

Рис. 16.

Динамика латеральных пульсаций ценосарка столона D. pumila в модуле столона, прилегающем к материнскому побегу. Колония № 1-10, эпизод № 212/2017. Обозначения фаз пульсаторного цикла: a – остаточное расширение, b – активное сжатие, c – остаточное сжатие, d – пассивное расширение.

Однако постепенно напряжение ценосарка ослабляется, приближаясь к некоей грани, после которой ценосарк уже может быть растянут, если давление в гастроваскулярной полости возрастает. Это инициирует возникновение ГПТ как результата сжатия одних пульсаторов где-то в колонии и расслабления других. Приток гидроплазмы вызывает растяжение расслабленного пульсатора и, как реакцию на растяжение, его сжатие. В верхушках роста сжатие наступает вскоре после завершения растяжения (Wyttenbach, 1968). Верхушки роста покрыты очень тонким перисарком, способным растягиваться при его расширении. Поэтому апикальные расширения верхушек роста не испытывают ограничения со стороны перисарка. В отличие от ростовых пульсаций, латеральные пульсации ценосарка в столонах и побегах ограничены неэластичным перисарком. Это обстоятельство помогает понять значение “верхних плато” (b) на графике латеральных пульсаций ценосарка (рис. 16): растяжение еще не прекратилось, но расширяться больше некуда. Тем не менее даже за вычетом фаз “b” совместная продолжительность фаз растяжения и сжатия оказывается существенно меньше, чем продолжительность фазы остаточного сжатия, во время которой пульсатор не способен растягиваться. Отсюда следует, что после сжатия пульсаторы продолжительно сопротивляются притоку ГПТ, и течения поступают в другие пульсаторы, у которых началась стадия релаксации.

Эти характерные особенности пульсации ценосарка можно экстраполировать и на гидрантов, чьи ткани ничем не отличаются от ценосарка. После сжатия гидранта или участка ценосарка гидроплазма поступает в ближайшие пульсаторы (такие же гидранты и участки ценосарка), вызывая в ответ их сжатие. Выдавленный из них избыток гидроплазмы не может поступить обратно в те пульсаторы, из которых первоначально вышел, так как в них еще не началась фаза релаксации. По нашим данным (рис. 12), фаза остаточного сжатия у гидрантов не столь регулярна, как в ценосарке, а фаза остаточного расширения может быть весьма продолжительна. Поэтому ГПТ из сжимающихся гидрантов должно направляться не в прежние, откуда пришло, а в другие пульсаторы в пределах побега, и так повторяется несколько раз, вызывая сжатие большинства пульсаторов в побеге (рис. 9). В результате их сжатия гидроплазма выходит за пределы побега, что выражается в виде ГПТ, продолжающегося в столоне. Эта теоретическая модель образования ГПТ (Марфенин, 1985, 1993) была подтверждена Ю.Б. Бурыкиным (2008). Однако в ней есть свои противоречия. Оставалась необъяснимой периодичность магистральных ГПТ. Каким образом из недостаточно ритмичных пульсаций гидрантов образуется весьма ритмичное исходящее ГПТ?

Теперь это противоречие может быть снято. Ритм задают пульсации ствола побега. Ценосарк по какой-то причине пульсирует более ритмично, чем гидранты, и, видимо, является пейсмекером (рис. 10). Сжатия ценосарка ствола побега оказываются синхронизаторами пульсаций гидрантов. Синхронизация происходит посредством перекачивания части гидроплазмы, заполняющей ствол, в гидранты. Мы видим (рис. 6), что после сжатия модулей ценосарка одновременно расширяется несколько гидрантов. Затем и они сжимаются, перекачивая гидроплазму в другие гидранты. В результате число сжавшихся оказывается больше, чем расширенных, что и приводит к выдавливанию избытка гидроплазмы (совокупного рабочего объема гидрантов и ствола) из побега в столон.

Цикличность этого процесса могла бы быть не столь правильной, если бы не регулярность пульсаций ствола побега. Хотя рабочий объем ствола побега существенно меньше, чем у отходящих от него гидрантов (Марфенин, Дементьев, 2017), этого оказывается достаточно для инициации пульсаций гидрантов, чей собственный рабочий объем в основном и составляет объем магистрального ГПТ.

Важно, что не все гидранты оказываются синхронизированы. Это означает, что система имеет значительный запас вариабельности, т.е. может подстраиваться под различные ситуации, связанные, например, с питанием и увеличением объема гидроплазмы внутри колониального организма, а также с изменением конфигурации всей системы в процессе роста или рассасывания.

Регистрацию пульсаций четырех модулей побега под бинокуляром при малом увеличении удалось осуществить только в верхней его части, где прозрачность перисарка и тканей достаточна для измерений величин просвета ценосарка и путей перемещения частиц в гидроплазме. В нижней части побега мы не смогли выполнить такие же измерения. Тем ценнее оказались результаты регистрации под микроскопом при бóльшем увеличении тех же параметров в первом модуле побега, в его середине и у основания побега в столоне. Оказалось, что ГПТ на выходе из побега в столон в 2 раза мощнее, чем в середине побега и около его верхушки. Под мощностью ГПТ мы понимаем объем перенесенной гидроплазмы за акт однонаправленного ГПТ от начала до остановки. Этот показатель определяется, в свою очередь, тремя другими: скоростью и продолжительностью ГПТ, а также площадью поперечного сечения полости ценосарка.

Примечательно, что мощность ГПТ не изменяется на пути от верхушки побега до его середины, а затем возрастает в нижней части побега. Что же способствовало возрастанию скорости и объема ГПТ? Дополнительными “ускорителями” ГПТ могли быть боковые веточки, которые отходили от нижних частей материнских побегов (рис. 1). Все они могли быть резервуарами, способными временно вместить гидроплазму от входящего в побег ГПТ, а затем выдавить ее обратно в столон. Судя по форме пиков на графике динамики объема перенесенной гидроплазмы в столоне у основания материнского побега (рис. 15), резонно предположить, что ГПТ из ствола и его боковых ветвей в колонии № С-1 слагались не полностью синхронно.

Тем не менее результирующее магистральное ГПТ, направленное из материнского побега в столон и далее по колонии, оказывается периодичным, хотя и со значительными вариациями в амплитуде А_HF (табл. 3), отражающей максимумы перемещения объемов гидроплазмы в единицу времени. В этом и проявляется основная особенность нецентрализованного колониального организма – сохранение порядка в главном при значительных отклонениях в частностях (Марфенин, 2016). Вполне возможно, что это свойственно любым нецентрализованным системам, обладающим целостностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью анализа пульсаций ценосарка и гидрантов нам удалось прояснить механизм формирования магистральных течений гидроплазмы (ГПТ). Впервые обнаружено различие ролей гидрантов и ценосарка в генерации ГПТ. Исходная модель, описанная четверть века назад (Марфенин, 1985), подтверждена новыми подробностями. Мощные периодические ГПТ возникают в результате подстраивания пульсаторов друг к другу, пусть еще достаточно несовершенному и “расхлябанному”, т.е. отчасти случайному. Однако ясная периодичность пульсаций обязана не только подстраиванию и не только верхушечным комплексам с наибольшими рабочими объемами, но и ритмичности пульсаций ценосарка, который задает тон гидрантам – тем из них, кто готов срабатывать синхронно.

Этот результат имеет общебиологическое значение для понимания жизнедеятельности модульных организмов, не имеющих единого центра регуляции происходящих в организме процессов. В нецентрализованных системах отсутствует однозначный и четко прогнозируемый ответ на поступивший сигнал (Марфенин, 2016). Тем не менее такие системы функционируют по-своему эффективно. Они маневренны, неуязвимы. Колониальные гидроиды представляют собой прекрасную модель того, как может “анархия” сочетаться с эффективностью и порядком, демонстрируя в итоге слаженность действий.