Wirczyk - spotkanie z mikroświatem
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (1/2020):
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.
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.
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:
- 1. Dwa osobniki tego samego gatunku spotykają się, po czym dochodzi do częściowego zlania się cytoplazm.
- 2. Oba mikronukleusy ulegają mejozie, po czym w każdej komórce trzy z czterech nowo powstałych haploidalnych jąder potomnych ulega degeneracji.
- 3. Powstałe na poprzednim etapie haploidalne jądra ulegają mitozie.
- 4. Każda komórka przekazuje drugiej jedno ze świeżo powstałych jąder.
- 5. W obu komórkach następuje zlanie się jąder (zapłodnienie) i powstają diploidalne mikronukleusy.
- 6. Komórki orzęsków się rozdzielają.
- 7. W każdym z nich zachodzi kolejna mitoza mikronukleusa i degeneracja makronukleusa.
- 8. W każdej komórce jedno z jąder powstałych na drodze mitozy zostaje ulega przekształceniu w makronukleus. Podczas tego procesu wybrane geny są wielokrotnie kopiowane z mikronukleusa na makronukleus [4].
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.
Szczegóły budowy wewnętrznej komórki omawianego mikroorganizmu objaśnia najlepiej schemat przedstawiony na Rys.1.
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).
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].
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.
Myślę, że przytoczone informacje zachęcą Czytelników do własnych obserwacji, a także do wykorzystania ich w nauczaniu.
Literatura:
- [1] Dohra H., Analysis of amino acid and codon usage in Paramecium bursaria, FEBS Letter, 2015, 589, str. 3113-3118 powrót
- [2] Ples M., Nieprzyzwoicie tani mikroskop, Biologia w Szkole, 4 (2015), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 55-60 powrót
- [3] Lynn D., The ciliated protozoa: characterization, classification, and guide to the literature, Springer, 2008, str. 30 powrót
- [4] Raikov I.B., Nuclear phenomena during conjugation and autogamy in ciliate, Research in Protozoology, 1972, 4, str. 149 powrót
- [5] Shriya S., Vorticella: Structure and Reproduction (With Diagram), w serwisie: http://www.notesonzoology.com/, dostępne online: http://www.notesonzoology.com/protozoa/vorticella-structure-and-reproduction-with-diagram-protozoa/5671 [dostęp 21.12.2019] powrót
- [6] Ryu S., Pepper R.E., Nagai M., France D.C., Vorticella: A Protozoan for Bio-Inspired Engineering, Micromachines, 2016, 8(1) powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Marek Ples