Осфрадиальные сенсорные системы моллюсков Камардин, Николай Николаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Среди важнейших проблем современной шопга большое место занимают исследования регулирующих и гегрирующих систем, обеспечивающих целостность организма и его іспособительньїе реакции. Сравнительно - физиологические исследования івной, мышечной и сенсорных систем позвоночных и беспозвоночных вотных привели к заключению о принципиальном сходстве ювополагающих физиологических механизмов [Коштоянц, 1950; Сахаров, 4; Крепе, 1979; Орбели, 1979; Костюк, Крышталь, 1981; Шеперд, 1987; гников и др., 1994; Kandel, 1976]. В этой связи изучение сенсорных систем позвоночных животных представляется весьма актуальным, так как они толняют в поведении принципиально аналогичную сенсорным системам івоночньїх функцию, а также представляет большой интерес в сравнителыю-люционном аспекте, способствуя решению основной задачи, поставленной »ед эволюционной физиологией - познание путей функциональной эволюции анизмов [Гинецинский, 1970; Орбели, 1979].

Важным звеном в деятельности нервной системы позвоночных и позвоночных животных является ганглий, который выполняет гегративную функцию, являясь местом конвергенции сенсорной информации амыкания рефлексов [Шеррингтон, 1969]. Академик А.А.Ухтомский доказал чествование принципа конвергенции для всех уровней нервной системы томский, 1978]. В настоящее время структура синаптических связей и шологические свойства отдельных нейронов и нейронных популяций ледованы в ганглиях беспозвоночных [Куффлер, Николе, 1979; Kandel, 1976; 9; Alkon et al., 1978; Willows, 1978; Benjamin, 1983; Syed, Winlow, 1991 и др.] и воночных животных [Черниговский, 1960; 1967; Скок, 1970; Ноздрачев, 8; Ноздрачев, Пушкарев, 1980; Ноздрачев, Чернышева, 1989; Скок, Иванов, 9; Фатеев, 1998].

В различных группах животных повторяются общие черты организации >вных центров, например, наличие сенсорных, моторных и интернейронов, наружено удивительное сходство в развитии ганглиев моллюсков и ганглиев іиферической нервной системы позвоночных [Bulloch, 1985]. Именно ітому беспозвоночные, и в частности, моллюски, стали классическим >ектом для исследования многих фундаментальных вопросов нервной тельности.

В жизнедеятельности живых организмов особую роль играет химичесі состав внешней и внутренней сред. Знание механизмов анализа cpt животными зачастую определяет полноту наших представлений об поведении. У водных животных существуют различные рецепторные систеї позволяющие отслеживать изменяющиеся параметры среды и химичес сигналы [Бронштейн, 1977; Акоев, Алексеев, 1985; Акоев, Андрианов, IS Мантейфель, 1991; Atema, 1989]. У моллюсков таким органом являє осфрадий, гомологичный у всех классов типа Mollusca. Однако, мор физиологические особенности этого уникального в животном м рецепторного образования, объединяющего в себе свойства рецептора и цен первичной обработки сигнала, изучены еще недостаточно. Мало представл< в литературе и данные о функциональной эволюции осфрадия в различі группах Mollusca.

Анализу отмеченных выше проблем и ряда связанных с ними вопро посвящено настоящее исследование.

Цель и задачи исследования. Целью выполняемой работы явил сравнительное морфофизиологическое исследование осфрадиаль рецепторной системы у представителей Polyplacophora, Bivalvia и Gastropt Исследование включает в себя описание ультраструктурной организа осфрадиальной рецепторной поверхности и типов рецепто] электрофизиологических свойств клеток и особенностей синаптичес контактов в осфрадиальных ганглиях и ганглиях ЦНС.

Задачи исследования:

1. Провести сравнительный ультраструктурный анализ осфрадиев і основных групп моллюсков (Polyplacophora, Bivalvia, Gastropc отличающихся по степени сложности и функциональной значиме осфрадиев.

2. Проанализировать наиболее общие, повторяющиеся у различных гр особенности организации рецепторной поверхности и сенсорных элементе осфрадиях.

3. Оценить основные пути эволюции рецепторных клеток
осфрадиального ганглия у моллюсков. Исследовать особенности нейрогене
синаптогенеза в осфрадий моллюсков с помощью метода культуры ткани.

4. Изучить электрофизиологические свойства осфрадиальных органов
разномодальных внешних воздействиях. Проанализировать физиологичесі
фармакологически свойства мембран нейронов осфрадия.

5. Выяснить возможные центральные нейрональные проекции осфрадия в [глии ЦНС. Оценить роль осфрадиев в адаптивном поведении моллюсков.

6. Оценить участие аденилатциклазной системы и ионов Са²⁺ в генерации шарного рецепторного потенциала осфрадия.

Научная новизна результатов. Впервые проведен комплексный анализ рфологических, ультраструктурных и физиологических особенностей эрадиев трех основных групп типа MoUusca. Показано, что на основе ««дифференцированной интраэпителиальной рецепторной клетки, іадающей полимодальной чувствительностью, в процессе эволюции рмируются специализированные, имеющие особую ультраструктурную ~анизацию, рецепторные органы, участвующие в пищевом и сигнальном ведении животных. Выявлены основные закономерности эволюции іепторньїх клеток и всего органа. Особая роль в этом процессе отводится эрмировавшемуся осфрадиальному ганглию, синаптическая организация орого напоминает организацию обонятельной системы насекомых и івоночньїх животных. Впервые получены органотипические культуры зрадиев пресноводных и морских моллюсков, ультраструктурный анализ х>рых подтвердил обнаруженные in vivo особенности нейрогенеза зрадиального ганглия. Получены электрофизиологические данные о ютвительности осфрадиев к аминокислотам, мочевине, сахарам и гнантной воде. Выяснено, что в осфрадиальном ганглии в результате івичной обработки информации выделяются качественные и количественные іактеристики воздействия. Впервые идентифицированы по эфологическим, электрофизиологическим и фармакологическим іактеристикам клетки, расположенные на поверхности осфрадия. югистрированы мембранные токи, вызванные воздействием химических и [иаторных веществ. Выявлено, что в процессе генерации ПД участвуют ионы ^!+, а образование продленных ПД происходит за счет нарушения выходящих невых токов. Входящий кальциевый ток формируется за счет хжопороговых электровозбудимых кальциевых каналов L-типа. Показана гь Са²⁺ и аденилатциклазной системы в генерации суммарного рецепторного :енциала осфрадия. Продемонстрирована реакция идентифицированных ;ронов, ответственных за дыхание, и каудо-дорзальных клеток на муляцию осфрадия. Выяснено, что осфрадий может модулировать сательный ритм и релизинг гормона овуляции у прудовика. В поведенческих периментах выявлена роль осфрадия в реакции хоминга у литоральных

моллюсков, принадлежащих к различным систематическим группам. Показ высокая степень корреляции между питанием представителей Caenogastropoc строением их осфрадиев.

Научно-практическая ценность. Результаты работы имеют болы значение для формирования целостного представления об эволюции фута хеморецепторных образований у животных. Они необходимы для пополне наших знаний о механизмах нейрофилогенеза, в основе которого ле: онтогенетические особенности его формирования. Наряду с высо пластичностью выделяются общие принципы функционирования структурные модули, повторяющиеся и не меняющиеся на протяже; миллионов лет эволюции моллюсков. Это формирование обособленн эпителиального участка, объединяющего опорные клетки, организован виде зон и связанные с рецепторными клетками нескольких морфологичес типов. В непосредственной близости располагается периферический ганп где осуществляется первичная обработка сенсорной информации, результа которой могут быть локальные рефлексы на уровне самого рецептори органа. Установленные в исследовании принципы нейрональной организа осфрадиального органа, основанные на принципе параллелизма, дол> присутствовать и присутствуют в других хемосенсорных органах, что позве в будущем разрабатывать методы диагностики и лечения врожденны приобретенных нарушений в работе хемосенсорных систем человека. Кр того, результаты исследования могут быть использованы в моделировали создании искусственных хемосенсоров и технических устройств анаг качества воды.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Гипотеза об исходной полимодалыюй чувствительности осфраді моллюсков, которая в процессе эволюции становится специализированш преобладанием 1-2 модальностей. Этот процесс сопровождается обособлен рецепторных и опорных клеток, которые формируют разделенный на з эпителиальный орган со сложно устроенным периферическим ганглием.

2. В основе транедукции химического стимула в осфрадиальных нейре лежат известные для насекомых и позвоночных животных механизмы лиг рецепторных взаимодействий, опосредуемых кальций-зависи аденилатциклазной системой. В генерации распространяющегося потенці участвуют потенциал-зависимые входящие кальциевые L-токи.

3. Осфрадиальный ганглий, состоящий из различных клеточных
[уляций, является периферическим центром обработки сенсорной
юрмации, имеющим сложную синаптическую организацию, включающую
колько типов синаптических контактов с различными медиаторами и
ропептидами. Импульсация осфрадиального нерва направляется в
(ьшинство ганглиев ЦНС и содержит информацию о качестве стимула и его
менных параметрах.

4. Формирование сложной синаптической структуры осфрадиального глия является следствием генетически закрепленных механизмов, связанных нейрогенезом этого рецепторного органа, и воспроизводится в анотипической культуре.

5. Осфрадий участвует в регуляции многих жизненноважных для шюсков функций, включая дыхание, осморегуляцию, размножение, іскание убежища.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на vi научном совещании по эволюционной физиологии (Ленинград, 1978); 2-ой союзной конференции по биологии шельфовых зон (Владивосток, 1982); ференции молодых ученых МГУ (Москва, 1983); 2-ом Всесоюзном ещании по химической коммуникации животных (Москва, 1983); V союзном симпозиуме "Механизмы сенсорной рецепции" (Пущине, 1984); союзной конференции "Физиология медиаторов. Периферический синапс" зань, 1984); IX National Congress of Anatomy, Histology and Embriology :ven, Bulgary, 1985); Всесоюзной конференции "Простые нервные системы и значение для теории и практики" (Казань, 1985); Всесоюзном совещании ория параллелизмов А.А.Заварзина и современная биология" (Ленинград, 6); XIII Всесоюзном совещании по изучению моллюсков (Ленинград, 1987); ,1 Всесоюзном совещании по химической коммуникации животных (Москва, 9); "Химические сенсоры" (Ленинград, 1989); Экологической конференции У (Ленинград, 1989); X Всесоюзном совещании по эволюционной иологин (Ленинград, 1990); Всесоюзной конференции "Простые нервные гемы" (Минск, 1991); IX Всесоюзном совещании по изучению моллюсков нинград, 1991); VII Всесоюзном симпозиуме "Механизмы сенсорной епции" (Москва, 1992); XI International Malacological Congress (Siena, Italy, 2); International Symposium "Mechanisms of Sensory Chemoreception in tebrates" (Пущино, 1992); Regional Meeting of the International Society for ;rtebrate Neurobiology (ISIN) "Simple Nervous System" (Пущино, 1994); 8th

Symposium on Invertebrate Neurobiology (Tihany, Hungary, 1995); IV IBRO W< Congress of Neuroscience (Kyoto, Japan, 1995); 25th Gottingen Neurobiol Conference (Gottingen, Germany, 1997); Regional Meeting of the Internatu Society for Invertebrate Neurobiology (ISIN) "Simple Nervous System" (Moa 1997); IV Conference of Hungarian Neurobiology Society (Godollo, Hungary, 19 Neurotox'97 (Aarhus, Denmark, 1997); V Conference of Hungarian Neurobiol Society (Debrecen, Hungary, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано в отечествен и зарубежной печати 35 работ, отражающих основные положения научн исследования.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 403 страни машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описа методических приемов и объектов исследования, девяти I экспериментальной работы (каждая из которых содержит неболы литературную предпосылку, результаты исследования и заключитель коментарии), заключения, выводов и списка литературы, включающего наименований, в том числе 118 отечественных и 387 иностранных источни: Работа иллюстрирована 3 таблицами и 117 рисунками.