24,8259 24,8259 Обсуждение
4.1. Обсуждение данных о подвижности
В условиях микрогравитации конвекция, вызванная плавучестью, отсутствует, поэтому частицы перемещаются исключительно за счет гораздо более медленного процесса диффузии.Как следствие, среда вокруг неподвижных клеток вскоре истощается от питательных веществ и начинает накапливать продукты метаболизма, включая кислород в случае фотосинтезирующих водорослей и углекислый газ в случае дышащих клеток. Подвижные клетки менее подвержены влиянию, поскольку их постоянное движение препятствует образованию обедненной зоны вокруг клетки. Наблюдения за подвижностью клеток предоставляют информацию о реальных физиологических условиях и могут служить мерой степени смешивания питательных и метаболических веществ (чем более подвижны клетки, тем лучше перемешивается среда).Наши измерения показывают, что, по крайней мере, значительная часть клеток была подвижной при всех различных обработках от света до темноты. Высокая подвижность наблюдалась у Euglena gracilis при постоянном красном освещении во время предыдущих космических полетов (Häder et al. , 1996; Strauch, 2009).
Выраженная подвижность, эффективность фотосинтеза и низкие требования к факторам окружающей среды делают Euglena gracilis многообещающим кандидатом для производства кислорода в будущих космических экспериментах.Еще одно преимущество Euglena gracilis состоит в том, что клетки могут использовать аммиак и восстановленные аминогруппы в качестве единственного источника азота (Buetow, 1966; Oda et al. , 1982). Однако они не могут использовать нитрат или нитрит. Следовательно, они могут эффективно снижать концентрацию токсичного аммиака и вносить вклад в системную стабильность биологических систем жизнеобеспечения, не являясь нитратными конкурентами совместно культивируемых высших растений.
Кроме того, эксперименты дали интересные результаты, касающиеся общих эффектов циклов света и темноты на поведение движения, в первую очередь на гравитационную ось.Данные, представленные в настоящем исследовании, показывают четкую корреляцию между освещением и поведением движения клеток Euglena gracilis в закрытом реакторе. На всех кратковременных световых циклах (свет-темнота: 1–1 час, 2–2 часа, 4–4 часа, 6–6 часов) клетки отвечали значительным усилением отрицательной гравитактической ориентации в темноте и увеличение скорости в световой фазе. Наблюдаемое увеличение скорости плавания при свете, возможно, связано с фотокинезом, увеличением скорости плавания под действием света.Фотокинез был описан для Euglena mutabilis (Melkonian et al. , 1986).
Клетки немедленно отреагировали на изменение условий освещения. В большинстве случаев наблюдалось выраженное изменение параметров движения (, например, , точность ориентации, скорость плавания) между последней временной точкой темной фазы и первой временной точкой в последующей светлой фазе (и наоборот). Euglena gracilis — это интенсивно исследуемый модельный организм в хронобиологии (Anderson et al., 1985; Эдмундс и др. , 1992; Эдмундс, 2005). Euglena gracilis демонстрирует хорошо известную эндогенную ритмичность своих клеточных функций. Эти циклы синхронизируются периодическими внешними факторами (, например, , свет). Эта почти не зависящая от температуры синхронизация называется увлечение , а внешние периодические синхронизирующие сигналы называются кардиостимулятором или Zeitgeber (Harmer et al. , 2001). Однако в этом исследовании не проводился анализ изменения передачи сигнала компонентов циркадного ритма.Таким образом, неясно, вызваны ли наблюдаемые периодичности параметров моторики увлеченными внутренними ритмами или являются прямыми реакциями на свет. Однако гравитактические измерения указывают в направлении увлеченных ультрадианных ритмов, потому что клетки показывают периодичность в гравитаксисе даже в присутствии постоянного света после световых и темных циклов (2 часа-2 часа свет-темнота).
4.2. Обсуждение данных по кислороду
Было обнаружено, что Euglena gracilis в закрытых реакторах производило кислород при всех применяемых интервалах освещения, не достигая перенасыщения или истощения (диапазон от 4 до 10 мг / л).Постоянный свет, напротив, привел к чрезмерным концентрациям около 20 мг / л. Соответственно, в последующих экспериментах использовался 4–4-часовой цикл свет-темнота. В этих условиях концентрация кислорода оставалась выше 8 мг / л; система проработала как минимум 50 дней без каких-либо нарушений (Lebert et al. , неопубликованные результаты). Это демонстрирует, что кратковременные световые циклы не ухудшают жизнеспособность культуры Euglena gracilis . Способность Euglena gracilis адаптироваться даже к очень коротким циклам свет-темнота имеет практическое значение как элемент, производящий кислород в системе жизнеобеспечения космических приложений.Основное назначение этой системы — производство кислорода для зоологических партнеров в системе жизнеобеспечения. Кроме того, водоросли утилизируют углекислый газ и продукты экскреции животных. Во время длительного (16 дней) космического эксперимента (Aquacells на Foton M2) никаких отрицательных эффектов не наблюдалось в клетках Euglena gracilis (Häder et al. , 2006). В более позднем эксперименте (OMEGAHAB на Foton M3), где реактор с клеток Euglena gracilis был соединен с аквариумом, было показано, что клетки могут производить достаточно кислорода, чтобы гарантировать выживание личинок рыб (Strauch, 2009).В ходе этих экспериментов клеток Euglena gracilis постоянно облучали красным светом. Чтобы сэкономить электроэнергию, было бы полезно использовать цикл свет-темнота. Длительные темные периоды всегда связаны с риском кислородного истощения, что может привести к летальному исходу для животных в спаренном отсеке. Возможная стратегия гибких циклов свет-темнота — избежать кислородного истощения, а также перенасыщения.
5. Заключение
Euglena gracilis стала модельным организмом в гравитационных исследованиях и может быть подвергнута физиологическим и молекулярно-биологическим исследованиям.
Данные этого отчета показывают, что Euglena gracilis может выдерживать различные световые профили, что позволяет точно дозировать кислород, подходящий для организмов с различными потребностями в кислороде. Кроме того, клетки потребляют только аммиак и поэтому не конкурируют с высшими растениями за нитраты. Прежде всего, Euglena gracilis — это одобренный космический организм, который уже используется в различных краткосрочных и долгосрочных космических экспериментах.
Благодарности
Эта работа финансировалась DLR от имени BMBF (грант 50WB1128).Авторы благодарят анонимных рецензентов за критические комментарии и полезные предложения.
Заявление о раскрытии информации
Никаких конкурирующих финансовых интересов не существует.
Ссылки
- Ахмад А.Л., Ясин Н.М., Дерек К. и Лим Дж. К. (2011) Микроводоросли как устойчивый источник энергии для производства биодизеля: обзор. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 15: 584–593 [Google Scholar]
- Андерсон Р.В., Лаваль-Мартин Д.Л. и Эдмундс Л.Н., младший (1985) Осцилляторы клеточного цикла.Температурная компенсация циркадного ритма деления клеток эвглены. Exp Cell Res 157: 144–158 [PubMed] [Google Scholar]
- Batschelet E. (1981) Циркулярная статистика в биологии, математика в биологии, Academic Press, Лондон [Google Scholar]
- Benedetti PA, Bianchini G., Checcucci А., Феррара Р. и Грасси С. (1976). Спектроскопические свойства и связанные с ними функции стигмы, измеренные в живых клетках Euglena gracilis . Arch Microbiol 111: 73–76 [PubMed] [Google Scholar]
- Блюм В.(2003) Водные модули для биорегенеративных систем жизнеобеспечения: аспекты развития на основе результатов космического полета C.E.B.A.S. МИНИ-МОДУЛЬ. Adv Space Res 31: 1683–1691 [PubMed] [Google Scholar]
- Блюм В., Андриске М., Кройцберг К. и Шрайбман М.П. (1995) Модули производства животного белка в биологических системах жизнеобеспечения: новые комбинированные методы аквакультуры, основанные на закрытой уравновешенной биологической водной системе (C.E.B.A.S.). Acta Astronaut 36: 615–623 [PubMed] [Google Scholar]
- Buetow D.E. (1966) Аминокислоты как источники азота для роста Euglena gracilis и Astasia longa . The Journal of Protozoology 13: 585–587 [Google Scholar]
- Карре И.А. и Эдмундс Л. (1992) цАМФ-зависимые киназы жгутиков водорослей Euglena gracilis . J Biol Chem 267: 2135–2137 [PubMed] [Google Scholar]
- Карвалью А.П., Мейрелеш Л.А. и Мальката Ф. (2006) Реакторы на микроводорослях: обзор конструкции и характеристик закрытых систем. Biotechnol Prog 22: 1490–1506 [PubMed] [Google Scholar]
- Checcucci A.(1976) Молекулярная сенсорная физиология Эвглены. Naturwissenschaften 63: 412–417 [PubMed] [Google Scholar]
- Комитет по устойчивому развитию водорослевого биотоплива (2012) Устойчивое развитие водорослевого биотоплива, National Academies Press, Вашингтон, округ Колумбия [Google Scholar]
- Douskova I., Doucha Дж., Ливанский К., Мачат Дж., Новак П., Умысова Д., Захледер В., Витова М. (2009) Одновременная биоремедиация дымовых газов и снижение затрат на производство биомассы микроводорослей. Appl Microbiol Biotechnol 82: 179–185 [PubMed] [Google Scholar]
- Эдмундс Л.N. (2005) Циркадная организация жгутиков водорослей Euglena . В базе данных Madame Curie Bioscience [Интернет], Landes Bioscience, Austin, TX [Google Scholar]
- Edmunds LN, Jr., Carre IA, Tamponnet C., and Tong J. (1992) Роль ионов и вторичных мессенджеров в циркадных ритмах. функция часов. Chronobiol Int 9: 180–200 [PubMed] [Google Scholar]
- Гербер С. и Хедер Д.-П. (1995) Действие искусственного УФ-B и искусственного солнечного излучения на жгутик Euglena gracilis: физиологических, спектроскопических и биохимических исследований.Acta Protozool 34: 13–20 [Google Scholar]
- Gòdia F., Albiol J., Pérez J., Creus N., Cabello F., Montràs A., Masot A., and Lasseur C. (2004) The MELiSSA опытно-промышленный комплекс в качестве интеграционного испытательного стенда для передовых систем жизнеобеспечения. Adv Space Res 34: 1483–1493 [PubMed] [Google Scholar]
- Häder D.-P. (1987) Поляротаксис, гравитаксис и вертикальный фототаксис у зеленой жгутиконосцы, Euglena gracilis . Arch Microbiol 147: 179–183 [PubMed] [Google Scholar]
- Häder D.-П. (1996) NIZEMI — эксперименты на медленно вращающемся центрифужном микроскопе во время миссии IML-2. J Biotechnol 47: 223–224 [PubMed] [Google Scholar]
- Häder D.-P. и Фогель К. (1991) Интерактивная система анализа изображений для определения подвижности и скорости цианобактериальных нитей. J Biochem Biophys Meth 22: 289–300 [PubMed] [Google Scholar]
- Häder D.-P., Reinecke E., Vogel K. и Kreuzberg K. (1991) Ответы фотосинтетических жгутиконосцев, Euglena gracilis , к гипергравитации.Eur Biophys J 20: 101–107 [PubMed] [Google Scholar]
- Häder D.-P., Rosum A., Schäfer J., and Hemmersbach R. (1996) Гравиперцепция у жгутиков Euglena gracilis во время шаттла космический полет. J Biotechnol 47: 261–269 [PubMed] [Google Scholar]
- Хэдер Д.-П., Хеммерсбах Р. и Леберт М. (2005) Гравитация и поведение одноклеточных организмов, Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания [ Google Scholar]
- Хедер Д.-П., Рихтер П.Р., Штраух С.М. и Шустер М.(2006) Aquacells — жгутиконосцы в условиях длительной микрогравитации и потенциального использования в системах жизнеобеспечения. Microgravity Sci Technol 18: 210–214 [Google Scholar]
- Хармер С.Л., Панда С. и Кей С.А. (2001) Молекулярные основы циркадных ритмов. Annu Rev Cell Dev Biol 17: 215–253 [PubMed] [Google Scholar]
- Леберт М., Порст М. и Хадер Д.-П. (1999) Циркадный ритм гравитаксиса у Euglena gracilis . J Plant Physiol 155: 344–349 [PubMed] [Google Scholar]
- Mata T.М., Мартинс А.А., Каэтано Н.С. (2010) Микроводоросли для производства биодизеля и других приложений: обзор. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 14: 217–232 [Google Scholar]
- Мелконян М., Мейнике-Либельт М. и Хедер Д.-П. (1986) Фотокинез и фотофобные реакции у скользящих жгутиков, Euglena mutabilis . Physiol растительных клеток 27: 505–513 [Google Scholar]
- Mohabir G. и Edmunds L.N., Jr. (1999) Циркадная часовая регуляция бимодального ритма циклического АМФ у Euglena дикого типа.Cell Signal 11: 143–147 [PubMed] [Google Scholar]
- Насир А., Штраух С.М., Беккер И., Сперлинг А., Шустер М., Рихтер П.Р., Вайскопф М., Нтефиду М., Дайкер В., An YA, Li XY, Liu YD, Lebert M., and Legué V. (2014) Влияние микрогравитации на Euglena gracilis , как изучено на Шэньчжоу 8. Plant Biol (Stuttg) 16 (Дополнение 1): 113–119 [ PubMed] [Google Scholar]
- Ода Ю., Накано Ю. и Китаока С. (1982) Использование и токсичность экзогенных аминокислот в Euglena gracilis .J Gen Microbiol 128: 853–858 [Google Scholar]
- Porterfield D.M. (1997) Ориентация подвижных одноклеточных водорослей на кислород: окситаксис в Euglena . Biol Bull 193: 229–230 [PubMed] [Google Scholar]
- Сандерсон Дж. Э., Уайз Д. Л. и Огенштейн Д. К. (1978) Органические химические вещества и жидкое топливо из биомассы водорослей. Biotechnol Bioeng Symp 8: 131–151 [Google Scholar]
- Schlösser U.G. (1994) SAG-Sammlung von Algenkulturen в Геттингенском университете. Bot Acta 107: 113–186 [Google Scholar]
- Старр Р.К. (1964) Коллекция культур водорослей в Университете Индианы. Am J Bot 51: 1013–1044 [Google Scholar]
- Strauch S.M. (2009) Euglena gracilis как Sauerstoffproduzent eines bioregenerativen Lebenserhaltungssystems и их физиологическая реакция на Änderungen der Schwerkraft. Диссертация, Университет Фридриха Александра, Эрланген-Нюрнберг, Эрланген, Германия [Google Scholar]
- Фогель К. и Хедер Д.-П. (1990) Одновременное отслеживание жгутиконосцев в реальном времени с помощью анализа изображений.In Proceedings of the Four European Symposium on Life Sciences Research in Space, ESA SP-307, European Space Agency, Paris, pp 541–545 [Google Scholar]
Кинематика плавания жгутиков в Euglena gracilis: спиральные траектории и формы жгутиков
Значение
Активные жгутики обеспечивают движущий механизм для большого разнообразия плавающих эукариотических микроорганизмов, от простейших до сперматозоидов. Плоские и спиральные биения этих структур являются повторяющимися и широко изученными.Быстрое вращательное движение локомоторного жгутика водоросли Euglena gracilis составляет заметное исключение из этих закономерностей. Мы сообщаем количественное описание трехмерного биения жгутика при плавании E. gracilis . Учитывая их сложность, эти формы не могут быть непосредственно отображены с помощью современных методов микроскопии. Мы покажем, как преодолеть эти ограничения, разработав метод полной реконструкции трехмерной кинематики клетки из обычных двумерных микроскопических изображений, основанный на точной характеристике спирального движения тела клетки.
Abstract
Жгутиковое плавание эвгленид, приводимых в движение единственным передним жгутиком, характеризуется обобщенным спиральным движением. Трехмерная природа этого плавательного движения, в котором отсутствуют некоторые из симметрий, присущих более распространенным модельным системам, и сложные формы биения жгутиков, обеспечивающие его силу, затрудняют его количественное описание. В этой работе мы обеспечиваем количественную, трехмерную реконструкцию с высоким разрешением траекторий плавания и формы жгутиков особей Euglena gracilis .Мы достигли этой задачи, используя высокоскоростные записи 2D-изображений, сделанные с помощью обычного инвертированного микроскопа, в сочетании с точной характеристикой спирального движения тела клетки, чтобы вывести 2D-данные на 3D-траектории. Обсуждается движительный механизм. Наши результаты составляют основу для будущих биофизических исследований относительно неизученного типа движения жгутиков эукариот.
Эвглениды долгое время использовались в качестве модельных организмов для широкого круга биологических исследований, возможно, из-за их уникального таксономического положения, которое демонстрирует как животные, так и растительные характеристики (1).Среди первых микроорганизмов, изученных под микроскопом (Ван Левенгук, конец 1600-х годов), они по-прежнему занимают центральное место в современных исследованиях (2, 3), и вскоре появятся новые монографии (4).
Исследования подвижности эвгленид в последнее время сосредоточены на метаболизме (5, 6), в то время как плавание жгутиков остается плохо изученным и понятым, по крайней мере, с количественной точки зрения. Качественные наблюдения были сделаны по поводу шевеления жгутика эвгленид.Его характерное движение было названо «вращающимся лассо» или «восьмеркой». Количественное описание этого своеобразного движения, основным источником активации которого является аксонема «9 + 2», обычная для большинства эукариот (7), все еще отсутствует. Реконструкция движения жгутиков и приведения в действие эвгленид сталкивается с серьезной проблемой: захватом сложных трехмерных конфигураций жгутика, которые ускользают от исследования современных методов микроскопии. Плоские толчки жгутиков, которые легче уловить из данных изображений, в остальном широко изучены (8–11).
Типичный экземпляр Euglena gracilis (рис. 1 A ) имеет длину около 50 мкм. Жгутик, который они используют для передвижения, который немного короче его тела, бьется, вращаясь с частотой ~ 40 Гц в непосредственной близости от тела клетки (фильм S1). Как и у большинства жгутиконосцев, плавательные движения E. gracilis
являются рототрасляционными и по своей природе трехмерными. В то время как трехмерное отслеживание плавающих микроорганизмов является давней областью экспериментальных исследований (12) и все еще развивается, ни один из современных методов не может полностью детально зафиксировать плавание жгутиков эвгленид.Например, стереоматчинг использовался для отслеживания эвгленид и других протистов (13, 14), но ему не хватает пространственного разрешения для определения движения как тела, так и жгутика (весь пловец является точкой). Конфокальная микроскопия, мощный инструмент для трехмерной визуализации, не имеет достаточного временного разрешения (15), чтобы устранить биение жгутиков. Цифровая голографическая микроскопия способна обеспечивать высокое разрешение как во времени, так и в пространстве (16), и дает возможность одновременного множественного отслеживания для высокопроизводительной статистики (17, 18).Однако на сегодняшний день это удалось только до трехмерной реконструкции траекторий и шага частицоподобных объектов вытянутой формы (19) и спирального биения изолированной структуры жгутиков (20). Непосредственная близость жгутика Euglena к телу клетки делает одновременную реконструкцию тела клетки и формы жгутика сложной задачей даже для этой техники.
Рис. 1. ( A ) Микрофотография особи E. gracilis . Виден передний жгутик вместе с глазным пятном, пигментированная органелла, которая является частью фотосенсорного аппарата клетки.( B ) Схема экспериментальной установки: эвглениды плавают между двумя предметными стеклами микроскопа, разделенными ∼50 мкм. ( C ) Пример результатов сегментации изображения из высокоскоростного видео: измеряются положение геометрического центра тела (синий), положение глазного пятна (красный) и ориентация тела (зеленый). ( D ) Спроектированная ориентация тела θ как функция времени: колебания большой амплитуды модулируются меньшими колебаниями на шкале времени биения жгутиков.
Мы можем восстановить кинематику жгутиков E.gracilis с помощью стратегии реконструкции, основанной на простых предположениях и физике движения системы. Наш анализ основан на стандартных последовательностях изображений микроскопии, записанных с высокой частотой кадров. Это гарантирует соответствующее пространственно-временное разрешение (даже если с точки зрения 2D). Мы ограничиваем наш анализ случаем, когда биение жгутика Euglena является, в хорошем приближении, периодическим во времени (следовательно, нет бокового поворота).
В этом случае физика, управляющая системой (гидродинамика с низким числом Рейнольдса), накладывает ограничения на то, какие траектории и повороты ячейки фактически возможны.
Плавание при низком числе Рейнольдса с периодическими ударами
Спиральные траектории плавания широко распространены среди микроорганизмов (21). Простые физические аргументы могут объяснить преобладание винтовых траекторий, как это предлагается в основополагающих статьях (22, 23). Однородность и изотропия гидродинамических взаимодействий жидкость-тело, которые справедливы для тела, изолированного от границ или других объектов, играют решающую роль. В этом случае периодическое биение пловца приводит к возникновению периодических составляющих системы отсчета его поступательной и угловой скоростей.См. Дополнительную информацию , раздел 1. Временная эволюция центра и вращения 𝐑 корпуса пловца получается посредством интегрирования по времени из этих периодических скоростей (уравнение S7 ). Общее решение задачи плавания с помощью периодических биений с периодом Tb состоит в следующем. Положение центра тела 𝐜 (t) изменяется во времени согласно (t) = 𝐜h (t) + 𝐑𝐧 (ωt) 𝐜∼b (t) [1], а вращение тела описывается формулой (t) = 𝐑𝐧 (ωt) 𝐑∼b (t). [2] В предыдущих двух формулах замкнутая кривая 𝐜∼b и вращение 𝐑∼b являются периодическими функциями с периодом Tb, 𝐑𝐧 (ωt) — это вращение с осью 𝐧 и угол ωt, а 𝐜h описывает круговую спираль с осью 𝐧, замыкающую поворот каждые T = 2π / | ω | секунд.Детали вывода уравнений. 1 и 2 приведены в Вспомогательной информации , раздел 1.
В определении кинематики появляются две шкалы времени: период биений жгутиков Tb и время T, необходимое для закрытия одного витка гладкой круговой спирали 𝐜h. . В плавании Euglena , как и для большинства микроорганизмов, T намного больше, чем Tb: требуется много ударов, чтобы завершить поворот. Общую траекторию можно рассматривать как плавную и «медленную» спираль, возмущенную Tb-периодическими «быстрыми» завихрениями.Точно так же ориентацию тела можно рассматривать как медленное вращение с постоянной угловой скоростью вокруг, возмущенное быстрыми Tb-периодическими рывками.
Поступательное и вращательное движения связаны. Ради аргумента предположим, что T = NTb кратно Tb. Затем зафиксируйте фазу τ в пределах одного биения и рассмотрите время tk = τ + kTb. Центр движется согласно 𝐜 (tk), и эти точки лежат на круговой спирали оси 𝐧 (возмущенная версия 𝐜h: спираль с тем же шагом, но, возможно, другим радиусом).При этом тело пловца продолжает вращаться вокруг оси 𝐧 каждый раз на угол ωT / N. Отсюда следует, что после N ударов, точно когда один виток спирали закрывается, пловец оказывается в той же ориентации (фильм S2).
Результаты недавних исследований трехмерных спиральных траекторий микропловцов могут быть отражены в предсказаниях этой модели. Наблюдаемые траектории «хиральной ленты» в подвижности сперматозоидов человека (18) точно попадают в общее выражение, данное уравнением. 1 .В случае киральной ленты периодическая ∼b отслеживает отрезок прямой, частный и вырожденный случай нашего более общего ∼b, который описывает замкнутую орбиту. Вместо того, чтобы лежать на ленте, полученные траектории Euglena нарисованы на «спиральной трубе» (трубчатая окрестность «основной» спирали 𝐜h). Мы подчеркиваем, что уравнения. 1 и 2 обеспечивают общую характеристику любого движения, вызванного периодическим биением движущей части. Частные случаи, когда основная кривая 𝐜h траектории в уравнении. 1 — либо плоская кривая, либо прямая линия, следуйте, когда ось вращения 𝐧 либо ортогональна перемещению за один удар (как в плоских траекториях сперматозоидов, когда они двигаются за счет плоского биения их хвостов), либо параллельна к нему (как в случае бактерий, перемещаемых вращающимися спиральными жгутиками).
Экспериментальные наблюдения
Мы наблюдали, как особи E. gracilis плавали в водном растворе между двумя предметными стеклами микроскопа (рис.1 В ). Расстояние между предметными стеклами измеряли путем фокусировки контрольных шариков, прикрепленных к соответствующим стенкам (24), и было обнаружено, что оно составляет от 40 до 60 мкм. Контрольные шарики также использовали для проверки того, что жидкость была в состоянии покоя во время экспериментов. Мы получили высокоскоростные микрофотографии нескольких клеток со скоростью 1000 кадров в секунду (fps), отбирая только экземпляры, плавающие с регулярным периодическим биением (Рис. 1 C ). Более подробную информацию об экспериментальной установке можно найти в Материалы и методы .
В этих условиях для временных масштабов, больших, чем биение жгутика, траектории плавания следуют характерному синусоидальному пути, в то время как тело клетки подвергается кажущемуся «раскачивающемуся» движению с тем же периодом. В меньших временных масштабах можно наблюдать более тонкие особенности траекторий вместе с более высокочастотным «раскачивающимся» движением тела клетки (Movie S1). Последнее становится очевидным, если построить график предполагаемой ориентации тела как функции времени (Рис.1 D ): быстрое колебание с амплитудой ∼1 ° и периодом ∼25 мс накладывается на более медленное колебание с амплитудой ∼5 ° и периодом ∼0.5 с. Это типичный след спирального плавательного движения, спроецированный на 2D-плоскость.
Реконструкция движения тела клетки
Ур. 1 и 2 могут применяться для восстановления трехмерной кинематики из последовательностей двумерных изображений. Это может быть достигнуто путем согласования двухмерных проекций трехмерной кинематики, налагаемой теорией, с экспериментальными данными. Аналогичная идея преследовалась в исх. 25⇓ – 27. Далее мы описываем основные этапы нашей процедуры.
Мы моделируем тело Euglena как эллипсоид (в наших экспериментах поверхность клетки не деформируется заметно во время плавания).Мы рассматриваем систему отсчета пловца, расположенную в геометрическом центре тела, оси которого совпадают с осями симметрии эллипсоида. Поскольку оптические аберрации и эффекты расфокусировки незначительны, микроскопические изображения тела клетки можно сопоставить с проекциями эллипсоида на фокальную плоскость. Используя сегментацию изображения, мы извлекаем из этих проекций три соответствующие кинематические величины (Рис.1 C ): проекцию Π𝐜 центра тела (Рис.2 E ), проекцию Π𝐞 положения глазного пятна 𝐞 (Рис.2 F ), и угол θ, образованный проекцией большой оси эллипсоида на горизонталь (рис. 2 G ).
Рис. 2. ( A ) Трехмерное изображение тела Euglena с траекториями центра тела (синий) и глазного пятна (красный), восстановленными из процедуры подбора. Базовые оси 𝐥, 𝐦 и 𝐧 выбираются таким образом, чтобы 𝐧 была осью винтовой траектории. ( B ) Проекция траектории центроида Π𝐜 и ( C ) траектории глазного пятна Π𝐞 на фокальную плоскость.( D ) Проекция большой оси тела клетки Π𝐤 = (cosθ, sinθ) на фокальную плоскость. ( E — G ) Сравнение экспериментальных измерений и кривых наилучшего соответствия модели для величин Π𝐜, Π𝐞 и θ. Обратите внимание, что экспериментальные данные для Π𝐞 доступны только в том случае, если глазное пятно видно.
Затем мы рассматриваем ограничения, налагаемые теоретической моделью, и получаем формулы для наблюдаемых величин Π𝐜, Π𝐞 и θ. Они зависят от списка параметров ξ, который включает, среди прочего, период биений Tb, коэффициенты Фурье Tb-периодических функций в уравнениях. 1 и 2 , а геометрические параметры круговой спирали 𝐜h. Для получения полного списка параметров ξ и их подробных выражений мы отсылаем читателя к Вспомогательная информация , раздел 2.
Мы восстанавливаем значения параметров ξ путем нахождения аппроксимации методом наименьших квадратов между теоретическими наблюдаемыми и измеренными экспериментальными данными. . То есть мы находим ξ, которое минимизирует j∥Π𝐜 (ξ, tjc) −Π𝐜 ∗ (tjc) ∥2, ∑j∥Π𝐞 (ξ, tje) −Π𝐞 ∗ (tje) ∥2 и ∑j | θ ( ξ, tjθ) −θ ∗ (tjθ) | 2, где зависящие от ξ функции представляют собой выражение, данное теорией для Π𝐜, Π𝐞 и θ, а экспериментальные данные отмечены звездочкой.Суммы берутся за те моменты времени, когда доступны данные отслеживания.
Набор параметров ξ, полученный таким образом, достаточен для определения трехмерного выражения для 𝐜 и, заданного уравнениями. 1 и 2 , что позволяет нам восстановить полную трехмерную временную эволюцию системы отсчета пловца (рис. 2 A ).
Тот факт, что Π𝐜, Π𝐞 и θ содержат всю информацию, необходимую для восстановления трехмерной кинематики, становится очевидным при рассмотрении деталей теории, о которых мы говорим в Вспомогательная информация , раздел 2.Мы упоминаем здесь ключевые идеи, лежащие в основе этого. Одной временной эволюции достаточно, чтобы восстановить трехмерную траекторию (рис. 2 B ). «Подъем» Π𝐜 → 𝐜 возможен благодаря вращательной симметрии, налагаемой уравнением. 1 . Точно так же угла θ достаточно, чтобы поднять Π𝐤 → 𝐤 проекцию Π𝐤 = (cosθ, sinθ) единичного вектора 𝐤, который определяет главную ось симметрии тела клетки в 3D (рис. 2 D ). Дополнительные данные Π𝐞 содержат информацию о вращении тела клетки вокруг 𝐤.Вместе с θ проекция глазного пятна позволяет нам затем восстановить всю движущуюся рамку пловца, то есть (θ, Π𝐞) → 𝐑.
Формы жгутика
Мы реконструируем форму жгутика, то есть временную историю трехмерной деформируемой кривой, на основе информации о ее (частичных) проекциях, полученных с помощью микроскопических изображений. Реконструкция заключается в нахождении кривой, минимизирующей «ошибку проекции», которая количественно определяет расстояние между экспериментальными точками и проекциями кривой.Мы опишем этот метод более подробно ниже.
Зафиксируйте фазу τ между 0 и Tb (определенную ранее) и рассмотрите изображения в моменты времени tk = τ + kTb. В эти моменты, предполагая периодичность биений, жгутик находится в той же конфигурации по отношению к корпусу тела. Когда Euglena вращается, для разных tk в фокальной плоскости появляется другой вид этой конфигурации. Результаты предыдущего раздела позволяют нам определять местоположение фокальной плоскости по отношению к кадру тела в любой момент.Сегментация изображения дает нам набор точек, в которых должна лежать проекция жгутика на каждой плоскости (Рис. 3 A ).
Рис. 3. Стереографическая реконструкция жгутика. ( A ) Фиксированная фаза τ между 0 и периодом биений Tb, изображения, сделанные в моменты времени tk = τ + kTb, показывают жгутик в той же конфигурации по отношению к телу клетки, но с разных точек зрения ( Top ) . В каждый момент положение и ориентация Euglena относительно фокальной плоскости известны из результатов трехмерной реконструкции движения тела клетки ( Bottom ).( B ) Жгутик восстанавливается путем нахождения трехмерной кривой, проекции которой (на соответствующие плоскости) наиболее близки к экспериментальным проекциям.
Мы можем расположить плоскости Npl (от 11 до 19, в зависимости от эксперимента) вместе с набором точек проекции Pj ∗ для каждой плоскости j = 1,2,…, Npl. Жгутик восстанавливается путем нахождения трехмерной кривой, проекции которой наиболее близки к этим наборам экспериментальных точек на соответствующих плоскостях (рис. 3 B и Movie S3).«Близость» кривой 𝐫 к экспериментальным точкам определяется ошибкой проекции Err (𝐫) = ∑j = 1Npl∑𝐩 ∗ ∈Pj ∗ dist (𝐩 ∗, Πj𝐫) 2, [3] где мы обозначили через Πj проекция на j-ю плоскость. В предыдущем уравнении расстояние dist (𝐩 ∗, Πj𝐫) между точкой 𝐩 ∗ и проекцией Πj𝐫 определяется как минимум по параметру s кривой ∗ −Πj𝐫 (s) ∥. Мы используем интерполирующие кубические сплайновые кривые = Sp (𝐱1,…, 𝐱Nsp) [4] для параметризации жгутика. Интерполированные точки 𝐱1,…, 𝐱Nsp выбраны так, чтобы минимизировать ошибку проекции.Подставляя уравнение. 4 в уравнении. 3 приводит к минимизации выражения. Более подробная информация об алгоритмической реализации задачи приведена в Вспомогательная информация , раздел 3.
Результаты
Характеристики движения.
Мы применили нашу технику к множеству наборов экспериментальных данных, получив отличное согласие между экспериментом и теорией (рис. 2 E и F ). Мы сообщаем здесь о реконструкции траекторий и форм жгутиков для одной репрезентативной клетки.Результаты для других ячеек представлены в Вспомогательной информации , раздел 4, с комментариями по изменчивости результатов между разными ячейками и по количественной оценке неопределенностей наших процедур реконструкции. В частности (рис. 4 и фильм S4), история формы жгутиков нашей репрезентативной клетки хорошо совпадает с таковой у разных экземпляров, предполагая существование отличительного стиля биений Euglena , как описано ниже.
Рис.4. Сетка экспериментальных изображений из четырех разных плавательных ячеек (столбцов), снятых в разное время (строки). Реконструированная временная история форм жгутиков из ячейки 1 (зеленый, первый столбец), удобно масштабированная как в пространстве, так и во времени, прикреплена к телам других ячеек (синий). Возникает хорошее перекрытие между проекциями прикрепленных жгутиков и экспериментальными изображениями (подробнее см. Movie S4 и Supporting Information , раздел 4). Это показывает, что жгутиковые биения ячейки 1, представленные здесь в основном тексте, являются достоверным представителем общего стиля биений.
Вид сбоку реконструированной кинематики плавания показан на рис. 5 A . В целях визуализации тело Euglena не соответствует масштабам смещения. Траектория центра тела развивается по спирали с правой ориентацией. Спираль на самом деле довольно узкая, со средним радиусом ≈0,75 мкм, что составляет небольшую часть ширины Euglena , составляющей около 9,2 мкм. Шаг составляет ≈35,8 мкм, что в ∼0,7 раза больше длины ячейки ∼50,8 мкм. Расчетный период биений Tb≈ 24.3 мс. Euglena замыкает виток спирали за T≈ 0,5 с, то есть примерно после N = 21 удара. На рис. 5 B показан вид траектории сверху. Цветная карта траектории отображает абсолютную скорость центра тела: центр движется путем непрерывного ускорения и замедления со скоростями в диапазоне от 50 до 140 мкм / с. Тело клетки (полное или прозрачное) изображается в начале каждого удара (τ = 0). Можно заметить, что глазное пятно направлено наружу.
Рис. 5. ( A — D ) Представление кинематики Euglena . Размеры тела клетки не соответствуют смещениям в целях визуализации. ( A ) Вид сбоку. Euglena следует правой спиральной траектории. Полные или прозрачные тела отображаются в начале каждой доли. ( B ) Вид сверху. Траектория центра тела 𝐜 (t) отображается с использованием цветовой карты для выделения абсолютной мгновенной скорости.( C ) Движение тела, как видно из системы отсчета осей 𝐥 ′, 𝐦 ′ и 𝐧 ′, движущихся по круговой спирали 𝐜h (t) при вращении на 𝐑𝐧 (ωt) (вид сверху). Полные или прозрачные тела отображаются в моменты времени с равным интервалом в пределах одного удара. ( D ) Квазиконическая поверхность, охватываемая главной осью симметрии ячейки во время одного биения. ( E ) Последовательность форм жгутиков для 10 последовательных мгновений (фаз) в пределах одного удара. Каждая фаза помечена другим цветом. Базовые оси тела 𝐢, 𝐣 и 𝐤 представлены красным, зеленым и синим цветом соответственно.( F ) Поступательная скорость 𝐯 и ( G ) угловая скорость 𝝎 клетки, представленные в координатах системы отсчета тела. Скорости показаны для каждой фазы жгутиков и имеют соответствующую цветовую кодировку. ( H ) Полярный угол и ( I ) азимутальный угол единичного касательного вектора к жгутику в зависимости от длины дуги и времени.
Чтобы получить более полную картину периодического движения в пределах одного биения, мы рассматриваем эволюцию системы, наблюдаемую наблюдателем, движущимся по основной спирали 𝐜h (t) при вращении на 𝐑𝐧 (ωt) (уравнение. 1 ). На этом виде (рис. 5 C ) ячейка движется по квазикруговой орбите по часовой стрелке (противоположной траектории основной цепи). Что касается ориентации тела, интересно отметить, что поверхность, охватываемая главной осью симметрии ячейки, представляет собой примерно конус (рис. 5 D ): проекция этого движения в 2D переводится в «колебания небольшой амплитуды. »Наблюдали в микроскоп. Вращение вокруг своей длинной оси (так сказать, его «перекатывающее» движение) незначительно, и глазное пятно всегда указывает в одном и том же направлении.
Замечания по двигательному механизму.
Последовательность форм жгутиков для 10 последовательных моментов (фаз) в пределах одного удара показана на рис. 5 E . На рис. 5 F и G результирующие мгновенные поступательные и угловые скорости представлены в координатах системы отсчета тела. Каждая фаза помечена другим цветом. Изгибные волны выходят из основания жгутика и проходят по всей его длине, затухая на его конце. Жгутик изгибается, вращаясь вокруг тела клетки, со скоростями, которые значительно колеблются как по величине, так и по направлению.
Движительный механизм Euglena нельзя адекватно описать как «движение жгутика назад, чтобы толкнуть клетку вперед». Жгутик бьется сбоку, охватывая сложную последовательность неплоских форм: никакие очевидные симметрии не могут быть использованы, чтобы угадать, как движется тело в результате биения жгутика. Фактически, это движение влечет за собой спиралевидные траектории, связанные с вращениями тела. Чтобы подтвердить, что реконструированные формы жгутиков согласуются с наблюдаемым движением во время плавания, мы рассчитали кинематику, которую реконструированный биение жгутиков генерирует путем наложения баланса гидродинамических сил на пловца.Используя приближение локального сопротивления (28) теории силы сопротивления (RFT), мы получили хорошее качественное согласие путем подбора коэффициентов сопротивления для жгутика так, чтобы они наилучшим образом соответствовали экспериментальным данным, как это сделано в ссылке. 9 ( Вспомогательная информация , раздел 5 и рис. S6). Воспроизведение экспериментальных данных с полной количественной детализацией потребует более детального анализа.
RFT показывает, что наблюдаемая кинематика согласуется с типичным механизмом толчка гладких жгутиков.Действительно, пики поступательной скорости тела клетки коррелируют с волной жгутика, распространяющейся параллельно большой оси в направлении, противоположном направлению движения, в то время как пики скорости вращения возникают во время колебания жгутика вокруг тела (см. Фильм S5 и Дополнительная информация , раздел 5 для более подробной информации). Это, по-видимому, подтверждает утверждение (29) о том, что для жгутика эвгленоида присутствие мягких (нетубулярных) мастигонем не влияет в значительной степени на механизм надвига жгутика, как это происходит у других организмов (30).
Выводы
Мы представили трехмерную кинематическую реконструкцию движения жгутиков эвгленид. Для этого мы ввели метод восстановления трехмерной кинематики из двумерных микроскопических изображений (фильм S6). Это дает беспрецедентную детализацию и применимо к другим организмам.
Как и другие методы восстановления трехмерной информации из двухмерных данных (25–27), наш подход основан на модели и определенных предположениях. В частности, мы ограничены периодическими биениями и движениями, ограниченными узким полем зрения микроскопии высокого разрешения.Даже когда эти ограничения будут преодолены с помощью новых методов, способных к прямому трехмерному отображению кинематики жгутиков и тела (на сопоставимых уровнях пространственно-временной детализации), характеристика траекторий как обобщенных спиралей, на которых основан наш метод, останется. Биологическое значение паттернов, возникающих из траекторий жгутиковых одноклеточных пловцов, часто подчеркивалось в прошлом (18). Здесь мы показываем, что на самом деле геометрическая структура траекторий является в точности сигнатурой периодического биения жгутиков, которое их порождает.
Наша работа прокладывает путь для будущих исследований потоков, индуцированных в окружающей жидкости биением жгутиков, а также для исследования механизмов, управляющих внутренним срабатыванием жгутика. E. gracilis можно рассматривать как первый пример большого класса модельных организмов, чьи плавательные движения менее симметричны, чем те, которые исследовались до сих пор, и по которым количественные данные еще не доступны.
Материалы и методы
Культура клеток.
Штамм SAG 1224-5-27 из E.gracilis , полученный из коллекции культур водорослей SAG в Геттингенском университете, поддерживали аксеничным в жидкой культуральной среде Eg (см. рецепт среды от SAG) в стерильных пробирках из полистирола на 16 мл. Культуры переносили еженедельно. Их содержали в инкубаторе (IPP 110plus; Memmert) при 15 ° C и при цикле свет: темнота 12:12 ч при холодном белом светодиодном освещении с интенсивностью излучения около 50 мкмоль / (м2с).
Экспериментальная установка.
Для каждого экспериментального испытания готовили разбавленный раствор E.gracilis и из полистирола диаметром 0,5 мкм, флуоресцентные шарики [(F8813; Life Technologies), объемная доля ~ 0,05%] в культуральной среде Напр. Плавательные клетки визуализировали при фазово-контрастном освещении с помощью инвертированного микроскопа Olympus IX81, оборудованного объективом LCAch 40 × Ph3 (N.A. 0,55). Расчетная глубина резкости для такого расположения составляет ∼2,3 мкм. Клетки помещали между двумя предметными стеклами микроскопа, разделенными двусторонним клейким разделителем толщиной ~ 50 мкм. Микрофотографии были записаны с частотой кадров 1000 кадров в секунду с помощью высокоскоростной дополнительной цифровой камеры металл-оксид-полупроводник (FASTCAM Mini UX100; Photron).
Обработка изображений и подбор данных.
Обработка изображений и численная аппроксимация выполнялись с помощью программ, разработанных собственными силами и реализованных в среде MATLAB (MathWorks).
Благодарности
Это исследование проводилось в лаборатории SAMBA Международной школы перспективных исследований (SISSA) во время нескольких визитов М.
Сноски
Автор: М.Р., Г.Н. и А.Д. спланировали исследование; M.R., G.C., G.N. и A.D. проводили исследования; М.Р. проанализировал данные; М.Р. и Г.Н. спланированные эксперименты; А.Б. выращивали клетки и делились опытом в микроскопии; G.C. и А.Д. разработали теоретическую модель; и M.R., G.C., A.B., G.N. и A.D. написали статью.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1708064114/-/DCSupplemental.
- Copyright © 2017 Автор (ы). Опубликовано PNAS.
Курсовая работа по эвглене | Простейшие | Микроорганизмы
Вот подборка курсовых работ по теме «Эвглена». Найдите абзацы, долгосрочные и краткосрочные работы на тему «Эвглена», специально написанные для студентов колледжей и студентов-медиков.
Курсовая работа по эвглене
Курсовая работа Содержание:
- Курсовая работа по привычкам и среде обитания Эвглены
- Курсовая работа по культуре эвглены
- Курсовая работа по морфологии эвглены
- Курсовая работа по физиологии эвглены
- Курсовая работа по выведению эвглены
- Курсовая работа по поведению эвглены
- Курсовая работа по репродукции в эвглене
- Курсовая работа по изучению эвглены
- Курсовая работа о позиции Эвглены
Курсовая работа № 1.Привычки и среда обитания Эвглена :
Эвглена — простая свободноживущая жгутиконосица. Встречается в стоячей воде, содержащей азотистые вещества. Иногда их количество увеличивается настолько, что они образуют зеленый слой на поверхности воды. Встречается много видов Euglena, но Euglena viridis более обычна, поэтому ее обычно изучают в этом классе.
Euglena viridis состоит из двух греческих и одного латинского слова. Gr. Eu-True и Glene-Eye зрачок, а латинское — Virids-Green.Это означает животное зеленого цвета, которое обладает светочувствительной структурой, похожей на глаз.
Курсовая работа № 2. Культура эвглены :
Эвглену можно легко культивировать в лаборатории с помощью следующего метода. Отварите в банке коровий или конский навоз в дистиллированной воде и дайте ему остыть в течение двух дней. Затем насыпьте в банку сорняки из пруда, в котором есть эвглены, и поставьте банку возле хорошо освещенного окна. Через несколько дней в этом азотистом настое появятся эвглены.
Курсовая работа № 3. Морфология эвглены :
1. Форма и размер :
Euglena viridis зеленая, тонкая, удлиненная, веретенообразная на вид. Его передний конец тупо закруглен, средняя часть шире, а задний конец заострен.
Euglena viridis имеет длину около 40-60 мкм и ширину 14-20 мкм в самой толстой части тела.
2.Пелликул :
Вокруг тела присутствует очень тонкая мембрана, называемая пленкой. Имеет спиральные бороздки. Эти полосы у Euglena spirogyra короткие. Пленка хоть и жесткая и крепкая, но очень тонкая и эластичная, благодаря чему эвглена при необходимости может изменить форму своего тела. Согласно Шадефо, пленка двухслойная.
Внешний тонкий слой называется эпикультикой, а внутренний толстый слой называется кутикулой. Пелликула состоит из ряда утолщенных продольных полосок и микрофибрилл (микротрубочек), соединяющихся друг с другом.Он состоит из параллельных спиральных полосок или скульптур, которые можно наблюдать с помощью электронной микроскопии.
Эти полоски проходят против часовой стрелки от переднего к заднему концам тела и включают продольные жесткие полоски, которые сцеплены друг с другом по своим краям. Когда мельчайшие фибриллы, называемые мионемами, возникающие непосредственно под пленкой в цитоплазме, сокращаются, они заставляют полоски пленки скользить друг по другу и влияют на изменение формы тела эвглены.
3. Цитостом и цитофаринкс :
Рядом с передним концом находится воронкообразное углубление, называемое клеточным ртом или цитостомом, которое ведет в короткий трубчатый глоток клетки или цитофаринкс. Его часто ошибочно называют глоткой. Цитофаринкс переходит в увеличенную сферическую постоянную полость или пузырек протоплазмы, которая называется резервуаром.
4. Жгутики:
На переднем тупом конце тела виден единственный длинный и тонкий протоплазматический отросток, жгутик, который раздваивается и заканчивается двумя белфаропластами.Manter и Millier (1959) придерживаются мнения, что жгутик возникает из небольшой гранулы, блефаропласта. Hollande (1942), Pringsheim (1948) считали, что, помимо длинного жгутика, в шейке резервуара обнаруживается также короткий жгутик, который выходит за пределы цитостома.
Некоторые протозоологи и авторы, а именно Вилли Уокер и Смит (1963), придерживаются мнения, что жгутик образуется в результате слияния двух жгутиков. Козлуф (1972) описывает, : «Есть два неравных жгутика.Короткий жгутик не выходит из резервуара, и его кончик может быть приложен к более длинному жгутику таким образом, что может показаться, что там всего один жгутик с двумя корнями ».
Жгутик представляет собой сократительную осевую нить, заключенную в протоплазматическую оболочку, которая возникает из блефаропластов. Хлыстовые движения жгутика не смещают животное сзади, а вытягивают его вперед. Поэтому его еще называют тактеллум. Мы уже знаем, что жгутиков на самом деле два.Один жгутик длинный, корневой. Тем не менее, после недавних исследований почти наверняка упоминается, что жгутик Euglena имеет раздвоенный жгутик, а другой — короткий.
Вторично ассоциируется короткий жгутик. На одном из корней жгутика есть опухоль, известная как фоторецептор, которая чувствительна к свету. Козлофф (1972) описывает: «Рядом с резервуаром находится ярко-красная масса, клеймо». Он состоит из небольших гранул каротиноидного пигмента, заключенных в бесцветную стому.Фактический фоторецептор, по-видимому, представляет собой опухоль, отмеченную в более длинном жгутике около рыльца.
Жгутики и их базальные гранулы представляют собой фибриллярные структуры; каждый жгутик содержит 11 (одиннадцать) продольно расположенных микротрубчатых волокон, которые расположены в определенном порядке из двух центральных синглетных волокон и девяти периферических дублетных волокон (9 + 2). В базальную гранулу заходят только 9 периферических волокон.
Дистальная часть длинного жгутика несет вдоль одного края ряд коротких волосковидных сократительных волокон или отростков, называемых мастигонемами.Предполагается, что эти мастигонемы возникают из двух из девяти периферических волокон.
5. Резервуар :
На кончике переднего конца имеется небольшое отверстие в форме воронки, устье клетки или цитостом. Он не служит для захвата пищи. Из цитостома в тело ведет характерная короткая трубчатая или колбообразная клеточная глотка или цитофаринкс. Он расширяется в основании в большой постоянный сферический пузырь или резервуар. Название «глоток» — неправильное употребление, потому что эвглена не глотает твердую пищу, питательные вещества.
6. Стигма :
Рядом с резервуаром и на стороне, противоположной стороне сократительной вакуоли, также обнаруживается небольшое, но заметное дискообразное красное пятно, называемое глазным пятном или стигмой. Он содержит пигмент, называемый гематохромом, который чувствителен к свету. Пигмент находится в виде мелких гранул, заключенных в матрицу. Согласно Leedale (1966), стигма состоит из масляных капель, содержащих красный пигмент — каротиноид.Рыльце и парафлагеллярное тело вместе образуют фоторецепторный аппарат.
7. Цитоплазма и органеллы :
Цитоплазма эвглены дифференцирована на тонкий, прозрачный и плотный внешний слой эктоплазмы и более жидкий и зернистый внутренний (центральный) слой эндоплазмы. Эндоплазма содержит множество клеточных органелл, таких как стигма, хлоропласты (хроматофоры), митохондрии, ядро, сократительную вакуоль, а также обычные клеточные органеллы, такие как эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, рибосомы и т. Д.
(i) Ядро:
Одиночное большое сферическое везикулярное ядро лежит посередине или ближе к заднему концу тела. Он содержит хромосомы (в виде хроматина) и несколько крупных эндосом или ядрышек.
(ii) Сократительная вакуоль:
Рядом с резервуаром с одной стороны (напротив рыльца) лежит одиночная большая сократительная вакуоль. Он окружен несколькими дополнительными сократительными вакуолями, которые сливаются вместе, образуя большую вакуоль.Сократительная вакуоль выводит водянистое содержимое в резервуар; оттуда жидкость выходит через цитофаринкс и цитостом.
8. Хроматофоры :
В цитоплазме обнаружено много зеленых хлоропластов различной формы. Некоторые из них имеют форму диска, овала или звезды, а некоторые — ленты. У Euglena viridis группа звездообразных тонких хлоропластов находится в середине тела. В центре каждого хлоропласта присутствует структура, называемая пиреноидом, которая окружена оболочкой из парамилума.Парамилум — это гликогеноподобный углевод (β-1,3-гликан). Он также находится в цитоплазме в виде крупных гранул. Их форма различна у разных видов.
9. Paramylon :
Эндоплазма содержит множество рассеянных мелких преломляющих гранул парамлона или парамилума. Это полисахарид (β-1,3 глюкан), похожий на крахмал, но он не окрашен в синий цвет из-за раствора йода. Тела парамилонов светло-голубовато-зеленые, в отличие от ярких травянисто-зеленых хлоропластов.
10. Другое эндоплазматическое включение :
Эндоплазматическая сеть образована соединением мелких пузырьков и канальцев. Тела Гольджи состоят из нескольких продолговатых уплощенных мешочков с оторванными от их концов округлыми пузырьками. Митохондрии более многочисленны вблизи резервуара и несут трубчатые кристы. Рибосомы расположены рассредоточенно, а также на эндоплазматическом ретикулуме и внутри хлоропластов.
У некоторых видов тонкая фибрилла, ризопласт, соединяет блефаропласт с гранулой около ядра, связанной с тельцем хроматина около ядерной мембраны.Это предполагает наличие миниатюрной органеллы нейрометра, которая может функционировать в отношении движения жгутиков.
Курсовая работа № 4. Физиология эвглены :
1. Передвижение:
В Эвглене есть два способа передвижения:
(i) Флагеллярный механизм:
Эвглена перемещается за счет привязки жгутика и за счет движения всего тела. Когда эвглена плавает, жгутик наклонно тянется назад, а затем бросается в волны.Таким образом, очевидно, что движение жгутика происходит не только от ударов хлыста. Когда жгутик удаляется из тела, он может продолжать крепление при условии, что блефаропласт остается прикрепленным.
Когда эвглена движется вперед, она вращается вокруг своей оси, а также вращается. Эти движения происходят из-за реакции тела на силу, возникающую при нагревании жгутика. Эвглена, таким образом, движется вперед по воде. Жгутиковые движения эвглены объясняются тремя основными взглядами.
Бутшли объяснил этот тип движения действием винта, вызывающего толкающее действие, толкающее животное вперед. Мецмер пришел к выводу, что простой удар жгутика по кругу вызывает достаточный ток, чтобы тянуть животное вперед.
Ulehla (1911) и Krijaman (1925) заявили, что движение жгутика происходит в сторону, состоящее из эффективного удара вниз и расслабленного удара для восстановления, при котором жгутик снова выдвигается вперед. Таким образом, животное движется вперед и вращается вокруг своей продольной оси.
Согласно Бутски, жгутик совершает серию боковых движений, и при этом на воду оказывается давление под прямым углом к ее поверхности. Это давление создает две силы: одна направлена параллельно, а другая — под прямым углом к главной оси тела. Параллельная сила будет толкать животное вперед, а сила, действующая под прямым углом, будет вращать животное вокруг собственной оси.
Согласно Грею, серия волн проходит от одного конца жгутика к другому.Эти волны создают два типа сил: один в направлении движения, а другой — в круговом направлении с главной осью тела. Первый будет толкать животное вперед, а второй вращать его.
Согласно Лаундесу, жгутик во время передвижения направлен назад. По его словам, серия спиральных волн проходит последовательно от основания к кончику направленного назад жгутика со скоростью около 12 в секунду с увеличением скорости и амплитуды.Волны движутся вдоль жгутика по спирали и заставляют тело эвглены вращаться один раз в секунду.
Количество ходов весла:
Во время быстрых движений жгутик наносит удары плетью вбок или взмахи веслом. Каждый удар состоит из эффективного удара назад с жестко вытянутым жгутиком. При восстановительном ударе жгутик расслаблен, сильно изогнут, чтобы оказывать наименьшее сопротивление воде, и снова выдвигается вперед.
Движение жгутика связано с сокращением его девяти периферических волокон.Энергия для сокращения обеспечивается АТФ (аденозинтрифосфат), присутствующим в митохондриях блефаропластов. Функция мастигонем, обнаруженных на жгутике, остается неизвестной.
(ii) Эвгленоид движение:
Это характерное медленное и ограниченное движение эвглены, называемое метаболическим или эвгленоидным движением. На твердом субстрате эвглена медленно извивается, как червяк, за счет перистальтики, то есть волны сжатия и расширения охватывают тело от переднего к заднему концам, и животное движется вперед.Перистальтика осуществляется с помощью мионем, расположенных непосредственно под пленкой.
2. Питание :
Режим питания в эвглене миксотрофный, то есть простой режим питания не является достаточным для поддержания жизни в эвглене.
Видны следующие виды питания:
(a) Голофитный или автотрофный:
Это основной способ питания эвглены. Хлорофилл содержится в хроматофорах, присутствующих в теле эвглены.Эвглена самостоятельно производит пищу путем фотосинтеза с помощью хлорофилла в присутствии солнечного света, диоксида углерода и воды. Хлорофилл расщепляет диоксид углерода на углерод и кислород. Этот углерод соединяется с водой, образуя углевод, называемый парамилумом, избыток которого хранится в пиреноидных телах.
(b) голозойский или гетеротрофный (животное-подобный):
Некоторые виды эвглены способны поглощать твердые частицы, которые проходят через пищевод в организм и ассимилируются.Движения жгутика создают водоворот, благодаря которому мельчайшие фрагменты вынуждены попадать в цитостом. Этот вид питания похож на питание типичных животных и называется галозойским.
Некоторые зоологи сомневаются в таком способе питания, но другие более или менее уверены в этом. Холл (1939) установил, что эвглена не испытывает недостатка в твердой пище, но поддерживает свое существование голофитным и сапрозойным типами питания. Козлофф (1972) упомянул, что «эвглена, как известно, не поглощает органические частицы в виде частиц, но может использовать органические питательные вещества в растворе».
(c) Сапрофитный или сапрозойский:
Питается разлагающимися органическими веществами, такими как грибы. Эвглена, если ее держать в темноте в растворе углеводов и азотистых соединений, сохраняется и быстро размножается, но хлорофилл теряется. Это показывает, что эвглена продолжает свое существование за счет сапрофитного питания, при котором питательные вещества растворяются в воде и абсорбируются.
3. Дыхание :
Эвглена дышит через всю поверхность нашего тела.Кислород, растворенный в воде, диффундирует через пленку, а углекислый газ выделяется наружу. Ферменты, присутствующие в митохондриях, катализируют реакции окисления с помощью кислорода.
Высвободившаяся энергия улавливается высокоэнергетическими фосфатными связями АТФ, которые поставляют энергию для метаболической активности. Вероятно, что часть CO 2 , образующегося в качестве побочного продукта катаболической активности организма, используется для фотосинтеза, а высвободившийся O 2 — для дыхания.
4. Осморегуляция :
Содержание воды в организме регулируется сократительной вакуолью, которая периодически опорожняется в резервуар. Это называется осморегуляцией. Во время диастолы сократительная вакуоль нарастает скачкообразно, потому что меньшие дополнительные вакуоли, образующиеся в ее окрестностях, сливаются с ней одна за другой.
После максимального роста сократительная вакуоль подвергается систоле, слившись со слизистой оболочкой резервуара и прорываясь в нее.Напомним, что вода имеет тенденцию попадать в организм животного путем эндосмоса.
Курсовая работа № 5. Выведение эвглены :
Азотистые продукты жизнедеятельности (аммиак), образующиеся в результате катаболизма, выходят путем диффузии через общую поверхность тела. Некоторое выделительное вещество может выводиться сократительной вакуолью в резервуар. Согласно недавним исследованиям Chadefaud, сократительная вакуоль окружена специализированной гранулярной и экскреторной цитоплазмой.
Несколько небольших дополнительных вакуолей появляются в экскреторной цитоплазме и позже сливаются вместе, образуя большую сократительную вакуоль. Периодически вакуоль достигает своего максимального размера (диастола), а затем лопается (систола), чтобы вывести свое содержимое в резервуар и, следовательно, наружу.
Считается, что стенка сократительной вакуоли, контактирующая с резервуаром, очень нестабильна и легко лопается. При удалении избытка воды удаляются и некоторые растворенные азотистые экскреторные вещества.
Курсовая работа № 6. Поведение Эвглены :
Если движущаяся вперед эвглена вращается вокруг своей оси, достигает неблагоприятной области, она вскоре поворачивается и возвращается в благоприятную область. Таким образом он пытается вырваться из неблагоприятных условий. Точно так же его привлекает благоприятный интенсивный свет, но он пытается отодвинуть очень яркий свет.
Эвглена обретает это ощущение света с помощью своего глазного пятна.Это особенно примечательно, поскольку питание эвглены зависит в основном от фотосинтеза, для которого животным необходимо чувство света.
Если эвглены хранятся рядом с источником света в небольшой посуде, они вскоре переместятся в освещенное место, однако, если блюдо убрать в затемненное место, они снова рассыпаются по всей посуде. Эвглена также реагирует на тепловые и химические раздражители, из-за которых вся ее деятельность замедляется, или она пытается уплыть от этих раздражителей.
(i) Реакция на свет:
Euglena показывает позитивное фото-такси, избегая яркого света, но поворачивая и плывя к умеренно интенсивному свету, например, из окна.Подобно большинству подвижных и свободно живущих одноклеточных организмов, содержащих хлорофилл, он ориентируется параллельно лучу обычного света и плывет к источнику освещения.
В чашке с культурой большинство особей собираются сбоку от света. Если блюдо находится под прямыми солнечными лучами и одна половина его накрыта, животные избегают области прямого солнечного света, а также тени, а собираются между ними в небольшую полосу.
(ii) Шоковая реакция:
Плавающая эвглена демонстрирует ударную реакцию, при которой изменяется направление свечения.Было обнаружено, что парафлагеллярное тело более светочувствительно, чем любая другая часть тела. Клеймо расположено таким образом, что если эвглена освещена сбоку, ее парафлагеллярное тело или фоторецептор затеняются рыльцем один раз за каждый нормальный оборот.
Каждый раз, когда это происходит, фоторецептор возбуждается и действует на жгутики таким образом, что организм поворачивается к новому источнику света. Сначала тело наклоняется вниз, затем при каждом последующем повороте слегка выпрямляется вверх с постепенным изгибом к новому источнику света.
При движении в направлении света фоторецептор не затеняется рыльцем, поэтому животное продолжает следовать тем же курсом. Поскольку свет необходим для фотосинтеза или ассимиляции углерода с помощью хлорофилла, эта специализация, выводящая животное на свет, имеет явное преимущество в его питании.
Курсовая работа № 7. Репродукция в Эвглене :
У эвглены происходит только бесполое размножение.
Это происходит двумя способами:
и. Бинарное деление.
ii. Множественное деление и стадия пальмеллы.
и. Бинарное деление:
При благоприятных экологических условиях, таких как наличие пищи, оптимальный свет, температура и вода, активная эвглена воспроизводится за счет продольного двойного деления. Инициируется делением базальных тел. Ядро разделено своеобразным митозом, при котором митотическое веретено формируется внутри интактного ядра, т.е.е. ядерная оболочка и эндосома или ядрышко не распадаются во время митоза.
Кариокинез (деление ядра) сопровождается цитокинезом (делением цитоплазмы), который включает удвоение жгутиков, рыльца, сократительной вакуоли, хлоропластов, митохондрий и т. Д. На более поздних стадиях резервуар, цитофаринкс и цитостом дублируются продольной бороздой. На заключительном этапе цитокинеза на переднем конце тела появляется продольная борозда, идущая назад, разделяя родительское тело на две дочерние эвглены.
ii. Множественное деление и стадия пальмеллы:
При неблагоприятных условиях в Эвглене происходит множественное деление. Он выделяет вокруг себя кисту. Стенки кисты могут быть толстыми или тонкими. Животное делится, образуя от 16 до 32 дочерних эвглен внутри кисты. Иногда жгутик эвглены исчезает, и его тело сокращается, превращаясь в круглую структуру, напоминающую водоросли. В этом состоянии вся деятельность замедляется, и животное делится путем деления. Таким образом, многие маленькие эвглены образуются из большой эвглены.
Эти эвглены выглядят как зеленые водоросли на поверхности воды. Это состояние известно как стадия пальмеллы, которая регулярно встречается у некоторых видов эвглены. Позже у этих дочерних эвглен вырастают жгутики, которые становятся свободными и развиваются во взрослых особей.
Нет четких доказательств полового размножения у эвглены, хотя Бихлер описал половое размножение посредством сингамии у некоторых видов.
Курсовая работа № 8. Encystment of Euglena:
При неблагоприятных условиях эвглена подвергается инцистированию.При инцистировании сначала эвглена становится неактивной, теряет жгутики и выделяет толстую округлую защитную кисту красного цвета (красный цвет обусловлен пигментом гематохромов). Киста секретируется слизистыми телами, лежащими под пленкой эвглены.
У энцистированных эвглен есть хорошие шансы на широкое распространение. По возвращении благоприятных условий инцистированные эвглены выходят наружу и возвращаются к нормальной активной жизни.
Курсовая работа № 9. Положение Эвглены :
Эвглена показывает многие признаки растений, такие как хроматофоры с хлорофиллом и холофитное питание.
Однако это животное считается животным по следующим причинам:
(i) В нем отсутствует клеточная стенка из целлюлозы.
(ii) Его пленка состоит из белков, как и другие клетки простейших (т. Е. Инфузорий).
(iii) Наличие рыльца и парафлагеллярного тела, светочувствительной структуры.
(iv) Наличие сократительной вакуоли.
(v) Воспроизведение двойным делением.
Таким образом, эвглена представляет собой маленькое микроскопическое живое существо, у которого нет заметной морфологической дифференциации структуры, по которой ее можно было бы четко различить.
Поскольку эвглена проявляет сходство как с растениями, так и с животными, ее позиция считается спорной. Некоторые биологи предлагают рассматривать эвглену как промежуточный этап в эволюции растений и животных.
Euglena показывает следующие признаки растений:
(a) Фотосинтез происходит в присутствии солнечного света.
(b) Пиреноидные тела присутствуют.
(в) Питание голофитное.
(d) Палмела стадия существует.
(e) Присутствуют хроматофор и хлорофилл. Эвглена показывает следующие признаки животных:
(i) Воспроизведение происходит двойным делением.
(ii) Имеется сократительная вакуоль.
(iii) Пелликула состоит из белка.
(iv) Питание бывает гетерофитным, частичным или полным.
(v) Он также использует пентозы аминокислот или полипептиды в качестве источников азота.
Поток клеток Euglena gracilis зависит от градиента интенсивности света
Abstract
Мы количественно оценили фотодвижение суспензии Euglena gracilis , представляющую поведенческую реакцию на световой градиент. Несмотря на недавние измерения фототаксиса и фотофобности, детали макроскопического поведения фотодвижений клеток в условиях градиентов интенсивности света, которые имеют решающее значение для понимания недавних экспериментов по пространственно локализованным образцам биоконвекции, не были полностью поняты.В этой статье поток плотности клеток при градиенте интенсивности света был измерен с помощью следующих двух экспериментов. В первом эксперименте капилляр, содержащий суспензию клеток, освещался разной интенсивностью света в двух областях. В установившемся режиме различия количества клеток в двух областях, нормированные на общее количество, были пропорциональны разнице света, где разница в интенсивности света составляла 0,5–2,0 μ моль м −2 с −1 .Коэффициент пропорциональности был положительным (т. Е. Яркая область содержала много микроорганизмов), когда средняя интенсивность света была слабой (1,25 мкм моль м -2 с -1 ), тогда как он был отрицательным, когда средняя интенсивность была сильной. (13,75 мкм моль м −2 с −1 ). Во втором эксперименте неглубокий прямоугольный контейнер с суспензией освещался ступенчатым светом. Распределение плотности клеток показало единственный пик в месте, где интенсивность света была примерно I c 3.8 мкм моль м −2 с −1 . Эти результаты предполагают, что суспензия E. gracilis реагировала на световой градиент и что благоприятная интенсивность света составляла I c .
Образец цитирования: Огава Т., Сёдзи Э, Суэмацу Нью-Джерси, Нишимори Х., Изуми С., Авазу А. и др. (2016) Поток клеток Euglena gracilis зависит от градиента интенсивности света. PLoS ONE 11 (12):
e0168114.
https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0168114
Редактор: Санджой Бхаттачарья,
Глазной институт Баскома Палмера, США
Поступила: 22.06.2016; Одобрена: 27 ноября 2016 г .; Опубликовано: 29 декабря 2016 г.
Авторские права: © 2016 Ogawa et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.
Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.
Финансирование: Эта работа была поддержана JSPS KAKENHI 26400396 MI https://www.jsps.go.jp/english/e-grants/ и CREST PJ74100011 MI http://www.jst.go.jp/ kisoken / crest / en / index.html. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.
Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.
1 Введение
Euglena gracilis — одноклеточная фотосинтетическая водоросль с жгутиками; тело примерно 10 мкм в ширину и м в длину и 50–100 мкм в длину. E.gracilis несет рыльце (глазное пятно) в передней части, которое имеет красный цвет из-за содержащихся в теле каротиноидных пигментов, называемых пигментными гранулами. Особи E. gracilis реагируют на свет посредством затенения рыльца на парафлагеллярном теле (PFB) у основания жгутика.Поведение фотоответа E. gracilis можно разделить на фототаксис, фотокинез и фотофобный ответ [1].
Посредством фототаксиса E.gracilis плывет к источнику света, если интенсивность меньше критического значения (положительный фототаксис), и уплывает, если интенсивность превышает критическое значение (отрицательный фототаксис) [2]. В этой статье мы определяем фототаксис потока клеток как движение фотоотклика, при котором средняя скорость плавания параллельна вектору света согласно Винсенту и Хиллу [3].Häder et al. [4] измерили фототаксис E. gralicis для нескольких яркостей белого света и обнаружили, что поведение фототаксиса почти предельное около 250 лк, что эквивалентно 1,05 Вт · м -2 в соответствии с соотношением преобразования. Giometto et al. [5] измерили фототаксис при распределении света, создаваемом точечным источником света. E. gracilis также обнаруживает таксис для поляризованного света [6, 7].
Фотокинез — это явление, при котором линейная скорость плавания зависит от силы света.Нода исследовал скорость плавания E. gracilis при яркости света от 200 до 2500 лк (С. Нода, магистерская диссертация в Хиросимском университете, 2012 г.). Было обнаружено, что скорость плавания составляла приблизительно 60 μ мс -1 , если сила света была меньше 1000 лк, но она увеличивалась с увеличением интенсивности света, с максимальной скоростью приблизительно 90 μ мс — 1 при 2500 лк.
Фотофобная реакция — это реакция шока, вызванная светом, которая возникает, когда интенсивность освещения вокруг микроорганизма внезапно изменяется.Мацунага и др. [8] измерили статистику изменения направления плавания при резком временном изменении интенсивности света. Они измерили как «повышающее» изменение; то есть увеличение интенсивности света из состояния отсутствия света и «понижение» интенсивности; то есть уменьшение интенсивности света до состояния отсутствия света. Они также определили фотофобный индекс и измерили индекс для света с разными длинами волн (260-520 нм) и интенсивностями (0,3–100 мкм моль м -2 с -1 ) и обнаружили, что индекс увеличивается с увеличением интенсивности света. в диапазоне 0.1–10 мкм моль м –2 с –1 , хотя детальное поведение зависело от длины волны. Кроме того, Iseki et al. [9] идентифицировали флавопротеин, ответственный за «повышающие» ответы.
Фотодвижения E. gracilis вызывают интересную макроскопическую картину: биоконвекцию [3, 10–14]. Если взвесь E. gracilis освещена снизу сильным светом, картина локализуется в пространстве [15, 16]. Такие локализованные структуры можно разделить на две группы: одна представляет собой отдельную область с высокой плотностью клеток, зажатую с двумя противоположно вращающимися конвекционными валками (биоконвекционный блок), а другая представляет собой бегущую волну в ограниченной области (локализованная бегущая волна).Эти элементарные конструкции могут быть получены в кольцевом контейнере [15].
Сильное освещение снизу является необходимым условием для создания этих локализованных биоконвекционных структур. И наоборот, если интенсивность света мала, картина локализации не наблюдается [17]. В то время как поведение фотоотклика, вероятно, отвечает за механизм локализации, вышеупомянутые фотодвижения кажутся недостаточными для описания наблюдаемых паттернов локализации. В частности, движение микроорганизмов за счет фототаксиса параллельно световому вектору.В установке вертикального светового вектора это важно для микроорганизмов, чтобы накапливаться у поверхности и вызывать нестабильность Рэлея-Тейлора [18]; однако макроскопический горизонтальный поток плотности клеток, вызывающий наблюдаемую пространственную локализацию, не учитывается в этом эффекте.
Винсент и Хилл [3] проанализировали гидродинамическую модель биоконвекции, созданную с помощью положительного фототаксиса, когда суспензия освещалась сверху. В их модели член фототаксиса индуцировал поток плотности клеток только в вертикальном направлении.Рассеяние света рассматривалось в биоконвекции при освещении сверху Гораи и его сотрудниками [19, 20]; однако поток усредненной плотности клеток из-за фототаксиса был направлен вертикально, как в модели Винсента и Хилла. Следовательно, похоже, что для локализованной конвекции требуется другое фотодвижение, которое могло бы быть боковым, чтобы усилить пространственные возмущения.
В этом исследовании мы предполагаем, что боковое движение происходит из-за фотодвижения, определяемого световым градиентом, благодаря которому возможно эффективное скопление особей, потому что при освещении подвески снизу область у поверхности, которая составляет Euglena -богатая. темнее по сравнению с другими регионами.Для сравнения, Williams и Bees [21] включили влияние фотодвижения за счет светового градиента на крутящий момент, приложенный к клетке микроорганизма, предполагая, что отдельная клетка способна обнаруживать световой градиент. Кроме того, исследования таких условий, как пространственная световая ловушка [7] или фотофобная реакция [8], позволили предположить некоторые реакции E. gracilis на световой градиент.
Giometto et al. [5] получили уравнение плотности клеток, которое включает пространственный потенциал, вызывающий популяционную скорость в направлении светового градиента.Однако их измерения проводятся при освещении точечным источником света. Таким образом, вектор света не является вертикальным, за исключением начала источника света, поэтому их уравнение не может быть применено непосредственно к конфигурации пространственно однородного освещения (плоский источник света), что связано со многими проблемами, включая проблемы биоконвекции. Уравнение для описания потока ячеек при световом градиенте, создаваемом плоскими источниками света, будет полезным, однако прямых измерений потока плотности ячеек в Е нет.gracilis под легким градиентом. Здесь мы сосредотачиваемся на макроскопическом поведении потока плотности клеток (называемого в дальнейшем «плотностью клеток») и представляем доказательства того, что световой градиент на самом деле вызывает смещение плотности клеток при неоднородном освещении. В частности, в этом исследовании мы измерили фотодвижение E. gracilis за счет светового градиента. Обобщив экспериментальные установки ниже (раздел 2), мы покажем, что поток плотности клеток состоит из суммы диффузии и другого потока, который пропорционален световому градиенту и средней плотности клеток (раздел 3).Мы оцениваем коэффициенты потока как функцию средней интенсивности света (раздел 4) и обсуждаем наблюдаемое поведение фотодвижения в контексте других явлений, таких как хемотаксис (раздел 5).
2 Экспериментальные установки
E. gracilis предварительно культивировали с использованием среды Корена-Хутнера в течение 2–4 недель при непрерывном освещении при комнатной температуре. Затем клетки инокулировали в раствор HYPONeX с концентрацией 1 г / л при периодическом освещении (14 ч яркого света / 10 ч темноты).После 4–21 дня культивирования в водном растворе HYPONeX суспензию использовали для каждого эксперимента в течение 10–14 часов циркадного времени (CT).
Поток плотности клеток измерялся в световом поле с двумя различными областями интенсивности (раздел 3). Культуру HYPONeX разбавляли до 2,50 × 10 5 клеток / мл -1 плотности клеток и помещали в капиллярный стакан (объем V = 1 мкл , длина = 30 мм, внутренний радиус = 0,10 мм). . Капиллярное стекло с культурой клеток освещали в течение 60 мин снизу галогенным плоским источником света (YAHATA, Megalight 100) через белую акриловую пластину (толщиной 1 мм) для рассеивания света (рис. 1 (а)).Две области с разной интенсивностью света были приготовлены с использованием фото-маски из листа OHP, на котором маска в градациях серого была напечатана с использованием лазерного принтера (Canon MF8350). Плотность фотопотока (PFD) в точке наблюдения I измерялась освещающим фотометром (Deltaohm, HD2302.0) на белой акриловой пластине. Разница в PFD между более темной областью ( I D ) и более яркой областью ( I B ) варьировалась от 0.От 5 до 2,0 мкм моль м −2 с −1 при сохранении средней интенсивности ( I D + I B ) / 2 постоянной (рис. 1 (b) ). В области около x = 0, границы интенсивностей света, интенсивность света имела градиент. Максимальный световой градиент составил -0,314 мкм моль м -2 с -1 ⋅ мкм м -1 . Для подсчета количества клеток, содержащихся в более темной ( N D ) и более яркой ( N B ) частях, капиллярное стекло было разрезано по центру и культура перенесена на стеклянную пластину. перед тем, как один раз промыть внутреннюю часть капиллярного стакана дистиллированной водой.Затем подсчитывали количество клеток на фотографии, сделанной с верхней части стеклянной пластины с помощью микрообъектива (универсальный адаптер Raynox UAC 3500), прикрепленного к цифровой камере (GC-PX1, JVC, Япония). Для каждого набора из I B — I D и I B + I D было выполнено десять экспериментов. Хотя в более позднем анализе использовалась нормализованная разница в двух регионах, распределение для N D и N B характеризовалось 60.30 ± 19,41 и 151,80 ± 22,75 (среднее ± стандартное отклонение) для случая ( I D + I B ) / 2 = 1,25 μ моль м −2 с −1 и I B — I D = 1,5 μ моль м −2 с −1 , например.
Плотность стационарных клеток оценивалась при освещении градиентом силы света (раздел 4).Ступенчатая интенсивность света создавалась фотошаблоном с листом ОНР. Были приготовлены два вида дискретных рисунков следующим образом: первый рисунок имел восемь ступеней, а интенсивность света увеличивалась с 1,47 мкм моль м -2 с -1 до 25,76 мкм моль м -2 с −1 с 3,47 мкм моль м −2 с −1 в шаге с прямоугольными областями (5 мм в ширину, 25 мм в высоту) (Лист A; Рис. 2 (a), внутри пунктирного прямоугольника ).Вторая картина имела семь ступеней, а интенсивность света увеличивалась с 1,47 мкм моль м -2 с -1 до 8,41 мкм моль м -2 с -1 с 1,16 мкм моль м −2 с −1 в шаге (Лист B). Шаблоны были зажаты с двумя более широкими прямоугольными областями (40 мм в ширину, 25 мм в высоту), и оттенки серого каждого широкого прямоугольного шаблона были такими же, как и у соседнего прямоугольника, чтобы устранить граничные эффекты.
Была приготовлена силиконовая пластина толщиной 1 мм с прямоугольным отверстием, которая была зажата со стеклянными пластинами для создания ячейки Хеле-Шоу (64 мм в ширину, 10 мм в высоту и 1 мм в толщину). Культуру HYPONeX разбавляли до 0,50 × 10 5 по плотности клеток и герметизировали в ячейке Хеле-Шоу. Ячейка Хеле-Шоу освещалась снизу галогеновым плоским светом через фото-маску и белую акриловую пластину (рис. 2 (b)). После 2-часового освещения клетки в каждой прямоугольной области фотографировали с использованием той же оптики, что и в предыдущем эксперименте.Оптика была установлена на устройстве, которое позволяет механически перемещаться по горизонтали, так что высота фокуса была одинаковой для всех областей во время одной последовательности сканирования. Кроме того, тщательно выбиралась высота фокуса, чтобы избежать приграничных областей. Сфотографированная область представляла собой прямоугольник (2,9 мм × 2,2 мм) в центральной части каждой прямоугольной области, после чего подсчитывали количество ячеек. Мы подготовили две фотографии, сделанные с интервалом в одну секунду, преобразовали их в изображения в оттенках серого (рис. 2 (c)) и подсчитали темные пятна, которые перемещались между двумя изображениями.Для каждой области плотности было выполнено десять измерений. Отметим, что ширина прямоугольной области была выбрана так, чтобы она была больше как толщины ячейки Хеле-Шоу, так и ширины области фотографии.
3 Поток плотности клеток за счет светового градиента
В первом эксперименте (рис. 1), если N B и N D зависят от разницы в интенсивности света, I B — I D , поток плотности клеток имеет еще один фактор, зависящий от световой среды.Здесь мы смоделировали движение населения, а не индивидуальное движение. Согласно результатам Giometto et al. [5], что распределение плотности клеток удовлетворяет уравнению диффузии, мы предположили, что поток плотности клеток Дж был суммой эффекта диффузии и дополнительного члена, Дж p , который был неизвестен в тот момент , следующее.
(1)
Нашей целью в этом эксперименте было выяснить, зависит ли J p от разницы в интенсивности света, Δ I = I B — I D , и количественно определить зависимость от Δ I .Для этого была использована следующая формула. В установившемся режиме Дж = 0. Мы проинтегрировали уравнение (1) по интервалу [- ε , ε ] (где 2 ε — характерная ширина переходного слоя интенсивности света на обе стороны), чтобы получить
(2)
Что касается n ( ε ), n (- ε ) в качестве средней плотности клеток в яркой области и в темной области, N B / ( V /2 ), N D / ( V /2) соответственно, мы получили
(3)
Таким образом, усредненный поток в интервале [- ε , ε ],, представляется как
(4)
Эта формула дает соотношение между Δ N и Δ N , измеренным экспериментально.Мы измерили Δ N для разных Δ I , сохранив при этом среднюю интенсивность света I среднее значение = ( I D + I B ) / 2. Результаты суммированы на рис. 3, где нанесен график для Δ I для I среднее значение = 1,25, 3,25 и 13,75 мкм моль м −2 с −1 . Количество клеток в капилляре ( N D + N B ) варьировалось от 135 до 319, тогда как количество было оценено как 250 клеток из средней плотности клеток в культуре.Когда I среднее значение = 1,25 μ моль м −2 с −1 , средние значения N B для каждого значения Δ I всегда были больше, чем у N D ; то есть особи имели тенденцию накапливаться в среднем в более яркой области. С другой стороны, когда I среднее значение = 13,75 μ моль м −2 с −1 , средние значения N B всегда были меньше, чем N . D , и особи имели тенденцию скапливаться в среднем в более темных областях.Эти два случая показывают, что горизонтальный световой градиент вызывает смещение плотности клеток и что направление потока плотности клеток зависит от среднего значения I . Также показан почти нейтральный случай, I среднее = 3,25 μ моль м −2 с −1 , где средние значения N D и N B были почти такими же, хотя световой градиент присутствовал.
Рис 3. по сравнению с Δ I для I среднее значение = 1,25, 3,25, 13,75 μ моль м −2 с −1 . Усредненные значения и стандартные отклонения показаны точками и столбиками . Фитинги нарисованы пунктирными линиями . Наклоны : 0,302 ± 0,0252 для I среднее значение = 1,25 мкм моль м −2 с −1 , −0,0147 ± 0,0226 для I среднее = 3 .25 μ моль м −2 с −1 и −0,243 ± 0,0217 для I среднее значение = 13,75 μ моль м −2 с −1 .
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0168114.g003
Кроме того, рис. 3 показывает, что это пропорционально Δ I :
(5)
где k — постоянная, определяемая средней силой света и. Тогда мы могли бы определить поток как
(6)
где — усредненный градиент интенсивности света.
Взяв предел ε → 0, мы получили следующий вид J p :
(7)
где коэффициент 2 k был заменен функцией силы света, f ( I ).
4 Функция фотодвижения за счет светового градиента
Далее мы оценили f ( I ) экспериментально. Мы использовали следующую формулу. По формуле (1) и виду Дж p (уравнение (7)) мы приняли следующий вид потока плотности клеток в одномерном случае как
(8)
В установившемся режиме Дж = 0.Потом,
(9)
Таким образом, мы можем оценить f ( I ) путем измерения распределения плотности клеток в установившемся состоянии, n ( x ), при заданном распределении интенсивности света I ( x ). Для этого был проведен эксперимент, представленный на рис.
Общее поле силы света можно рассматривать как ступенчатое, тогда как средний линейный градиент света dI / dx = γ в листе A составил γ = γ A = 0 .694 μ моль м −2 с −1 ⋅ мм −1 , а в листе B γ = γ B = 0,231 μ моль м −2 с −1 ⋅ мм −1 . Далее мы предположили, что dI / dx = γ .
Поскольку плотность клеток была низкой, а глубина суспензии была небольшой, мы могли исключить эффект самозатенения E. gracilis ; в частности, не происходила биоконвекция.Кроме того, глубина резкости камеры, a , была мала по сравнению с глубиной ячейки Хеле-Шоу, d . Таким образом, подсчитанное число в каждой области, N , было оценено путем умножения плотности клеток на a и области наблюдения A : N = nAa . В реальных измерениях мы использовали усредненное частотное распределение N , n ′, которое также пропорционально n . Из этих измеренных значений мы могли бы получить f ( I ) как
(10)
На рис. 4 показано частотное распределение подсчитанного количества ячеек, n ′.Во всех экспериментах не наблюдалось глобального перетекания или самозатенения особей. Результаты для листа A показывают медленный распад ( I −1 ) n ′, когда I > 15 μ моль · м −2 s −1 . На обоих графиках есть одиночные пики; в частности, I = 3,80 μ моль м −2 с −1 для листа B. Эти результаты показывают, что E. gracilis предпочитает определенную интенсивность света и движется согласно световому градиенту.Распределение с использованием листа B предполагает, что n ( x ) имеет большой разброс в области I <10 μ моль м −2 с −1 ; данные для листа А сглаживаются в этой области.
Рис. 4. Построенные данные n ′ ( x ).
(а) Лист А, исходные данные. Усредненные значения и стандартные отклонения показаны точками и полосами, которые немного сдвинуты вправо, чтобы избежать перекрытия с необработанными данными.(b) То же, что и в (a), но для листа B. (a) ’Лист A, кривая, описанная уравнением (11). Усредненные значения и стандартные отклонения показаны точками и полосами. (b) ’Как в (a)’, но для листа B и горизонтальный диапазон был установлен таким же, как для (a) ’.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0168114.g004
Полученные распределения качественно согласуются с результатом, полученным при рассмотрении потока плотности клеток, где E. gracilis переместилась в более яркую область при I = 1.25 μ моль м −2 с −1 , тогда как он предпочел более темную область, когда I = 13,75 μ моль м −2 с −1 . Мы предположили, что измеренное значение Частотное распределение количества клеток, которое пропорционально распределению плотности клеток, было представлено дробной функцией следующего вида:
(11)
где независимая переменная была заменена на I с использованием отношения I ( x ) = γx .Эта форма была выбрана таким образом, чтобы при I было большим, как это отражено в результате на листе A (рис. 4 (a)).
Подгонянные значения a , b , c и d , полученные методом Левенберга-Марквардта, а также интенсивность света, дающая пик подобранной кривой, I *, перечислены в таблице 1. для обоих случаев листа A и листа B. Подгоняемая функция принимает максимум при I = I c = 3.8 мкм моль м −2 с −1 для листа B.
Эти два эксперимента дают распределение плотности клеток в разных световых областях; закон затухания в яркой области был получен путем эксперимента с использованием Листа A, а подробное распределение вблизи максимума n ′ было исследовано в эксперименте с использованием Листа B. Здесь мы отмечаем, что плотность клеток n ( I ) ожидалось, что он будет пропорционален; однако их коэффициенты пропорциональности не совпадают при конкретном значении I (или x ) по следующим двум причинам: (1) (и изображенные данные) представляют не саму плотность клеток, а нормализованное значение используя общее количество ячеек.(2) Распределение количества клеток зависит как от средней плотности клеток, так и от распределения света. Следовательно, мы не можем напрямую объединить результаты для листа A и листа B.
Чтобы получить функцию f ( I ) с использованием этих данных, нам не требовалось абсолютное значение плотности ячеек, потому что пропорциональность не меняется f ( I ): f ( I ) инвариантно относительно преобразования n ′ → αn ′ ( α — постоянная).Используя этот факт, мы оценили функцию распределения чисел, охватывающую всю экспериментальную область, следующим образом. Определим набор данных интенсивности света и плотности клеток в экспериментах с использованием Листа A и Листа B как S A и S B соответственно. Здесь S A и S B , где M — количество данных. Мы определяем критическую интенсивность света, разделяющую область затухания и детализированную область, как I = I b = 10 μ моль м −2 s −1 .Мы объединяем S A и S B с учетом того, что каждый набор имеет неопределенный коэффициент плотности ячеек, который является результатом различных областей светового градиента. Без потери общности, мы можем присвоить коэффициент неопределенности только набору данных S A . Теперь объединенный набор данных S ( α ) определяется как
(12) (13)
Подгонка функции к набору данных S ( k ) выполняется следующим образом.Мы определяем ошибку подгонки как функцию α как:
(14) (15)
где — функция, пропорциональная распределению плотности клеток. Здесь мы приняли разницу между логарифмом данных и функциями для взвешивания данных в области затухания, чтобы хвостовая часть распределения также вносила вклад в оценку ошибки. Чтобы найти набор из α и ( a , b , c , d ), чтобы минимизировать E ( α ; a , b , c , d ), мы нашли параметры ( a , b , c , d ) для минимизации E ( α ; a , b , c , d ) для заданного значения α .Величина минимальной ошибки определялась как. Затем находим минимизатор α = α * такой, чтобы определить лучшие параметры α и ( a , b , c , d ). На практике мы вычисляем в интервале 1 ≤ α ≤ 5 с шагом 0,01 и находим α *, так что это минимум. Результаты приведены в таблице 1 (справа), где были получены α * = 3,96 и I * = 3,63.Соответствующая функция для набора данных S ( k ) показана на рис. 5.
Подставляя функции и на n ′ в уравнении (10), вычисляем функцию f ( I ). Здесь мы еще раз отметим, что постоянная неопределенность не влияет на расчет f ( I ), поэтому оба и могут использоваться для расчета f ( I ). Расчетные функции f ( I ) показаны на рис. 6. Общая форма функции для Листа A аналогична таковой для объединенного, за исключением меньших значений интенсивности света.Форма функции для Листа B аналогична объединенной для больших значений интенсивности света, тогда как она отличается от формы для объединенного из-за грубых данных. Значение f ( I ) должно быть идентично значению 2 k , полученному с учетом потока плотности ячеек; k = 0,302, -0,0147, -0,243 для I среднее значение = 1,25, 3,25 и 13,75 μ моль м −2 с −1 соответственно. Значение k = 0.302 ( I среднее значение = 1,25 μ моль м −2 с −1 ) отклоняется от результата, потому что он находится за пределами области измеренного значения, и подобранная функция, таким образом, не может хорошо представлять данные . Два других значения демонстрируют разумное согласие с расчетным значением f ( I ).
Знак f ( I ) изменяется при I = I c по формуле (10). Таким образом, если сила света меньше I c , E.gracilis имеют тенденцию двигаться в сторону более яркой области. Если интенсивность света больше, чем I c , E. gracilis имеет тенденцию смещаться в более темную область. Однако функция f ( I ) принимает значение почти равное нулю, если I большое (например, 15 μ моль м −2 с −1 ), поэтому E. gracilis почти нейтральный по отношению к световому градиенту, если средняя интенсивность света достаточно велика.
5 Заключительные замечания
В этом исследовании мы провели два эксперимента, чтобы изучить распределение плотности клеток в суспензии E.gracilis под градиентом интенсивности света. В первом эксперименте был измерен поток плотности клеток, и результат показал, что поток был пропорционален градиенту интенсивности света и плотности клеток. Коэффициенты пропорциональности могут быть как положительными, так и отрицательными, в зависимости от средней интенсивности света. Во втором эксперименте коэффициент оценивался как функция интенсивности света. Полученные результаты показали, что E. gracilis имели тенденцию к накоплению в области с определенной интенсивностью света (примерно 3.8 μ моль м −2 с −1 ), когда суспензия освещалась снизу таким образом, что создавался линейный градиент интенсивности света, хотя критическое значение для индивидуумов могло иметь разнообразие. В этих экспериментах основной эффект фототаксиса был вертикальным из-за вертикального освещения, которое отличается от той, что использовалась Джометто и др., В которой использовался точечный источник света, а средний вектор света был наклонен [5].
Согласно эксперименту локальной биоконвекции с использованием E.gracilis [15, 16], мы приняли типичную плотность клеток как ρ = 10 6 клеток / мл, а глубину суспензии как d = 5 мм. Коэффициент поглощения суспензии E. gracilis , k a , составляет 2,84 × 10 −10 м 2 / клеток (С. Нода, кандидатская диссертация в Хиросимском университете, 2012). Используя закон Ламберта-Бера, мы можем оценить интенсивность света в верхней части подвеса, освещенного снизу, с интенсивностью света I 0 , I , как Если мы возьмем I 0 = 30 μ моль м −2 с −1 , что соответствует примерно 1200 лк, мы получим I = 7.2 μ моль м −2 с −1 , что выше порога I c . Следовательно, если имеется возмущение в соответствующем однородном распределении плотности клеток во всей области, возмущение нарастает за счет светового градиента. Эта нестабильность не зависит от длины волны возмущения и не зависит от неустойчивости Рэлея-Тейлора, которая вызывает многие виды (нелокализованной) биоконвекции. В этом смысле фотодвижение из-за светового градиента может представлять главную причину локализации.
Механизм накопления пока остается открытым. Поскольку E. gracilis имеет единственное парафлагеллярное тело, которое действует как орган чувств, особь E. gracilis не может обнаружить мгновенный световой градиент. Однако настоящие результаты показывают, что E. gracilis ведут себя так, как будто они могут чувствовать световой градиент. Предложена теоретическая модель биохимических кинетических процессов фоторецепторов для раскрытия механизма фотофобных реакций [7].Однако нынешние характеристики f ( I ) не могут быть полностью объяснены с помощью одной только этой модели. Ниже перечислены несколько альтернативных кандидатов для этого механизма.
Первый кандидат — механизм на основе фототаксиса. Фактически, E. gracilis может интегрировать информацию о рассеивании света в среде с градиентом света. В текущей настройке мы использовали акриловую пластину для рассеивания света, чтобы отдельная ячейка в среде с градиентом света обнаруживала векторы рассеяния света не только непосредственно снизу, но и под углом.Световые векторы снизу наклонно наклонены, и их интенсивность неоднородна. Таким образом, интеграция фототактического отклика разной величины может привести к наблюдаемому отклику на световой градиент. Этот сценарий будет подтвержден, если отклик фототаксиса изменится при том же значении интенсивности света, при котором функция f ( I ), функция отклика на световой градиент, принимает ноль, т.е. 3,8 μ моль м −2 с −1 , при тех же условиях освещения.Критическое значение изменения поведения фототаксиса, определенное Häder et al. составляла около 250 лк (= 1,05 Вт · м −2 ) [4]. Для точного преобразования энергетической освещенности в плотность фотопотока требуется спектр источника света, который недоступен. Оценка в предположении, что свет имел единственный пик при 470 нм, дает 1,05 Вт · м −2 = 4,1 мкм моль · м −2 с −1 . Подчеркнем, что это значение дает лишь порядок плотности фотопотока; однако примечательно, что он имеет тот же порядок, что и наше критическое значение.
Вторая возможность — это фотофобный механизм. Когда отдельная клетка E. gracilis