Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 6
1.1. Краткие сведения о биологии сверчков 6
1.2. Акустическое поведение сверчков 8
1.2.1. Коммуникационные сигналы сверчков 9
1.2.2. Фонотаксис сверчков II
1.3. Строение слуховой системы сверчков 23
1.3.1. Тимпанальные органы и трахеальная система 23
1.3.2. Сколопидий и тимпанальный нерв 25
1.3.3. Структура переднегрудного ганглия 28
1.3.4. Функциональные свойства рецепторов 31
1.3.5. Слуховые интернейроны 35
1.4. Заключение по литературному обзору 36
Глава 2. Материал, установка и методы исследования 37
2.1. Животные и условия их содержания 37
2.2. Препарирование 38
2.3. Микроэлектроды 39
2.4. Экспериментальная установка 40
2.4.1. Структурная схема установки и назначение основных приборов 41
2.4.2. Звукозаглушенная камера 44
2.5. Метод регистрации и окраски нейронов сверчка 46
2.5.1. Оригинальный метод регистрации и окраски нейронов насекомых 46
2.5.2. Обоснование и сущность модификации метода 47
2.5.3. Описание модифицированного метода регистрации и окраски нейронов 48
2.6. Методика гистологической обработки 51
Глава 3. Результаты исследования и их анализ 54
3.1. Восходящий нейрон типа ВН-І 56
3.2. Восходящий нейрон типа ВН-2 71
3.3. Нисходящий нейрон типа НН-І 77
3.4. Нисходящий нейрон типа НН-2 81
3.5. Т-образный нейрон типа ТН-І 83
3.6. Т-образный нейрон типа ТН-2 87
3.7. Временные характеристики нейронов типа ВН-І, ВН-2, НН-І, НН-2, ТН-І и ТН-2 ' 93
3.8. Сегментарный нейрон типа СН-І 96
3.9. Анализ полученных результатов 102
3.9.1. Особенности морфологии исследованных нейронов 102
3.9.2. Сравнение функциональных характеристик исследованных нейронов 104
3.9.3. Связь морфологических и функциональных характеристик 109
Глава 4. Обсуждение. Сопоставление полученных и
литературных данных. Роль исследованных нейронов в организации акустического поведения 4.1. Сегментарные нейроны ПО
4.2. Т-образные и нисходящие нейроны ИЗ
4.3. Восходящие нейроны и их связи с надглоточным ганглием 116
4.3.1. Восходящий нейрон типа ВН-І 116
4.3.2. Восходящий низкочастотный нейрон 120
4.4. Заключение 126
Выводы 131
Список сокращений 133
Указатель литературы 134
- Краткие сведения о биологии сверчков
- Животные и условия их содержания
- Восходящий нейрон типа ВН-І
- Сегментарные нейроны
Введение к работе
Исследование слуховой системы насекомых является одним из направлений сравнительной физиологии органов чувств. Целью таких исследований является попытка выяснения общих принципов деятельности слуховой системы, взаимосвязи её основных элементов, их роли в организации поведения.
Для некоторых насекомых, в частности, сверчков, слуховая система является одной из основных систем, обеспечивающих избегание насекомоядных хищников, встречу особей разного пола и внутрипопуляционные отношения. В то же время эта высокоэффективная сенсорная система состоит из небольшого числа нейронов. Современные методы изучения таких систем позволяют детально исследовать их морфо-функциональную организацию, что необходимо для установления принципов работы любых анализаторов.
Сверчки входят в число вредителей садовых и сельскохозяйственных культур южных районов СССР.Й В настоящее время имеется положительный опыт отпугивания с полей насекомых с помощью звуковых сигналов / Belton, Kempster 1962/. Однако для совершенствования методов отпугивания необходимо детальное изучение свойств слуховой системы насекомых-вредителей.
Выбранный нами для исследования сверчок вида Gryllus bima-culatus является в настоящее время объектом комплексного исследования. Изучается экология, поведение, биоакустика, морфология и физиология различных сенсорных систем.
Целью данной работы было исследование морфологических и х Сборник. Насекомые и клещи. Вредители сельскохозяйственных культур, т.1,1.: Наука,1972. функциональных характеристик интернейронов I грудного ганглия слуховой системы сверчка. Особое внимание уделялось нейронам, свойства которых позволяли предполагать их участие в реализации одной из основных поведенческих реакций сверчка - реакции избегания высокочастотных сигналов. Исследование велось с помощью модифицированного нами метода экстраклеточной регистрации и окраски нейронов.
В работе впервые описана топография и функциональные свойства ряда интернейронов слуховой системы сверчка. Показана тесная связь функциональных и определенных морфологических характеристик исследованных нейронов. Впервые показано, что среди слуховых нейронов переднегрудного ганглия имеются нейроны, получающие входы как в акустическом нейропиле, так и вне его. Эти же нейроны отдают коллатерали аксонов в моторные области ганглия, осуществляя связь сенсорной и локомоторной систем.
По функциональным характеристикам (частотним и временным) выделены три группы интернейронов, для каждой из которых обосновывается определенная роль в организации акустического поведения сверчков. Выдвигается предположение о наличии в слуховой системе сверчков рецепторов, реагирующих на сигналы с частотой до 100 кГц.
Анализ полученных и литературных данных приводит к заключению, что морфофункциональная организация слуховой системы сверчка обусловлена задачами, которые возникают в ходе акустического поведения.
Эти основные положения диссертации выносятся на защиту.
Краткие сведения о биологии сверчков
Насекомые являются объектом многочисленных поведенческих, биоакустических, морфологических и нейрофизиологических исследований. В последнее время вышел из печати ряд весьма подробных обзоров и монографий, написанных советскими и иностранными авторами /Тыщенко 1977, НиЪег 1977, Eisner, Popov 1978, Плотникова 1979, Попов 1979, Свидерский 1980, Жантиев 1981, Попов 1983/.
В настоящем обзоре рассматриваются только литературные данные по акустическому поведению и строению слуховой системы сверчков, причем, в основном, сверчков вида Gryllus bimaeulatus, которые были объектом нашего исследования. Другие литературные данные будут привлекаться в главах "Методика" и "Обсуждение". I.I. Краткие сведения о биологии сверчков
Семейство сверчки ( Gryllidae ) в составе надсемейства сверчковых ( Grylloidea ), подотряда длинноусых ( Emsifera ) и отряда прямокрылых ( Orthoptera ) входят в класс насекомые ( Insecta ).
Первичной средой обитания насекомых являлась, по-видимому, вода /Мамаев 1975/. Дальнейшая эволюция насекомых связана с освоением ими суши и воздушного пространства. Это привело к развитию высокоспециализированных способов передвижения -ходьбы и полета. Сверчки выделились в отдельную ветвь эволюционного древа в юрском периоде - 150-200 миллионов лет назад / Alexander 1966/, в связи с переходом к скрытому образу жизни на поверхности почвы и в нижних ярусах растительности. Полет же сохранился как один из способов миграции.
В настоящее время сверчки живут на всех континентах, исключая Антарктиду, и имеют большое число родов и видов. В СССР насчитывают II родов и около 40 видов сверчков. Сверчки вида Gryllus bimaculatus (рис. I) - объект нашего исследования -на территории СССР живут в Южном Крыму, Дагестане, Восточном Закавказье, в республиках Средней Азии. Они имеют довольно крупные для насекомых размеры - длина тела достигает 35 мм /Определитель насекомых 1964/.
Данные по экологии сверчков вида Gryllus bimaculatus практически отсутствуют. Имеются сведения по экологии близкородственного вида Gryllus campestis L. /Turcek 1967, Князев 1972, Попов 1975/. По этим данным сверчки живут группами от нескольких штук до нескольких десятков насекомых. Зимуют они на стадии личинки, а весной колония оживает и происходят линьки на имаго. Через 6-8 дней после линьки самцы сверчков начинают издавать призывные акустические сигналы - "призывные песни". Еще через 2-3 дня начинается пора массовых миграций. До наступления темноты сверчки передвигаются по земле, а с наступлением темноты часто совершают небольшие полеты, с целью расселения и поиска партнера. После спаривания и оплодотворения самка откладывает яйца вблизи норы на влажных участках почвы и вскоре умирает. Вылупляющиеся личинки развиваются в течение теплого периода до стадии личинок старших возрастов, занимают старые или отрывают новые норы. В них они проводят зимовку, впадая в диапаузу. Весною личиночная колония оживает, происходят линьки до стадии имаго, миграции, образование пар и размножение /Попов 1975/.
Животные и условия их содержания
Во всех опытах использовали сверчков вида Gryllus oima -cuiatus , преимущественно самцов. Насекомые брались из культуры, разводимой в условиях инсектария Института. В инсектарий сверчков доставляли из южных районов СССР, где во время летних экспедиций отлавливали взрослых половозрелых насекомых. Они являлись производителями культуры, которую затем поддерживали в течение всего года. Следующим летом культуру обновляли.
Сверчков содержали в садках при температуре 22-28 С и в условиях 10 часов темноты и 14 часов освещения. Влажность в садке была не менее 30 %, Личинок, полинявших на имаго, отсаживали в отдельный садок и метили, что позволяло отсчитывать число дней, прошедших после линьки. В опыты брали крупных здоровых сверчков в возрасте 7-20 дней. За 1-2 дня перед опытом сверчков рассаживали каждого в отдельную баночку и содержали только на воде, чтобы опорожнить пищеварительный тракт.
Восходящий нейрон типа ВН-І
Восходящий нейрон типа ВН-Ї был окрашен нами в 18 опытах. На рис. 16 представлена микрофотография препарата, полученнего в одном из этих опытов, и рисунки с тотального препарата.
Сома нейрона BH-I расположена у самого основания передней коннективы, около её латерального края. Тонкий клеточный отросток идёт от сомы в каудо-медиальном направлении. В середине ганглия он утолщается, резко поворачивает к средней линии, пересекает её и соединяется с толстым (до 14 мкм) основным сегментом. Большая часть разветвлений и аксон нейрона контралатеральны по отношению к соме. Самая крупная ветвь идет от основного сегмента в латеральном направлении (ЛВ - латеральная ветвь) вдоль пучка входящих слуховых волокон, давая по пути многочисленные разветвления в медиальной и латеральной области слухового нейропиля. Вторая каудальная ветвь (КБ) выходит за пределы акустического нейропиля и дает разветвления в области коркового нейропиля медиальных коннективных пучков. Нейрон имеет также небольшое число разветвлений на соматической стороне в средней части ганглия, которые соединяются с клеточным отростком. Эти ветви оканчиваются в контралатеральном медиальном акустическом неиропиле.
Восходящий аксон, около 6 мкм в диаметре, идет от основного сегмента в переднюю коннективу, где он проходит у медиальной поверхности. В пределах I грудного ганглия аксон отдаёт несколько коллатералей (КА на рис. 16) в область нейро-пиля медиальных коннективных пучков. Таким образом, нейрон BH-I связан с корковым нейропилем коннективных пучков как на входе, так и на выходе.
В ряде случаев во время записи активности нейрона типа BH-I регистрация из внеклеточной превращалась во внутриклеточную. При этом наибольшая амплитуда постсинаптического потенциала и спаиков регистрировалась в случаях, когда микроэлектрод располагался вблизи основного сегмента. Если электрод стоял в области латеральной ветви, то амплитуда спаиков обычно была значительно меньше амплитуды постсинаптического потенциала, а если электрод стоял в области аксона, то регистрировались спайки большой амплитуды и очень слабая волна возбуждающего постсинаптического потенциала. В двух случаях внутриклеточной записи прокрасились рецепторные волокна ножного нерва на стороне,ипсилатеральной аксону. Эти факты позволяют рассматривать латеральную ветвь нейрона BH-I - как дендритную, получающую входы непосредственно от рецепторов тимпанального органа, а основной сегмент - как интегрирующий. К аналогичному выводу пришли Хубер и Вохлерс /Huber, Wochlers 197«/. По характеру терминалей мы относим к дендритным также разветвления каудальной ветви.
На рис. 17 показан:: другой пример анатомии нейрона типа ВН-І. Различия относятся к положению сомы нейрона относительно передних коннектив, степени разветвленности различных дендрических ветвей, толщине интегрирующего сегмента.
Сегментарные нейроны
Морфологические и функциональные характеристики описанного нами нейрона типа CH-I полностью совпадают с соответствующими характеристиками нейрона типа ш-с-н , описанного Касадеем и Хоем (. cassaday, Ноу 1977) на сверчке вида I eieogryiJLus oceanicus и нейрона (Ж-1 , описанного Вохлерсом И Хубером l Wochlers, Hutoer 19/«, 1ЭЬ2 ) на сверчках GryiXus campestrxa. Последняя работа вышла вслед за нашей публикацией, но выполнена с помощью внутриклеточной регистрации.
В переднегрудном ганглии имеется пара сегментарных нейро нов типа CH-I с сомами, расположенными по разные стороны от медиальной линии. Каждый из них получает возбуждающие входы от рецепторов на сомаипсилатеральной стороне и передает ин формацию на сомаконтралатеральную сторону. Вохлерс и Хубер t Wochiers, ниъег 1978 ) показали, что каждый из ней ронов CH-I тормозится при подаче стимула на ухо сомаконтрала-теральной стороны. Если же звук поступает на оба уха одновременно, то реакция нейрона оказывается меньшей, чем при односторонней ипсилатеральной стимуляции. Авторы предполагают, что это обусловлено тормозным влиянием нейронов CH-I друг на друга.
В естественных условиях тимпанальные органы возбуждаются в разной степени в зависимости от положения сверчка по отношению к источнику звука. Реципрокные взаимоотношения между нейронами типа CH-I могут усиливать эту разницу и играть важную роль в локализации источника звука. Кроме того, нейроны типа CH-I в своей импульсации отлично воспроизводят временной узор конспецифичных коммуникационных сигналов. Имеются предварительные сведения о взаимодейвтвии нейронов типов CH-I и BH-I (неопубликованные данные Ф.Хубера). Это позволяет предположить, что сегментарные нейроны участвуют также в передаче информации о конспецифичных сигналах в надглоточный ганглий.
