Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава VII. ФОТОТАКСИС И ФОТОКИНЕЗ

1. ФОТОТАКСИС

Как и зрительные реакции, фототаксис относится к информационным фотобиологическим процессам. Под фототаксисом понимают фотоиндуцированные направленные движения свободных биологических объектов. Разумеется, приспособительные двигательные реакции высокоорганизованных животных, вызванные световыми сигналами (например, условные и безусловные рефлексы на свет), можно было бы также отнести к реакциям фототаксиса. Мы же рассмотрим в основном фотобиологические реакции, которые осуществляются без участия высокоспециализированных органов зрения и дифференцированной нервной системы.

Различают топо- и фоботаксисы. Топотаксис—движение объекта к источнику света (положительный) или от него (отрицательный). К топотаксису относится также тропофототаксис, при котором происходит ориентация объектов вдоль или поперек луча (эффект поворота). Фоботаксис — перемещение объектов, связанное не с направлением светового луча, а с освещенностью поля. Выход объектов из светового поля рассматривается как отрицательный, а обратный переход как положительный фоботаксис. Явление фототаксиса присуще самым разнообразным представителям животного и растительного мира: простейшим, червям, бактериям, водорослям и др. Фототаксис наблюдается также у внутриклеточных органелл, например у хлоропластов водорослей. В последнее время

фототаксические реакции начали разделять на примитивные и специализированные. Примитивные свойственны автотрофным прокариотическим организмам и тесно связаны с функционированием фотосинтетического аппарата клетки; специализированные, характерные для эукариотических одноклеточных или колониальных организмов, представляют собой самостоятельные фотобиологические реакции, осуществляемые с помощью особого фоторецепторного аппарата.

У организмов, хлоропласты которых очень малы по сравнению со всей клеткой, таксис означает поиск органеллой положения, наиболее соответствующего оптимальной (положительный таксис) или неоптимальной (отрицательный таксис) освещенности. У водоросли Mougeotia, несущей в себе один большой хлоропласт, фототаксическая реакция заключается во вращении хлоропласта вокруг его длинной оси.

Пигменты, поглощающие биологически активный свет, обычно входят в состав надмолекулярных структур клетки, более или менее равномерно распределенных по всему ее объему. Однако в ряде случаев реакция таксиса инициируется в специализированных фоторецепторных системах, например, в «глазках» эвглены. Обычно они расположены вблизи глотки, сообщающейся с наружным пространством, и окружают нижнюю часть жгутика. Отдельный глазок состоит из краснооранжевых плотно, беспорядочно упакованных глобул. Глобулы имеют ламеллярное строение и связаны с несущими жгутик структурами — тонкими фибриллами.

Очень часто фототаксическая реакция одноклеточного организма усиливается с ростом интенсивности стимулирующего света. Так, Дин и Толлин обнаружили, что положительный ответ эвглены пропорционален логарифму интенсивности света, по крайней мере, в пределах ее тысячекратного изменения.

При высоких интенсивностях света характер фототаксиса водоросли изменяется — положительный таксис становится отрицательным. Тип отрицательного фототаксиса (топо- или фоботаксиса) определяется главным образом особенностями организма. У Volvocales наблюдают только топотаксис, а у Euglena - в основном фоботаксис.

При облучении клеток обнаруживается также нейтральная зона, соответствующая переходным интенсивностям света между положительной и отрицательной реакциями. Так, клетки хламидомонады при интенсивности света порядка не проявляют четкой направленной реакции на свет или от света, их движения становятся беспорядочными и хаотичными. Учитывая, что таксис проявляется даже при таких низких интенсивностях света, как можно полагать, что процесс включает в себя эффективные стадии темнового усиления, возможно, сходные со зрительными. Действительно, по данным Уоллеса, достаточно поглощения рецептором семи фотонов света, чтобы вызвать движение жгутика у эвглены.

В литературе обсуждаются возможные механизмы ориентации клеток при топофототаксисе. Каким же образом клетки детектируют направление света: измеряют ли градиент интенсивности света, проходящего через фоторецептор, или же поворачиваются, сравнивая интенсивности света, падающие на фоторецептор под различными углами? Для выбора между этими альтернативными возможностями Файнлейб использовала два экспериментальных подхода. В первом опыте изменялось направление стимулирующего света на 90° и регистрировались положение и ориентация клеток хламидомонады на ленте высокоразрешающего видеомагнитофона, вмонтированного в окуляр микроскопа. Оказалось, что после введения нового стимула через с клетка начинает поворачиваться, а через

1 с занимает новое положение. Во втором эксперименте клетки водоросли облучались микросекундными импульсами, причем импульсы были настолько кратковременны, что в течение светового промежутка клетка не успевала переориентироваться. Тем не менее сразу же после импульса происходила ориентация всех клеток — поворот их к уже выключенному источнику света той стороной, на которой фоторецептор расположен ближе к поверхности.

Таким образом, эти эксперименты свидетельствуют о том, что выбор направления к свету клетка водоросли осуществляет через измерение градиента интенсивности проходящего через рецептор света.

Как известно, сопоставление спектров действия со спектрами поглощения пигментов позволяет судить о молекулярной природе активных хромофоров. К настоящему времени изучены спектры действия фототаксисов ряда организмов. В противоположность зрительным «фототаксические» пигменты различных биологических объектов имеют различную природу. Это хлорофилл а, фикоцианин и фикоэритрин у водорослей; каротиноиды у водорослей и простейших; бактериохло-рофилл у бактерий; фитохром у хлоропластов некоторых водорослей.

Более подробные данные по спектрам действия фототаксисов можно найти в обзорах Хэллдала и Гаупта. Приведем некоторые примеры. В спектрах действия положительного и отрицательного топофототаксиса Platymonas subcordiformis (рис. 29) представлены максимумы 500, 405, 340, 280 нм и плечо в области

Рис. 29. Спектры действия положительного (I) и отрицательного (2) топотаксиса Platymonas subcordiformis (Halldal P., 1961)

Рис. 30. Спектр действия отрицательного фоботаксиса эвглены для поляризоваииого света (Diehn В., 1969); плоскость поляризации перпендикулярна (1) и параллельна (2) длинной оси организма; суммарный спектр действия (3)

На основании сопоставления полученных спектров действия со спектром поглощения каротиноидов было сделано предположение, что молекулярными акцепторами света, приводящего к таксису у этого организма, могут быть каротиноиды. Проявление в спектре действия максимума при показывает, что кванты света, поглощаемые ароматическими аминокислотами белков (прежде всего триптофаном), также биологически активны. Скорее всего акцептор света — это каротинопротеид,

в котором происходит эффективная миграция энергии от белковой к хромофорной части.

Необходимо отметить, что даже у одного организма инициация фототаксической реакции может быть связана с различными пигментными системами. Так, спектры действия положительных фобо- и топотаксисов эвглены близки между собой и имеют максимумы при Эти максимумы не принадлежат одному хромофору, а связаны с двумя различными пигментными системами. Во-первых, гексановые экстракты из глазных пятнышек (стигм) имеют лишь один максимум спектра поглощения, соответствующий длинноволновому максимуму спектра действия. Во-вторых, в опытах с облучением линейно-поляризованным светом выявлены две автономные пигментные системы: В пределах каждой системы молекулы пигмента упорядоченно ориентированы, но эффективные осцилляторы поглощения двух систем расположены под углом 90° друг к другу. Предполагается, что коротковолновая система образована флавинами, а длинноволновая — -каротином. Возможно, однако, что длинноволновая полоса в спектре действия определяется не только -каротином, поскольку из глазных пятнышек Euglena sanguinea выделен астаксантин, а у Euglena gracilis, кроме -каротина, экстрагированы и идентифицированы неоксантин и антероксантин.

Несколько иную форму имеет длинноволновая часть спектра действия отрицательного фоботаксиса эвглены: она представлена главным максимумом при и двумя дополнительными — Этот же спектр действия, полученный для двух взаимно перпендикулярных составляющих поляризованного света (рис. 30), также выявляет две пигментные системы. Для света, поляризованного перпендикулярно к длинной оси организма, характерна только длинноволновая, для поляризованного параллельно — коротковолновая часть спектра действия. Естественно, что аналогичным образом должны быть ориентированы относительно тела эвглены и молекулы пигментов (их осцилляторы поглощения), образующие две системы.

Итак, мы видим, что на основании приведенных данных еще нельзя сказать, какие именно пигменты — каротиноиды

или флавины — ответственны за поглощение биологически активного света. В спектрах действия различных типов фототаксиса эвглены обнаруживаются как флавиновые, так и каротиноидные максимумы, поэтому можно думать, что скорее всего спектры действия даже одного типа таксиса представляют собой наложение каротиноидных и флавиновых спектров.

Существует и иная точка зрения. По мнению Дина, биологически активный свет в реакциях таксиса эвглены поглощается флавиновыми пигментами, поскольку спектры действия ее фототаксиса очень похожи на низкотемпературный спектр (77 К) поглощения рибофлавина в этиловом спирте и ингибитор таксиса — эффективно тушит флуоресценцию флавинов. Вместе с Фрейлихом Дин получил еще одно указание на возможное участие флавиновых пигментов в реакции фототаксиса. В модельных опытах с бислойными мембранами, содержащими рибофлавин, было обнаружено изменение электрического сопротивления мембран после их облучения видимым светом. Характерно, что фотоответ мембран обнаруживал сходную с фототаксической реакцией зависимость от интенсивности света.

В соответствии с точкой зрения Дина о флавиновой природе хромофоров у эвглены находятся результаты опытов Бенедетти и Пэгни, исследовавших спектры флуоресценции парафлагеллярного тела и глазного пятнышка у этой водоросли. Как в спектрах флуоресценции, так и в спектрах возбуждения флуоресценции были выявлены максимумы, свойственные флавиновым, а не каротиноидным пигментам.

Эвглена содержит также много хлорофилловых пигментов. Но, несмотря на это, какого-либо участия в акцепции активного для таксиса света они не принимают. На это указывают не только спектры действия фототаксиса, но и их неизменность у мутантов эвглены, не содержащих хлорофилла.

Совсем другие хромофоры обусловливают фототаксисы у сине-зеленых водорослей. В спектре действия положительного топотаксиса Phormidium uncinatum проявляются четыре отчетливых максимума: 400, 495, 560, 610 нм. Максимумы 400, 495, 560 нм можно приписать фикоэритрину, а максимум 610 нм - фикоцианину.

Наблюдаемое несоответствие интенсивностей в полосах поглощения фикоэритрина и в спектрах действия таксиса, вероятно, связано с тем, что спектры действия обычно измеряются на интактных клетках, оптическая плотность которых на фоне эффектов экранировки, светорассеяния и миграции энергии может превышать Это неизбежно должно приводить к искажению истинной «молекулярной» формы спектров действия. Как и у эвглены, фоботаксис у Phormidium uncinatum могут вызывать кванты света, поглощаемые другой пигментной системой. Спектры действия этой реакции более сложны по структуре и имеют максимумы в области принадлежащие, по-видимому, хлорофилловым пигментам. Из нижеприведенных данных хорошо видно, насколько различной может быть природа хромофоров у разных микроорганизмов. Так, у Halo-bacterium halobium фоботаксис обусловлен фотохимическими превращениями в бактериородопсине, у Crypto-monas в качестве хромофора рассматривается фикоэри-трин, у Dictyostelium discoideum - феррохромопротеид, а у Salmonella typhimurium - флавины.

Внутриклеточным фототаксическим реакциям хлоропластов в водорослях посвящено большое число исследований, результаты которых обобщены в обзорах Га-упта и Хэллдала. Судя по спектрам действия переориентации хлоропластов, хромофорами для этой фотобиоло-гической реакции у сине-зеленых водорослей Vaucheria и Zemna могут быть флавины. Более однозначно решен вопрос о природе хромофора у нитчатой зеленой водоросли Mougeotia. Многолетними исследованиями Гаупта установлено, что ориентация единственного хлоропласта в клетке этой водоросли контролируется фито-хромной системой с четким антагонизмом между красным и дальним красным светом (см. гл. IX). Применение поляризованного К- и ДК-света показало, что осциллятор поглощения ориентирован вдоль поверхности клетки, а перпендикулярно к ней. Используя последовательные комбинации -света, можно многократно переориентировать хлоропласт, а с помощью узких микропучков света вызывать его локальные изгибы. Эти данные являются веским аргументом в пользу того, что за поляротропизм

хлоропластов у Mougeotia ответствен именно фитохром.

Очевидно, что события, приводящие к таксису, должны начинаться с первичных фотофизических и фотохимических реакций в хромофоре. Однако никаких достоверных данных об этих реакциях (за исключением фитохрома) нет. Не ясно, через какое электронно-возбужденное состояние — синглетное или триплетное — образуются первичные фотохимические продукты и какова их природа. С уверенностью можно утверждать только, что эти продукты не возникают в результате реакции фотоокисления, поскольку фототаксисы не чувствительны к концентрации кислорода, по крайней мере у жгутиковых.

Большое количество работ посвящено изучению молекулярного механизма фототаксиса. По данным Линкса, фототаксическая реакция у водорослей Polytoma Wella возникает вследствие быстрого уменьшения концентрации «макроэргов» в моторном аппарате клеток. Причиной этого, как считает Хэллдал, может быть увеличение АТФ-азной активности. Подобная «энергетическая» точка зрения разделялась многими авторами. В частности, Тиббс обнаружил, что в ходе фототаксиса АТФ расходуется в значительно больших количествах, чем это необходимо для простого передвижения клеток.

Предполагаются и другие механизмы индукции подвижности организмов. Согласно данным Ф. Ф. Литвина с сотр., облучение клеток Haematococcus pluvialis фототаксически активным светом вызывает комплекс биоэлектрических реакций на их внешней мембране. Свет индуцирует протекание через мембрану постоянного фоторецепторного тока силой до . Именно такой ток является причиной первичного градуального фоторецепторного потенциала фототаксиса, которому сопутствует изменение проницаемости мембраны для двухвалентных катионов. При превышении порога освещенности локальный биоэлектрический ответ мембраны перерастает в генерализованное возбуждение всей мембраны, что сопровождается блокадой подвижности у жгутиковой водоросли Haematococcus pluvialis.

Значительный интерес представляет также соотношение у водорослей таких процессов, как фотосинтез и фототаксис. На основании опытов по торможению

фототаксиса у сине-зеленых водорослей ингибиторами фотосинтеза Нульч предположил, что процессы фотосинтеза и фоботаксической активности взаимосвязаны. Уже в своих первых работах Нульч на основании факта фототаксической эффективности разобщителей транспорта электронов с фосфорилированием высказал предположение, что темновые усилительные процессы, приводящие к двигательной реакции, связаны с фотофосфорилированием. Однако позднее он пришел к выводу, что фоботаксис сопряжен не с фосфорилированием, а обусловлен изменениями внутри цепочки переносчиков электронов преимущественно в пределах второй системы фотосинтеза. Основанием для этого вывода послужило сравнение концентраций различных веществ в окружающей водоросль среде, вызывающих -ное ингибирование фототаксиса и обладающих различными значениями редокс-потенциалов. Эффект модификации таксиса искусственными редокс-системами Нульч объяснял тем, что эти вещества конкурируют за электрон в соответствующих участках электронного каскада -схемы.

Однако использование различных разобщителей и ингибиторов для выяснения механизмов темнового усиления фототаксиса имеет один существенный недостаток. Подобные «агенты» нередко представляют собой неспецифические «яды» общего действия, влияющие на способность организмов к фототаксису не вследствие избирательного повреждения усилительного аппарата, а в результате тотального повреждения клетки.

Рассмотрим теперь механизмы темнового усиления фототаксиса у Halobacterium halobium. Как уже упоминалось (см. гл. VI), у этого микроорганизма хромофором является бактериородопсин — хромопротеид, в состав которого входит 13-цис-ретиналь. Как и в случае зрительной фоторецепции, свет индуцирует реакцию стереоизомеризации 13-цис-ретиналя, приводящей в конечном счете к транслокации протонов через бактериальную мембрану. С работой протонного «насоса» в мембране сопряжена АТФ-генерирующая система; к двигательному ответу микробной клетки приводит, как считают некоторые исследователи, увеличение концентрации АТФ в клетке.

Совершенно другой механизм фототаксической реакции предлагается для нефотосинтезирующих микроорганизмов. У некоторых представителей этих организмов фоботаксическая реакция инициируется от специальных внутриклеточных образований, чувствительных к изменению градиента ионов.

Хотя фототаксисы разнообразных представителей растительного и животного мира инициируются электронно-возбужденными состояниями самых различных хромофоров, усилительный механизм этих реакций должен быть более или менее универсальным. Этому условию может отвечать следующая цепь событий: свет - хромофор - фотопродукт - структурная перестройка двигательного

В пользу мембранной природы усилительных механизмов говорит следующее. Во-первых, все известные хромофоры так или иначе ассоциированы с клеточными мембранами (ФАД, фитохром, хлорофилл и др.). Во-вторых, фототаксические реакции очень чувствительны к мембранотропным веществам. Так, изменение соотношения интегрирующих целостность мембран двухвалентных катионов сопровождается изменением даже знака фототаксиса. Изложенная мембранная гипотеза сближает усилительные механизмы таксиса и зрения, подчеркивая их органическое родство.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление