Фотосинтез: в мире животных

Иногда ученые обнаруживают в живой природе удивительные случаи симбиоза – например, водоросли, живущие в клетках земноводного. Симбионты не только избегают конфликтов с иммунной системой, но и обеспечивают животное продуктами фотосинтеза - углеводами и кислородом.

Исследователи давно обратили внимание на «сотрудничество» пятнистой амбистомы (Ambystoma maculatum) и одноклеточных водорослей Oophilia amblystomatis. Жизненный цикл амбистомы начинается с икринки изумрудно-зеленого цвета. Такой окрас обусловлен присутствием в зародыше земноводного одноклеточных водорослей (которые, кстати, больше в природе нигде не встречаются – только в икринках некоторых видов амбистом).

Ранее считалось, что водоросли присутствуют только в желеобразном веществе икринки, окружающем зародыш, который выделяет богатые азотом и углекислым газом продукты жизнедеятельности. А водоросли перерабатывают это «сырье» в энергию, снабжая эмбрион кислородом. Однако их симбиоз оказался гораздо более тесным.

Райан Керни (Ryan Kerney) из Университета Далхаузи (Канада) показал, что водоросли обитают внутри клеток как зародыша, так и взрослого земноводного. Причем они там не только живут, но и предположительно работают, снабжая клетки амбистомы кислородом и углеводами – прямыми продуктами фотосинтеза.

Подобное взаимодействие с фотосинтезирующими организмами ранее было замечено у некоторых беспозвоночных (например, кораллов). Но приобретенная иммунная защита позвоночных обычно уничтожает весь чужеродный биологический материал, попавший во внутреннюю среду организма. Поэтому считалось, что «система безопасности» не позволит внутриклеточным симбионтам спокойно жить и трудиться. Но в данном случае либо клетки амбистомы как-то «отключили» защитные механизмы, либо водоросли нашли способ их обойти.

На изображениях, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), видно, что вокруг водоросли, обитающей внутри клетки амбистомы, собирается несколько митохондрий. Митохондрии – это внутриклеточные «электростанции», превращающие кислород и продукты глюкозы в АТФ, универсальный источник энергии. Предположительно, митохондрии подбираются к водоросли неспроста, рассчитывая воспользоваться продуктами фотосинтеза – кислородом и углеводами.

Каким же образом водоросли попадают внутрь эмбриона? Вероятно, это происходит в то время, когда начинает формироваться нервная система будущей амбистомы. Видео, позволившее увидеть этот промежуток жизни икринки « в ускоренном воспроизведении», демонстрирует ярко-зеленую «вспышку» рядом с зародышем. Эта «вспышка» - не что иное, как резкий рост числа водорослей, вызванный, вероятно, «выбросом» богатых азотом продуктов жизнедеятельности эмбриона. А если есть выход для соединений азота – значит, есть и вход для многочисленных водорослей, которым некоторые из них не преминут воспользоваться.

Такая схема объясняет, почему ранее исследователям не удавалось обнаружить водоросли в клетках эмбрионов: они изучали икринки, еще не прошедшие стадию «зеленой вспышки». Количество водорослей внутри клеток земноводного в это время было очень небольшим. Однако нельзя утверждать, что их не было вовсе.

Одно из любопытных открытий Керни – присутствие водорослей в яйцеводах взрослых самок Ambystoma maculatum, где формируются желеобразные «мешки», окружающие эмбрион. Этот факт указывает на возможность передачи водоросли-симбионта от матери к потомству.

Амбистомы способны вырастить утраченную конечность. Почти все клетки взрослого земноводного сохраняют плюрипотентность – способность делиться и превращаться в другие типы клеток. Вполне возможно, что некоторые клетки Ambystoma maculatum выработали способность принимать водоросли-симбионты благодаря тому, что их процессы «самоидентификации» идут не так, как у клеток других животных.