Эфиппий (Ephippium), или сёдлышко

На снимке — эфиппиумы, или седлышки. Фото © Charles Krebs с сайта photomacrography.net.

На снимке — эфиппиумы, или седлышки. Этими маленькими, примерно миллиметровыми черными или черно-белыми чешуйками бывает буквально забито прибрежье прудов и озер. В такие хитиновые капсулы упакованы покоящиеся яйца дафний — обычно по два в каждом (они находятся под темными пятнами).

Дафнии (Daphnia) — одни из самых обычных планктонных ракообразных пресных вод. Как и другие ветвистоусые рачки, они обычно размножаются с помощью циклического партеногенеза. Во многих водоемах средних широт с весны до осени в популяциях дафний присутствуют только самки. Они откладывают неоплодотворенные диплоидные «летние» яйца, образующиеся без мейоза, в свои выводковые камеры — под спинную часть раковинки-карапакса. Из таких яиц снова развиваются самки — генетические копии матери. Такие летние популяции состоят из отдельных клонов дафний.

Цикл размножения дафний. Рисунок из статьи D. Ebert, 2022. Daphnia as a versatile model system in ecology and evolution

Осенью, при ухудшении условий, из таких же партеногенетических диплоидных яиц у части самок развиваются самцы. Будучи генетически идентичными матерям, они отличаются мелкими размерами и строением тела. В их семенниках происходит мейоз, и созревают гаплоидные спермии (сперматозоиды без жгутиков). У других самок в это время происходит мейоз в яичниках, и в каждом образуется по одному гаплоидному «зимнему» яйцу. Параллельно начинается образование эфиппиума, и после спаривания с самцами и внутреннего оплодотворения самка откладывает в эфиппиум два оплодотворенных «зимних» яйца.

Дафния D. curvirostris с эфиппиумом. «Зимние» яйца находятсяпод наиболее темными его участками. Фото Андрея Савицкого с сайта commons.wikimedia.org, 22 ноября 2020 года

Затем самка линяет и сбрасывает вместе со своей шкуркой (экзувием) эфиппиум с яйцами. Тонкий экзувий разрушается, и только хвостовая игла раковинки — а у некоторых видов еще тонкие выросты из краев створок — остаются соединенными с эфиппиумом.

Переход к двуполому размножению зависит от разных факторов — от внешних условий, от «жизненного опыта» самок и их матерей и от вида дафний. Поэтому иногда эфиппиумы образуются в водоеме только осенью, иногда — два раза в год, а иногда присутствуют почти постоянно. Нередко, сбросив один или несколько эфиппиумов, самки могут снова перейти к партеногенетическому размножению.

У некоторых видов и «рас» для образования эфиппиумов не нужны самцы — эти дафнии перешли к облигатному партеногенезу и «научились» образовывать «зимние» яйца без мейоза и без оплодотворения. Обычно это полиплоидные расы (в том числе аллотетраплоидные межвидовые гибриды), населяющие северные или горные водоемы. Все такие формы возникли недавно, после окончания последнего оледенения, то есть не более 15 000 лет назад (возраст некоторых двуполых видов дафний превышает 10–20 миллионов лет). Видимо, к длительному существованию без двуполого размножения виды дафний не способны.

Как же образуется эфиппиум? «Летние» яйца самка откладывает в выводковую камеру сразу после линьки. Перед откладкой «зимних» яиц она проделывает дополнительную линьку, во время которой начинает формироваться эфиппиум. Стенка выводковой камеры утолщается примерно вдвое, меняется форма спинного края, на поверхности створки вместо ромбиков у одних видов появляются ямки, у других — мелкие бугорки или шипики. В такую «заготовку» эфиппиума самка откладывает два «зимних» яйца. Потом (без линьки!) формирование седлышка продолжается. Эфиппиум темнеет за счет синтеза пигмента меланина, а его стенки утолщаются еще втрое, достигая у разных видов толщины в 20–60 мкм. Средний слой стенок, наиболее толстый, по структуре напоминает соты. Как образуется стенка эфиппиума, откуда берутся «соты» и как синтезируется хитин, из которых они состоят, — науке неизвестно. Как дафния ухитряется вытащить из эфиппиума свой карапакс и сохранить выводковую камеру — отдельная сложная история.

Формирование эфиппиума у обыкновенной дафнии (D. pulex). После созревания в яичнике «зимних» яиц происходит первая линька и формируется прозрачный «предэфиппум» с характерной ячеистой структурой поверхности (Н, М). Затем происходит откладка яиц в эфиппиум (Ovulation) и он без линьки «дозревает» (I, N) — стенки его темнеют и утолщаются, в оновном за счет заполненных водой «сот» (вертикальные тонкие линии на фото I). На поперечных срезах (второй ряд сверху) наружная сторона эфиппиума наверху. Длина масштабного отрезка: 500 мкм (A–E), 10 мкм (F–T). Фото из статьи C. Hiruta, S. Tochinai, 2014. Formation and structure of the ephippium (resting egg case) in relation to molting and egg laying in the water flea Daphnia pulex De Geer (Cladocera: Daphniidae)

Прочный хитин — неплохая механическая защита яиц, а черный меланин защищает яйца от ультрафиолета. Но это — только наружная стенка раковинки, из которой фомируется эфиппиум. Из внутренней стенки образуется внутри него дополнительная тонкая капсула, окружающая яйца. А вокруг каждого яйца есть еще яйцевые оболочки — это уже третий слой защиты.

Вверху — крупный эфиппиум большой дафнии (D. magna). A — эфиппиум с выростами-крючками; B — внутренняя капсула, образующаяся из внутренней стенки карапакса; C — покоящиеся яйца. Изображение из статьи M. C. Cambronero, L. Orsini, 2018. Resurrection of Dormant Daphnia Magna: Protocol and Applications. Внизу справа — схема строения эфиппиума обыкновнной дафнии (вид сбоку), внизу слева — схема строения эфиппиума на поперечном срезе (спинной край справа). Видно сложное строение стенки (V, VI, VII — слои наружной стенки, IX — внутренняя капсула). Изображение из статьи P. Bernatowicz et al., 2018. Internal structure of Daphnia ephippium as an adaptation to dispersion

«Зимние» яйца еще называются стойкими, или покоящимися (латентными). Оба названия вполне заслуженные. Эти яйца могут переносить длительное высыхание, бескислородные условия и промерзание, проходят невредимыми через кишечники рыб и птиц. А яйцевая оболочка, как выяснилось, защищает их от практически любых ядовитых веществ.

А вот название «яйца» вводит в заблуждение. На самом деле внутри сброшенных эфиппиумов находятся эмбрионы. В диапаузу они впадают на стадии гаструлы, когда состоят уже примерно из 3500 клеток. Это явно чем-то выгодно — на многоклеточной стадии впадают в диапаузу покоящие «яйца» гидр, тихоходок, различных ракообразных и других пресноводных животных. К слову, «загадочные эдиакарские эмбрионы из Доушаньтуо» больше всего напоминают по строению «покоящиеся яйца» гидры.

Скорее всего, на заглавном фото эфиппиумы какого-то вида из группы Daphnia longispina. Как и эфиппиумы других видов подрода Daphnia, к которому относится главный модельный объект среди дафний — обыкновенная дафния (D. pulex), они обычно плавают в массе на поверхности прудов и озер. Перед тем как их сбросить во время линьки, самки часто прилипают к поверхностной пленке. Ячейки «сот» быстро заполняются воздухом, и тяжелый хитиновый эфиппиум приобретает положительную плавучесть. В лаборатории для этого достаточно тридцати секунд пребывания на воздухе. Правда, в природе около половины таких плавучих эфиппиумов потом почему-то тонут. Косвенные данные указывают, что эфиппиальные самки могут нарочно подплывать к поверхности, но доказать это довольно сложно: в лаборатории все дафнии, даже без эфиппиумов, то и дело липнут к поверхностной пленке.

А вот эфиппиумы большой дафнии (D. magna), второго модельного вида дафний, и ее родственников из подрода Ctenodaphnia всегда опускаются на дно. Оказалось, что «соты» в их стенках забиты чем-то вроде войлока из тонких хитиновых нитей; видимо, он удерживает воду, как губка. Плавать такие эфиппиумы могут только после полного высушивания в течение суток. Несколько эфиппиумов большой дафнии часто сцепляются своими крючковидными выростами.

У плавающих эфиппиумов больше шансов обеспечить расселение. К любому опущенному в воду предмету они очень хорошо прилипают, в том числе к ногам уток и других водоплавающих птиц. Недавно, используя лапы уток пекинской породы, ученые исследовали параметры этого процесса и разработали его модель. А еще эфиппиумы могут прилипать к туловищу и ногам клопов-гладышей, когда те выбираются из воды и взлетают. В одном из прудов, где ловили гладышей, плотность эфиппиумов D. longispina в октябре была больше одного на каждый квадратный сантиметр, а у краев водоема достигала 162 штук на см2! Когда такую же плотность воссоздали в лабораторных сосудах, из которых взлетали клопы, то из 45 отловленных в полете клопов на тридцати были прилипшие эфиппиумы — в среднем по 2,5 штуки, а на одном — целых 15!

Таким образом, у плавающих эфиппиумов довольно велики шансы покинуть родной водоем и попасть в новый. А оставшиеся в водоеме плавающие эфиппиумы окажутся в прибрежье и с высокой вероятностью «прорастут» на следующий год.

А какова же судьба эфиппиумов, падающих на дно? Если водоем мелкий (а именно в таких и живет обычно большая дафния и многие ее родственники), то он часто высыхает, а потом наполняется водой снова. После высыхания водоема эфиппиумы уже смогут плавать. Да и со дна высохшей лужи их может унести ветер, потоки воды при таянии снега и разливах рек, морские волны (если лужа находится на прибрежных скалах). Кроме того, своими крючками эфиппиумы могут цепляться не только друг за друга, но и за водные растения. Тут уже есть шанс попасть в кишечник птицы и за 3–4 часа, пока длится пищеварение, пропутешествовать сразу на сотню километров. Неудивительно, что у многих дафний огромные ареалы. Долететь они могут практически куда угодно, главное — найти на новом месте подходящие условия.

Но если речь идет об озере глубиной 20–30 метров, то упавшие на дно эфиппиумы вряд ли «прорастут». На дне такого озера год за годом будет накапливаться «банк эфиппиумов» — как «банк семян» в почве. Шансов вылупиться у попавших на дно озера эмбрионов мало — разве что вода из карствового озера уйдет под землю, а потом оно снова будет заполняться. Так что для дафний эти потомки потеряны.

А вот для ученых они оказались настоящей находкой! Выяснилось, что латентные яйца на дне озер, при низкой температуре и низком содержании кислорода, сохраняют жизнеспособность десятилетиями, а то и столетиями. Это настоящие «капсулы времени».

Достаем со дна озера колонку ила — датируем слои — извлекаем из них эфиппиумы — выводим в лаборатории эмбрионов — и получаем популяции дафний, которые жили 10, 20, 30 и даже 600 лет тому назад!. Это дает уникальные возможности для исследования эволюции, в частности приспособления к меняющимся условиям.

Эмбрион дафнии вылупляется их эфиппиума. Видны плавательные вторые антенны, голова с глазом и прозрачная яйцевая оболочка. Как только яйцевая оболочка лопнет, эмбрион полиняет, превратится в маленького дафненка и начнет плавать и питаться. Примерный размер — 300 мкм. Фото с сайта ezramagazine.cornell.edu

Эфиппиумы сохраняются не только на дне водоемов, но и в вечной мерзлоте. А в 2016–2018 гг российские ученые нашли их в колтунах шерсти мамонтов на Чукотке и в Якутии. Интересно, что там обнаружились виды, ныне не встречающиеся на северо-востоке Евразии и характерные для степных районов.

А еще эфиппиумы сохраняются в окаменевшем виде. В 2011 году Алексей Котов и Дерек Тейлор переисследовали ранее изученные Николаем Николаевичем Смирновым отпечатки из мезозойских отложений Монголии возрастом 145 миллионов лет и описали эфиппиумы с характерными признаками двух подродов — Daphnia и Ctenodaphnia. Уже в начале мелового периода одни эфиппиумы плавали по поверхности и скапливались у берегов озер, а другие тонули на дно и цеплялись за растения, и динозавры разносили их на своих лапах и в желудках.