Тело книдарий — гидры, медузы, актинии, коралла — построено из двух слоёв клеток и прослойки между ними. Казалось бы, проще некуда. Но в этих двух слоях работают клетки, которые одновременно служат покровом и мышцей, стволовые клетки, способные дать любую специализированную клетку, и самый быстрый механизм в мире живого — стрекательная капсула, выстреливающая нить за 700 наносекунд. А прослойка между слоями у гидры тоньше микрометра, а у медузы составляет почти всю массу тела.
В статье разобраны:
- общий план стенки тела и терминология: эктодерма и эпидермис, энтодерма и гастродермис;
- эпидермис: эпителиально-мускульные, интерстициальные, нервные, чувствительные и железистые клетки;
- стрекательные клетки: строение, типы, развитие, механизм выстрела, яд, регуляция;
- гастродермис: пищеварительно-мускульные и железистые клетки, симбионты;
- мезоглея: строение и различия у классов;
- стволовые клетки, обновление тканей, мышцы и нервная сеть;
- сравнение тканей гидроидных, сцифоидных и коралловых полипов.
В конце — что нужно знать к ЕГЭ, раздел для олимпиадников и 16 заданий с разбором. Общий обзор книдарий — в статье «Книдарии (стрекающие)».
- Как изучали ткани книдарий
- План стенки тела и термины
- Эпидермис
- Эпителиально-мускульные клетки
- Интерстициальные клетки и обновление тканей
- Нервные, чувствительные и железистые клетки
- Стрекательные клетки
- Типы книд
- Как развивается книдоцит
- Механизм выстрела
- Яд и регуляция
- Гастродермис
- Симбионты гастродермиса
- Мезоглея
- Мышцы книдарий
- Ткани у разных классов
- Гомологичны ли слои книдарий зародышевым листкам
- Что нужно знать к ЕГЭ
- Для олимпиад
- Задания с разбором
- Литература
Как изучали ткани книдарий
- 1744А. Трамбле: разрезанная гидра восстанавливается целиком
- 1849Т. Хаксли: тело медуз и полипов состоит из двух слоёв клеток
- 1872Н. Клейненберг описывает эпителиально-мускульные клетки гидры
- 1940Л. Гайман: «Беспозвоночные», том 1 — классическое описание тканей книдарий
- 1984Т. Хольштейн и П. Тардан: выстрел нематоцисты длится микросекунды
- 1990Й. Вебер: в капсуле — полиглутаминовая кислота, создающая огромное осмотическое давление
- 1996Х. Боде: интерстициальные клетки гидры — древняя система стволовых клеток
- 2006Т. Нюхтер и соавторы: выстрел за 700 наносекунд, ускорение — 5 млн g
- 2012П. Штайнмец и соавторы: поперечнополосатые мышцы медуз возникли независимо от наших
- 2015Миксоспоридии — паразиты рыб — оказались упрощёнными книдариями со стрекательными капсулами
- 2019Атлас клеток гидры: путь каждой клетки от стволовой до зрелой прослежен по работе генов
- первые наблюдения
- клетки и ткани
- стрекательные клетки
- молекулярные методы
План стенки тела и термины
Книдарии — двуслойные (диплобластические) животные. Их зародыш образует два зародышевых листка: наружный — эктодерму и внутренний — энтодерму. У взрослого животного из них развиваются два эпителия, которые называют эпидермисом (наружный слой) и гастродермисом (внутренний, выстилающий кишечную, или гастральную, полость). Между ними лежит мезоглея — слой межклеточного вещества. В школьных учебниках слои взрослой гидры часто называют просто эктодермой и энтодермой; в зоологической литературе слова «эпидермис» и «гастродермис» используют для взрослых тканей, а «эктодерма» и «энтодерма» — для зародышевых листков [1, 2].
- Эпителиально-мускульныепокров; мышечные отростки вдоль тела
- Интерстициальныестволовые клетки между эпителиальными
- Стрекательныекнидоциты, особенно на щупальцах
- Нервные и чувствительныенервная сеть у основания слоя
- Железистыеслизь, клейкое вещество подошвы
- Межклеточный матриксколлагены, ламинин, гликозаминогликаны
- У гидроидныхтонкая, без клеток
- У сцифоидных и коралловыхтолстая, с клетками-амёбоцитами
- Функцииопора, упругий скелет, связь слоёв
- Пищеварительно-мускульныежгутики, фагоцитоз; мышечные отростки поперёк тела
- Железистыеферменты и слизь в кишечную полость
- Нервныевторая нервная сеть
- Симбионтыводоросли в клетках у кораллов и зелёной гидры

У полипа и у медузы стенка тела устроена одинаково, различаются лишь пропорции. У полипа мезоглея обычно тонкая, у медузы — толстая, студенистая. У медузы есть и особенность: гастродермис образует не только выстилку желудка, но и систему каналов, идущих по зонтику, а между каналами — тонкую энтодермальную пластинку.
Оба эпителия — настоящие: их клетки полярны, соединены друг с другом контактами (у книдарий — септированными, похожими на септированные контакты беспозвоночных), а базальной стороной лежат на базальной пластинке — слое межклеточного матрикса с коллагеном IV и ламинином. Эти белки — признак эпителиев всех эуметазоев, и у книдарий они уже есть [3].
Классический объект для изучения тканей — пресноводная гидра. В её теле около 100 тысяч клеток, принадлежащих примерно двум десяткам типов. Это настолько мало, что в 2019 году удалось проследить по работе генов путь каждого типа клеток от стволовой до зрелой [4].

Эпидермис
Эпидермис — однослойный эпителий, покрывающий тело снаружи. У гидры его основу составляют крупные эпителиально-мускульные клетки, а в промежутках между их основаниями располагаются мелкие клетки: интерстициальные, нервные, развивающиеся стрекательные. Поверхность покрыта слоем слизи (гликокаликсом), который защищает от высыхания и микробов. У коралловых полипов и актиний эпидермис несёт реснички, которые гонят воду и слизь с частицами по поверхности тела [1].
Эпителиально-мускульные клетки
Эпителиально-мускульная клетка — главный тип клеток эпидермиса гидры и одна из самых интересных клеток животного мира. Её верхняя часть — обычная эпителиальная клетка с ядром, участвующая в образовании покрова. Нижняя часть, прилегающая к мезоглее, вытянута в один или несколько мышечных отростков, в которых лежат пучки сократимых нитей актина и миозина (мионемы) [2].
- Мышечные отростки клеток эпидермиса направлены вдоль тела. Их сокращение укорачивает гидру.
- Мышечные отростки клеток гастродермиса (пищеварительно-мускульных) направлены поперёк тела. Их сокращение делает гидру тоньше и длиннее.
Так из двух слоёв клеток получается кожно-мускульный мешок с продольными и кольцевыми мышцами, как у червей, только мышечные элементы — не отдельные клетки, а отростки клеток покрова. Эпителиально-мускульные клетки описал в 1872 году Николай Клейненберг, ученик Геккеля, изучавший гидру [5].
Эпителиально-мускульные клетки выполняют и другие задачи: в щупальцах они служат «батарейными» клетками, в которые встроены десятки стрекательных клеток; в подошве выделяют клейкое вещество; при регенерации и почковании именно они задают форму тела. Зелёные пигментные гранулы, слизь, вещества, задающие оси тела (сигналы Wnt), — всё это продукция эпителиальных клеток.
Гидра без нервов. Если у гидры уничтожить все интерстициальные клетки (например, облучением или веществами, убивающими делящиеся клетки), через некоторое время в ней не останется ни нервных, ни стрекательных, ни железистых клеток — только эпителиальные. Такая «эпителиальная гидра» живёт, если её кормить вручную, проталкивая пищу в рот, почкуется и регенерирует. Значит, эпителиальные клетки сами задают план тела, а нервная система для этого не нужна [6].
Интерстициальные клетки и обновление тканей
Интерстициальные (промежуточные) клетки — мелкие округлые клетки с крупным ядром и малым количеством цитоплазмы, лежащие в промежутках между основаниями эпителиально-мускульных клеток. Это стволовые клетки: они делятся и дают начало стрекательным, нервным, железистым и половым клеткам [6, 7].
- Эпителиальные клетки эпидермисаделятся сами; дают только себе подобных
- Эпителиальные клетки гастродермисаделятся сами; дают только себе подобных
- Интерстициальные клеткистволовые клетки эпидермиса
- Их потомкикнидоциты, нейроны, железистые клетки, яйцеклетки и сперматозоиды
Ткани гидры постоянно обновляются. Эпителиальные клетки обоих слоёв делятся в основном в средней части тела, примерно раз в три-четыре дня, и медленно сдвигаются к щупальцам и к подошве, где слущиваются. Избыток клеток уходит в почки. За несколько недель тело гидры почти полностью заменяется новым. Поэтому гидра, по-видимому, не стареет: у неё нет признаков старения, а смертность не растёт с возрастом [8, 9].
У гидры три независимые линии клеток: эпителиальные клетки эпидермиса, эпителиальные клетки гастродермиса и интерстициальные клетки. Каждая линия поддерживает себя сама и не превращается в другую. У морских гидроидных интерстициальные клетки могут мигрировать и давать и соматические, и половые клетки, а у некоторых медуз специализированные клетки превращаются в другие типы без участия стволовых — это трансдифференцировка. Самый известный пример — медуза Turritopsis dohrnii, которая при повреждении или старении превращается обратно в полип: её клетки меняют специализацию, и из комочка ткани вырастает колония полипов [10].

Нервные, чувствительные и железистые клетки
Нервные клетки лежат у основания эпидермиса и гастродермиса и своими отростками образуют две нервные сети — по одной в каждом слое. Нейроны соединены синапсами (часто — двусторонними, проводящими сигнал в обе стороны) и щелевыми контактами. Сигнал от раздражённого участка расходится во все стороны. У медуз на краю зонтика нервные клетки собраны в нервные кольца, а у кубомедуз в краевых тельцах есть глаза с хрусталиком [1].
Чувствительные клетки — узкие клетки эпителия с ресничкой или жгутиком на поверхности, основанием переходящие в нервные отростки. Они реагируют на прикосновение, химические вещества, свет.
Железистые клетки эпидермиса выделяют слизь; на подошве гидры — клейкое вещество, которым она прикрепляется к субстрату, а у пресноводных гидр образующие пузырёк газа, позволяющий всплыть. У коралловых полипов железистые клетки эпидермиса многочисленны и выделяют слизь, которой улавливаются частицы пищи.
Стрекательные клетки
Стрекательная клетка (книдоцит, или нематоцит) — признак, по которому книдарии получили своё название (греч. knide — крапива). Она есть у всех книдарий, и только у них [11, 12].

Книдоцит — клетка, почти целиком заполненная огромной органеллой — книдой (у большинства — нематоцистой). Книда — двустенная капсула, внутри которой туго свёрнута полая нить; у основания нити — утолщение со шипами (стилетами). Капсула закрыта крышечкой (у медузоидных) или тремя клапанами (у коралловых). На поверхности клетки торчит чувствительный волосок — книдоциль (у гидроидных, сцифоидных, кубомедуз) или ресничный конус (у коралловых полипов). Ядро книдоцита оттеснено к основанию клетки.
Стенка капсулы сделана из белков миниколлагенов — коротких коллагеноподобных белков с богатыми цистеином концами, — и белка NOWA. Молекулы сшиты дисульфидными связями в чрезвычайно прочную сеть, выдерживающую давление в сотни атмосфер. Миниколлагены есть только у книдарий [13].
У гидры стрекательные клетки сосредоточены в щупальцах: там каждая эпителиально-мускульная клетка несёт в себе десятки книдоцитов, образуя «стрекательную батарею». На теле их меньше, а в подошве нет вовсе. Стрекательные клетки есть и в гастродермисе — у коралловых полипов они сидят на мезентериальных нитях и в акониях (нитях, которые актиния выбрасывает через рот или поры для защиты), у медуз — на ротовых лопастях.

Типы книд
Книды делят на три класса [14, 11].
- Проникающиестенотелы гидры: шипы и открытый конец нити, яд
- Обвивающиедесмонемы: короткая нить закручивается вокруг щетинок добычи
- Клейкиеизоризы: длинная нить прилипает к добыче или субстрату
- Спироцистыклейкие нити из тончайших трубочек; коралловые полипы
- Птихоцистынити для постройки трубки; цериантарии
- Нематоцистыесть у всех книдарий; около 30 типов
- Нематоцисты — есть у всех книдарий. Описано около 30 типов; их различают по форме капсулы, длине и форме нити, расположению шипов. Набор типов нематоцист (книдом) — важный систематический признак.
- Спироцисты — только у шестилучевых коралловых полипов (актиний, мадрепоровых кораллов). Однослойная капсула, нить без шипов, при выстреле покрывается сетью тончайших клейких трубочек — ими добыча приклеивается.
- Птихоцисты — только у цериантарий. Их нити выстреливаются в грунт и сплетаются в войлок, из которого полип строит трубку.
У гидры четыре типа нематоцист, и каждый выполняет свою работу.
| Тип | Как устроен | Функция |
|---|---|---|
| Стенотелы (пенетранты) | Крупные, с мощными шипами у основания нити; нить открыта на конце | Пробивают покров добычи и вводят яд |
| Десмонемы (вольвенты) | Мелкие, короткая нить без шипов, закрытая на конце | Закручиваются вокруг щетинок и выростов добычи и удерживают её |
| Голотрихные изоризы (глютинанты) | Длинная нить, покрытая мелкими шипиками по всей длине | Прилипают к добыче, защита |
| Атрихные изоризы (глютинанты) | Длинная гладкая нить | Прикрепление щупалец к субстрату при «шагающем» передвижении гидры |
Как развивается книдоцит
Книдоциты образуются из интерстициальных клеток в средней части тела гидры, а не в щупальцах, где работают [12, 13].
Интерстициальная клетка несколько раз делится без полного разделения цитоплазмы, и получается «гнездо» из 4–32 нематобластов, соединённых цитоплазматическими мостиками. Все клетки гнезда синхронно строят книды одного типа. В каждой клетке аппарат Гольджи формирует огромную вакуоль — будущую капсулу; стенка собирается из миниколлагенов, нить сначала растёт снаружи капсулы, а затем втягивается внутрь и сворачивается. Капсула накачивается полиглутаминовой кислотой. Готовые книдоциты расходятся, мигрируют по телу к щупальцам и встраиваются в батарейные клетки. Весь путь занимает около недели.
Интересно, что стрекательные капсулы очень похожи на органеллы некоторых одноклеточных — например, на полярные капсулы микроспоридий и экструсомы динофлагеллят. Это навело на гипотезу, что книда возникла из органеллы симбиотического протиста. Однако гены, нужные для её построения (миниколлагены и другие), — собственные гены книдарий, и большинство исследователей считают книду новообразованием, возникшим из секреторных пузырьков [13].
Механизм выстрела
Выстрел нематоцисты — один из самых быстрых процессов в живой природе [15, 16].
Внутри капсулы содержится высококонцентрированный раствор полиглутаминовой кислоты (длинной цепочки остатков глутаминовой кислоты) с ионами калия и кальция [17]. Из-за этого осмотическое давление в капсуле около 150 атмосфер. Когда клетка получает сигнал, проницаемость стенки капсулы резко меняется, ионы кальция высвобождаются, вода входит в капсулу, давление растёт, и крышечка открывается. Нить выворачивается наизнанку, как палец перчатки, причём сначала выворачивается основание со шипами — оно работает как гарпун и пробивает покров добычи. Затем выворачивается остальная нить, проникая в ткани.
В 2006 году Тимм Нюхтер и соавторы сняли выстрел нематоцисты гидры камерой со скоростью 1,4 млн кадров в секунду. Первая фаза — выброс стилета — длилась около 700 наносекунд, ускорение достигало 5,4 млн g, а давление на кончике стилета — 7,7 гигапаскаля, сравнимое с давлением пули на мишень. Это позволяет пробить даже хитиновый панцирь рачков [16].
Книдоцит одноразовый: после выстрела он не перезаряжается и гибнет, а его место занимает новый.
Яд и регуляция
Яд книдарий — смесь белков и пептидов: порообразующие белки, разрушающие мембраны клеток (актинопорины), нейротоксины, блокирующие натриевые и калиевые каналы нервов, ферменты (фосфолипазы). Яд большинства книдарий для человека безопасен или вызывает лишь жжение. Но кубомедуза Chironex fleckeri («морская оса») из вод Австралии может убить человека за несколько минут, а португальский кораблик (физалия) вызывает сильнейшую боль.
Регуляция. Чтобы не тратить дорогие одноразовые клетки впустую, книдоцит стреляет не от любого прикосновения. Его порог снижают вещества с поверхности добычи (сахара слизи, некоторые аминокислоты), воспринимаемые соседними чувствительными клетками. У сытой гидры книдоциты стреляют неохотно. Механическое касание без химического сигнала (например, касание стеклянной палочкой) часто не вызывает выстрела. Нервная система тоже участвует: она может повышать или понижать готовность книдоцитов.
Интересный факт. Голожаберные моллюски, поедая гидроидов и актиний, не разряжают их стрекательные клетки, а переносят в кончики выростов на спине (книдосаки) и используют для своей защиты. Этот «украденный» арсенал называют клептокнидами. Гребневик Haeckelia тоже вооружается книдами съеденных медуз. А миксоспоридии — микроскопические паразиты рыб, которых долго считали простейшими, — используют для заражения хозяина полярные капсулы, оказавшиеся настоящими нематоцистами: в 2015 году анализ геномов показал, что миксоспоридии — сильно упростившиеся книдарии [18].

Гастродермис
Гастродермис выстилает кишечную полость. У гидры его основу составляют пищеварительно-мускульные клетки — крупные клетки с одним-двумя жгутиками, обращёнными в полость [2, 1]. Они:
- своими жгутиками перемешивают содержимое полости;
- образуют ложноножки и фагоцитируют частицы пищи, уже частично переваренные в полости;
- завершают переваривание внутри пищеварительных вакуолей;
- запасают питательные вещества (капли жира, гликоген);
- сокращаются: их мышечные отростки направлены поперёк тела и образуют кольцевую мускулатуру.
Между ними лежат железистые клетки двух типов. Зимогенные клетки выделяют в полость пищеварительные ферменты (протеазы, похожие на трипсин и химотрипсин), мукозные — слизь, облегчающую проглатывание добычи. В гастродермисе гидры есть нервные клетки, образующие вторую нервную сеть, и чувствительные клетки.
Пищеварение у книдарий двухэтапное: сначала полостное — ферменты железистых клеток расщепляют добычу в кишечной полости до мелких кусочков и кашицы; затем внутриклеточное — пищеварительно-мускульные клетки захватывают частицы и переваривают их в вакуолях. Непереваренные остатки выбрасываются через рот.
У коралловых полипов гастродермис сложнее. Кишечная полость разделена перегородками (мезентериями), свободный край которых несёт мезентериальные нити с железистыми и стрекательными клетками и ресничными полосками; ими полип может переваривать добычу и даже соседние кораллы вне своего тела. У медуз гастродермис образует желудок, радиальные и кольцевой каналы. У сцифоидных и коралловых полипов в гастродермисе развиваются половые железы (у гидроидных — в эпидермисе).
Симбионты гастродермиса
У многих книдарий в клетках гастродермиса живут одноклеточные водоросли.
- Рифообразующие кораллы и многие актинии содержат динофлагеллят семейства Symbiodiniaceae (зооксантелл). Водоросль живёт в вакуоли внутри клетки гастродермиса — в симбиосоме — и отдаёт хозяину до 90 % продуктов фотосинтеза. При перегреве воды симбиоз разрушается, кораллы теряют водорослей и белеют — это обесцвечивание кораллов [19].
- Зелёная гидра (Hydra viridissima) содержит в клетках гастродермиса одноклеточные зелёные водоросли — хлореллу. Водоросли передаются следующему поколению через яйцеклетку.
- Медуза-кассиопея, лежащая на дне вверх щупальцами, держит симбионтов в ротовых лопастях, а не только в гастродермисе.


Мезоглея
Мезоглея (греч. «средний клей») — слой межклеточного вещества между эпидермисом и гастродермисом. Её основа — коллагены (фибриллярные и коллаген IV), ламинин, гликозаминогликаны и вода. Мезоглея служит опорой и упругим скелетом, связывает два эпителия и передаёт усилия мышечных отростков, по ней мигрируют клетки [3].
| Группа | Толщина и консистенция | Клетки в мезоглее | Особенности |
|---|---|---|---|
| Гидра, гидроидные полипы | Тонкая, около 1 мкм у тела и меньше у щупалец | Нет | Трёхслойная: две базальные пластинки и средняя зона с волокнами коллагена |
| Гидромедузы | Толстая, студенистая | Нет или почти нет | Пружинит: восстанавливает форму зонтика после сокращения мышц |
| Сцифомедузы | Очень толстая, до 95–99 % воды | Есть, амёбоциты | Волокна коллагена и эластические волокна (фибриллин); ионный состав регулирует плавучесть |
| Коралловые полипы | От тонкой до толстой (у актиний) | Есть, много | У восьмилучевых кораллов клетки мезоглеи строят известковые спикулы (склериты) |
Мезоглея медуз — замечательный материал: почти чистая вода, но благодаря сети коллагеновых волокон она упруга и прочна. Когда кольцевые мышцы зонтика сокращаются, мезоглея сжимается, а при их расслаблении сама распрямляется и возвращает зонтик в исходную форму — как резиновый мяч. Медуза тратит энергию только на сокращение. Это делает плавание медуз одним из самых экономичных способов передвижения [20].
Мезоглею иногда сравнивают с мезодермой, но это разные вещи. Мезодерма — зародышевый листок из клеток, дающий мышцы, кровь, соединительную ткань. Мезоглея — прежде всего межклеточное вещество, выделенное двумя эпителиями. Клетки, живущие в мезоглее сцифоидных и коралловых, — выходцы из эпидермиса или гастродермиса. Поэтому книдарии остаются двуслойными животными даже при толстой мезоглее с клетками.

Мышцы книдарий
У гидры и большинства полипов мышечные элементы — отростки эпителиально-мускульных и пищеварительно-мускульных клеток. Это эпителиально-мышечная ткань: мышечные волокна не выделены в отдельные клетки. У актиний и медуз мышцы развиты сильнее: мышечные отростки образуют складки мезоглеи, увеличивающие площадь, а у некоторых клетки полностью уходят из эпителия и становятся отдельными мышечными клетками в мезоглее.
В зонтике медуз есть поперечнополосатые мышцы — с правильно расположенными саркомерами, как в скелетных мышцах позвоночных. Долго считали, что это доказывает родство с поперечнополосатыми мышцами билатерий. Но в 2012 году Патрик Штайнмец и соавторы показали, что у медуз и билатерий поперечнополосатые мышцы построены с участием разных белков и возникли независимо: у общего предка была только гладкая мускулатура [21].
Ткани у разных классов
| Признак | Гидроидные | Сцифоидные и кубомедузы | Коралловые полипы |
|---|---|---|---|
| Мезоглея | Без клеток (тонкая у полипов, толстая у медуз) | Толстая, с амёбоцитами | С клетками; у восьмилучевых — со склеритами |
| Половые клетки | Образуются в эпидермисе | В гастродермисе | В гастродермисе мезентериев |
| Гастродермис | Гладкий, без перегородок (у полипов) | Гастральные карманы, каналы, гастральные нити | Мезентерии с мезентериальными нитями |
| Чувствительный аппарат книдоцита | Книдоциль | Книдоциль | Ресничный конус |
| Типы книд | Нематоцисты | Нематоцисты | Нематоцисты, спироцисты (у шестилучевых), птихоцисты (у цериантарий) |
| Эпидермис | Обычно без ресничек | С ресничками у части видов | Ресничный, со множеством железистых клеток |
| Скелет | Хитиновый перисарк у колониальных полипов | Нет | Известковый (мадрепоровые), роговой или из склеритов (восьмилучевые) |
Известковый скелет мадрепоровых кораллов выделяет особый слой эпидермиса на нижней (аборальной) стороне полипа — калибластический эпидермис. Его клетки создают под собой щелочную среду и откладывают арагонит. Скелет лежит снаружи тела полипа, под ним, и полип «стоит» на собственном известковом основании.
Гомологичны ли слои книдарий зародышевым листкам
Традиционно считается, что эпидермис книдарий соответствует эктодерме, а гастродермис — энтодерме билатерий. Современные данные усложнили эту картину. У актинии Nematostella в гастродермисе работают гены, которые у билатерий характерны для мезодермы (например, twist и snail), а в эпителии глотки, имеющем эктодермальное происхождение, — гены, характерные для кишечника билатерий [22]. Получается, внутренний слой книдарий — «мезоэнтодерма», объединяющая функции будущих энтодермы и мезодермы, а часть функций кишки у книдарий выполняет эктодерма глотки.
Атлас клеток актинии Nematostella (2018) показал, что у двуслойного животного десятки типов клеток, включая разнообразные нейроны и железистые клетки [23]. Двуслойность — не синоним простоты.
Что нужно знать к ЕГЭ
- книдарии (кишечнополостные) — двуслойные животные: наружный слой (эктодерма) и внутренний (энтодерма), между ними — мезоглея;
- клетки эктодермы гидры: эпителиально-мускульные (покров и движение), стрекательные (нападение и защита), промежуточные (восстановление клеток, регенерация), нервные (нервная сеть), половые;
- клетки энтодермы: пищеварительно-мускульные (внутриклеточное пищеварение) и железистые (выделение ферментов в кишечную полость);
- пищеварение полостное и внутриклеточное;
- нервная система диффузная — нервная сеть;
- стрекательная клетка: капсула со стрекательной нитью и чувствительный волосок; срабатывает однократно;
- высокая способность к регенерации обеспечивается промежуточными клетками.
Ловушки. «Мезоглея — третий зародышевый листок» — неверно: это межклеточное вещество, книдарии двуслойны. «Стрекательные клетки находятся в энтодерме» — у гидры в основном в эктодерме, особенно на щупальцах. «Пищеварение у гидры только внутриклеточное» — нет, сначала полостное, затем внутриклеточное. «Нервные клетки гидры образуют нервные узлы» — нет, нервную сеть.
Для олимпиад
Физика выстрела. Если стилет массой около 1 нг (10⁻¹² кг) разгоняется до скорости 18 м/с за 0,7 мкс, ускорение a = v/t ≈ 2,6·10⁷ м/с², то есть около 2,6 млн g (оценка по средней скорости; пиковое ускорение в опытах Нюхтера — 5,4 млн g). Давление на кончике стилета площадью около 1 нм² можно оценить через силу F = ma.
Осмотическое давление капсулы. По уравнению Вант-Гоффа π = cRT. При 20 °C (293 К) давлению 150 атм (около 15 МПа) соответствует концентрация осмотически активных частиц c = π/RT ≈ 15·10⁶ / (8,314 · 293) ≈ 6200 моль/м³, то есть около 6 моль/л — в 20 раз выше, чем в цитоплазме.
Стволовые клетки и бессмертие. У гидры смертность практически не растёт с возрастом (данные Шейбл и соавторов, 2015, по наблюдению за 2256 особями в течение восьми лет). Это связано с постоянным обновлением всех клеток за счёт трёх линий стволовых клеток и с активностью фактора FoxO в стволовых клетках.
Клептокниды и нематоцисты миксоспоридий — примеры того, как органелла одной группы может использоваться другими организмами или сохраняться при крайнем упрощении тела.
Задания с разбором
Задание 1
Назовите слои стенки тела гидры и типы клеток в каждом слое.
Разбор
Эпидермис (эктодерма): эпителиально-мускульные, интерстициальные (промежуточные), стрекательные, нервные, чувствительные, железистые клетки; половые клетки образуются здесь же. Мезоглея: межклеточное вещество без клеток. Гастродермис (энтодерма): пищеварительно-мускульные, железистые (зимогенные и слизистые), нервные и чувствительные клетки.
Задание 2
Почему эпителиально-мускульную клетку называют «двойной»? Как с её помощью гидра изгибается и укорачивается?
Разбор
Верхняя часть клетки — эпителиальная, образует покров; нижняя вытянута в мышечные отростки с сократимыми нитями. Отростки клеток эпидермиса направлены вдоль тела: их сокращение укорачивает гидру, одностороннее сокращение — изгибает. Отростки пищеварительно-мускульных клеток гастродермиса направлены поперёк тела: их сокращение делает тело тоньше и длиннее.
Задание 3
Какова роль интерстициальных клеток? Что произойдёт с гидрой, если их уничтожить?
Разбор
Интерстициальные клетки — стволовые: из них развиваются стрекательные, нервные, железистые и половые клетки. Если их уничтожить, через некоторое время у гидры исчезнут стрекательные, нервные и железистые клетки — останутся только эпителиальные. Такая гидра не может ловить добычу и размножаться половым путём, но живёт при искусственном кормлении, почкуется и регенерирует.
Задание 4
Опишите строение стрекательной клетки и механизм выстрела.
Разбор
Книдоцит содержит капсулу (книду) из миниколлагенов с туго свёрнутой полой нитью, шипами у основания нити и крышечкой; снаружи — книдоциль (или ресничный конус); ядро у основания. В капсуле — раствор полиглутаминовой кислоты, осмотическое давление около 150 атм. При раздражении проницаемость капсулы растёт, вода входит, крышечка открывается, нить выворачивается наизнанку — сначала основание со шипами (пробивает покров за ~700 нс), затем остальная нить, по которой поступает яд.
Задание 5
Назовите четыре типа нематоцист гидры и их функции.
Разбор
Стенотелы (пенетранты) — пробивают покров добычи и вводят яд; десмонемы (вольвенты) — обвивают щетинки и выросты добычи; голотрихные изоризы (глютинанты) — прилипают к добыче, защита; атрихные изоризы (глютинанты) — прикрепление щупалец к субстрату при передвижении.
Задание 6
Где развиваются стрекательные клетки гидры и как они попадают в щупальца?
Разбор
В средней части тела: интерстициальная клетка несколько раз делится, образуя гнездо из 4–32 нематобластов, соединённых мостиками; они синхронно строят капсулы одного типа. Готовые книдоциты расходятся и мигрируют по эпидермису к щупальцам, где встраиваются в эпителиально-мускульные (батарейные) клетки.
Задание 7
Почему книдоцит стреляет не от любого прикосновения? Какое это имеет значение?
Разбор
Порог срабатывания снижают химические вещества с поверхности добычи, воспринимаемые чувствительными клетками; у сытой гидры готовность снижена; нервная система регулирует чувствительность. Книдоцит одноразовый и дорогой (неделя на развитие), поэтому выстрел «впустую» — по камешку или растению — невыгоден.
Задание 8
Сравните функции пищеварительно-мускульных и железистых клеток гастродермиса.
Разбор
Железистые (зимогенные) выделяют ферменты в кишечную полость — полостное пищеварение; слизистые выделяют слизь. Пищеварительно-мускульные жгутиками перемешивают содержимое, ложноножками захватывают частицы, переваривают их внутриклеточно, запасают вещества и своими мышечными отростками образуют кольцевую мускулатуру.
Задание 9
Чем мезоглея гидры отличается от мезоглеи сцифомедузы и актинии?
Разбор
У гидры мезоглея тонкая (около микрометра), без клеток: две базальные пластинки и средняя зона с коллагеном. У сцифомедуз она очень толстая, студенистая (95–99 % воды), с амёбоцитами, коллагеновыми и эластическими волокнами, работает как упругий скелет зонтика. У актиний толстая, с многочисленными клетками; у восьмилучевых кораллов клетки мезоглеи строят спикулы.
Задание 10
Почему книдарий считают двуслойными животными, хотя у сцифоидных и коралловых в мезоглее есть клетки?
Разбор
Мезоглея — межклеточное вещество, выделенное эпидермисом и гастродермисом, а не зародышевый листок. Клетки в ней — выходцы из эпителиев, а не отдельный слой клеток, образующийся в развитии, как мезодерма. Зародыш книдарий образует только два зародышевых листка.
Задание 11
Где образуются половые клетки у гидроидных, сцифоидных и коралловых полипов?
Разбор
У гидроидных — в эпидермисе (из интерстициальных клеток), у сцифоидных и кубомедуз — в гастродермисе стенок гастральных карманов, у коралловых полипов — в гастродермисе мезентериев.
Задание 12
Где живут водоросли-симбионты у кораллов и что происходит при обесцвечивании?
Разбор
Динофлагелляты Symbiodiniaceae живут внутри клеток гастродермиса в мембранных пузырьках — симбиосомах — и отдают хозяину большую часть продуктов фотосинтеза. При перегреве воды фотосинтетический аппарат водорослей повреждается, образуются активные формы кислорода, симбиоз разрушается, водоросли выбрасываются или перевариваются, и коралл белеет; без симбионтов он голодает и может погибнуть.
Задание 13
Почему поперечнополосатые мышцы медуз не считают гомологичными поперечнополосатым мышцам билатерий?
Разбор
У медуз и билатерий поперечнополосатые мышцы построены с участием разных белков (у книдарий нет белков регуляторного комплекса тропонина и белка тайтина, характерных для поперечнополосатых мышц билатерий), а общий предок книдарий и билатерий, судя по сравнению геномов и тканей разных групп, имел только гладкую мускулатуру. Значит, поперечная исчерченность возникла независимо — конвергенция.
Задание 14
Какие современные данные ставят под сомнение простую гомологию «гастродермис = энтодерма»?
Разбор
У актинии Nematostella в гастродермисе работают гены, характерные для мезодермы билатерий (twist, snail), а в эпителии глотки эктодермального происхождения — гены, типичные для кишечника билатерий. Внутренний слой книдарий скорее «мезоэнтодерма», а часть функций кишки выполняет эктодерма глотки.
Задание 15 (олимпиадное)
Оцените концентрацию осмотически активных частиц в капсуле нематоцисты, если осмотическое давление 150 атм при 20 °C. Сравните с цитоплазмой (около 0,3 моль/л).
Разбор
π = cRT; 150 атм ≈ 1,52·10⁷ Па; c = 1,52·10⁷ / (8,314 · 293) ≈ 6240 моль/м³ ≈ 6,2 моль/л — примерно в 20 раз выше, чем в цитоплазме. Такую концентрацию удерживают полимерные молекулы полиглутаминовой кислоты с противоионами.
Задание 16 (олимпиадное)
Оцените среднее ускорение стилета нематоцисты, если за 0,7 мкс он разгоняется до 18 м/с. Во сколько раз оно превышает ускорение свободного падения?
Разбор
a = v/t = 18 / (0,7·10⁻⁶) ≈ 2,6·10⁷ м/с²; a/g ≈ 2,6·10⁷ / 9,81 ≈ 2,6·10⁶ — около 2,6 млн g. Пиковое ускорение, измеренное в опыте, ещё вдвое выше — 5,4 млн g.
Литература
- Brusca R. C., Moore W., Shuster S. M. Invertebrates. 3rd ed. Sunderland: Sinauer, 2016.
- Hyman L. H. The Invertebrates. Vol. I. Protozoa through Ctenophora. New York: McGraw-Hill, 1940.
- Sarras M. P. Components, structure, biogenesis and function of the Hydra extracellular matrix in regeneration, pattern formation and cell differentiation // International Journal of Developmental Biology. 2012. Vol. 56. P. 567–576.
- Siebert S., Farrell J. A., Cazet J. F. et al. Stem cell differentiation trajectories in Hydra resolved at single-cell resolution // Science. 2019. Vol. 365. eaav9314.
- Kleinenberg N. Hydra. Eine anatomisch-entwicklungsgeschichtliche Untersuchung. Leipzig: W. Engelmann, 1872.
- Bode H. R. The interstitial cell lineage of hydra: a stem cell system that arose early in evolution // Journal of Cell Science. 1996. Vol. 109. P. 1155–1164.
- Bosch T. C. G. Hydra and the evolution of stem cells // BioEssays. 2009. Vol. 31. P. 478–486.
- Martínez D. E. Mortality patterns suggest lack of senescence in hydra // Experimental Gerontology. 1998. Vol. 33. P. 217–225.
- Schaible R., Scheuerlein A., Dańko M. J., Gampe J., Martínez D. E., Vaupel J. W. Constant mortality and fertility over age in Hydra // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2015. Vol. 112. P. 15701–15706.
- Piraino S., Boero F., Aeschbach B., Schmid V. Reversing the life cycle: medusae transforming into polyps and cell transdifferentiation in Turritopsis nutricula (Cnidaria, Hydrozoa) // Biological Bulletin. 1996. Vol. 190. P. 302–312.
- Fautin D. G. Structural diversity, systematics, and evolution of cnidae // Toxicon. 2009. Vol. 54. P. 1054–1064.
- Beckmann A., Özbek S. The nematocyst: a molecular map of the cnidarian stinging organelle // International Journal of Developmental Biology. 2012. Vol. 56. P. 577–582.
- David C. N., Özbek S., Adamczyk P. et al. Evolution of complex structures: minicollagens shape the cnidarian nematocyst // Trends in Genetics. 2008. Vol. 24. P. 431–438.
- Östman C. A guideline to nematocyst nomenclature and classification, and some notes on the systematic value of nematocysts // Scientia Marina. 2000. Vol. 64, Suppl. 1. P. 31–46.
- Holstein T., Tardent P. An ultrahigh-speed analysis of exocytosis: nematocyst discharge // Science. 1984. Vol. 223. P. 830–833.
- Nüchter T., Benoit M., Engel U., Özbek S., Holstein T. W. Nanosecond-scale kinetics of nematocyst discharge // Current Biology. 2006. Vol. 16. P. R316–R318.
- Weber J. Poly(gamma-glutamic acid)s are the major constituents of nematocysts in Hydra (Hydrozoa, Cnidaria) // Journal of Biological Chemistry. 1990. Vol. 265. P. 9664–9669.
- Chang E. S., Neuhof M., Rubinstein N. D. et al. Genomic insights into the evolutionary origin of Myxozoa within Cnidaria // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2015. Vol. 112. P. 14912–14917.
- Davy S. K., Allemand D., Weis V. M. Cell biology of cnidarian-dinoflagellate symbiosis // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2012. Vol. 76. P. 229–261.
- Gemmell B. J., Costello J. H., Colin S. P. et al. Passive energy recapture in jellyfish contributes to propulsive advantage over other metazoans // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2013. Vol. 110. P. 17904–17909.
- Steinmetz P. R. H., Kraus J. E. M., Larroux C. et al. Independent evolution of striated muscles in cnidarians and bilaterians // Nature. 2012. Vol. 487. P. 231–234.
- Steinmetz P. R. H., Aman A., Kraus J. E. M., Technau U. Gut-like ectodermal tissue in a sea anemone challenges germ layer homology // Nature Ecology and Evolution. 2017. Vol. 1. P. 1535–1542.
- Sebé-Pedrós A., Saudemont B., Chomsky E. et al. Cnidarian cell type diversity and regulation revealed by whole-organism single-cell RNA-seq // Cell. 2018. Vol. 173. P. 1520–1534.

Обсуждение
Загружаем обсуждение…