Biology for Majors II

admin 0 Comments Articles

Biology for Majors II

Identify the common characteristics of phylum Porifera

Figure 1. Gąbki są członkami Phylum Porifera, do którego należą najprostsze bezkręgowce. (credit: Andrew Turner)

Bezkręgowce, czyli invertebrata, to zwierzęta, które nie zawierają struktur kostnych, takich jak czaszka i kręgi. Najprostsze ze wszystkich bezkręgowców są Parazoans, które obejmują tylko phylum Porifera: gąbki (rysunek 1).

Parazoans („obok zwierząt”) nie wykazują organizacji na poziomie tkanek, chociaż mają wyspecjalizowane komórki, które wykonują specyficzne funkcje. Larwy gąbek są zdolne do pływania, jednak osobniki dorosłe nie są ruchliwe i spędzają życie przytwierdzone do podłoża.

Ponieważ woda jest niezbędna gąbkom do wydalania, odżywiania i wymiany gazowej, struktura ich ciała ułatwia przepływ wody przez gąbkę. Struktury takie jak kanały, komory i zagłębienia umożliwiają przemieszczanie się wody przez gąbkę do prawie wszystkich komórek ciała.

Morfologia gąbek

Morfologia najprostszych gąbek przyjmuje kształt walca z dużą jamą centralną, spongocoel, zajmującą wnętrze cylindra. Woda może przedostawać się do spongocoelu z licznych porów w ścianie ciała. Woda dostająca się do spongokole jest wyciskana przez duży wspólny otwór zwany osculum. Jednak gąbki wykazują szereg różnorodności w formach ciała, w tym różnice w wielkości spongocoel, liczba osculi, i gdzie komórki, które filtrują żywność z wody są zlokalizowane.

While gąbki (z wyjątkiem hexactinellids) nie wykazują organizację warstwy tkanki, mają różne typy komórek, które wykonują różne funkcje. Pinakocyty, które są komórkami epitelialnymi, tworzą najbardziej zewnętrzną warstwę gąbek i zamykają galaretowatą substancję zwaną mezohylem. Mezohyl jest macierzą zewnątrzkomórkową składającą się z kolagenopodobnego żelu z zawieszonymi komórkami, które pełnią różne funkcje. Żelowa konsystencja mezohylu działa jak endoszkielet i utrzymuje rurkowatą morfologię gąbek. Oprócz osculum, gąbki posiadają na swoim ciele liczne pory zwane ostiami, które umożliwiają przedostawanie się wody do wnętrza gąbki. U niektórych gąbek ostia są utworzone przez porocyty, pojedyncze komórki w kształcie rurek, które działają jak zawory regulujące przepływ wody do spongocoelu. U innych gąbek ostia są tworzone przez fałdy w ścianie ciała gąbki.

Choanocyty („komórki kołnierzowe”) są obecne w różnych miejscach, w zależności od rodzaju gąbki, ale zawsze wyściełają wewnętrzne części jakiejś przestrzeni, przez którą przepływa woda (spongocoel u gąbek prostych, kanały w ścianie ciała u gąbek bardziej złożonych i komory rozrzucone po całym ciele u gąbek najbardziej złożonych). Podczas gdy pinakocyty wyściełają zewnętrzną część gąbki, choanocyty mają tendencję do wyścielania pewnych wewnętrznych części ciała gąbki, które otaczają mezohyl. Struktura choanocytu jest krytyczna dla jego funkcji, którą jest generowanie prądu wody przez gąbkę oraz wychwytywanie i połykanie cząstek pokarmu poprzez fagocytozę. Zwróć uwagę na podobieństwo w wyglądzie choanocytu gąbki do choanoflagellatów (Protista). To podobieństwo sugeruje, że gąbki i choanoflagellaty są blisko spokrewnione i prawdopodobnie mają niedawnego wspólnego przodka. Ciało komórkowe osadzone jest w mezohylu i zawiera wszystkie organelle niezbędne do normalnego funkcjonowania komórki, ale do „otwartej przestrzeni” wewnątrz gąbki wystaje siateczkowaty kołnierz złożony z mikrowypustek z pojedynczą flagellą w centrum kolumny. Skumulowany efekt działania flagelli wszystkich choanocytów wspomaga ruch wody w gąbce: wciąganie wody do wnętrza gąbki przez liczne ostia, do przestrzeni wyścielonych przez choanocyty, a w końcu na zewnątrz przez osculum (lub osculi). W międzyczasie cząsteczki pokarmu, w tym bakterie i glony znajdujące się w wodzie, są wychwytywane przez sitowaty kołnierz choanocytów, zsuwają się do wnętrza komórki, są połykane w procesie fagocytozy i zamykane w wakuoli pokarmowej. Wreszcie, choanocyty różnicują się w plemniki do rozmnażania płciowego, gdzie zostają odłączone od mezohylu i opuszczają gąbkę wraz z wydaloną wodą przez osculum.

Drugie kluczowe komórki w gąbkach są nazywane amebocytami (lub archeocytami), nazwane tak ze względu na fakt, że poruszają się w całym mezohylu w sposób podobny do ameby. Amebocyty pełnią wiele funkcji: dostarczają składniki odżywcze z choanocytów do innych komórek gąbki, dają początek jajom służącym do rozmnażania płciowego (które pozostają w mezohylu), dostarczają fagocytowaną spermę z choanocytów do jaj oraz różnicują się w bardziej specyficzne typy komórek. Niektóre z tych bardziej specyficznych typów komórek obejmują kolencyty i lofocyty, które produkują kolagenopodobne białko do utrzymania mezohylu, sklerocyty, które produkują kolce u niektórych gąbek, oraz spongocyty, które produkują białko sponginę u większości gąbek. Komórki te produkują kolagen, aby utrzymać konsystencję mezohylu. Różne typy komórek w gąbkach przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 2. Pokazano (a) podstawowy plan ciała gąbki i (b) niektóre z wyspecjalizowanych typów komórek występujących u gąbek.

W niektórych gąbkach, sklerocyty wydzielają do mezohylu małe spikulki, które składają się z węglanu wapnia lub krzemionki, w zależności od rodzaju gąbki. Te spicule służą do zapewnienia dodatkowej sztywności ciała gąbki. Dodatkowo, gdy są one obecne zewnętrznie, mogą odstraszać drapieżniki. Inny rodzaj białka, spongina, może być również obecny w mezohylu niektórych gąbek.

Występowanie i skład spiculi/sponginy to cechy różnicujące trzy klasy gąbek (przedstawione na rycinie 3): Klasa Calcarea zawiera spikule z węglanu wapnia i nie zawiera sponginy, klasa Hexactinellida zawiera sześciopromienne krzemionkowe spikule i nie zawiera sponginy, a klasa Demospongia zawiera sponginę i może, ale nie musi mieć spikul; jeśli są obecne, to te spikule są krzemionkowe. Spicule są najbardziej widoczne w klasie Hexactinellida, rzędzie obejmującym gąbki szklane. Niektóre ze spikul mogą osiągać gigantyczne rozmiary (w stosunku do typowego zakresu rozmiarów gąbek szklanych od 3 do 10 mm), jak to widać u Monorhaphis chuni, która dorasta do 3 m długości.

Ryc. 3. (a) Clathrina clathrus należy do klasy Calcarea, (b) Staurocalyptus spp. (nazwa zwyczajowa: żółta gąbka Picassa) należy do klasy Hexactinellida, a (c) Acarnus erithacus należy do klasy Demospongia. (kredyt a: modyfikacja pracy przez Parent Géry; kredyt b: modyfikacja pracy przez Monterey Bay Aquarium Research Institute, NOAA; kredyt c: modyfikacja pracy przez Sanctuary Integrated Monitoring Network, Monterey Bay National Marine Sanctuary, NOAA)

Procesy fizjologiczne u gąbek

Gąbki, pomimo bycia prostymi organizmami, regulują swoje różne procesy fizjologiczne poprzez różnorodne mechanizmy. Procesy te regulują ich metabolizm, rozmnażanie i lokomocję.

Trawienie

Gąbki nie mają złożonych układów trawiennych, oddechowych, krążenia, rozrodczych i nerwowych. Ich pokarm jest uwięziony, gdy woda przechodzi przez ostia i wydostaje się na zewnątrz przez osculum. Bakterie o wielkości mniejszej niż 0,5 mikrona są wychwytywane przez choanocyty, które są głównymi komórkami zaangażowanymi w odżywianie i są połykane w procesie fagocytozy. Cząsteczki większe niż ostia mogą być fagocytowane przez pinakocyty. U niektórych gąbek amebocyty transportują pokarm z komórek, które połknęły cząstki pokarmu, do tych, które ich nie połknęły. W przypadku tego typu trawienia, w którym cząstki pokarmu są trawione w obrębie pojedynczych komórek, gąbka pobiera wodę na drodze dyfuzji. Granica tego typu trawienia jest to, że cząstki żywności muszą być mniejsze niż poszczególnych komórek.

Wszystkie inne główne funkcje ciała w gąbce (wymiana gazowa, krążenie, wydalanie) są wykonywane przez dyfuzję między komórkami, które linii otworów w gąbce i wody, która przechodzi przez te otwory. Wszystkie typy komórek w gąbce uzyskują tlen z wody poprzez dyfuzję. Podobnie, dwutlenek węgla jest uwalniany do wody morskiej poprzez dyfuzję. Ponadto odpady azotowe wytwarzane jako produkt uboczny metabolizmu białek są wydalane przez dyfuzję przez poszczególne komórki do wody, gdy przechodzi ona przez gąbkę.

Reprodukcja

Gąbki rozmnażają się zarówno metodami płciowymi, jak i bezpłciowymi. Typowym sposobem rozmnażania bezpłciowego jest fragmentacja (gdzie kawałek gąbki odrywa się, osiada na nowym podłożu i rozwija się w nowego osobnika) lub pączkowanie (genetycznie identyczny odrost wyrasta z rodzica i ostatecznie odrywa się lub pozostaje przyczepiony tworząc kolonię). Nietypowy typ rozmnażania bezpłciowego występuje tylko u gąbek słodkowodnych i odbywa się poprzez tworzenie gemmuli. Gemmule to odporne na warunki środowiskowe struktury wytwarzane przez dorosłe gąbki, w których typowa morfologia gąbki jest odwrócona. W gemmule, wewnętrzna warstwa amebocytów otoczona jest warstwą kolagenu (sponginy), która może być wzmocniona przez spicule. Kolagen, który normalnie znajduje się w mezohylu, staje się zewnętrzną warstwą ochronną. U gąbek słodkowodnych gemmule mogą przetrwać nieprzyjazne warunki środowiskowe, takie jak zmiany temperatury, i służyć do rekolonizacji siedliska, gdy warunki środowiskowe ustabilizują się. Gemmule są zdolne do przyczepienia się do podłoża i wytworzenia nowej gąbki. Ponieważ gemmule mogą wytrzymać trudne warunki środowiskowe, są odporne na wysychanie i pozostają w stanie uśpienia przez długie okresy, są doskonałym środkiem kolonizacji dla organizmów osiadłych.

Rozmnażanie płciowe u gąbek zachodzi, gdy generowane są gamety. Gąbki są jednopienne (hermafrodytyczne), co oznacza, że jeden osobnik może produkować obie gamety (jaja i plemniki) jednocześnie. U niektórych gąbek produkcja gamet może odbywać się przez cały rok, podczas gdy inne gąbki mogą wykazywać cykle płciowe w zależności od temperatury wody. Gąbki mogą być również sekwencyjnie hermafrodytyczne, produkując najpierw oocyty, a później plemniki. Oocyty powstają w wyniku różnicowania się amebocytów i są zatrzymywane w spongocoelu, natomiast plemniki powstają w wyniku różnicowania się choanocytów i są wyrzucane przez osculum. Wyrzucanie plemników może odbywać się w określonym czasie i być skoordynowane, co obserwuje się u niektórych gatunków. Plemniki unoszone przez prądy wodne mogą zapładniać oocyty znajdujące się w mezohylu innych gąbek. Wczesny rozwój larwalny zachodzi wewnątrz gąbki, a swobodnie pływające larwy są następnie uwalniane przez osculum.

Lokomoc

Gąbki są generalnie oseskami jako osobniki dorosłe i spędzają życie przytwierdzone do stałego podłoża. Nie wykazują ruchu na duże odległości, jak inne swobodnie pływające bezkręgowce morskie. Jednakże komórki gąbek są zdolne do pełzania po podłożu dzięki plastyczności organizacyjnej. W warunkach eksperymentalnych badacze wykazali, że komórki gąbki rozpostarte na fizycznym podłożu wykazują wiodącą krawędź dla ukierunkowanego ruchu. Spekuluje się, że ten zlokalizowany ruch pełzający może pomóc gąbkom dostosować się do mikrośrodowiska w pobliżu punktu przyczepienia. Należy jednak zauważyć, że ten wzór ruchu został udokumentowany w laboratoriach, ale pozostaje do zaobserwowania w naturalnych siedliskach gąbek.

Sprawdź swoje zrozumienie

Odpowiedz na poniższe pytanie(a), aby sprawdzić jak dobrze rozumiesz tematy poruszone w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie wlicza się do oceny z zajęć i można go powtórzyć nieograniczoną ilość razy.

Użyj tego quizu do sprawdzenia swojego zrozumienia i podjęcia decyzji, czy (1) studiować dalej poprzednią sekcję lub (2) przejść do następnej sekcji.

.