Математик среди биологов: заметки с тегом морфология панциря диатомовых

Морфологическая адаптация центрической диатомовой Minidiscus comicus к крошечному размеру

Антон Лях — Sat, 02 Jan 2021 23:01:03 +0300

Некоторые биологические публикации достойны краткого пересказа. Вот одна из таких статей. Она рассказывает, как один из видов диатомовых водорослей меняет геометрию панциря, чтобы выжить при крошеных размерах.

***

Jewson D., Kuwata A., Cros L., Fortuno J.-M., Estrada M. (2016) Morphological adaptation to small size in the marine diatom Minidiscus comicus. Scientia Marina. 80 (S1): 89-96.

***

Объект исследования: центрическая диатомовая водоросль Minidiscus comicus.

Minidiscus comicus с римопортулой и фултопортулами. Переделка рис. 1 А, Б из [Jewson et al., 2016]

Minidiscus comicus относится к группе самых маленьких диатомовых. Его диаметр панциря меняется от 1,9 до 6 мкм.

Исходные положения.

Подавляющее большинство диатомовых после многократных делений становится меньше.
Уменьшение размеров приводит к закономерному уменьшению внутреннего объема панциря.
Существует некоторый критический минимальный объем, после которого одноклеточные организмы существовать не могут.
Если считать, что панцирь Minidiscus comicus имеет форму круглого цилиндра (как на рисунке), то при минимальных значениях диаметра (менее 3 мкм), объем панциря станет критическим. Но организмы живут при таких маленьких размерах. Значит они каким-то образом адаптируются.

Задача: выяснить, что происходит с морфологией панциря панциря Minidiscus comicus при уменьшении диаметра панциря.

Размерный спектр Minidiscus comicus из западной части Средиземного моря. Пунктирная линия соответствует значению диаметра, ниже которого клетки образуют ауксоспоры и восстанавливают первоначальный крупный размер. Переделка рис. 5 из [Jewson et al., 2016]

Результаты

Диаметр панциря Minidiscus comicus действительно уменьшается после многократных делений.
Однако, уменьшение диаметра приводит к изменению формы панциря: круглый цилиндр с плоскими створками → круглый цилиндр с выпуклыми створками → шар.

Адаптация формы панциря Minidiscus comicus к уменьшению диаметра панциря. Размерные отрезки соответствуют 1 мкм. Компиляция рис. 1, 3 и 4 из [Jewson et al., 2016]

Трансформация цилиндрического панциря в шарообразный позволяет избежать двукратного уменьшения объема панциря и сохранить достаточный для жизни внутренний объем панциря при крохотном диаметре.

Вычисленные объемы панциря Minidiscus comicus стремятся к объему шара, когда диаметр стремиться к двум микрометрам. Рис. 5 из [Jewson et al., 2016]

Авторы не выяснили

Какие еще виды диатомовых демонстрируют подобную морфологическую адаптацию.
Каким образом плоские створки становятся выпуклыми.

***

В целом — это прекрасный пример хорошо выполненной работы. Советую использовать в качестве образца.

С Новым годом.

Главные морфогенетические оси панциря диатомовой водоросли

Антон Лях — Sun, 04 Oct 2020 10:04:21 +0300

Любая диатомовая водоросль формирует кремниевый панцирь однотипным образом. Сначала она образует центральный диск или центральную ось. Затем, выпускает из этой области ребра. Потом, достраивает остальные элементы.

Морфогенетические оси указывают главные направления, вдоль которых происходит построение панциря.

Эти направления обыденно именуют центральной, продольной и поперечной осью. Однако, для придания весомости своей работе, лучше использовать латинизированные названия: створковая, апикальная и трансапикальная ось.

Шаги морфогенеза панциря диатомовой

В первую очередь диатомовая формирует створки. Обязательно от центра к краям. Сквозь центры формирования обеих створок проходит центральная ось.

Затем центрические и пеннатные диатомовые реализуют свои алгоритмы морфогенеза.

Кремниевая основа створки центрической (слева) и пеннатной диатомовой без шва (в центре) и со швом (справа). Рисунок из Библии диатомологии

Центрические диатомовые во все стороны от центра выстраивают радиальные кремниевые ребра. Каждое такое ребро считается отдельной поперечной осью.

Каждое ребро дает многочисленные боковые ответвления. Они соединяютя друг с другом и формируют центрическую тектуру створки. Именно из-за того, что построение створки и ее текстуры происходит из центра, эта группа диатомовых названа центрическими.

У центрических диатомовых нет поперечной оси.

Пеннатные диатомовые строят только одно продольное ребро. Это главное ребро жесткости створки, подобное килю судна. Ось сонаправленная с главными ребрами жесткости обеих створок пеннатной диатомовой называется продольной.

Если диатомовая имеет шов, то шов проходит в центре продольного ребра. Точнее продольное ребро при построении оставляет место для шва.

На заключительном этапе пеннатная диатомовая строит поперечные ребра. Они могут идти перпендикулярно или под углом к продольному ребру. Ось, которая проходит через центр пересечения створковой и продольной оси в перпендикулярном направлении, называется поперечной.

Главные морфогенетические оси

Цетральная ось есть у всех диатомовых. Она проходит точно через центр начала формирования кремниевого панциря.

Продольная ось тоже есть у любой диатомовой. Но у центрических много продольных осей, а у пеннатных только одна.

Поперечная ось есть только у пеннатных диатомовых. Она перпендикулярна центральной и продольной осям.

Выделенные оси обычно называют осями симметрии. Но я предлагаю называть их морфогенетическими, так как благодаря жестко детерминированному морфогенезу вдоль этих направлений панцирь диатомовой приобретает заданную форму и текстуру поверхности

Схема морфогенетичеких осей доступна по адресу
3d-microalgae.org/diatoms/main-axes.

Панцирь диатомовых водорослей — это геометрически правильная коробочка

Антон Лях — Sat, 23 Jan 2016 21:44:30 +0300

Диатомовые водоросли — это микроскопические самостоятельные растения, обитающие в воде.

Цвет живых диатомовых водорослей меняется от светло-желтого до буро-зеленого из-за пигментов: каротина, ксантофилла и диатомина. Фото Микроскопи-ЮК

Средний размер диатомовых водорослей 5-150 микрон. Диатомовые видны только в микроскоп.

Диатомовые относятся к одноклеточным водорослям. Это не куст, растущий под водой. Это одна полноценная клетка с хлоропластами, ядром и вакуолями, покрытая прочным панцирем.

Диатомовая — самодостаточный организм. Фото Микроскопи-ЮК

Это не дерево — это колония диатомовых вида Licmophora flabellata

Самое интересное в диатомовых — это панцирь. Он прочный, потому что состоит из кремния. Точнее на 87-99% из аморфного кремнезема или гидрата диоксида кремния SiO₂·nH₂O, аналогичного опалу.

Панцирь прозрачен и без труда пропускает солнечные лучи, необходимые для фотосинтеза. Углекислый газ, кислород, азот, фосфор и другие биогенные элементы поступают внутрь клетки через крошечные отверстия в стенках панциря — поры, ареолы и альвеолы.

Отверстия в стенках панциря Achnanthidium minutissimum. Фотография из черновика статьи Кетрин Лайнвебер и Питера Крота

Панцирь диатомовых геометрически правилен. Природа сконструировала огромное разнообразие математически выверенных форм панцирей диатомовых, покрытых многочисленными структурными элементами.

Панцирь устроен как коробка из-под леденцов. Он состоит из двух надетых одна на другую половин — крышки эпитеки и донышка гипотеки. Эпитека всегда больше гипотеки. Основания эпитеки и гипотеки называются створками, боковые каемки — пояском. Поясок не цельный, а состоит из отдельных вставочных ободков.

Панцирь диатомовых — это коробочка

Жесткий панцирь-коробочка накладывает ограничение на рост микроорганизма. Диатомовая растет только в одном направлении: вдоль центральной оси, которая проходит перпендикулярно плоскости створок. Рост происходит за счет нарастания пояска — между краем створки и пояском нарастают новые вставочные ободки. Таким способом диатомовая увеличивает высоту панциря.

Диатомовая растет только по высоте

Длина и ширина панциря уменьшаются после деления клетки. Во время деления панцирь-коробочка раскрывается. Эпитека и гипотека расходятся и дают жизнь двум организмам. Дочерние клетки получают от родителя половину панциря, которая становится эпитекой. Получается, что эпитека и гипотека родителя всегда превращаются в эпитеку потомков.

Деление диатомовой из рода Striatella или Pseudostriatella

Так как эпитека больше гипотеки, то дочерняя диатомовая, выросшая из гипотеки родителя, будет немного меньше размера родителя — примерно на двойную толщину стенок панциря. Вторая дочка останется такой же. Это каноническое правило Макдональда-Пфитцера.

После деления половина диатомовых уменьшается в размере, другая — остается такой же

Из всякого правила есть исключения. Некоторые виды диатомовых после деления не уменьшаются в размере. Возможно это связано с гибкостью поясковых ободков, что позволяет гипотеке оставаться равной или даже превышать по размеру эпитеку. Однако эта гипотеза требует исследований.

Диатомовые рода Dytilum и Odontella от Чарльза Креба

Диатомовые интересны не только жизненным циклом, но и разнообразием кремниевых элеметов панциря. Панцирь-коробочка — это первое приближение к морфологии диатомовых. Чем больше детализация — тем больше структур и сложнее систематика видов.

Из-за этого систематики мучаются. Они описывают новые виды, переописывают коллекции коллег, и никак не придут к единому мнению — что есть вид диатомовой.

Блог Сциентифик Американ относит диатомовые водоросли к микробам

А диатомовые, тем временем, живут в стеклянном домике неторопливой жизнью, и им абсолютно начхать на систематику.

Резюме

Кремниевый панцирь диатомовой устроен как геометрически правильная коробочка.
Жесткий панцирь позволяет организму расти только в одном направлении — по высоте.
После деления длина и ширина панциря одной из дочерей слегка уменьшается, но у некоторых видов панцири остаются такими же.
Систематика диатомовых сложная штука.

Если вам вдруг непреодолимо захотелось меня поблагодарить, переведите мне 200 руб. на чашеку кофе.