Weird Science

Wirczyk - spotkanie z mikroświatem

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (1/2020):

Ilustracja

Ples M., Wir­czyk - spot­ka­nie z mikro­świa­tem, Bio­lo­gia w Szkole, 1 (2020), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 53-57

Muszę przy­znać się Sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi, że poza innymi spra­wami od dziecka fascy­no­wał mnie mikro­świat. Myśl, że w kro­pli wody z kałuży mogą znaj­do­wać się tysiące nie­wi­docz­nych gołym okiem stwo­rzeń była czymś co w wiel­kim stop­niu pobu­dzało moją wyo­braźnię. Mam prawo sądzić, że stało się to jed­nym z czyn­ni­ków, które po latach spo­wo­do­wały, że obra­łem w swoim życiu ścieżkę nau­kowca-przy­rod­nika.

W owej kro­pli możemy spot­kać wiele różn­ych orga­ni­zmów, zarówno jedno- jak i wie­lo­ko­mór­ko­wych. Do tych pierw­szych należą orzęski Ciliata, a jed­nym z naj­sze­rzej chyba zna­nych ich przed­sta­wi­cieli są pan­to­felki Para­me­cium, np. pan­to­fe­lek ogo­nia­sty Para­me­cium cau­da­tum. Innym cie­ka­wym repre­zen­tan­tem tego rodzaju jest Para­me­cium bur­sa­ria, w którego komór­kach o dłu­go­ści 80-150 μm żyją zie­le­nice Chlo­ro­phyta z rodzaju Chlo­rella (tzw. zoo­ch­lo­relle), co jest przy­kła­dem endo­sym­biozy [1]. Pan­to­felka tego widzimy na Fot.1. Podobne obser­wa­cje można pro­wa­dzić przy pomocy uprosz­czo­nego mikro­skopu z kamery inter­ne­to­wej, której budowę opi­sa­łem w jed­nym z poprzed­nich nume­rów Bio­lo­gii w Szkole [2]. Zie­lone ziar­ni­ste struk­tury widoczne wew­nątrz są wła­śnie zoo­ch­lo­rel­lami.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Pan­to­fe­lek Para­me­cium bur­sa­ria, strzałka wska­zuje orzęska, pozo­stałe obiekty widoczne na zdjęciu są komór­kami glo­nów

Innym, nieco mniej zna­nym przed­sta­wi­cie­lem orzęsków jest wir­czyk Vor­ti­cella. Był on jed­nym z pierw­szych miesz­kańców tego pięk­nego świata wew­nątrz kro­pli wody, który mogłem poznać spo­gląda­jąc przez mikro­skop. Z tego powodu – więc także i nostal­gia ma tutaj swój udział – chciałbym opo­wie­dzieć dziś nieco o inte­re­su­jącej gru­pie stwo­rzeń jaką są orzęski i nieco dokład­niej przyj­rzeć się wła­śnie wir­czy­kowi.

Ilustracja
ani­ma­cja:doda­tek autora

Orzęski

Orzęski – do których jak już wspom­nia­łem należy także boha­ter niniej­szego opra­co­wa­nia – daw­niej były nazy­wane wymocz­kami. Wcho­dzą one w skład króle­stwa Pro­ti­sta i są tra­dy­cyj­nie zali­czane do tzw. pro­ti­stów zwie­rzęcych. Mikro­or­ga­ni­zmy te biorą swą nazwę od faktu posia­da­nia dużej liczby cha­rak­te­ry­stycz­nych orga­nelli, czyli rzęsek. Są one uło­żone wzdłuż komórki w cha­rak­te­ry­styczne sze­regi. Białk­owo-lipi­dowa błona komór­kowa ota­cza­jąca cyto­pla­zmę orzęska jest nazy­wana pel­li­kulą i posiada bar­dzo zło­żoną budowę. Pociąga to za sobą fakt, że wod­niczki pokar­mowe nie mogą się two­rzyć ani opróżn­iać w dowol­nym miej­scu komórki. Efek­tem jest to, że orzęski posia­dają wyróżn­ione obszary błony komór­ko­wej, gdzie nie występują rzęski i funk­cjo­nal­nie pełnią one rolę komór­ko­wego "otworu gębo­wego" i "otworu wydal­ni­czego". Orzęski są wysoko uor­ga­ni­zo­wane - wiele z nich ma wyróżn­iony przód i tył ciała, a także strony brzuszną i grz­bie­tową.

Rzęski pełnią zwy­kle dwo­jaką rolę: loko­mo­cyjną i słu­żącą napędza­niu pokarmu. Zda­rza się też, że cia­sno uło­żone rzęski two­rzą pęczki, na których komórki mogą wręcz wyko­ny­wać ruchy kro­czące. Tak dzieje się w przy­padku małż­ynka Sty­lo­ny­chia.

Orzęski należą oczy­wi­ście do domeny jądro­wych Euka­ry­ota, więc w ich budo­wie możemy wyróżnić posz­cze­gólne orga­nelle, takie jak sia­teczka endo­pla­zma­tyczna gładka i szorstka, apa­rat Gol­giego, mito­chon­dria i inne. Co cie­kawe, zamiast poje­dyn­czego jądra komór­ko­wego u orzęsków występuje zwy­kle tzw. apa­rat jądrowy, zbu­do­wany zwy­kle z dwóch rodza­jów jąder o różn­iącej się funk­cji: mikro­nu­kleusa i makro­nu­kleusa. Pierw­szy z nich jest jądrem diplo­i­dal­nym, często o ksz­tałcie kuli­stym (nie jest to jed­nak żela­zną regułą). Pod względem budowy mikro­nu­kleus - nazy­wany też jądrem gene­ra­tyw­nym - jest odpo­wied­ni­kiem jądra komór­ko­wego występu­jącego u innych przed­sta­wi­cieli Euka­ry­ota i zawiera całość infor­ma­cji gene­tycz­nej komórki. Co cie­kawe, nie zacho­dzi w nim jed­nak tran­s­kryp­cja. Jako jądro wege­ta­tywne czynny tran­s­kryp­cyj­nie jest nato­miast makro­nu­kleus, który zawiera w sobie wiele kopii (cza­sem nawet kil­ka­dzie­siąt do kil­ku­set razy więcej mate­riału gene­tycz­nego niż mikro­nu­kleus) wybra­nych genów orzęska [3].

Jeśli cho­dzi o zapew­nie­nie ciągło­ści gatunku, to orzęski rozm­na­żają się wyłącz­nie bez­płc­iowo, naj­czę­ściej przez poprzeczny podział komór­kowy. Ze względu na obec­ność apa­ratu jądro­wego zamiast poje­dyn­czego jądra komór­ko­wego pro­ces podziału ma cha­rak­te­ry­styczny prze­bieg: mikro­nu­kleus ulega mito­zie, makro­nu­kleus nato­miast prze­węża się i jest dzie­lony - mniej więcej po równo - pomiędzy komórki potomne. Rozm­na­ża­nie bez­płc­iowe nie zapew­nia rekom­bi­na­cji gene­tycz­nej, tj. orga­nizm potomny poza przy­pad­kami muta­cji otrzy­muje zestaw genów iden­tyczny z orga­ni­zmem rodzi­ciel­skim. Ten typ rozm­na­ża­nia umożl­i­wia co prawda szyb­kie zasie­dle­nie wol­nej niszy eko­lo­gicz­nej, ale ma też pewną zna­czącą wadę: w przy­padku nie­wiel­kiej podat­no­ści geno­typu na muta­cje nie zapew­nia odpo­wied­niej zmien­no­ści. Orga­ni­zmy rozm­na­ża­jące się w ten spo­sób są więc gorzej przy­sto­so­wane do zmie­nia­jących się warun­ków śro­do­wi­ska. Orzęski (podob­nie jak inne grupy mikro­or­ga­ni­zmów) zna­la­zły jed­nak na to pewne roz­wiąza­nie. Występuje u nich pro­ces nazy­wany koniu­ga­cją pole­ga­jący na wymia­nie mate­riału gene­tycz­nego między osob­ni­kami. Brak tu jed­nak roz­różn­ie­nia między osob­ni­kami męskimi i żeńs­kimi. Zja­wi­sko to ma u orzęsków dosyć skom­pli­ko­wany prze­bieg i w uprosz­cze­niu wygląda następu­jąco:

Przed­sta­wiony pro­ces nie jest formą rozm­na­ża­nia, ponie­waż nie pow­stają nowe osob­niki. Zapew­nia on jed­nak pow­sta­nie wystar­cza­jącej zmien­no­ści gene­tycz­nej, aby orzęski dosko­nale radziły sobie w zróżn­i­co­wa­nych śro­do­wi­skach.

O wir­czyku

Komórki mikro­or­ga­ni­zmów z rodzaju wir­czy­ków Vor­ti­cella posia­dają bar­dzo cha­rak­te­ry­styczny ksz­tałt i trudno jest je pomy­lić z czym­kol­wiek innym. Są one podobne w for­mie do odw­róco­nego dzwonu przy­twier­dzo­nego do pod­łoża długą nóżką. Osiągają roz­miary 50-200μm bez nóżki, której dłu­gość może nato­miast prze­kra­czać 500μm. Wir­czyki występują pow­szech­nie w wodach słod­kich i sło­nych. Jed­nym z czę­ściej spo­ty­ka­nych gatun­ków jest wir­czyk kon­wa­lio­waty Vor­ti­cella conval­la­ria. Nasz boha­ter pod mikro­sko­pem pre­zen­tuje się zwy­kle jak na Fot.2.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Wir­czyk Vor­ti­cella

Szcze­góły budowy wew­nętrz­nej komórki oma­wia­nego mikro­or­ga­ni­zmu obja­śnia naj­le­piej sche­mat przed­sta­wiony na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Budowa komórki wir­czyka, sche­mat na pod­sta­wie [5]

Jak na orzęska przy­stało, wir­czyk posiada dwa jądra komór­kowe: makro­nu­kleus i mikro­nu­kleus. Nie ma za to ściany komór­ko­wej - jego ciało ota­cza wyłącz­nie błona komór­kowa o skom­pli­ko­wa­nej budo­wie zwana pel­li­kulą, pod którą są roz­miesz­czone liczne pęche­rzyki, czyli alwe­ole. Rzęski występują tylko na powierzchni roz­sze­rzo­nego końca komórki, na bie­gu­nie prze­ciw­nym do nasady nóżki. Ciałka pod­sta­wowe rzęsek (kine­to­somy) ukła­dają się w podłużne rzędy nazy­wane kine­tami. Wzdłuż każdej kinety bie­gnie kine­to­de­sma łącząca kolejne kine­to­somy, co pozwala na odpo­wied­nią koor­dy­na­cję ruchu rzęsek, które są u wir­czyka sku­pione w dwóch wieńc­ach: zew­nętrz­nym i wew­nętrz­nym. Pośród rzęsek znaj­duje się cyto­stom, czyli miej­sce pel­li­kuli, w którym wch­ła­niany jest pokarm. Jest ono poło­żone na dnie lej­ko­wa­tego zagłębie­nia (pery­stomu) nazy­wa­nego cza­sem gar­dzielą. Droga pow­sta­jących tutaj wod­ni­czek tra­wien­nych w obrębie komórki jest ści­śle okre­ślona - są one opróżn­iane zaw­sze w obsza­rze wydal­ni­czym cyto­pyge. Łatwo zau­wa­żyć także oba jądra, przy czym makro­nu­kleus ma cha­rak­te­ry­stycz­nie wydłu­żony i ksz­tałt. Pul­su­jące wod­niczki tęt­niące pełnią naj­praw­do­po­dob­niej funk­cje osmo­re­gu­la­cyjne.

Wir­czyka w zależn­o­ści od punktu widze­nia można uznać za fil­tra­tora, lub osia­dłego dra­pieżn­ika, ponie­waż odży­wia się on bak­te­riami i glo­nami, które aktyw­nie naga­nia do pery­stomu za pomocą falu­jącego ruchu rzęsek. Wiąże się z tym nazwa orzęska, ponie­waż w trak­cie żero­wa­nia wytwa­rza on cha­rak­te­ry­styczny, wirowy ruch wody (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Żeru­jący wir­czyk, strzałki wska­zują na kie­ru­nek wiro­wa­nia wody ota­cza­jącej komórkę

Wir­czyki wyraźnie rea­gują na nie­po­ko­jące sygnały ze śro­do­wi­ska: ich ciało przy­biera wtedy bar­dziej kuli­sty ksz­tałt, a nóżka szybko się kur­czy, w czym ma udział występu­jąca w jej wnętrzu podłużna struk­tura - spa­zmo­nema (Fot.4B). Takie zacho­wa­nie pozwala orzęskowi np. na unik­nięcie niek­tórych nie­bez­pie­czeństw. Zwy­kle już po krót­k­iej chwili nóżka na pow­rót się wydłuża, a wir­czyk podej­muje ponow­nie fil­tra­cję pokarmu z wody (Fot.4A) [6].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Zacho­wa­nie wir­czyka; A – komórka w sta­nie nor­mal­nym, żeru­jąca, B – komórka podrażn­iona, widoczne skróce­nie się nóżki i zmiana ksz­tałtu; strzałka wska­zuje na obu foto­gra­fiach tą samą komórkę

W nie­sprzy­ja­jących warun­kach wir­czyki mogą porzu­cić nóżkę i przejść w postać telo­tro­cha, czyli formę wolno pły­wa­jącą za pomocą rzęsek. Telo­troch może osiąść w nowym miej­scu i odtwo­rzyć nóżkę.

Wir­czyk a uczeń

Wir­czyki łatwo zna­leźć w wodzie pocho­dzącej ze sta­wów, więk­szych kałuż i z podob­nych źródeł. Są one wybit­nie kosmo­po­li­tyczne. Ich przy­dat­ność w edu­ka­cji polega np. na fak­cie, że są one ruch­liwe, ale jed­no­cze­śnie osia­dłe. Pozwala to zaob­ser­wo­wać ich pobu­dli­wość, ale uła­twia także stu­dio­wa­nie ich budowy wew­nętrz­nej, ruchów cyto­pla­zmy, two­rze­nia się wod­ni­czek, podzia­łów komór­ko­wych itp. co w odnie­sie­niu do bar­dzo szybko poru­sza­jącego pan­to­felka lub innych orzęsków bywa cza­sem dosyć skom­pli­ko­wane. Z mojego doświad­cze­nia wynika, że obser­wa­cja tych stwo­rzeń dostar­cza ucz­niom wiele rado­ści i mate­riału do prze­my­śleń, co jest korzystne z punktu widze­nia pro­cesu nau­cza­nia. Fot.5 przed­sta­wia jeden z rysun­ków ucz­nia, wyko­nany po obser­wa­cjach mikro­sko­po­wych.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Wir­czyk, por­tret z natury

Myślę, że przy­to­czone infor­ma­cje zachęcą Czy­tel­ni­ków do wła­snych obser­wa­cji, a także do wyko­rzy­sta­nia ich w nau­cza­niu.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa