ИСТИНА

Погонофоры и вестиментиферы - загадочные морские черви, по современным представления они принадлежат к аберрантным кольчатым червям Siboglinidae. Они лишены рта и кишечника и существуют исключительно за счет прокариотных симбионтов - хемоавтотрофных бактерий, населяющих клетки специального органа симбиотрофного питания - трофосому. Классические исследования строения и развития погонофор были предприняты российским зоологом академиком А.В. Ивановым. К сожалению, эти исследования проводились, исходя из представлений о близости погонофор к вторичноротым животным, и это сильно повлияло на фактические результаты. Так, строение в целомической системе были выделены отделы, соответстующие отделам целома вторичноротых, а в развитии погонофор была описана энтероцелия и рост мезодермальных зачатков спереди назад, как это имеет место у вторичноротых. Эти результаты противоречат современной трактовке погонофор как представителей аннелид и нуждаются в ревизии современными методами, включая методы электронной микроскопии, лазерной конфокальной микроскопии и 3D-реконструкций. Первые представители вестиментифер были описаны в конце 1960-х годов, позднее большое разнообразие вестиментифер было обнаружено в гидротермальных очагах и районах холодных углеводородных просачиваний. Микроскопическая анатомия вестиментифер оказалась исследованной гораздо слабее, чем их физиология и биохимия и физиология их прокариотных симбионтов. До настоящего времени, например, нет реконструкции нервной системы вестиментифер на современном уровне, непонятно, какова природа выделительной системы вестиментифер, что затрудняет их сравнение с аннелидами. В задачи работы входит исследование морфологической организации и развития погонофор и вестиментифер современными методами, включая методы 3D-реконструкций, электронной микроскопии и лазерной конфокальной микроскопии с тем, чтобы дать полную современную реконструкцию строения и развития этих животных. Было показано, что находки погонофор и вестиментифер холодных просачиваний приурочены к местам углеводородных высачиваний. Мелководные погонофоры встречаются в тех районах, где в осадке обнаруживаются высокие концентрации метана. Предполагается, что погонофоры (преимущественно, глубоководная группа) могут быть индикаторами глубоководных месторождений углеводородов. Однако, до сих пор нет таких карт в глобальном масштабе, на которых было бы проведено сопоставление находок погонофор и вестиментифер холодных просачиваний с местами разведанных месторождений углеводородов. Разработка таких карт с использованием современных ГИС-методов позволит оценить значение погонофор и вестиментифер как индикаторов подводных (в том числе, глубоководных) месторождений нефти и газа.

Pogonophorans and vestimentiferans are mysterious marine worms which recently have been placed together within the aberrant annelid tubeworms Siboglinidae. In adult stage they lack mouth and gut and rely their nutrition on chemoautotrophic bacterial symbionts inhabiting cells of the trophosome, a peculiar organ of symbiotrophic nutrition. Classical studies on the structure and development of Pogonophora were led by the Russian zoologist academician A.V. Ivanov. Unfortunately, these studies were based on the idea of deuterostomic affinity of pogonophorans what had strong impact on results. Thus, the divisions of the coelomic system were shown as in typical deuterostomic animals, and in the development the enterocoely was desribed as well as anteroposterior growth of mesoderm as in the group of Deuterostomia. This data contradicts the current interpretation of Pogonophora as representatives of phylum Annelida and needs revision by modern methods, including electron microscopy, laser confocal microscopy and 3D modeling. The first representatives of vestimentiferan tubeworms were described in the late 1960s, later a great variety of vestimentiferans was found in areas of hydrothermal vents and cold hydrocarbon seeps. The microscopic anatomy of the vestimentiferans is less studied than their physiology, biochemistry, and physiology of their prokaryotic symbionts. Until now, for example, there is no reconstruction of the vestimentiferan nervous system at a state-of-the-art level, and it is unclear what is the nature of the vestimentiferan excretory system, what is necessary for comparison with annelids. The tasks of the work include the study of the morphological organization and development of pogonophorans and vestimentiferans by modern methods, including methods of 3D reconstructions, electron microscopy and laser confocal microscopy in order to give a complete state-of-the-art reconstruction of the structure and development of these animals. Findings of pogonophorans and cold seeps' vestimentifierans are shown from areas of hydrocarbon seepages. Shallow-water pogonophorans have been found in sediments with high concentration of methane. It is assumed that pogonophorans (mainly deep-sea group) could serve as indicators of deep-sea hydrocarbon deposits. However, so far there is no map at a global scale where habitats of pogonophorans and cold seeps' vestimentifierans are compiled with the areas of hydrocarbon deposits. Modern GIS-methods will make it possible to generate the maps and to assess the importance of tubeworms' groups Pogonophora and Vestimentifera as indicators of underwater (including deep-sea) oil and gas fields.

Полная реконструкция организации френулятных погонофор на примере представителей родов Siboglinum и Oligobrachia c использованием методов 3D-моделирования. Исследование эмбрионального развития Siboglinum fiordicum, со специальным вниманием на способ закладки целомической мезодермы. Решение вопроса о наличии или отсутствии энтероцелии в развитии погонофор. Полная реконструкция организации вестиментифер со специальным вниманием к организации нервной, целомической, выделительной и кровеносной системы на примере Lamellibrachia sp., Arcovestia ivanovi, Riftia pachyptila, Ridgea piscesae, Oasisa alvinae. Исследование ультраструктуры нервной системы и выделительного аппарата. Решение вопроса о наличии протонефридиев или метанефридиев в выделительной системе вестиментифер. Выявление закономерностей постэмбрионального развития и аллометрического роста вестиментифер на примере Riftia pachyptila. Описание новых видов погонофор из районов морей России, перспективных для поиска и добычи нефти и газа (Карское море, море Лаптевых, Восточно-Сибирское и Охотское моря). Составление карт географического и батиметрического распределения френулятных погонофор и вестиментифер с использованием ГИС-технологий, сопоставление карт распределения погонофор и вестиментифер с областями разведанных месторождений нефти и газа. Результаты реконструкции строения и развития погонофор и вестиментифер представляют собой вклад в фундаментальную биологию, будут использованы в курсах зоологии и сравнительной анатомии и включены в учебники и руководства, а образцы животных будут переданы в музейные коллекции. Результаты по географическому и батиметрическому распределению погонофор и вестиментифер из холодных просачиваний имеют практическое значение, поскольку составленные карты будут использованы для прогнозирования возможных месторождений углеводородов прежде всего на больших глубинах Мирового океана.

Имеющийся у коллектива задел определяется большим опытом работы в области морфологии, развития и таксономии беспозвоночных. Руководитель коллектива за последние 5 лет опубликовал 30 статей, в журналах индексируемых в международных базах данных WoS и Scopus, в том числе 6 статей в журналах, входящих в первый квартиль Q1. Члены коллектива владеют современными методами 3D-моделирования морфологических структуры, в том числе применительно к сибоглинидам , что подтверждается наличием публикаций статей по 3D-реконструкциям сибоглинид в международных журналах за последние 5 лет, входящих в первый квартиль Q1. Члены исследовательского коллектива владеют современными методами исследования нервной и мышечной системы с применением сканирующей конфокальной микроскопии (ЛКМ) с использованием иммуногистохимических методов применительно к к сибоглинидам и близким группам, что подтверждается публикациями в международных журналах за последние 5 лет, входящих в первый квартиль. В состав исследовательского коллектива входят сотрудники (И.А. Екимова), в совершенстве владеющие современными методами выделения ДНК, амплификации фрагментов митохондриальных (COI, 16S) и ядерных (H3, 28S, 18S) генов, чтения последовательностей будет методом секвенирования по Сенгеру, детекции криптического разнообразия, реконструкции филогенетических отношений в программах, применительно к морским беспозвоночным, что подтверждается публикациями в международных журналах за последние 5 лет, входящих в первый квартиль Q1. Члены исследовательского коллектива имеют опыт анализа географического и батиметрического распространения сибоглинид, что подтверждается публикациями за последние 5 лет в журналах, индексируемыми в базе WoS. Руководитель и члены коллектива имеют многолетний опыт работы по изучению Siboglinidae. Всего руководителем и членами коллектива опубликовано 19 статей и 1 монография, посвященная различным аспектам строения, развития, таксономии и распространения Siboglinidae.

В ходе проекта проведены исследования микроскопической анатомии, эмбрионального и постэмбрионального развития развития, таксономии и закономерностей географического и батиметрического распространения бескишечных морских беспозвоночных Siboglinidae, основой жизнедеятельности которых является симбиоз с хемоавтотрофными бактериями. В ходе выполнения проекта показано, что план строения мозга вестиментифер обнаруживает сходство с планом строения мозга аннелид как в отношении плана строения, так и в отношении внутренней нейрогистологической архитектуры. В организации дорсальной части мозга вестиментифер можно обнаружить специальные сходства с организацией надглоточного ганглия типичных аннелид: периферическая зона перикариев, две основные поперечные комиссуры, грибовидные тела, комиссуральные кластеры перикариев, а также корешки окологлоточных коннектив, которые дают отростки нейронов в многочисленные пальпы (щупальца). Участок, соответсвующий подглоточному ганглию содержит вентральное скопление перикарионов (=первый ганглий брюшного ствола), который связан с подглоточной комиссурой. Парный брюшной нервный тяж залегает в эпидермисе, не ганглионизирован по большей части его длины и содержит гигантские аксоны. Нервные стволы и гигантские аксоны сливаются в задней части тела вестиментиферы. В пределах группы Siboglinidae вестиментиферы отличаются крупным и значительно дифференцированным мозгом, что является производным сильного развития щупальцевой короны. Исследование нервной системы взрослых особей френулятных погонофор позволило выявить две поперечных внутримозговые комиссуры и перекрещивающиуся комиссуру. От мозговой вентральной комиссуры на спинную сторону отходит два щупальцевых нерва, а также в головную лопасть множество тонких нервных отростков. От мозга назад отходит вентральный нервный ствол, который представлен двумя широкими парными составляющими, которые в районе уздечки сближаются, а позади нее расходятся. Общий план строения центральной нервной системы закладывается у личинок на стадии метатрохофоры. В состав центральной нервной системы на этой стадии входят вентральная мозговая комиссура, окологлоточные коннективы соединяют мозговую комиссуру с вентральным нервным стволом. В целом, нервная система сибоглинид соответствует плану строения нервной системы седентарных аннелид и наиболее близка к нервной системе представителей семейства Sabellidae, их мозговой ганглий представляет собой объединение надглоточного и подглоточного ганглиев типичных аннелид, тогда как особенности в организации туловищной нервной системы связаны со своеобразием расчленения тела сибоглинид. Показано, что кровеносная система крупнейшего вида сибоглинид Riftia pachyptila устроена иначе, чем предполагалось ранее, а именно в щупальцевой короне Riftia pachyptila совмещены две системы сосудов, т.е. кровь идет в щупальца и по аксиальным сосудам, и по базальным. Наличие последних сосудов – сохранившееся предковое состояние вестиментифер.Показано, что зачаток трофосомы вестиментифер представлен тремя группами вакуолизированных клеток. Одна из них – скопление колбовидных клеток на дорсальной поверхности кишечной трубки по обе стороны от дорсо-вентрального мезентерия. Две другие группы – это скопления вакуолизированных клеток на боковых сторонах тела между двумя пучками продольной мускулатуры. Таким образом, трофосома развивается из 2-х источников. Первый источник – это модифицированные клетки целомического эпителия, одевающего кишечную трубку, т.е. спланхноплевры. Латеральные скопления вакуолизированных клеток также представляют собой модификацию целомического эпителия стенки тела, т.е. соматоплевру. Таким образом, трофосома вестиментифер развивается на основе целомического эпителия и происходит из 2-х источников – как от спланхноплевры, так и от соматоплевры. Исследование срезов показало, что выделительное дерево вестиментифер представляет собой лопастную структуру, расположенную позади мозга и является совокупностью замкнутых на дистальных концах канальцев. В стенках канальцев обнаружены участки, где микровиллярные выросты соседних клеток образуют густую анастомозирующую сеть и являются сайтами ультрафильтрации, где жидкость проходит через слой экстраклеточного матрикса между отростками клеток из гемоцеля в полость выделительных канальцев. В результате ультраструктурных исследований выделительной системы вестиментифер решен вопрос о том, какова природа выделительной системы вестиментифер. Исходя из наших данных по ультраструктурному строению канальцев выделительного дерева, можно с уверенностью охарактеризовать выделительную систему вестиментифер как протонефридиальную. Проведено исследование эмбрионального и личиночного развития сибоглинид подсемейства Frenulata на основе материала полученного при культивировании погонофор и их личинок в лабораторных условиях с регулярной фиксацией последовательных стадий развития. В развитии погонофор Frenulata выделено 3 характерных для этой группы организмов личиночных стадии: трохофора, метатрохофора и нектосома. Трохофора и метатрохофора френулятных погонофор в целом соответствуют одноименным стадиям в развитии типичных аннелид. Стадия нектосомы отражает специфические особенности позднего развития сибоглинид. Мезодермальный зачаток появляется на стадии трохофоры и представлен двумя группами крупных клеток с большими электронно-светлыми ядрами, располагающимися симметрично на заднем конце личинки. Рост и дифференцировка мезодермальных зачатков осуществляется сзади наперед, а не спереди назад, как до сих пор ошибочно указывалось во все руководствах и учебниках. Ни на одной стадии не обнаружено признаков энтероцельной закладки мезодермы. В целом закладка мезодермы и дифференцировка целомов у френулятных погонофор соответствует тому, что наблюдается в развитии типичных аннелид. Тем самым господствующие долгое время в литературе представления об энтероцельном способе закладки целома у погонофор и развитии мезодермальных зачатков спереди назад (что типично для вторичноротых) следует признать ошибочными. Выявлены закономерности особенностей постэмбрионального развития и роста вестиментифер. С увеличением размеров червей происходит замедление темпов роста обтюракулярного отдела. В ходе постэмбрионального развития рост вестиментума замедляется, тогда как туловище растет с опережением. Опережающее увеличение длины туловищного отдела связано с усиленным ростом половой системы и трофосомы. Быстрее других замедляет рост опистосома. Проведенный сравнительный анализ закономерностей строения отделов тела вестиментифер гидротермальных очагов и холодных просачиваний показал, что при сходстве во внутренней анатомии, можно выявить отличительные черты в расчленении отделов тела. У вестиментифер из гидротермальных очагов Тихого океана отношение длины обтюракулярного и вестиментального отделов изменяется от 1:1 до 3:1. Относительно большие размеры обтюракулярного отдела обусловлены тем, что вестиментиферы гидротермальных очагов, прикрепляющиеся к субстрату задним концом трубки, поглощают сульфид, кислород и углекислоту только через щупальца. У вестиментифер, обитающих в холодной воде углеводородных просачиваний обтюракулярный отдел меньше вестиментального в 2–5 раз, поскольку вестиментиферы из районов углеводородных просачиваний через щупальца поглощают только кислород и углекислый газ, а сульфид диффундирует из толщи осадка и поглощается через покровы туловищного отдела. Таким образом, морфология и размерные отношения отделов могут служить отражением характерных особенностей экологии и использоваться для реконструкции особенностей среды на основе морфологических признаков. На основании изучении коллекций погонофор из трех Арктических морей (Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского моря) и из Курило-Камчатского желоба выделено 4-х новых для науки вида погонофор Frenulata, два из которых отнесены к новым родам. Описано строение и выделены таксономические признаки двух новых видов подсемейства Vestimentifera связанных с холодными углеводородными просачиваниями, отнесенных к родам Escarpia и Lamellibrachia. В результате проведенного анализа распространения френулятных погонофор и таксонов вестиментифер, приуроченных к углеводородным просачиваниям, в масштабах всего Мирового океана построена карта географического и батиметрического распространения погонофор и вестиментифер. Проведенный анализ позволяет выделить следующие основные районы сиповых просачиваний в Мировом океане: Мексиканский залив, части восточного и западного побережий Тихого Океана, Черное и Средиземное моря, Персидский залив, некоторые регионы Индийского океана, отдельные части Южного океана. Особый интерес представляют районы сиповых просачиваний углеводородов, обнаруженные в морях российского сектора Арктики. Во всех случаях места углеводородных проявлений совпадают с районами обитания сибоглинид. В Баренцевом море встречаются 4 вида семейства Siboglinidae, в том числе 3 вида погонофор Frenulata (Nereilinum murmanicum, Oligobrachia haakonmosbiensis, Siboglinum hyperboreum) и один вид Monilifera (Sclerolinum contortum). Среди арктических морей России море Лаптевых выделяется, как наиболее богатое по видовому составу Siboglinidae, здесь встречено 8 видов сибоглинид: Nereilinum squamosum, Oligobrachia haakonmosbiensis, Oligobrachia webbi, Polybrachia gorbunovi, Polarsternium rugellosum, Siboglinum hyperboreum, Siboglinidae gen. sp., Sclerolinum contortum. В Восточно-Сибирском море встречается Oligobrachia haakonmosbiensis. Особый интерес представляет обнаружение cибоглинид в Карском море, где находки связаны с устьевыми районами одной из крупнейших сибирских рек – Енисея. Высокие концентрации метана в данном случае возникают как результат деградации толщ вечной мерзлоты под влиянием речного стока в условиях общего потепления Арктики. Особого внимания заслуживают материалы по распространению Siboglinidae в одном из окраинных морей Тихоокеанского региона России, а именно в Охотском море. Охотское море является одним из перспективных регионов для добычи углеводородов и в нем известно большое количество различных проявлений выхода метана. Из сибоглинид в Охотском море встречается 5 видов френулятных погонофор (Lamellisabella zachsi, Oligobrachia dogieli, Polybrachia annulata, Siboglinum caulleryi, Siboglinum plumosum) и один представитель монилифер - Sclerolinum sp. Сопоставляя данные о распределении сибоглинид в Охотском море с обобщёнными геологическими данными по распространению метана и других углеводородов в придонном слое воды и в осадках, можно отметить следующую закономерность: сибоглиниды в Охотском море приурочены преимущественно к выделенным областям углеводородных проявлений. В центральных районах Охотского моря, где сибоглиниды практически отсутствуют, зарегистрированы минимальные значения концентрации метана. Проведенный анализ подтверждает наличие корреляции между распространением Siboglinidae и высокими концентрациями метана и позволяет рассматривать сибоглинид как индикаторов углеводородных проявлений различного генезиса.