Морфология клеточной стенки Диатомовой водоросли

K.Krammer и H. Lange-Bertalot

Даже сегодня диагностика диатомей обычно основывается на исследованиях с помощью светового микроскопа (СМ). Почти все виды можно идентифицировать таким образом, и лишь для немногих пока требуется изучение с помощью электронного микроскопа для правильной идентификации.

В принципе, пользователям систематической части нет необходимости детально изучать морфологию клеточной стенки. Тем не менее, беглый обзор морфологии диатомей важен для тех, кто хочет глубже погрузиться в систематику диатомей. Точная интерпретация изображений, полученных с помощью СМ, и понимание таксономических связей возможны только благодаря тщательному знанию морфологии.

Внедрение сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) 2–3 десятилетия назад заложило основу для современных микроморфологических исследований. СМ не только не давал четкого изображения тонкой структуры створки, но и искажал ее, в то время как просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) в основном не мог проникнуть сквозь створку, и для получения детальной информации приходилось прибегать к срезам. Таким образом, многие исследования с помощью СМ и ПЭМ привели к теориям тонкой структуры, которые теперь устарели в свете более современных методов. Несмотря на это, исследования с помощью СМ привели к появлению многочисленных концепций, которые остаются верными и сегодня (например, Hustedt 1926 a, b; 1928 a, b; 1929 a, b; 1935 a, b). Следующие комментарии ограничены рамками, в частности, касаются современных видов внутренних водоемов и, кроме того, в первую очередь структуре пеннатных диатомей. Это оправдано тем, что более 90% всех видов во внутренних водоемах являются пеннатными диатомеями.

Видовое разнообразие в европейских внутренних водах распределено очень неравномерно по основным морфологическим группам. Около 7% составляют центрические, а остальные — пеннатные диатомеи, распределяющиеся следующим образом: арафидные диатомеи — 8%, чуть более 6% — Eunotiaceae, почти 7% — Achnanthaceae (Monoraphideae), чуть более 50% — Naviculaceae (sensu lato) и, наконец, чуть менее 20% — таксоны с килевым швом (исключая формы с килевым швом из Naviculaceae).

Эти цифры относятся исключительно к разделению видов между отдельными группами и ничего не говорят о том, насколько они распространены. Крупные пруды и озера производят большое количество диатомей, состоящих в пресных водах в основном из арафидных и центрических диатомей. Даже эпилитное население диатомей в быстротекущих водах или растущее эпифитно на растениях в стоячей воде часто состоит в основном из арафидных диатомей.

У всех, за исключением немногих слабо окремненных видов (например, Cylindrotheca gracilis), створки диатомей являются самонесущими, т.е. в отличие от целлюлозной клеточной стенки многих водорослей и высших растений, геометрия створки остается неповрежденной после снятия тургорного давления (Krammer 1981b). Это знание легло в основу методов приготовления диатомей. Ископаемые диатомеи сохраняют свою форму на протяжении тысячелетий, даже под давлением вышележащих отложений. Последнее указывает на то, что конструкция створок диатомей не только стабилизирует их собственную форму, но и устойчива к стрессу от дополнительных нагрузок. Для бентосных диатомей в пресной и соленой воде эти нагрузки исходят от волн, течений, падающей воды и дождя из частиц. Также предусмотрена дополнительная нагрузка изнутри клетки. Только с хорошо поддерживаемым скелетом могут разместиться гаметы, часто с аморфным очертанием, через почти сферические ауксоспоры до характерно сформированных вегетативных клеток. Весьма вероятно, что статическая форма вегетативной клетки была бы недостижима без поддерживающего скелета. Поскольку эта кремнеземная клеточная стенка не является эластичной, как целлюлозная клеточная стенка, она должна выдерживать значительные внутренние изменения тургорного давления, вызванные осмотическими изменениями в окружающей среде.

Исследования структуры створок показывают, что она является частью многофункциональной системы. Обмен метаболитов с окружающей средой, например, должен сосуществовать с этой статической системой. Отверстия, необходимые для этого обмена, частично закрыты ситовидными мембранами, проницаемыми для ионов. Хотя это и ослабляет клеточную стенку, в ходе эволюции возникли различные решения, которые удовлетворяют как структурным требованиям, так и требованиям ионного обмена.

Третий фактор обнаруживается там, где створки состоят из хрупкого материала, который, хотя и обладает относительно высоким сопротивлением давлению, имеет заметно более низкую прочность на разрыв, то есть является гибким и трудно поддается сдвигу (Krammer 1981 b). Длинные швы также оказывают существенное влияние на стабильность створки. Взаимодействие всех этих факторов приводит к появлению створок, хорошо адаптированных к окружающей среде.

Резюмируя, в отличие от эластичных систем многих других растений, возникающих из-за перекрестных волокон, окремненные клеточные стенки диатомей образуют более или менее стабильный внешний скелет. Он адаптирован к различным нагрузкам-давлениям. Наше текущее состояние знаний позволяет нам лишь строить догадки и задавать вопросы о взаимодействиях между различными силами и элементами створки. Только дальнейшие исследования покажут, почему структуры диатомей имеют ту форму, которую они имеют.

4.1 Типы форм и симметрия

Kirchner (1878) и Schiitt (1896) разделили Bacillariophyceae на две группы: Centrales и Pennales. Существует достаточно сходства в базовой структуре двух групп, чтобы их можно было рассматривать вместе. Рис. 1: 1–5 представляют собой схемы, показывающие наиболее важные структурные элементы, оси и плоскости пеннатных диатомей. Клеточная стенка диатомей (фрустула, поясок) похожа на коробку, состоящую из двух одинаковых половин, нижняя половина которых называется гипотекой, а верхняя — эпитекой. Каждая из них, в свою очередь, состоит из двух частей: створки и сопровождающего ее пояска. У некоторых видов створки относительно плоские, но обычно край сильно изогнут, образуя узкую или широкую мантию створки. Поверхность створки, мантия и прикрепленный поясок вместе известны как эпи- или гипотека.

Три оси и плоскости (рис. 1: 1–3) важны для описания створок диатомей (O. Müller, 1895). Апикальная ось (А) соединяет два полюса и лежит параллельно поверхности створки. У центрических диатомей неограниченное количество «апикальных осей» называют радиальными осями. Морфологический центр обеих створок соединен первалварной осью (Р). Она перпендикулярна как поверхностям створок, так и апикальной оси. Параллельно поверхности створки, но перпендикулярно апикальной оси, проходит трансapикальная ось (Т). С помощью этих трех осей можно определить три плоскости, которые имеют большое значение при описании морфологии диатомей. Апикальная и трансapикальная оси лежат в плоскости створки (рис. 1: 1); апикальная и первалварная оси — в апикальной плоскости (рис. 1: 2); а трансapикальная и первалварная оси — в трансapикальной плоскости (рис. 1: 3). Сечения, перпендикулярные первалварной оси, являются поперечными сечениями.

Эти термины O. Müller не предназначены для использования в математическом смысле. В геометрии не бывает изогнутых осей или выпуклых плоскостей. Однако при описании диатомей такие модификации весьма полезны. Оси могут быть прямыми или изогнутыми линиями, плоскости — изогнутыми или искривленными и делить фрустулу на равные или неравные половины (рис. 2: 4–20). Если плоскости разделены на две неравные половины, соответствующие оси заканчиваются двумя неравномерно развитыми полюсами и называются гетерополярными. Основные плоскости не все являются плоскостями симметрии. Морфологические плоскости и плоскости симметрии совпадают только у видов, у которых все три оси изополярны (т.е. оба полюса имеют одинаковое морфологическое строение, например, Cyclotella, рис. 2: 1–3 и Pinnularia, рис. 2: 4–6). Все остальные формы на рис. 2: 7–21 либо гетерополярны по одной оси, либо имеют по крайней мере одну изогнутую ось и, следовательно, искривленную плоскость. У родов Amphora (рис. 2: 7–9) и Cymbella апикальная и первалварная оси изогнуты, а трансapикальная ось прямая. Плоскость створки и апикальная плоскость являются плоскостями в геометрическом смысле, в то время как трансapикальная плоскость изогнута. У Achnanthes, Entomoneis и Rhopalodia (рис. 2: 13–18) некоторые оси и плоскости изогнуты несколько раз или даже перекручены. У цимбиформной Amphora ovalis (рис. 2: 7–9) трансapикальная ось гетерополярна, а другие оси изополярны, в то время как у булавовидной («клаватной») Gomphonema spp. (рис. 2: 10–12) апикальная ось гетерополярна, а другие оси изополярны.

Множество терминов, описывающих геометрию и симметрию створок, в дополнение к перечисленным здесь, можно найти в литературе по диатомеям. Поскольку единообразного использования этих терминов не обнаружено, они здесь подробно не рассматриваются.

«Симметрия» — еще один термин, который используется довольно свободно при описании створок диатомей. У всех видов со срединным швом обе половины устроены по-разному. Центральные и концевые щели создают асимметрию, как и стигматы, разлом Фойгта и другие детали тонкой структуры. Структурное различие между эпитекой и гипотекой существует у всех диатомей, так что даже симметрия в плоскости створки не гарантирована. Однако такие особенности не учитываются в комментариях о симметрии.

Очертание элементов фрустулы в трансapикальной плоскости редко демонстрирует типичную коробчатую форму створки (рис. 2: 2, 2: 17, 2:11). Один из таких примеров — Stauroneis phoenicenteron . Виды Cymbella демонстрируют различные типы трехмерной общей структуры створки где коробочка в трансapикальном сечении круглая, шестиугольная или квадратная (Krammer 1981a).

В дополнение к поверхности створки и мантии, некоторые виды имеют третий структурный элемент — псевдосепту. Он значительно отличается по структуре от настоящей септы (сравнимой с частью пояска створки), которые соединены вставочными ободками. Псевдосепты встречаются, например, на концах створок многих видов Stauroneis и Gomphonema, а также у Rhoicosphenia abbreviata. Она образована внутренним расширением мантии створки, параллельным поверхности створки, на одной или обеих плоскостях (рис. 3: 6–8, 16: 7–8).

4.2 Морфологические структуры клеточной стенки

Наблюдение створок диатомей под световым микроскопом выявляет множество форм, которые на первый взгляд невозможно свести к относительно немногим структурным типам. Более глубокое морфологическое исследование с использованием ПЭМ или СЭМ быстро обнаруживает больше сходства, чем существенных различий. Это не особенно удивительно, поскольку комбинация функциональности и физических свойств материала достигается лишь ограниченным числом структур створок. После завершения морфогенеза фрустула представляет собой конструкцию, которая подчиняется требованиям, полностью идентичным требованиям инженерии. Таким образом, в створках диатомей мы находим три основные структуры, так же как известно из инженерии и строительства:

1. Перфорированные пластины
2. Решетчатые ребра
3. Однополостные и двуполостные альвеолярные реберные системы

Наивысший уровень развития, оптимизирующий расход материала при сохранении статических свойств, обнаружен в решетчатых реберных структурах многих морских центрических, а также у некоторых пеннатных диатомей. Структуры перфорированных пластин, такие как встречаются, например, у многих монорафидных диатомей, требуют относительно большого расхода сырья. Альвеолярные реберные системы находятся где-то между ними.

Перфорированная пластина — это простейшее решение для сохранения прочной структуры и достижения большой площади обмена между внутренней частью клетки и окружающей средой. Эта структура, где кремнеземная пластина перфорирована в различных узорах ареолами в виде пор, встречается у многих монорафидных диатомей. Характерная перфорированная пластина обнаружена у шовной створки Cocconeis pediculus.

Эти круглые или овальные (в поперечном сечении) ареолы закрыты велумом с внутренней стороны. Однако эта конструкция редко встречается в своей примитивной форме. Gerloff & Rivera (1978) показывают, например, что арафидная створка Cocconeis pediculus из Иордании значительно сложнее этой базовой структуры. На внутренней стороне створки, по-видимому, сохраняется простая перфорированная пластина, но кнаружи простые поры многократно разделены сложными губами. Эта изрезанная поверхность створки обеспечивает большую площадь для обмена между внутренней частью клетки и окружающей средой. Ряд Naviculaceae имеют створки, соответствующие структурному типу перфорированной пластины. Виды Frustulia имеют створки, особенно характерные для этой структуры. У Frustulia rhomboides ареолы в перфорированной пластине распределены относительно регулярно.

Материал между порами образует узкие трансapикальные и апикальные ребра (косты). К наружи ареолы сужаются в узкие форамины, закрытые только изнутри вогнутыми внутрь полусферическими ситовидными мембранами. Хотя эти ситовидные мембраны относительно стабильны, они часто разрушаются при кислотной подготовке, что подчеркивает базовую структуру. У Navicula s. l. структура перфорированной пластины встречается у нескольких видов, например, у N. cuspidata. Опять же, базовая форма структуры перфорированной пластины встречается редко. Чаще всего Navicula s. l. имеет структуры, переходные к альвеолярным реберным системам. Намек на это виден у N. placenta. Многие виды Neidium, например Neidium affine, демонстрируют трансверсальное расположение альвеол. Однако структура здесь ближе к структуре перфорированной пластины, чем к альвеолярным реберным системам.

Все системы перфорированных пластин имеют две общие черты. Во-первых, межреберные ребра сильно развиты, часто такие же прочные, как и трансверсальные ребра. Во-вторых, у всех изученных на сегодняшний день видов на внутренней поверхности створки существуют сильно развитые, вогнутые внутрь полусферические велумы.

Решетчатые реберные структуры сочетают хорошую стабильность с минимальным использованием конструкционного материала. Многие из существующих типов створок с такой структурой состоят из тонких перекладин и стенок (Gerloff 1963). Эти створки всегда двуслойные, стенки соединены тонкими мембранами, расположенными в виде шестиугольников или квадратов, которые, в свою очередь, образуют стенки ареол. Множество вариаций этого типа структуры присутствуют у морских планктонных центрических диатомей. Хотя этот тип структуры очень редок у пеннатных диатомей, хорошие примеры можно увидеть у родов Pleurosigma и Gyrosigma. Pleurosigma angulatum с ее шестиугольными ареолами даже стал самым известным тест-объектом для исследований. Однако даже исследования створки с помощью ПЭМ оставили многие аспекты точной структуры открытыми для активного обсуждения (Kolbe 1954; Hustedt 1945, 1952). Исследования с помощью СЭМ показывают, что створки.

Pleurosigma и Gyrosigma имеют схожее строение и различаются по двум признакам: у Pleurosigma ареолы шестиугольные, а у Gyrosigma — квадратные. Это приводит к появлению трех внутренних и внешних реберных систем у Pleurosigma и двух у Gyrosigma. Структура створки Gyrosigma attenuatum показана на фрагментах. Внутренняя и внешняя стенки створок состоят из двойной Т-образной поддерживающей реберной системы, которая служит для дальнейшего укрепления решетчатой реберной системы. Стенки камер (f) не всегда полностью развиты и часто имеют соединительные отверстия (h). Камеры имеют большие круглые форамины с плоскими велумами (a) на стороне камеры, самой внутренней по отношению к створке. Наружные продольные ребра имеют боковые губы (d), ограниченные узкими, вытянутыми в апикальном направлении наружными фораминами (e), близкими к ареолам.

Одно- и двустворчатые альвеолярные реберные системы наиболее распространены у пеннатных диатомей и встречаются как у арафидных диатомей, так и у многих диатомей со срединным и килевым швами. Многие центрические диатомеи также имеют эту структуру. Створки основаны на прочной реберной системе, способной выдерживать давление (Krammer 1981 b, 1982 a). Реберные системы, которые видны не только во время морфогенеза, но и при коррозионной дезинтеграции у центрической и пеннатной диатомей. У центрической Cyclotella главным элементом реберной системы является центральное утолщение (d), которое в определенной степени аналогично центральной области пеннатных диатомей. Радиальные ребра соответствуют трансверсальным штрихам пеннатных видов. Межреберья лежат между трансверсальными/радиальными штрихами, а системы ареол, образующие камеры в их внешних стенках, представляют собой важный путь для обмена метаболитов между внутренней частью створки и окружающей средой. На внутренней стороне створки соседние трансверсальные ребра образуют неглубокие или глубокие желобки — альвеолы. Обычно они открыты на внутреннюю сторону створки, но во многих случаях частично закрыты внутренней стенкой. В крайних случаях, таких как Cyclotella comta или многие виды Caloneis, между альвеолой и внутренней частью клетки остается лишь небольшое маргинальное отверстие. Длина и ширина этого отверстия в стенке альвеолы часто являются хорошим таксономическим признаком. Исключение было обнаружено Serieyssol (1981), который показал, что у Cyclotella andacensis var. bauxiulensis отверстие альвеолы по длине варьируется от половины до почти полной длины трансверсального штриха, видимого в световой микроскоп. Альвеолы варьируются от полностью закрытых до полностью открытых внутри таксона.

Отдельные элементы в альвеолярных реберных системах модифицированы по-разному. В принципе, можно выделить две группы. В первой группе форамины (6) во внешней стенке альвеол покрыты велумом, в то время как альвеолы полностью открыты внутрь (рис. 5: 1, 2). Это нормальная структура, встречающаяся, например, у Cymbella. Во второй группе (рис. 5: 7, 8), напротив, форамен (4) открыт наружу, а велум натянут на всю внутреннюю поверхность ареолы (6). Эта структура очень широко распространена, например, у Navicula, Frustulia, Gyrosigma, Amphora и у многих видов с килевым швом. Даже у Cymbella один вид, Cymbella pusilla, имеет эту структуру створки. Различные вариации структуры с велумом снаружи можно увидеть на рис. 5: 1–5: 6. Различно утолщенные межреберные ребра (12) лежат между обычно очень сильными трансверсальными ребрами (10) и имеют тенденцию быть вдвое выше последних. Однако исключения можно найти, например, у некоторых видов рода Gomphonema. Здесь межреберные ребра почти такие же высокие, как и трансверсальные ребра, хотя альвеоляция почти исчезает. Трансверсальные и межреберные ребра образуют стенки ареолы, на внешней стороне которых губы форамина формируют форамины, внутри которых натянуты тонкие велумы. Обычно они очень просто устроены и имеют только щелевидную форму. Однако они также могут быть зубчатыми, как у Cymbella mexicana,

и тогда образуются разнообразные структуры фораминов. Обширные форамины, снабженные стабильными велумами, редко образуются на внешней поверхности ареол (Cymbella belmckei). Как правило, существует тенденция к расщеплению крупных фораминов путем образования множества губ, которые одновременно защищают и уменьшают площадь более тонких велумов. Губы фораминов часто очень деликатны и часто непосредственно переходят в велум. Велум и губы фораминов часто отсутствуют при исследованиях с помощью СЭМ из-за кислотной обработки створок во время приготовления. Описания фораминов не всегда принимают это во внимание. На одно межреберье приходится один или несколько соответствующих по размеру рядов ареол.

Несколько рядов ареол на одно межреберье являются диагностическими признаками для некоторых родов, например, Pinnularia и Caloneis. Некоторые виды Pinnularia имеют открытые альвеолы и 4–12 рядов ареол на внешней стороне створки (Krammer 1982a). Эти ареолы организованы в сотоподобную структуру с маленькими круглыми трубчатыми камерами, закрытыми с внешней стороны тонким велумом. У видов секций Maiores, Complexae и некоторых других групп альвеолы закрыты изнутри небольшими или большими отверстиями, которые могут охватывать всю длину альвеолы. В этих случаях продольные полосы, которые являются не чем иным, как изображением альвеолярных отверстий в световом микроскопе, отсутствуют при наблюдении в световой микроскоп. На последней четко видна довольно тонкая внутренняя стенка альвеол, выпуклая по направлению к альвеолам, натянутая между трансверсальными ребрами. У Pinnularia maior камеры альвеол имеют диаметр около 100 нм при общей высоте 300 нм. Створки Caloneis похожи на створки видов Pinnularia с частично закрытыми альвеолами, хотя здесь внутреннее отверстие альвеолы очень мало и расположено близко к мантии створки (Caloneis silicula). Здесь внутренние стенки альвеол мембранно-тонкие, и поэтому трансверсальные ребра четко видны.

В то время как множественные ряды ареол являются родовыми признаками (в сочетании с другими особенностями) Pinnularia и Caloneis, они полезны для разграничения видов или небольших групп видов у Gomphonema, Achnanthes и Gomphonéis. У видов с открытыми альвеолами одна и та же структура створки может наблюдаться даже у разных родов. Таким образом, створки Achnanthes lanceolata и Pinnularia gibba очень похожи по организации ареол.

У некоторых центрических диатомей с альвеолярной реберной структурой, например, Cyclotella (Helmcke & Krieger 1952, Round 1970, Lowe 1975, Serieyssol 1981), между прочными радиальными ребрами находятся межреберья с двумя или более рядами ареол, часто увеличивающимися в количестве к краю. Радиальные ребра обычно видны не только вокруг внутренних альвеолярных отверстий, но и на внешней стороне створки вокруг закрытых альвеол . У многих видов, независимо от рода, ареолярные альвеолы ограничены поверхностью створки, хотя у других они распространяются далеко на мантию створки. Так обстоит дело с Stauroneis phoenicenteron, где они равномерно переходят с поверхности створки на мантию створки.

Другие группы, напротив, например, виды Gomphones, имеют открытые альвеолы на поверхности створки, которые закрываются по направлению к мантии и на мантии, и приводят к нескольким рядам тонких ареол (m), расходящихся наружу. Различные структуры неизвестной функции и, вероятно, не имеющие структурного значения могут быть найдены внутри ареол и альвеол. Примеры этого можно увидеть в виде деликатных распорок, обрубков распорок (рис. 5: 1–3) и различных папилл (рис. 5: 5, 6: 8), которые тесно связаны с наружными отверстиями камер (см. Mann 1981).

Вторая основная структура створок с альвеолярными ареолами — это та, где присутствует большой внутренний велум (рис. 5: 7, 5: 8). Типичными примерами этого являются створки Navicula s.str. Ареолы имеют форамины без велумов на внешней поверхности створки (4) и большие велумы, выпуклые по направлению к внутренней части створки. Ареолы часто вытянуты в апикальном направлении. Существует плавный переход от этого структурного типа к решетчатой реберной структуре, например, створка Amphora ovalis.

Узкие, но очень высокие трансверсальные ребра соединены на внутренней стороне створки нерегулярно расположенными округлыми межреберными ребрами (d). Между этими ребрами натянуты вытянутые в трансверсальном направлении велумы (g), выпуклые по направлению к внутренней стороне створки. Тонкая стенка (r), снабженная узкими щелями (v), ограничивает внешнюю поверхность ареол. Альвеоляция на внутренней поверхности створки развита очень слабо.

Этот тип реберной системы в его различных формах встречается не только у арафидных диатомей, но и у групп с килевым швом, например, Nitzschia, Epithemia, Surirella. У некоторых арафидных диатомей структура створки становится еще более сложной из-за трансверсально идущих поперечных стенок, которые укрепляют створку в дополнение к трансверсальным ребрам. У многих групп с килевым швом створки имеют похожие на поперечные стенки фибулы (рис. 12: 6, 14: 4). Они будут подробно рассмотрены при обсуждении килевого шва.

В современной таксономии видоспецифичная организация и форма фораминов является особенно важным признаком. В световом микроскопе можно использовать только их организацию для диагностики, в то время как ПЭМ или, что еще лучше, СЭМ-исследования неповрежденных фораминов могут прояснить сложные вопросы. Форамины могут быть вытянуты в трансверсальном или апикальном направлении; могут быть в один или несколько рядов; и могут находиться на одном уровне с внешней поверхностью створки или лежать в каналах трансверсальных ребер. Исследования с помощью СЭМ также показали, что площадь отдельного форамина мало коррелирует с размером вида. Таким образом, форамины крупной Cymbella aspera выглядят как особенно тонкие стенки отверстий.

В целом, форамины большинства Naviculae являются очень простыми структурами. Только там, где появляются специальные образования губ, как у Cymbella mexicana или у некоторых видов Gomphonema, встречается более сложная форма. Особенно сложные подразделения фораминов образованы губами фораминов, как у Achnanthaceae, Epithemiaceae и других групп с килевым швом, и в особенности у центрических диатомей. Пример сложной структуры показан на Epithemia intermedia.

Форамины ареол у многих видов расположены на поверхности створки и на части или по всей мантии створки в определенном порядке. В некоторых случаях, например, у Caloneis silicula, форамины могут быть обнаружены прямо над ребрами (стрелка).

Они либо заканчиваются слепо, либо, что более обычно, соединены с альвеолами наклонными ареолами. На краю мантии часто встречается гиалиновая зона, например, у некоторых видов Neidium. Такие продольные полосы, как их называют у Neidium, представляют собой внешние стенки продольных каналов, лишенных ареол. Форма фораминов может быть одинаковой или разной на поверхности створки и на мантии створки.

В целом, описанные выше внутренние реберные системы укрепляют створки. Во многих случаях существует дополнительная внешняя реберная система. Сильно дорсально расширенная мантия створки Amphora aequalis укреплена таким образом. Ареолы закрыты изнутри или снаружи мембраной, достаточно тонкой для обеспечения ионного обмена. Эти тонкие кремнеземные структуры не являются несущими и обычно интегрированы в укрепляющие структуры. Ни одна из этих мембран не построена как сито. Помимо того факта, что перфорации не требуются для метаболического обмена, наблюдаемые в

СЭМ велумы имеют более низкий коэффициент экстинкции вблизи мелких разрывов в точках разрыва (стрелка), чем в областях пор. Это поглощение или отклонение электронов подразумевает, что мембранные кремнеземные структуры существуют даже внутри пор сита. Ситовидный характер велума существует только на уровне молекулы кремнезема.

Фиксация тонких велумов достигается несколькими способами. Внутренние велумы часто большие и толстые. Наружные мембраны, напротив, часто маленькие и тонкие. Они либо натянуты на очень узкие, вытянутые форамины, либо форамины разделены множественными губами, которые затем служат для укрепления велума. Эти структуры губ по своей толщине плавно переходят в толщину велума. Даже внутри велума его толщина варьируется, и это еще больше укрепляет его. Обзор этих структур, которые также могут быть важными диагностическими признаками на видовом уровне, дан в Lange-Bertalot & Simonsen (1978) и в Lange-Bertalot (1980) для видов Nitzschia и в Mann (1981) для других групп.

Пример тонкой структуры велума с регулярно расположенными более тонкими и более толстыми участками показан на Nitzschia intermedia. Стрелки указывают на разрывы в велуме. В очень узких ситовидных мембранах дополнительное утолщение мембраны не требуется, например, у большинства Cymbella spp. Такие велумы выглядят бесструктурными при обычных увеличениях ПЭМ и часто остаются незамеченными. В СЭМ они генерируют достаточно вторичных электронов, чтобы их можно было обнаружить.

4.3 Перфорации стенки без велума

Помимо ареол, закрытых велумом, которые уже по своей общей площади обеспечивают львиную долю метаболического обмена между клеткой и окружающей средой, кремнеземная клеточная стенка имеет ряд иначе структурированных перфораций. В них плазмалемма находится в прямом контакте с окружающей средой. Этими структурами являются:

1. Стигматы и изолированные пункты (точечные отверстия).
2. Апикальные поровые поля и другие слизистые поры.
3. Губовидные поры (губовидные выросты) и подобные структуры.
4. Щели шва.

4.3.1 Стигматы и стигмоиды («изолированные пункты»)

Структуры, расположенные вблизи центрального узелка на дорсальной или вентральной поверхностях, особенно широко распространены у Navicula, Cymbella, Gomphonema и Gomphocymbella. Кроме того, эти структуры могут находиться на самом центральном узелке. Эти структуры представляют собой ареолы, образующие каналы, идущие вертикально или косо через клеточную стенку. У простых стигмоидов или стигм велумы нигде не встречаются. Как и многие другие типы перфораций стенки, эти структуры обладают каналообразной камерой — ареолой стигмы или стигмоида; наружным отверстием — фораменом стигмы; и внутренним отверстием, которое всегда заканчивается в альвеоле. Эта альвеола имеет либо ту же структуру, что и другие альвеолы, и часто является концом альвеолы, ближайшим к центральному узелку; либо устроена иначе и либо отделена от других альвеол, либо соединена с ними. Существует непрерывный диапазон вариаций между этими крайностями. Даже близкородственные виды могут варьироваться от относительно простых структур, подобных стигмоидам (например, Cymbella aspera), до сложных форм с зубчатыми ареолами фораменов (например, Cymbella lanceolata). Относительно простые стигмоиды особенно часто встречаются у видов Navicula (одна или две пункты), Gomphonema (обычно одна пункта, хотя иногда до четырех) и Cymbella subg. Encyonema, а иногда и у Cymbella subg. Cymbopleura. У многих видов Encyonema форамен стигмоида является последним фораменом центрального трансверсального ребра и поэтому отличается по размеру от других фораменов, что позволяет легко различить его как в СЭМ, так и в ПЭМ. Есть и другие примеры, где различия не столь заметны. Стигмоиды, проникая через клеточную стенку под прямым углом, заканчиваются в центральной дорсальной альвеоле. Последняя на своих проксимальных концах гораздо уже, чем в остальных местах.

Относительно простая форма стигмы видна у Cymbella aspera. На конце средних 10–20 трансверсальных ребер имеются маленькие круглые воронкообразные форамены стигм. Они соединяются с необычно дифференцированными, узкими, вытянутыми в трансверсальном направлении альвеолами через несколько косых каналов. Эти альвеолы обычно гораздо сложнее, с железистыми, расщепленными краями, как у Cymbella cistula, и часто отделены от других альвеол. Эти структуры широко распространены в роде Cymbella sensu stricto, где, в зависимости от вида, может присутствовать 1–10 стигм. Как у видов с несколькими стигмами (например, Cymbella schimanskii), так и у видов с обычно одной стигмой их число может варьировать, и поэтому этот признак имеет лишь ограниченное применение в таксономии. Кроме того, со стигмами связаны структуры, переходные к ареолам. Так, у Cymbella affinis между крупной стигмой, прилегающей к центральному узелку, и нормальной ареоляцией встречается структура, напоминающая двойную ареолу. У Cymbella schimanskii между каждой из крупных воронкообразных главных стигм и местом, где форамены (слева) сливаются с нормальной ареоляцией, находится ряд вторичных стигм. Форамены стигм отличаются от нормальных ареол не только своей структурой, но и ориентацией. У Cymbella simonsenii, таким образом, имеются вытянутые в апикальном направлении ареолярные форамены и вытянутые в трансверсальном направлении форамены стигм (стрелка).

Стигмы, отличные от только что описанных, лежат примерно посередине центрального узелка. У Cymbella mexicana форамен стигмы лежит в ямке между двумя центральными порами концов шва. Канал стигмы проходит через центральный узелок под прямым углом и заканчивается в радиально-симметричной альвеоле с краями, желобчатыми, как лепестки цветка.

Функция стигм и изолированных пункт пока неизвестна. Их постоянство у многих видов и даже в разных популяциях или при изменениях формы в течение жизненного цикла также неопределенно. Таким образом, хотя во многих случаях они используются для разграничения видов, в других случаях, для разграничения подвидов, следует соблюдать осторожность.

4.3.2 Апикальные поровые поля и другие структуры, продуцирующие слизь

Тонкие поры апикальных поровых полей можно с трудом дифференцировать в световой микроскоп. Однако некоторые из более крупных пор многих центрических диатомей и некоторых арафидных диатомей, например, Diatoma, Tabellaria, Synedra и Eunotia, легче наблюдаются в световой микроскоп. До недавнего времени эти поры называли слизистыми или студенистыми порами, так как считалось, особенно у колониальных видов, что они поставляют связующий материал или участвуют в прикреплении клетки к субстрату. Слизь, несомненно, продуцируется порами апикальных поровых полей. Как и у шелкоотделительных желез, выделяемая жидкость быстро затвердевает при контакте с водой и служит для прикрепления арафидных диатомей к субстрату в быстротекущих водах и для объединения клеток в сложные колонии, например, у Cymbella и Gomphonema.

Апикальные поровые поля обычно состоят из множества поровых каналов без мембран, которые либо заканчиваются непосредственно внутри клетки, либо, как у Cymbella aspera, в альвеолярной системе ребер. Многие арафидные диатомеи и Cymbella sensu stricto имеют апикальные поровые поля на обоих полюсах створки. Гетерополярные диатомеи, например, Gomphonema и Rhoicosphenia, имеют поровые поля только на остром полюсе («ножном полюсе»). Форамены поровых полей у арафидных диатомей лишь незначительно отличаются или вовсе не отличаются от фораменов других ареол, за исключением того, что они более плотно упакованы. Однако у Naviculaceae форамены пор апикальных поровых полей часто существенно отличаются от фораменов других ареол. У Rhoicosphenia abbreviata форамены обоих поровых полей представляют собой широкие, вытянутые в трансверсальном направлении щели, в отличие от узких, вытянутых в апикальном направлении фораменов ареол. Mann (1981) показал, что распределение апикальных пор у этого вида обнаруживает некоторые параллели с распределением ареол на остальной части поверхности створки. Виды Gomphonema, напротив, имеют апикальные поровые форамены, которые сильно отличаются не только по структуре, но и по своему распределению от других фораменов створки. Ареолярные форамены Gomphonema acuminatum ограничены боковыми губообразными выростами в форме подковы. Здесь поровые каналы апикальных пор круглые, и специализированные губы фораменов отсутствуют. Подобные структуры наблюдаются в апикальных поровых полях многих видов Cymbella. Однако у некоторых популяций Cymbella lanceolata имеются удлиненные наружные отверстия (Krammer 1982c).

Структуры, отличные от апикальных поровых полей, безусловно, участвуют в продукции слизи. Большинство видов Cymbella subg. Encyonema живут в слизистых трубках, хотя органеллы, участвующие в их продукции, неизвестны. Stephens & Gibson (1979) обнаружили различные структуры, секретирующие слизь, в септированных поясковых ободках видов Mastogloia. Они отвечают за производство прочных слизистых нитей, которые прикрепляют клетки к субстрату.

4.3.3 Губовидные и подпорные выросты

В дополнение к только что описанным структурам для производства слизи и студня, как центрические, так и пеннатные диатомеи имеют ряд других структур, функция которых известна лишь частично.

У центрических диатомей наиболее распространенными из них являются два типа перфораций стенки: римопортулы (губовидные выросты) и фультопортулы (подпорные выросты). Они называются выростами, поскольку обычно представляют собой не просто ареолоподобные структуры в клеточной стенке, а имеют трубообразующие конструкции на внутренней стороне створки (губовидные выросты) или на внешней стороне створки (подпорные выросты). Римопортула была обнаружена почти у всех центрических диатомей и многих арафидных диатомей. Название происходит от губообразных вытянутых выростов на внутренней стороне створки. Щель в губе может быть прямой или изогнутой, причем вся структура либо сидит непосредственно на кремнеземной стенке, либо приподнята на трубообразной структуре. Трубообразная перфорация стенки не закрыта мембраной. Как форма, так и расположение губовидных выростов варьируют у разных родов и видов и во многих случаях могут использоваться как хороший таксономический признак. Все губовидные выросты расположены субмаргинально на краю створки. У Druridgea изолированные группы примерно из 12 губовидных выростов расположены кольцом вокруг мантии створки (Hendey & Crawford 1977).

Вторая большая группа перфораций стенки с внешними выростами у центрических диатомей — это фультопортулы, или подпорные выросты. Они встречаются у некоторых родов Thalassiosiraceae, обычно организованы в виде маргинального кольца между поверхностью створки и мантией. Некоторые виды (например, Cyclotella comta, Lowe 1975) имеют структуры, сходные с маргинальными фультопортулами, в центре поверхности створки. Фультопортулы также могут быть расположены двойным кольцом. Без исключения эти структуры полые и могут иметь трубообразующие выросты не только снаружи, но и на внутренней поверхности створки. Они могут встречаться поодиночке или группами. Трубчатые перфорации почти всегда окружены тремя или четырьмя порами (Crawford 1981). О функции маргинальных фультопортул мы знаем гораздо больше, чем о римопортулах. Round(1970) показал, что у видов Stephanodiscus из этих каналов выделяется органический материал; у Thalassiosira (McLaughlin et al. 1965) и Cyclotella cryptica (Hertl & Zugenmaier 1977) было обнаружено, что эти выделяемые нити состоят из хитина. При тщательной подготовке многие из этих нитей хорошо сохраняются и могут быть наблюдаемы с помощью СЭМ. Они имеют значение для плавучести планктонных форм. У Thalassiosiraceae римопортулы присутствуют в дополнение к фультопортулам, что побудило Crawford (1981) предположить, что они выделяют материал для связывания клеток друг с другом у колониеобразующих видов.

Губовидные выросты также встречаются у арафидных диатомей и Eunotiaceae. У первых их структура такая же или сходна с таковой у многих центрических диатомей (Hasle 1973), они расположены апикально или, изредка, в центре створки. У многих видов рода Fragilaria есть по одному подпорному выросту на каждом, а иногда только на одном полюсе створки. Diatoma имеет один или два подпорных выроста. Один подпорный вырост всегда находится в середине створок Tabellaria. Эти губовидные выросты являются относительно грубыми структурами и их также легко можно наблюдать в световой микроскоп. Их труднее наблюдать у Eunotia, где они, вероятно, лежат в мантии полюсов створки. По мнению Hasle (1973), подпорные выросты не связаны с образованием колоний или прикреплением створки к субстрату. Способность губовидных выростов к секреции была подтверждена Crawford (1975) благодаря его наблюдениям за губовидными выростами у Melosira. ПЭМ-исследования ультратонких срезов выявили скопления везикул вокруг внутреннего отверстия этих выростов, что позволяет предположить что клеточные продукты могут проходить через их поры. Сама организация этих выростов позволяет предположить, что соседние клетки могли бы объединяться с помощью их выделений.

4.4 Швы (Рафы)

Движение у диатомей контролируется швом (рафе) — органеллой, которая в своих более эволюционно продвинутых формах является очень сложной. Он тесно интегрирован со статической системой створки и определяет структуру остальной части створки. У Raphidine можно выделить три типа швов:

1. Швы Eunotia
2. Срединные швы
3. Килевые швы (канальные рафы).

Во всех случаях основной характеристикой шва является то, что это короткое или длинное щелевидное отверстие в клеточной стенке, которое нарушает физическую стабильность створки. Короткий, простой шов Eunotia оказывает наименьшее такое воздействие. У большинства видов шов проходит лишь на короткое расстояние к полюсам створки. Сама щель шва лежит внутри сильно построенной мантии, в то время как концевые щели находятся на более тонкой поверхности створки на соответствующих ребрах. Лишь у немногих видов, например, Eunotia flexuosa, часть щели шва лежит на поверхности створки.

Срединный шов с его простой или сложной щелью шва является нормой для створок Naviculaceae и в простой форме — для шовных створок Achnanthaceae. Щель шва открывается непосредственно в клетку или в открытую бороздку, а не в продольный канал, соединенный с внутренностью клетки отверстиями или каналами. За немногими исключениями, обе ветви шва разделяют створку на две секции, которые удерживаются вместе тремя узелками и полярными областями мантии створки. Разнообразные типы срединных ребер являются результатом такого типа конструкции шва.

Килевые швы (канальные рафы), где щели, каналы и портулы расположены маргинально и часто на специализированном киле шва, являются наиболее сложными. Большинство таких створок характеризуются очень разнообразным развитием фибулярных структур. Они могут быть настолько расширены, что образуют разделительные стенки, рассеивающие напряжения, создаваемые этой экстремальной формой развития шва. Килевые швы встречаются у Epithemiaceae, Nitzschiaceae, Surirellaceae и у Entomoneis в семействе Naviculaceae (Schmid 1979, Paddock & Sims 1981).

4.4.1 Срединные швы

С тех пор как O. Miller (1889) описал срединный шов — уникальную в природе органеллу, она вызывала дискуссии о ее эволюции и структуре. Только благодаря изучению ультратонких срезов в ПЭМ и фрагментов разрушенных створок в СЭМ стало возможным отбросить многое из умозрительного характера этих рассуждений. Toman & Rosival (1948) показали с помощью ПЭМ-исследования, что шов представляет собой непрерывную щель, а Reimann и др. (1965) — что щель шва не закрыта мембраной. Drum и др. (1966) продемонстрировали, что щель шва не содержит протоплазмы (течение которой ранее считалось причиной движения) и что за локомоцию отвечают фибриллы.

Базовая структура срединного шва состоит из двух продольных щелей, лежащих более или менее посередине срединного ребра и разделенных срединным узелком. У трансверсально гетерополярных родов, например, Cymbella, Amphora или Gomphocymbella, срединное ребро, а следовательно, и щель шва, смещены более или менее вентрально, что усиливает асимметрию створки. На дистальном конце щели шва находится концевой узелок на внутренней поверхности створки. Он часто имеет губообразный вырост — геликтоглоссу.

Простейший срединный шов наблюдается у шовных створок многих Achnanthaceae. Фрагмент шовной створки Cocconeis pediculus, стенки щели шва (b) пересекают относительно толстую пробуренную поверхность под прямым углом. Прочные, вертикально ориентированные, круглые центральные и концевые поры ограничивают щель шва проксимально и дистально. Кроме того, на дистальном конце на внутренней поверхности створки расположен концевой узелок со слабо развитой геликтоглоссой. Типичный срединный шов со всеми его отдельными элементами наблюдается, за немногими исключениями, у Naviculaceae. Функционально у всех видов со срединным швом их центральная система ребер состоит из набора важных статических элементов. Это, от центра створки к концу створки: центральный узелок, ребра по обе стороны от щели шва, концевые узелки с прилегающими концевыми ребрами и полярная мантия створки.

Щель шва различается по структуре не только между видами, но и на всем ее осевом протяжении (рис. 12: 1–5). В средней части каждой ветви шва она предстает перед нами как складчатая щель шва в форме буквы «V» на боку (рис. 12: s1) или, реже, как «шпонка-паз» (key and feather raphe) (рис. 12: 2). Хотя существуют промежуточные формы между этими двумя (рис. 12: 3), шов типа «шпонка-паз» имеет качественно иную структуру, чем простая складчатая щель шва. Это становится ясным благодаря функции щели шва. Во-первых, это важная органелла для локомоции (будет рассмотрена позже), а во-вторых, она одновременно расщепляет и объединяет обе половины створки. Последнее достигается за счет шарнирного сцепления на больших участках ветвей шва. В отличие от этого, складчатый шов довольно примитивен и встречается только там, где общая структура створки стабилизирована ее массивностью. Движения обеих половин створки ограничены, и предотвращается потеря плазмы через щель шва. Этот простой тип щели шва встречается прежде всего у мелких видов, таких как Achnanthes minutissima или Navicula diluviana (k на рис. 12: 3). В более продвинутом шве типа «шпонка-паз» языкообразный выступ (feather) точно входит в паз шва (рис. 12: 2). Эта конструкция препятствует не только первалварному сдвигу, но и сдвиговым движениям створки вдоль самой щели шва. Особенно хорошие примеры этого видны в сложных швах некоторых видов Pinnularia, которые имеют два элемента «паза и шпонки» в определенных поперечных сечениях. Такая конструкция прочно скрепляет обе створки вместе. Такая сложная структура обычно встречается только в центральной части срединного шва (рис. 12: 5), где, как у Cymbella cymbiformis, внешняя щель шва сильно изогнута дорсально. Проксимально и дистально щель шва у большинства видов вертикальна. У некоторых видов Cymbella существует проксимальный изгиб элемента «шпонка-паз», что дает так называемый обратный латеральный шов (d на рис. 12: 5). Направление внешней и внутренней щелей, а также края элементов «шпонка-паз» являются важными таксономическими признаками и используются во многих диагностиках.

Если при наблюдении в световой микроскоп не видно различий между наружной и внутренней щелями, шов описывается как нитевидный (filiform). Наличие двух или более параллельных линий указывает на латеральный шов, и здесь часто указываются участки, где шов является латеральным. Нитевидный и латеральный швы — это не морфологические термины, а просто результат ограничения разрешения светового микроскопа. Обычные иммерсионные объективы могут различать две линии, находящиеся на расстоянии 0,3–0,5 мкм друг от друга.

У Naviculaceae в целом существует пять форм проксимальных концов шва:

1. Щель шва непрерывно расширяется, начиная примерно с трети или четверти пути к центральному узелку.
2. Щель шва доходит до центрального узелка без изменений, а затем делает короткий поворот влево или вправо, или в обе стороны, образуя «Т».
3. Щель шва внезапно расширяется у центрального узелка, образуя круглое или овальное отверстие — центральную пору.
4. Как в пункте 3, но от поры в том же или обратном направлении продолжаются поверхностные щели. Эти щели могут иметь сильно различающуюся структуру.
5. Все структуры, упомянутые в пунктах 1–4, отсутствуют, и щель шва лежит в различно сформированной бороздковидной центральной трещине.

Структура шва варьирует очень незначительно и поэтому является хорошим признаком для низших таксономических категорий.

Проксимальные концы шва чаще всего ограничены различными формами каналообразных расширений — хорошо проверенной структурной формой, часто используемой в инженерии для рассеивания разрывной нагрузки в хрупких материалах. Центральная пора может образовывать отверстие, как у Stauroneis phoenicenteron, где она дополнительно ограничена ребром шва. Модификацией этой круглой центральной поры является молоткообразная центральная пора Frustulia rhomboides и снова ее концевая пора. Однако в целом проксимальные и дистальные концы шва редко развиты одинаково. Пример этого можно видеть в коротких рудиментарных швах «арафидной» створки Rhoicosphenia abbreviata, где каждая ветвь шва заканчивается порами (Mann 1982).

У створок с особенно сильной мантией створки специализированные структуры, ограничивающие щель шва на конце створки, отсутствуют. Хорошо развитый концевой узелок ограничивает щель шва. Более или менее продольно ориентированные концевые щели на внешней поверхности створки рассеивают напряжение по направлению к мантии створки. Эти концевые щели представляют собой выемки на концевом ребре и расширяются между концевым узелком и полярной областью мантии створки. У очень крупных видов, таких как Cymbella aspera, может быть два таких концевых ребра, которые, однако, имеют только одну концевую щель. У многих видов существует дополнительный предохранительный механизм против разрыва внутри концевых щелей. Он представлен либо поровидной ямкой, либо дополнительной насечкой на самой концевой щели. Губообразная структура, геликтоглосса, ограничивает щель шва на внутренней стороне створки у многих видов.

Щели шва, как уже указывалось, сопровождаются различными структурами в разных группах. Шовный выступ (raphe ledge) многих видов Amphora и конепеум многих видов Navicula заслуживают здесь особого упоминания.
Шовный выступ у многих видов Amphora является важным стабилизирующим элементом створки, придающим дополнительное армирование, подобно L- или T-образной балке, в дополнение к тому, которое обеспечивается срединным ребром.

Конепеум — это тонкая мембранная структура, которая часто разрушается при приготовлении. Он может покрывать область только в районе аксиальной зоны (Navicula bacillum) или почти всю альвеолярную поверхность створки (Navicula festiva). В обоих случаях край конепеума разрушен коррозией, и поэтому он неполон. Структуры этого типа были впервые описаны Kaczmarska (1979) и Sims и Paddock (1979), хотя указание на их наличие у некоторых видов Mastogloia было дано Ricard (1975). С тех пор этот тип структур был обнаружен у многих видов, например, Navicula monoculata, Navicula pygmaea, Navicula pseudomuralis (Lange-Bertalot 1980). Они редко наблюдаются в световой микроскоп, где их присутствие предполагается, как у Navicula festiva, наличием области с очень плохим контрастом там, где она покрывает трансверсальные штрихи в центре створки.

4.4.2 Килевые швы (Канальные рафы)

В то время как срединный шов лежит на поверхности створки вдоль или слегка вентральнее апикальной оси, килевой шов лежит вдоль края створки или перемещен на киль (рис. 12: 6–7). Таким образом, он сильно влияет на стабильность створки, но совершенно иначе, чем расщепляющий створку центральный шов. Есть две важные особенности:

1. Сама поверхность створки обычно устроена относительно просто, так как напряжение не должно рассеиваться на нескольких сильно развитых узелках.
2. Ослабленная стабильность краев створки компенсируется колонноподобными структурами, называемыми фибулами. Эти фибулы имеют совершенно разную структуру в зависимости от положения килевого шва и конструкции створки. Они варьируют в зависимости от вида, рода и семейства от коротких опорных колонн до разделительных стенок, простирающихся поперек створки.

Килевой шов является типичной конструкцией шва для всех видов Epithemiaceae, Nitzschiaceae и Surirellaceae, хотя он также встречается у некоторых видов Entomoneis в семействе Naviculaceae (Schmid 1979, Paddock & Sims 1981).

Организация килевого шва у Epithemia и Surirella показана на рис. 12: 6 и 12: 7. В отличие от срединного шва, где щель шва открывается во внутреннюю часть створки, щель шва (a) килевого шва связана с апикально идущим каналом шва (i), который, как у Epithemia (рис. 12: 6), входит в край створки или даже на поверхность створки. У Nitzschia он обычно приподнят над поверхностью створки на киле шва, в то время как у Surirella он часто находится на крыловидных расширениях на всех четырех углах фрустулы. У килевых швов, лежащих на поверхности створки, соединение с внутренней частью створки осуществляется через простые отверстия (k) — портулы. У тех, что лежат на приподнятом киле или на крыльях (Paddock & Sims 1977), имеется каналообразное соединение (alar canal) с портулой на каждом конце, ведущее во внутреннюю часть створки. Складчатое развитие щели шва наиболее распространено в килевых швах, но конструкция «шпонка-паз» также известна. Узелки обычно малы по сравнению с другими элементами. Центральный узелок наиболее очевиден у видов Epithemia, у Nitzschiaceae он часто рудиментарен, а у многих Surirellaceae смещен к одному из полюсов створки. Существует несколько различных типов концевых узелков и геликтоглосс.

4.5 Продольные каналы

В световой микроскоп многие виды имеют «продольные линии», особенно по краям, например, Pinnularia, Caloneis и Neidium. Было признано очень рано (Cleve 1894), что эти структуры возникали несколько раз. Исследуя несколько видов Neidium, Hustedt (1935) пришел к выводу, что их продольные линии являются кремнеземными ребрами, отличающимися от других продольных линий только своей прочностью и большей разделенностью. Только углубленные исследования многих видов Neidium, проведенные Sims и Paddock (1979), выявили продольные каналы. Они обычно снабжены порами как на внутренней, так и на наружной поверхностях створки, что обеспечивает обмен метаболитов с окружающей средой. Кроме того, эти каналы имеют отверстия, соединяющие их с соседними ареолами.

В отличие от Neidium, Hustedt (1935) правильно идентифицировал продольные линии вблизи центральных ребер у видов Diploneis как каналообразные полости, также с внутренними и внешними порами. Согласно Sims и Paddock (1979), все продольные каналы проходят по всей длине створки без перерыва. Два канала не соединены ни вблизи центрального узелка, ни не контактируют со швом.

4.6 Поверхностные структуры

4.6.1 Шипы, соединительные шипы и щетинки

Этими терминами охватывается большое разнообразие твердых выростов, выступающих из кремнеземной створки. Они имеют сильно различающиеся формы и функции, достигая пика сложности формы у многих морских диатомей (ср. Schmid 1983). У рассматриваемых здесь пресноводных форм эти структуры относительно просты, за исключением подпорных выростов Thalassiosiraceae. Последние были рассмотрены в другом месте в разделе о секреторных органах. Другие представители этого семейства, например, Cyclotella chaetoceros и Stephanodiscus hantzschii, имеют очень длинные щетинки. Исключительно длинные щетинки также встречаются у центрических родов Biddulphia, Rhizosolenia и Chaetoceros.

У видов пеннатных диатомей из разных родов, напротив, встречаются одиночные или многочисленные шипы и шипоподобные структуры на поверхности створки. Пример полярного шипа можно увидеть у африканского вида Gomphonema. Массивный шип Surirella capronii, сидящий на своем прочном основании вблизи широкого полюса створки, заслуживает внимания. Surirella tenera var. nervosa обладает сходной структурой. Помимо этих крупных шипов, у нескольких видов, например, Surirella turgida и Surirella linearis, можно обнаружить маленькие шипики, рассеянные по всей поверхности створки.

У Naviculaceae также есть некоторые виды с шипиками, рассеянными по поверхности створки. Примером здесь служит Anomoeoneis vitrea, у которой вся поверхность покрыта тонкими шипиками.
Соединительные шипы способствуют образованию цепочек, особенно у рода Aulacoseira и у арафидных диатомей, хотя изредка они встречаются и у других родов. Термин «соединительный шип» применительно к структурам, способствующим образованию цепочек у арафидных диатомей, не следует понимать буквально. Эти «шипы» на самом деле не заострены, а имеют лопатчатую форму, и створки соединены не механически, а, вероятно, за счет прилипания шипов к другой створке. На органическую природу связи указывает тот факт, что такие цепочки распадаются при очистке сильными окислителями.

4.6.2 Другие поверхностные структуры

У многих видов поверхность створки не гладкая, а имеет рельеф, образованный различными способами. Эта особенность может быть значительным таксономическим признаком. Трансверсальные ребра часто хорошо развиты не только внутри, но и снаружи. Это хорошо видно у многих цепочеобразующих видов (например, Fragilaria), и наблюдается у видов Eunotia, некоторых Navicula (например, Navicula pseudoscutiformis) и у многих видов Nitzschia. Разнообразные варианты бороздчатых впадин по обе стороны от центрального узелка («лунные пятна») встречаются у некоторых видов Pinnularia и Caloneis.

Мощные реберные системы могут сильно влиять на внешнюю структуру створки, например, ребра в дорсальной части мантии створки Amphora aequalis или у многих видов Hantzschia. Cymatopleura solea имеет волнистую внешнюю поверхность створки с характерной тонкой структурой. Многие виды Pinnularia имеют характерную структуру из поднятий и бороздок, которая образует дифференциальный признак на видовом уровне.

4.7 Тератологические структуры

Этим термином охватывается множество сильно различающихся отклонений от нормального развития створки, и сегодня их причины в некоторой степени известны. «Типичное» тератологическое развитие характеризуется отходом от типичного для вида паттерна структур. При таком типе тератологии обычно меняется организация трансверсальных штрихов, но структура ареол и, следовательно, количество пункт в 10 мкм остается почти одинаковым. Структуры шва редко затрагиваются (Krammer 1979b). Может измениться не только структура, но и форма створки, причем до такой степени, что форму трудно связать с нормальным таксоном. Поскольку такие вариации нередко появляются во всей популяции, существует опасность, что они могут быть описаны как новый таксон. В прошлом это действительно случалось.

Тератологические формы могут быть экспериментально индуцированы различными способами. Они часто появляются в старых культурах, причем, во-первых, длина створки становится субнормальной, или, как, например, у Pinnularia brebissonii (Hostetter et. al. 1976), организация шва и трансверсальных штрихов становится полностью противоположной нормальной. Schmid (1980) и Schmid с соавт. (1981) искусственно индуцировали широко варьирующие тератологии во время морфогенеза створок Anomoeoneis sphaerophora с помощью, например, обработки колхицином. Были достигнуты все стадии вплоть до полного разрушения структур створки и шва. Эти наблюдения за старыми культурами и экспериментальные результаты показывают, что окружающая среда может оказывать значительное влияние на структуру створки.

4.8 Структурные элементы клеточного пояска

У рассматриваемых пресноводных диатомей клеточный поясок по важности как источник таксономических признаков уступает признакам створки, за исключением некоторых центрических и арафидных диатомей. Это проистекает в первую очередь из того факта, что методы световой микроскопии менее приспособлены для исследования клеточного пояска, и что в световой микроскоп преобладают виды створок. Относительное сходство клеточного пояска у Naviculaceae затрудняет его использование в качестве однозначной диагностической группы признаков. Наконец, для диагностики используются в первую очередь вторичные признаки пояска, например, септы.

Как правило, существуют таксоны, в которых доминирует створка, например, роды Navicula, Cymbella, Nitzschia и Surirella; и другие, где доминирующей структурой является поясок, например, многие центрические и арафидные диатомеи, Eunotia и Amphora. За дальнейшими подробностями можно обратиться к Von Stosch (1974). Он выделил три типа ободков, составляющих цингулум, т.е. часть пояска, прикрепленную к створке:

1. Вальвокопула — промежуточный сегмент, соединяющий клеточный поясок с мантией створки.
2. Копулы и вставочные ободки следуют за вальвокопулой и имеют структуру, отличную от дистально расположенных элементов.
3. Плевры и плевральные ободки заканчивают цингулум или створчатый поясок дистально.

Однако такая степень дифференциации возможна лишь у немногих створчатых поясков. В большинстве случаев отдельные ободки или сегменты почти не различаются и называются поясковыми ободками. Многие арафидные диатомеи и представители Naviculaceae имеют септы, связанные с одним или несколькими элементами пояска (рис. 3: 3–5), которые в этом случае называются вставочными ободками. Все они представляют собой замкнутые кольца с тем же контуром, что и створка. Кроме того, большинство видов имеют разомкнутые ободки, которые часто выглядят в световом микроскопе как шпилькообразные структуры. Как правило, эти сегменты расположены так, что открытые стороны соседних сегментов находятся на противоположных сторонах пояска. Однако несколько разомкнутых ободков могут быть сложены параллельно друг над другом. Проксимальные и дистальные края этих ободков часто имеют разную структуру: одна сторона гладкая, а другая — с рядом перфораций, которые в основном видны в световой микроскоп, по крайней мере, у крупных форм. Часто присутствует языкообразный выступ, который входит в углубление в предыдущем ободке или полярной мантии створки (Krammer 1981a). У центрических диатомей этот выступ называется лигулой, а у пеннатных диатомей существует, по крайней мере, функционально сходная структура. Число ободков сильно варьирует между родами. У Naviculaceae обычно присутствует два-три ободка, хотя есть исключения с многочисленными поясковыми ободками, например, многие виды Amphora. Последнее также верно для многих родов арафидных диатомей, Eunotia и Epithemia, если назвать лишь несколько примеров как шпилькообразные структуры.

Лишь в относительно немногих случаях структуры створки и ободков приводят к стабильному механическому соединению. Поэтому неудивительно, что окисление органических веществ клеточных стенок приводит к разборке отдельных элементов. Можно предположить наличие органической связи между створкой и поясковыми ободками, причем перфорации в поясковых ободках позволяют, так сказать, соединяться с органическими веществами. Von Stosch (1981) придерживался мнения, что диатомеум имеет важное значение для скрепления створки и поясковых ободков. Кремнеземные структуры, связывающие створку и вальвокопулу, были описаны Gerloff & Rivera (1979) у Cocconeis pediculus. Створка и поясок этого вида могут быть разделены только после разрушения этих кремнеземных структур. Подобные структуры можно видеть у Cocconeis placentula (рис. 25: 3). У многих семейств пеннатных диатомей можно встретить виды со стенками вставочных ободков, идущими более или менее параллельно поверхности створки. Эти септы проникают в клетку на разную глубину. Они могут быть узкими полосками на периферии или почти охватывать всю фрустулу и быть разделенными на камеры. Они могут быть относительно плоскими, как у многих видов Epithemia, изогнутыми, как у Tabellaria (рис. 3: 3), или волнистыми, как у морской Grammatophora (рис. 3: 5). У многих родов они являются основным диагностическим признаком, например, у Mastogloia (рис. 3: 4). Во время морфогенеза фрустулы они врастают внутрь от вставочных ободков, образуя шов, часто хорошо видимый в световой микроскоп, в месте соединения элементов.

4.9 Внутренние створки

Особи со второй створкой внутри фрустулы встречаются спорадически как в диких популяциях, так и в культуре. Von Stosch (1967) показал, что здесь задействованы два различных явления — деление и образование покоящихся спор, которые на первый взгляд выглядят сходно. Между ними существуют фундаментальные различия в формировании, морфологии и физиологии. Оба процесса являются результатом экзогенно индуцированных метаболических нарушений и, следовательно, субоптимальных условий для роста, например, в старых культурах.

Морфологически они различаются тем, что при делении форма внутренней створки почти не отличается от нормальных створок вегетативной клетки (например, Eunotia serpentina у Hustedt 1930–1959), в то время как покоящиеся споры отличаются как своей трехмерной формой, так и тонкой структурой от вегетативных клеток (например, Eunotia "soleirolii", von Stosch & Fecher 1979). Главное различие заключается в функции двух форм, содержащих внутреннюю створку: деления не служат покоящимися спорами и продолжают деление сразу же после наступления благоприятных условий, и отсутствует сложная процедура прорастания. Напротив, покоящиеся споры могут оставаться неактивными в течение недель или месяцев после возвращения благоприятных условий.

4.9.1 Образование внутренней створки (Häutungen)

Процессы, участвующие в этом типе образования внутренней створки, были подробно рассмотрены Von Stosch (1967) и Geitler (1980). Согласно Geitler, образование внутренней створки у Hantzschia amphioxys и Achnanthes coarctata может происходить несколькими способами. Во-первых, две дочерние клетки могут быть образованы таким образом, что в результате получается одна или две дочерние клетки. Альтернативно, может произойти митоз, но оба дочерних ядра остаются в одном протопласте. Таким образом, образование внутренней створки связано с неравным клеточным делением. В отличие от покоящихся спор, эти клетки не накапливают резервов. Если их перенести в свежую среду, деление возобновляется (Geitler 1980), и сначала образуются две дочерние клетки, каждая с эпивальной внутренней створкой, которые затем отделяются как нормальные. Внутренние створки идентичны по структуре внешним створкам, имеют нормальный шов, и клетки с более ранней внутренней створкой могут нормально двигаться.

4.9.2 Покоящиеся споры

Покоящиеся споры, также называемые «двойными створками, внутренними септами, внутренней текой или двойными теками», служат для пережидания неблагоприятных условий. Они отличаются от вегетативных клеток по пяти пунктам (von Stosch & Fecher 1979):

1. Они являются результатом специфической последовательности развития.
2. Они имеют характерную морфологию.
3. Клетки богаты резервными веществами, особенно маслами.
4. Они не способны прорастать без воздействия холодного периода определенной продолжительности.
5. Они могут оставаться в состоянии покоя до трех лет.

Von Stosch & Fecher (там же) изучили события, ведущие к образованию спор и последующему прорастанию спор у вида Eunotia. Процесс начинается с дифференцировки протопласта в перивальном направлении. Пластиды концентрируются в гипотеке. Затем следует митоз с неравным цитокинезом, приводящий к двум физиологически и морфологически различным дочерним клеткам. Большая из двух выживает и формирует прочную, сильно выпуклую створку, выпуклость которой направлена в сторону меньшей створки. Затем пластиды, прилегающие к этой новой створке, смещаются, и тот же процесс повторяется на другой стороне покоящейся споры. В поясковом виде новообразованная покоящаяся спора ограничена с обеих сторон двумя бесцветными узкими клетками. В отличие от вегетативных клеток, клеточная стенка образующейся покоящейся споры не имеет шва, и при изолированном исследовании ее можно принять за Fragilaria. Однако на внутренней стороне створки присутствуют ряды ареол, хотя на внешней поверхности створки они выглядят закрытыми. Поясковые ободки также могут присутствовать в покоящихся спорах, но в меньшем количестве, чем в вегетативных клетках.

Прорастание — это почти такой же сложный процесс, как и образование спор. После обязательного периода покоя два неравных деления сигнализируют о начале прорастания.

Meridion circulare образует покоящиеся споры аналогично разновидностям Eunotia pectinalis (Geitler 1971). Хорошо известным примером образования покоящихся спор является Navicula cuspidata, хотя сложность добавляется наличием «кратикулы». Предполагается, что эта кратикула (рис. 24: 5) появляется в ответ на повышение осмотического давления. Schmid (1975) предположил, что она служит внутренним скелетным элементом, уравновешивающим повышенное осмотическое давление, и герметизирует шов и ареолы. Собственно внутренняя створка формируется внутри этих кратикул (каждая створка имеет одну). По своей трехмерной форме и тонкой структуре эта внутренняя створка полностью отличается от Navicula cuspidata и поэтому была описана Peragallo (1893) как Navicula cuspidata var. beribaudi.

Покоящиеся споры известны также у многих видов центрических диатомей. Во многих случаях клетка сначала формирует особенно толстую створку. Снова происходит неравное деление, в результате которого образуются одна маленькая и одна большая клетки. Первая дегенерирует, в то время как последняя откладывает второй толстый слой кремнезема поверх плазмалеммы. По мнению von Stosch и Fecher (1979), существует физиологическое различие между ними и покоящимися спорами пеннатных диатомей. В культуре они прорастают в течение нескольких дней при соответствующих условиях.

Однако у очень многих центрических диатомей происходит равное деление, и ни одна из клеток не дегенерирует. Происходит актокинетический митоз (von Stosch & Drebes 1964).

Обзор покоящихся спор и их физиологии, а также многочисленные ссылки можно найти в работе Hargraves & French в книге Fryxell (1983).

Фотографии были взяты из https://diatoms.org/