Учёные МГУ изучили особенности спермиев древнейших обитателей океана

Сотрудники МГУ изучили сперматогенез и ультраструктуру спермиев у глубоководного представителя типа плеченогих Pelagodiscus atlanticus и выяснили, что этот вид можно отнести к предковым формам своего типа. Работа поддержана грантами Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований, её результаты опубликованы в Journal of Morphology.

Плеченогие, или как их ещё называют — брахиоподы, — это тип древнейших морских беспозвоночных животных. Их тело заключено в раковинку, которая состоит из двух створок, из-за чего плеченогие внешне очень похожи на двухстворчатых моллюсков. Обе группы организмов появились во время так называемого Кембрийского взрыва: начиная с раннего Кембрия (около 540 миллионов лет назад) учёные находят в палеонтологической летописи обилие скелетных животных. Но несмотря на внешнее сходство и примерно одинаковый «эволюционный возраст», эти группы приходятся друг другу лишь очень дальней роднёй. Наличие специального щупальцевого аппарата (лофофора) и ряд других особенностей анатомии позволили учёным отнести плеченогих к группе лофофорат, куда также входят мшанки и форониды.

Большинство видов плеченогих избегают сильных морских течений и селятся в гротах, пещерах, внутри рифов или уходят на большие глубины. Объект исследования, опубликованного в Journal of Morphology, придерживается третьей стратегии. Pelagodiscus atlanticus обитает в водах Тихого, Атлантического и Индийского океанов на глубине в несколько тысяч метров. Учёные МГУ отловили несколько особей этого вида из Курило-Камчатского желоба с глубины 5 571 м. Чтобы достать животных с такой глубины, исследователи используют специальный глубоководный трал, способный поднять морской грунт даже из самых недоступных точек океана. 

В поднятом грунте учёные обнаружили двух особей Pelagodiscus atlanticus и решили описать их сперматогенез, чтобы сравнить с таковым у мелководных плеченогих. Ранее особенности сперматогенеза глубоководных брахиопод никто не изучал, хотя эти признаки часто используются для выяснения эволюционной истории беспозвоночных животных.

«Филогенетические исследования — это работа по построению системы живого, классификация органического мира, в котором мы живем, — рассказала автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ Елена Темерева. — Построение филогении живого позволяет нам понять, как выглядел наш мир раньше и прогнозировать, каким он будет в будущем. Выяснить, как менялась жизнь, как из одних организмов (давно вымерших) произошли другие и как они эволюционировали в тех современных представителей, которых мы видим сейчас. Кроме того, филогенетические построения всегда основываются на целом массиве данных: палеонтологических, эмбриологических, морфологических, молекулярно-генетических. Все эти данные позволяют нам больше узнать об обитателях Земли, о том какую роль они играют в природе и в жизни человека, какое влияние оказывают на окружающую среду и другие живые организмы».

Тогда учёные с помощью специального алмазного ножа подготовили серию ультратонких срезов предварительно фиксированных образцов Pelagodiscus atlanticus и изучили строение их сперматозоидов и сперматогониев. Сперматогонии — это такие стволовые клетки, из которых в результате мейотического деления образуются сперматоциты. Последние в свою очередь дозревают до сперматозоидов, уже способных к оплодотворению яйцеклетки. Все этапы превращения сперматогониев в сперматозоиды составляют процесс сперматогенеза.

Все стадии сперматогенеза и их особенности можно наблюдать даже на одном удачном срезе мужских гонад — половых органов животных. По мере удаления от сперматогониев, опутывающих сеть капилляров, на срезе обнаруживаются более поздние стадии формирования половых клеток. Просмотрев серию таких срезов и сравнив их с имеющимися в литературе описаниями, учёные выявили некоторые различия в сперматогенезе глубоководных и мелководных плеченогих. 

Так, на ранних стадиях сперматогенеза, в первичных сперматоцитах Pelagodiscus atlanticus учёные не обнаружили шероховатого эндоплазматического ретикулюма, но выявили гермплазму, аппарат Гольджи и обилие лизосом, а так же наличие особых вспомогательных клеток, которые формируют неполную оболочку вокруг развивающихся половых клеток. Во вторичных сперматоцитах этого вида хроматин не такой плотный, как у другого вида плеченогих — Terebratulina retusa, обитающего на мелководье. Российские учёные впервые описали детали клеточного строения всех стадий сперматогенеза плеченогих в таких подробностях.

«За более чем 200-летнюю историю сравнительная анатомия зарекомендовала себя как метод, способный решать вопросы филогении. В то же время, однако, морфологические исследования чрезвычайно трудоемки, а сравнительный анализ требует самых разнообразных морфологических данных, полученных на как можно большем числе представителей из разных групп небольшого таксономического ранга. Чем больше таких данных, тем полнее анализ и тем более правильным будет конечный вывод, — пояснила Елена Темерева выбор методики исследования. — Молекулярная биология дала ученым потрясающий инструмент, который позволяет сравнивать организмы на уровне отдельных генов. В настоящее время молекулярно-генетические исследования стали рутинной работой, которая может быть сделана относительно быстро и не дорого. Это позволяет получать и сравнивать целые массивы информации, не прибегая к затратным морфологическим исследованиям. Однако, молекулярно-генетические методы не могут (да и не должны!) заменить морфологического анализа. Именно поэтому, например, в современной систематике при построении филогении мелких групп обязательно используется комбинация и морфологических, и молекулярно-генетических методов. Результаты этих методов дополняют друг друга и позволяют выявлять и решать спорные вопросы».

Исследование также показало, что зрелые сперматозоиды Pelagodiscus atlanticus обладают рядом примитивных черт. К ним можно отнести крупную акросому — чашевидную органеллу, содержащую необходимые для растворения оболочек яйцеклетки ферменты и расположенную в передней части головки сперматозоида, — трапециевидную форму ядра и большое число митохондрий. Таким богатым набором примитивных черт спермии других изученных плеченогих не обладают, и учёные предполагают, что Pelagodiscus atlanticus относится к наиболее предковым формам своего типа.

Сейчас науке известно лишь около 280 видов современных плеченогих. Судя по палеонтологической летописи, в палеозойскую эру разнообразие этих организмов было существенно богаче современного. Так, в ископаемых формах известно более 12 000 видов, принадлежащих 5 000 разных родов. На пике своего эволюционного успеха, около 450 миллионов лет назад, плеченогие даже образовывали плотные рифовые сообщества. Во время массового пермского вымирания, случившегося около 250 миллионов лет назад, погибло около 96% видов всего биологического разнообразия. Катастрофа унесла с собой и большую часть видов плеченогих. Тем не менее, единичные предковые их формы дожили и до наших дней.

«Изучение биологического разнообразия — одна из важных задач современной науки, а изучение разнообразия морских организмов — одна из целей этой задачи. Мировой океан занимает более 70% земной поверхности и скрывает множество неведомых организмов: от вирусов и бактерий, до беспозвоночных и хордовых. Обнаружение этих организмов и их детальное описание расширяет наше представления о границах живого и вносит существенный вклад в построение филогении, — подытожила Елена Темерева. — Конечно, человечеству более интересны прикладные работы и практическое применение научных трудов. На первый взгляд кажется, что никакой прикладной пользы морфологические исследования не несут. Но это не так. Чем больше мы узнаем об организмах, окружающих нас, тем большему можем у них научиться: многие особенности морфологического строения разных животных и растений уже положены в основу самых обычных вещей нашего повседневного обихода».