Biológia főtárgyaknak II
A Porifera törzs közös jellemzőinek azonosítása
1. ábra. A szivacsok a Porifera törzs tagjai, amely a legegyszerűbb gerinctelen állatokat tartalmazza. (hitel: Andrew Turner)
A gerinctelenek vagy gerinctelenek olyan állatok, amelyek nem tartalmaznak csontos szerkezeteket, például koponyát és csigolyákat. A gerinctelenek közül a legegyszerűbbek a parazoák, amelyek közé csak a Porifera törzs tartozik: a szivacsok (1. ábra).
A parazoák (“állatok mellett”) nem mutatnak szöveti szintű szerveződést, bár rendelkeznek speciális funkciókat ellátó, specializált sejtekkel. A szivacslárvák képesek úszni; a kifejlett egyedek azonban nem mozognak, és életüket az aljzathoz rögzülve töltik.
Mivel a szivacsok számára a víz létfontosságú a kiválasztáshoz, a táplálkozáshoz és a gázcseréhez, testfelépítésük megkönnyíti a víz mozgását a szivacsban. Az olyan szerkezetek, mint a csatornák, kamrák és üregek lehetővé teszik a víz mozgását a szivacson keresztül szinte minden testsejthez.
Tanulmányi célok
- Írd le a legegyszerűbb többsejtű szervezetek szervezeti jellemzőit
- Magyarázd a szivacsok különböző testformáit és testi funkcióit
A szivacsok morfológiája
A legegyszerűbb szivacsok morfológiája henger alakú, nagy központi üreggel, a szivacshéj, amely a henger belsejét foglalja el. A szivacshéjba a víz a testfal számos pórusán keresztül juthat be. A szivacshéjba jutó víz egy nagy közös nyíláson, az osculumon keresztül távozik. A szivacsok testformája azonban igen változatos, beleértve a szivacshéj méretének, az osculák számának és a vízből táplálékot kiszűrő sejtek elhelyezkedésének eltéréseit.
A szivacsok (a hexactinellidák kivételével) nem mutatnak szövetréteg-szerveződést, de különböző sejttípusokkal rendelkeznek, amelyek különböző funkciókat látnak el. A pinacociták, amelyek hámszerű sejtek, a szivacsok legkülső rétegét alkotják, és egy kocsonyaszerű anyagot, a mezohilt zárnak magukba. A mezohil egy extracelluláris mátrix, amely kollagénszerű gélből áll, amelyben különböző funkciókat ellátó sejtek vannak felfüggesztve. A mezohil gélszerű állaga endoszkeletonként működik, és fenntartja a szivacsok csőszerű morfológiáját. Az osculumon kívül a szivacsok testén több pórus, úgynevezett ostia található, amelyek lehetővé teszik a víz bejutását a szivacsba. Egyes szivacsoknál az ostiumokat porociták alkotják, egyetlen cső alakú sejtek, amelyek szelepként szabályozzák a víz beáramlását a szivacshéjba. Más szivacsokban az ostiumokat a szivacs testfalának redői alkotják.
A khoanociták (“gallérsejtek”) a szivacs típusától függően különböző helyeken vannak jelen, de mindig valamilyen tér belső részét szegélyezik, amelyen keresztül a víz áramlik (az egyszerű szivacsoknál a szivacshéj, a bonyolultabb szivacsoknál a testfalon belüli csatornák, a legbonyolultabb szivacsoknál pedig a testben elszórtan elhelyezkedő kamrák). Míg a pinacociták a szivacs külsejét szegélyezik, a choanociták inkább a szivacstest bizonyos belső részeit szegélyezik, amelyek körülveszik a mezohilt. A choanociták felépítése kritikus fontosságú a funkciójuk szempontjából, amely a szivacson keresztüli vízáramlás létrehozása, valamint a táplálékrészecskék befogása és lenyelése a fagocitózis révén. Figyeljük meg a szivacs choanocita és a choanoflagellák (Protista) közötti hasonlóságot. Ez a hasonlóság arra utal, hogy a szivacsok és a choanoflagellák szoros rokonságban állnak egymással, és valószínűleg közös ősökkel rendelkeznek. A sejttest mezohilbe ágyazott, és tartalmazza a normál sejtműködéshez szükséges összes organellumot, de a szivacs belsejében lévő “nyitott térbe” egy mikrovillákból álló hálószerű gallér nyúlik ki, amelynek közepén egyetlen flagellum található. Az összes choanocita flagellájának együttes hatása segíti a víz mozgását a szivacson keresztül: a számos ostia révén a vizet a szivacsba, a choanociták által bélelt terekbe, majd végül az osculumon (vagy osculi) keresztül a szivacsba vonzza. Eközben a táplálékrészecskéket, beleértve a vízben élő baktériumokat és algákat is, a choanociták szitaszerű gallérja csapdába ejti, lecsúsznak a sejttestbe, fagocitózissal bekebelezik, és a táplálékvákuumba záródnak. Végül a choanociták az ivaros szaporodáshoz spermiumokká differenciálódnak, ahol a mezohilból kiszakadnak, és az osculumon keresztül kilökött vízzel együtt elhagyják a szivacsot.
Nézze meg ezt a videót, hogy láthassa a víz mozgását a szivacs testén keresztül. Vegye figyelembe, hogy a videóban nincs narráció.
A szivacsok második döntő fontosságú sejtjeit amőbocitáknak (vagy archeocitáknak) nevezik, nevét onnan kapta, hogy amőbaszerűen mozognak a mezohilben. Az amőbocitáknak számos funkciójuk van: tápanyagokat szállítanak a choanocitákból a szivacson belüli más sejtekhez, petéket hoznak létre az ivaros szaporodáshoz (amelyek a mezohilben maradnak), a choanocitákból fagocizált spermiumokat szállítanak a petékhez, és specifikusabb sejttípusokká differenciálódnak. E specifikusabb sejttípusok közé tartoznak a kollenciták és a lophociták, amelyek a mezohil fenntartásához szükséges kollagénszerű fehérjét termelnek, a szklerociták, amelyek egyes szivacsokban tüskéket termelnek, és a spongociták, amelyek a szivacsok többségében a spongin nevű fehérjét termelik. Ezek a sejtek kollagént termelnek a mezohil konzisztenciájának fenntartása érdekében. A szivacsok különböző sejttípusait a 2. ábra mutatja.
2. ábra. A szivacs (a) alapvető testfelépítése és (b) a szivacsokban található néhány specializált sejttípus látható.
GYakorlati kérdés
Az alábbi állítások közül melyik hamis?
- A khoanocitáknak flagelláik vannak, amelyek a vizet mozgatják a testben.
- A pinaciták bármely sejttípussá átalakulhatnak.
- A lophociták kollagént választanak ki.
- A porociták szabályozzák a víz áramlását a szivacstest pórusain keresztül.
Némely szivacsban a szklerociták apró tüskéket választanak ki a mezohüvelybe, amelyek a szivacs típusától függően kalcium-karbonátból vagy szilícium-dioxidból állnak. Ezek a tüskék a szivacs testének további merevségét szolgálják. Ezenfelül a tüskék, ha külsőleg is jelen vannak, elriasztják a ragadozókat. Egy másik fehérjetípus, a szivacsin, szintén jelen lehet egyes szivacsok mezohiljában.
Tegyünk egy közeli sétát a szivacs és sejtjei között:
A szivacsok/szivacsin jelenléte és összetétele a szivacsok három osztályának megkülönböztető jellemzője (lásd a 3. ábrát): A Calcarea osztály kalcium-karbonátos tüskéket tartalmaz, és nincs szivacsin, a Hexactinellida osztály hatsugarú kovasavas tüskéket tartalmaz, és nincs szivacsin, a Demospongia osztály pedig szivacsot tartalmaz, és lehetnek vagy nem lehetnek tüskéi; ha vannak, akkor ezek a tüskék kovasavasak. A tüskék a legszembetűnőbbek a Hexactinellida osztályban, az üvegszivacsok rendjében. A tüskék némelyike elérheti az óriási méreteket (az üvegszivacsok tipikus, 3-10 mm-es mérettartományához képest), mint például a Monorhaphis chuni esetében, amely akár 3 m hosszúra is megnő.
3. ábra. (a) A Clathrina clathrus a Calcarea osztályba tartozik, (b) a Staurocalyptus spp. (közismert neve: sárga Picasso szivacs) a Hexactinellida osztályba tartozik, és (c) az Acarnus erithacus a Demospongia osztályba. (credit a: Parent Géry munkájának módosítása; credit b: Monterey Bay Aquarium Research Institute, NOAA munkájának módosítása; credit c: Sanctuary Integrated Monitoring Network, Monterey Bay National Marine Sanctuary, NOAA munkájának módosítása)
Fiziológiai folyamatok a szivacsokban
A szivacsok annak ellenére, hogy egyszerű élőlények, különféle mechanizmusok segítségével szabályozzák különböző fiziológiai folyamataikat. Ezek a folyamatok szabályozzák anyagcseréjüket, szaporodásukat és mozgásukat.
Erjedés
A szivacsok nem rendelkeznek összetett emésztő-, légző-, keringési, szaporodási és idegrendszerrel. Táplálékuk csapdába esik, amikor a víz áthalad az ostiumokon és az osculumon keresztül távozik. A 0,5 mikronnál kisebb méretű baktériumokat a táplálkozásban részt vevő fő sejtek, a choanociták fogják be, és fagocitózissal veszik fel. Az ostiumoknál nagyobb részecskéket a pinacociták fagocitálhatják. Egyes szivacsokban az amőbociták szállítják a táplálékot azoktól a sejtektől, amelyek táplálékrészecskéket vettek fel, azokhoz, amelyek nem. Az emésztésnek ehhez a típusához, amelyben a táplálékrészecskéket az egyes sejteken belül emésztik meg, a szivacs diffúzióval vizet von el. Az ilyen típusú emésztés korlátja, hogy a táplálékrészecskéknek kisebbnek kell lenniük, mint az egyes sejteknek.
A szivacs minden más fontos testfunkciója (gázcsere, keringés, kiválasztás) a szivacsban lévő nyílásokat szegélyező sejtek és az ezeken a nyílásokon áthaladó víz közötti diffúzióval történik. A szivacs minden sejttípusa diffúzió útján jut oxigénhez a vízből. Hasonlóképpen, a szén-dioxid is diffúzióval kerül a tengervízbe. Ezenkívül a fehérje-anyagcsere melléktermékeként keletkező nitrogéntartalmú hulladékot az egyes sejtek diffúzió útján választják ki a szivacson áthaladó vízbe.
Szaporodás
A szivacsok szexuális és aszexuális módszerekkel is szaporodnak. Az ivartalan szaporodás tipikus módja vagy a töredezés (amikor a szivacs egy darabja leszakad, új aljzatra telepszik, és új egyeddé fejlődik), vagy a rügyezés (egy genetikailag azonos kinövés nő ki a szülőből, és végül leválik vagy megmarad, hogy kolóniát alkosson). Az ivartalan szaporodás egy atipikus típusa csak az édesvízi szivacsoknál fordul elő, és gemmulák képződésével történik. A gemmulák a környezetnek ellenálló, kifejlett szivacsok által létrehozott struktúrák, amelyekben a tipikus szivacsmorfológia megfordul. A gemmulákban az amőbociták belső rétegét kollagénréteg (spongin) veszi körül, amelyet tüskék erősíthetnek meg. A normál esetben a mezohilben található kollagén a külső védőréteggé válik. Az édesvízi szivacsokban a gemmulák túlélhetik az ellenséges környezeti feltételeket, például a hőmérséklet-változásokat, és a környezeti feltételek stabilizálódása után az élőhely újbóli benépesítését szolgálják. A gemmulák képesek a szubsztrátumhoz kapcsolódni és új szivacsot létrehozni. Mivel a gemmulák ellenállnak a zord környezetnek, ellenállnak a kiszáradásnak, és hosszú ideig nyugalmi állapotban maradnak, kiváló kolonizációs eszközt jelentenek egy szesszilis szervezet számára.
A szivacsok ivaros szaporodása ivarsejtek létrehozásával történik. A szivacsok egylakiak (hermafroditák), ami azt jelenti, hogy egy egyed egyszerre képes mindkét ivarsejtet (petesejtet és spermiumot) termelni. Egyes szivacsoknál az ivarsejtek termelése egész évben előfordulhat, míg más szivacsoknál a vízhőmérséklettől függően szexuális ciklusok alakulhatnak ki. A szivacsok lehetnek szekvenciálisan hermafroditák is, először petesejteket, majd később spermiumokat termelnek. Az oociták az amőbociták differenciálódásával keletkeznek és a szivacshéjon belül maradnak, míg a spermiumok a kórósejtek differenciálódásával keletkeznek és az osculumon keresztül ürülnek ki. A spermiumok kilökődése időzített és összehangolt esemény lehet, ahogyan az bizonyos fajoknál megfigyelhető. A vízáramlatok által szállított spermatozoidok megtermékenyíthetik a többi szivacs mezohilben hordozott petesejtjeit. A korai lárvák fejlődése a szivacson belül történik, majd a szabadon úszó lárvák az osculumon keresztül szabadulnak ki.
Lokomóció
A szivacsok felnőttként általában szessilisek, és életüket egy rögzített szubsztrátumhoz kötve töltik. Nem mozognak nagy távolságokra, mint más szabadon úszó tengeri gerinctelenek. A szivacssejtek azonban a szervezeti plaszticitás révén képesek az aljzat mentén kúszni. Kísérleti körülmények között a kutatók kimutatták, hogy a fizikai alátámasztáson elterülő szivacssejtek irányított mozgáshoz vezető éleket mutatnak. Feltételezték, hogy ez a lokalizált kúszó mozgás segíthet a szivacsoknak alkalmazkodni a rögzítési ponthoz közeli mikrokörnyezethez. Meg kell azonban jegyezni, hogy ezt a mozgásmintát laboratóriumokban dokumentálták, de természetes szivacs élőhelyeken még nem figyelték meg.
Check Your Understanding
Válaszoljon az alábbi kérdés(ek)re, hogy lássa, mennyire érti az előző fejezetben tárgyalt témákat. Ez a rövid kvíz nem számít bele az órai jegybe, és korlátlan számú alkalommal ismételheti meg.
Ezzel a kvízzel ellenőrizheti a megértését, és eldöntheti, hogy (1) tovább tanulmányozza-e az előző részt, vagy (2) áttérjen a következő részre.