Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-морфологические особенности фоторецепторов сетчатки грызунов с различной формой суточной активности

ВАК РФ 03.00.08, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-морфологические особенности фоторецепторов сетчатки грызунов с различной формой суточной активности"

?Г5 ОД 2 3 ДПР Мб

На правах рукописи

ХОХЛОВА Татьяна Валентиновна

ЭКОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОТОРЕЦЕПТОРОВ СЕТЧАТКИ ГРЫЗУНОВ С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ СУТОЧНОЙ АКТИВНОСТИ

03.00.08 - Зоология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1996

Работа выполнена на кафедре Зоологии позвоночных животных и общей экологии Биологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор биологических наук Г.Н.Симкин

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Ю.Б.Мантейфель кандидат биологических наук С.В.Попов

Ведущая организация: Институт проблем передачи информации

Российской Академии Наук

Защита состоится " " 1996 г. в^Л5шсов

на заседании специализированного совета Д.053.05.34. при Московском государственном университете по адресу: 119899. ГСП, г.Москва, В-234, Ленинские горы. Биологический факультет МГУ, ауд. М-1'

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Автореферат разослан ". /3 - л

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Л.И. Барсова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение особенностей сетчатки является важным звеном в исследованиях биокоммуникации и ориентации животных в среде обитания. Ряд исследователей, начиная с классических работ (Walls. 1942: SJostrand, 1953. Cohen. 1960) до последних публикаций соотечественников (Бабурина. 1972; Давыдова, 1991; Андреев, 1992), применяя различные подходы и методы, уже делали попытки выявить основные тенденции в преобразованиях структур сетчатки у различных групп животных. Однако, зачастую несопоставимость таких результатов, а также ряд трудностей в выделении ключевых признаков, переводе качественных признаков в количественные и другие не позволяют, на наш взгляд, перейти к более обширным обобщениям и теоретическим моделям. В этой связи, очень важными представляются те исследования, где в рамках одного или нескольких избранных методов изучается некий набор видов (от близкородственных к более отдаленным филогенетически) с выраженными различиями в особенностях биологии. Такие исследования дают представления о диапазоне изменчивости рассматриваемых признаков и выявляют адекватный уровень детальности исследований. Без подобных работ представляется затруднительным не только выявление адаптивных механизмов преобразований в сетчатке, но также и решение основных концептуальных вопросов эволюции фоторецепторов, проверка теории трансмутации, установление основных закономерностей появления в эволюции разных ветвей позвоночных зрения с высокой остротой и разрешающей способностью.

Цель и задачи исследования. Основной целью данной работы было выявление адаптивных черт в морфологических особенностях фоторецепторов у веера близкородственных видов песчанок, а также видов. не состоящих в близком родстве, но в процессе эволюции занявших сходные экологические ниши, и поэтому получивших сходный

- г -

комплекс (конвергенция, параллелизм) адаптивных преобразований. В связи с этим были поставлены следующие задачи: 1. Выявление и оценка уровня морфологической дифференцировки у двух систем зрения сетчатки: палочковой и колбочковой. Впервые обе эти функционально различные системы рассматриваются не как совокупность отдельных элементов, а как и морфологически различные системы, имеющие свои специфические эволюционные тенденции. 2. Выделение отдельных, диагностически ценных ультраструктурных признаков фоторецепторов, позволяющих надежно выявлять основные их типы в сетчатке млекопитающих. 3. На основе использования сравнительного и экологического методов и самостоятельно разработанных подходов к изучению двух морфологических систем фоторецепторов сетчатки выявить основные адаптивные тенденции каждой. 4. На основе собственных и литературных данных дать морфологическую оценку понятиям "дневной", "сумеречный" и "ночной" вид на базе модельной группы песчанок.

Научная новизна. Впервые описаны фоторецепторы сетчатки и их ультраструктурные особенности у 8 видов песчанок, полевки Брандта и африканской травяной мыши. Показан диапазон ультраструктурных изменений фоторецепторов у близкородственных видов с различиями в суточной активности и особенностях биологии. Впервые палочки и колбочки сетчатки рассматриваются как две морфологические субсистемы, по которым раздельно и проведен сравнительный анализ исследованных видов. Показано, что комплекс адаптивных изменений в этих двух системах у спектра видов от исходно ночных (как предполагается) до сумеречных и практически дневных не тождественен и в определенных пределах независим. Так, палочковая морфологическая систрма значительно консервативнее колбочковой и изменения в первой носят в основном количественный характер. Адаптивные изменения колбочковой системы весьма существенны и носят как количественный . так и качественный характер. Выявлены ключевые структуры

(части) фоторецептора, в первую очередь подверженные адаптивным преобразованиям: светочувствительный наружный сегмент и синапти-ческое окончание. Показано, что наблюдается гетерохрония адаптивных признаков в ключевых структурах фоторецептора. Для видов переходной (сумеречной) группы обнаружена мозаичность в продвинутое™ признаков при сравнении двух систем (палочковой и колбочко-вой). Предложена гипотеза, объясняющая интенсификацию зрительного канала коммуникации у активных в светлое время суток песчанок, в первую очередь их склонностью к социальной организации сообществ и лишь затем экологическими факторами среды.

Теоретическая и практическая ценность. Данное исследование является существенным вкладом в понимание глубинных процессов адаптации животных к окружающей среде. Предложенный дифференциальный метод сравнительного анализа ультраструктурных особенностей может быть использован в аналогичных исследованиях сетчатки других групп млекопитающих. Ряд обобщений способствует более глубокому пониманию биологии отдельных видов и в перспективе может быть полезен для нужд видовой систематики. Результаты исследования могут быть включены в курс зоологии позвоночных, спецкурсы по этологии и отдельным анализаторным системам в высших учебных заведениях.

Апробация. Результаты исследования обсуждались на съездах Всесоюзного териологического общества (Москва, 1982, 1986, 1990); на 6 Всесоюзном симпозиуме "Механизмы сенсорной рецепции" (15-17 ноября 1988, Москва^; на 3 Всесоюзном совещании " Песчанки - важнейшие грызуны аридной зоны СССР" (1989. Ташкент); на 10 Всесоюзном совещании по эволюционной физиологии памяти Л.А. Орбели (Ленинград, 1990); на конкурсе научных работы кафедры Зоологии позвоночных животных и общей экологии МГУ (Москва, 1992); на Международном совещании "Состояние териофауны в России и ближнем зарубежье" (1-3 февраля 1995, Москва); на заседании кафедры Зоологии

позвоночных животных и общей экологии МГУ (Москва, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на ¿¿Е^стра-ницах машинописного текста и состоит из введения, описания материала и методов исследования, обзора литературы по морфологии фоторецепторов, обзора по экологии изученных видов песчанок и других грызунов, главы с изложением собственных результатов исследования, обсуждения полученных результатов и списка литературы. Работа содержит ПО рисунков иЗ таблицы. Список литературы содержит названий, в том числе на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

В этой главе дается краткий исторический экскурс в проблему. Перечислены работы предшественников, чьи разработки легли в основу этой диссертации. Подчеркивается важность экологического подхода к исследованиям сетчатки. Дается краткое обоснование выбора объекта исследования. Фоторецепторы', с одной стороны являются посредниками между внешней средой и животным, с другой же стороны их строение и связи у млекопитающих значительно упрощены. Во введении сформулированы цель и задачи исследования.

1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Были изучены сетчатки десяти видов грызунов - пяти видов песчанок рода Merlones:- М. ungulculatus (n=12), М. merldlanus (n=7), М. lyblcus (n=8). М. perslcus (n=3), М. tristraml (п=2); песчанок Rhombomys oplmus (n=8). Tatera robusta (n=2). Gerblllus porpallldus (n=2): африканской травяной мыши Arvlcanthls abyssí-nlciü'. (n-3) и полевки Брандта Laslopodomya brandtll (n=2). Фиксацию сетчатки проводили в глазном бокале, разрезанном на кусочки.

в 1,5-2% глютаральдегиде на 0.1 М фосфатном буфере, на холоду, с последующей дофиксацией в тетраокиси осмия. В некоторых случаях использовали какодилатный или S-коллидиновый буфер. После обезвоживания и заливки в эпон 812 делали полутонкие срезы для выбора участка и ориентировки. Затем нужный участок затачивали для резки ультратонких срезов, которые после окраски просматривали под трансмиссионным микроскопом Hitachi, Jeol Jem-ЮОВ. Важным моментом является то, что сетчатка дневных и ночных видов была обработана при одинаковых режимах, в дневное время. Подсчеты проводили на полутонких срезах под световым микроскопом с объективом 90. масляной иммерсией и окуляр-микрометром АМ9-2, а также на электронных микрофотографиях.

Благодарности: Автор выражает глубокую признательность всем тем, кто так или иначе способствовал появлению этой работы, особенно В.И.Говардовскому, О.Ю.Орлову, Г.Н.Симкину, Т.Б.Голубевой, М.Е.Гольцману, Г.Н.Давидовичу, В.В.Корбуту, а также Л.А.Лаврен-ченко, А.Карацеву, И. Володину. О.Ильченко, Н.Я.Агалаковой.

2. СТРОЕНИЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОТОРЕЦЕПТОРОВ

ПОЗВОНОЧНЫХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) Глава имеет 7 подразделов и содержит обзор данных литературы по фоторецепторам. Приводятся основные сведения об устройстве светочувствительных мембран, механизме фотолиза, зрительных пигментах фоторецепторов, различии опсинов палочек и колбочек.

Палочки и колбочки обслуживают две разные системы зрения: скотопическую и фотопическую, соответственно. Скотопическая система функционирует в сумерках и ночью. Она ахроматическая, реагирует лишь hi уровни освещенности, отличая светлое от темного. Возбуждение палочек зависим как от числа фотонов, поглощенных наружным сегментом, так и от уровня фонового освещения. Фотопичес ■ кая система характеризуется более высокой остротой и быстродейс-

твием и работает при высоких уровнях освещенности. При наличии в сетчатке колбочек с двумя различными пигментами можно предполагать цветоразличение. Переход от скотопического зрения к фотопи-ческому характеризуется сдвигом максимума кривой спектральной чувствительности в (обычно) более длинноволновую область и называется сдвигом Пуркинье.

Приведены литературные данные по морфологическим особенностям палочек и колбочек позвоночных. Подчеркивается, что для плацентарных млекопитающих характерны мелкие, сильно упрощенные, обедненные внутриклеточными структурами фоторецепторы, в которых можно ожидать более наглядного выявления возможных адаптивных изменений. Важнейшее морфологическое отличие между палочками и колбочками обнаружено на ультраструктурном уровне: у колбочек диски наружного сегмента не замкнуты и на некотором протяжении своего периметра сообщаются с внеклеточной средой, а у палочек - полностью отделены от плазматической мембраны. Однако, у многих млекопитающих различия между палочками и колбочками замаскированы промежуточным характером многих признаков, в том числе и главного ультраструктурного критерия.

В последующих подразделах суммированы современные данные по ультраструктурным особенностям основных частей фоторецептора: наружного сегмента, его строению у разных видов, особенностям дис-когенеза; внутреннего сегмента, ядра, синаптического окончания. Особое внимание уделяется тем признакам, , которые в дальнейшем можно было бы использовать, как диагностические для дифференци-ровки колбочек и палочек.

Очень важным является подраздел, где рассматривается строение синаптических окончаний палочек и колбочек у разных видов. Подробно рассмотрены особенности строения ленточных синапсов. Си-иаптический комплекс, образованный 'ленточным синапсом с одним подходящим к нему отростком нейронов второго порядка, называется

монадой, с двумя - диадой, а с тремя - триадой. Триады в онто- и филогенезе появляются позже. Приводятся данные показывающие, что глубина погружения синаптической ленты коррелирует с величиной пороговой стимуляции; есть сведения об околосуточных изменениях синаптических лент.

В других подразделах рассматриваются особенности топографического распределения палочек и колбочек в сетчатке, возможное соответствие выявленных морфологическими методами типов - функциональным типам фоторецепторов, в том числе и по данным иммуноци-тохимии; а также особенности фоторецепторов грызунов. Подчеркивается промежуточный характер многих типовых признаков фоторецепторов у последних.

3. ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИИ ПЕСЧАНОК И НЕКОТОРЫХ ДНЕВНЫХ ГРЫЗУНОВ.

СОПРЯЖЕННЫЕ С ТИПОМ СУТОЧНОЙ АКТИВНОСТИ (ПО ДАННЫМ ЛИТЕРАТУРЫ) Глава имеет 8 подразделов и содержит сведения по биологии, взятые из литературных источников, которые прямо или косвенно связаны с типом суточной активности вида, а следовательно оказывают непосредственное влияние на визуальную ориентацию. Особо выделены: 1. характер рельефа местообитания; 2. тип питания, способы добычи и поиска пищи; 3. характер внутривидовых взаимоотношений (социальность) и тип поселения. 4. собственно характер суточной активности в разные периоды жизнедеятельности вида; 5. естественные враги.

Большая песчанка ШютЬотуэ ор1тиз. "Колониальный" вид, живущий в условиях пустыни - полупустыни. Большая песчанка - зеле-ноядный эврифаг, делает запасы корма, демонстрируя при этом сложное поведение. Теплолюбива, весной и осенью активна весь день, зимой - только в теплую солнечную погоду. Роль зрения специально не изучалась, но сложное социальное поведение внутри обширной "колонии" с множеством членов, основывается на определенной сис-

теме доминирования - подчинения и поддерживается целым набором ритуальных поз и выразительных движений. Ряд из них безусловно рассчитан на визуальный эффект. Среди врагов этого вида - многие наземные и пернатые хищники.

Полевка Брандта Ьаз1оро<Зотуз Ьгап<Ш1. Дневной вид, неродственный песчанкам, но относящийся к тому же семейству Сг1сеШае и в силу сходства биотопов и черт биологии, получивший экологический облик, сходный с большой песчанкой. Как и последняя, образует большие "колонии", типичный зеленояд. При сборе и запасании корма демонстрирует сложное поведение. Также характерен поведенческий репертуар поз и выразительных движений, в который входят различные стойки, ритуализированная борьба. Как и для большой песчанки, характерны поза "столбик" и звуковое оповещение об опасности членов сообщества. Как фоновый вид полынно - злаковых степей Монголии, эта полевка подвергается нападениям всевозможных наземных и пернатых хищников.

Африканская травяная мышь Агу1сап№1з аЬуэзШсиз. Этот вид имеет сходный экологический облик с предыдущими двумя, но относится к другому семейству - МигЫае. ' Обитатель низкотравной саванны среднегорий Абиссинского плато. Питается в основном зелеными частями растений. "Колониальные" поселения этого грызуна образуются на основе семейных группировок. Сходство с полевкой Брандта и большой песчанкой проявляется не только в сходных условиях обитания, но и в чертах поведения: присутствие в поведенческом репертуаре характерной позы "столбик", наличие звукового сигнала, предупреждающего сородичей об опасности.

Монгольская песчанка Мег1опеэ ип£и1си1аШБ. Образует поселения на основе семейных группировок. Иерархия внутри группы и защита участка обитания поддерживается сложной системой поведенческих по?, и дмш'шин, напоминая в этом отношении большую песчанку. В о.упаггьгпннх углмшх этот сил причисляют если не к дневным, то

близким к дневным видам. Характерна значительная поведенческая пластичность в отношении суточной активности. Имеются эксперименты в лабораторных условиях, свидетельствующие о вкладе зрения в ориентацию. Семенояд.

Краснохвостая песчанка Merlones lyblcus. Молодой вид южного происхождения. Семенояд. Характерна удивительная пластичность, как в отношении суточной активности, которую она легко меняет, так и в отношении социальных отношений. Может совмещать черты одиночного животного и социального, но тогда они стоятся на жестких деспотических отношениях.

Полуденная песчанка Merlones merldlanus. Вид южного происхождения. Одиночная, обычным является тбегание социальных контактов. Ночная, но может иметь и дневную активность. Семенояд.

Персидская песчанка Мег1опез perslcus. Петрофил. связанный с формациями нагорных ксерофитов. Зернояд. Миролюбивый зверек, имеются элементы социального поведения, такие как объединение выводков и поочередное кормление детенышей. Активность ночная, но бегают и днем.

Малоазийская Merlones trlstraml, светлая Gerblllus perpalll-dus и сахельская Tatera robusta песчанки. Все три вида характеризуются ночным, одиночным образом жизни. По крайней мере, для первых двух видов, характерен агонистический тип- взаимодействий с конспецифическими особями. Семенояды.

4. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПАЛОЧКОВОЙ И К0ЛБ0ЧК0В0Й СИСТЕМ СЕТЧАТКИ

4.1. Монгольская песчанка. Этот вид характеризуется достаточно xopoun развитой колбочковой и еще не утратившей своего значения палочковой системой. Подробное изучение фоторецепторов -это го вида дает ключ к изучению сетчаток других видов и возможностям распознавания в них палочек и колбочек. Раздел начинается с пп'/-

сания сетчатки под световым микроскопом. Наглядно показано, что этот метод не позволяет надежно дифференцировать типы фоторецепторов, обосновывается необходимость использования электронномик-роскопического метода с большим разрешением.

Палочки монгольской песчанки - узкие, вытянутые клетки, со сравнительно длинными наружным (21,5+0,4мкм) и внутренним (14,2+0,Змкм) сегментами. Диски в наружном сегменте не связаны с плазматической мембраной и уложены в строгом порядке; каждый диск имеет единственный вырез и краевую петлю по периметру. Ближе к периферии сетчатки, палочки образуют трудно различимую массу, соприкасаясь между собой плазматическими мембранами наружных сегментов в отдельных точечных участках.

Колбочки достигают 15% от общего числа фоторецепторов. Наружный (15,7+0,9мкм) и внутренний (18,2+0,9мкм) сегменты практически не отличаются диаметром от палочкового. Внешне они очень похожи, практически неотличимы. Однако, у колбочек в наружном сегменте диски располагаются рыхло, могут отличаться диаметром, к вершине смещаться, образуя заостренный кончик. Вырезы в дисках отсутствуют. Характерен гетероморфизм дисков: часть их, как у палочек - с краевой петлей, а часть - с расширенным внутридисковым пространством и потому более светлых. Несмотря на то, что последние также отделены от плазматической мембраны наружного сегмента, есгь все основания предполагать, что связь этих дисков с внеклеточной средой существует. Чередование темных и светлых дисков беспорядочное и придает наружному сегменту полосатый вид.

Базальные, незрелые диски в основании наружного сегмента у палочек и колбочек обычно открыты во внеклеточную среду. Однако у колгючек их всегда больше, чем у палочек из того же участка сетчатки. Кроме того, нарастание диаметра дисков у колбочек происходит постепенно и растянуто на больший или меньший промежуток наружного сегмента, а у палочек - резко, в пределах единичных дис-

- и -

ков. Наблюдается корреляция: у колбочек базальные диски, имеющие отчетливый выход во внеклеточную среду, встречаются до того участка наружного сегмента, где чашевидный отросток (вырост внутреннего сегмента) плотно к ним прилегает. Предполагается важное значение этого отростка в дискогенезе и защите колбочковых незрелых дисков. Приводятся обоснования этого утверждения.

Рассматриваются особенности внутреннего сегмента палочек и колбочек. Длинные, червеобразные митохондрии с поперечными крис-тами располагаются по периметру внутреннего сегмента, но в наиболее функционально важном, височном секторе сетчатки, у колбочек, и даже отчасти у палочек, наблюдается концентрация округлых митохондрий в виде рыхлого эллипсоида.

Ядра колбочек (6,3±0,2мкм) намного крупнее и светлее палочковых (4.7+ 0,2мкм). Ядра палочек формируют колонки, ядра колбочек чаще располагаются между ними.

Синаптические окончания палочек (сферулы) и колбочек стратифицированы. Каплевидные сферулы образуют двурядный подслой, которому подлежат более крупные окончания колбочек. Ленточные синаптические комплексы диадно - триадного типа; в сферуле их не более двух, а в колбочковой ножке - 3-4. К синаптическому окончанию у колбочки подходит мощный клубок отростков нейронов второго порядка, проникающих в окончание на значительную глубину, что более характерно для дневных видов. Синаптические ленты располагаются в окончании в основном радиально к витреальной поверхности, демонстрируя признаки поляризованной структуры.

Помимо основного структурного типа колбочек, в сетчатке монгольской песчанки обнаружен колбочковый полиморфизм. В височном секторе обнаружены более массивные и длинные колбочки, с большими нарушениями дискорасположе:;ия в наружном сегменте и рыхлым эллипсоидом. В височном секторе обнаружены также колбочки-карлики о крошечным внутренним сегментом, содержащим аппарат Гольджи и нес-

колько круглых митохондрий. Оба подтипа сохраняют все типовые признаки колбочек, кроме размеров.

Очень похожие на палочки колбочки, выделенные морфологически, были изучены физиологическими методами. Было показано, что в сетчатке имеются две системы, различающиеся по быстродействию: сумеречная, с частотой слияния мельканий 15-20Гц и дневная, с частотой выше 60Гц. Демонстрировался сдвиг Пуркинье с обратным знаком (Говардовский и др.. 1990). С помощью моноклональных антител в совместной работе с венгерскими коллегами, были выявлены зеленочувствительные и «[нечувствительные колбочки, причем первые соответствуют основному структурному типу колбочек, а вторые -короче по длине (СоуагбоузкП, ИоЫ1сЬ е1 а1., 1992). В работе приведены как собственные данные, так и результаты других авторов по зрительным пигментам монгольской песчанки.

4.2. Большая песчанка. На гистологических препаратах сетчатка этого вида выглядит более дневной, чем у предыдущего вида. Соотношение ядер нейронов первого и второго порядка приближается к единице. Колбочки составляют 35% от общего количества фоторецепторов. Приводятся другие особенности' сетчатки этой песчанки.

В свлзи с общим уменьшением размеров фоторецепторов, у палочек длина наружных сегментов (12.9+0,7мкм) заметно сокращается, по сравнению со внутренними (11.8±0.4мкм). Все наружные сегменты палочек разделены межклеточным матриксом, отростками пигментного эпителия и обычно не соприкасаются. Признаки палочек те же, что и у монгольской песчанки.

Основной структурный тип колбочек имеет небольшой наружный (9.3+: 0.5мкм) и более длинный (12,2+0.4мкм) внутренний сегменты. Для наружного сегмента колбочек также характерны: рыхлая упаковка дисков, гетероморфизм дисков, отсутствие в них выреза. Базальные лпоки. открытие во внеклеточную среду, занимают более трети наружного спирита и прикрыты мощным чашевидным отростком, содержа-

щим органеллы. В наружном сегменте колбочки большой песчанки чаще встречаются диски с .различным диаметром, деформирующие контур клетки; дисторсии и смещения встречаются лишь к вершине. К особенностям колбочек этого вида песчанок следует отнести образование наружного сегмента "неполного" типа. Лабильность дисков с расширенным внутридисковым пространством показана при экспериментальном осмотическом шоке. Такие диски, при этом, пострадали в первую очередь, распадаясь на фрагменты и пузырьки, а темные, похожие на палочковые, остались интактными. Обсуждается лабильность светлых дисков наружного сегмента колбочек при действии яркого света, при экспериментальной спячке грызунов (по литературным данным).

Во внутреннем сегменте образуется эллипсоид из круглых и овальных митохондрий, более выраженный у колбочек, чем у палочек.

Синаптические окончания содержат диадные и триадные ленточные синаптические комплексы. Сферула содержит 1-2 ленточных синапса. колбочковое окончание - 2-5. При этом число лент, не образующих синапс ("плавающих"), может быть намного больше. Обнаружено большое разнообразие синаптических лент, предложена гипотеза, объясняющая образование синапса той или иной формы. Подходящие к аксонам фоторецепторов мощные пучки отростков нейронов второго порядка глубоко проникают в окончания колбочек, образуя на срезе ленточного синапса силуэт бабочки, крайне характерный для сетчатки дневных видов.. •

У большой песчанки, как и у монгольской, обнаружен колбочко-вый полиморфизм. Колбочки-карлики этого вида могут быть полностью лишены внутреннего сегмента. Его функцию выполняет огромный чашевидный отросток, достигающий полной длины внутреннего сегмента и содержащий клеточные органеллы. У таких колбочек сохраняются все остальные особенности основного структурного типа.

4.3. Полевка Брандта. В сетчатке этого вида, колбочки доел»-

гают 40% от общего количества фоторецепторов. Соотношение ядер нейронов первого и второго порядка равно 1. По общим параметрам палочки и колбочки практически не отличаются.

Наружные сегменты палочек (14.2±0,Змкм) разделены узким межклеточным пространством. Внутренние сегменты (8.3±0,5мкм) не отличаются от наружных диаметром. Палочки специфических особенностей не имеют.

Колбочки, наоборот, весьма характерны. Гетероморфизм дисков наружного сегмента резко выражен и он приобретает контрастнополо-сатый вид. Длина наружного сегмента колбочки (10,3±0.7мкм) не отличается от внутреннего (10.6+0,бмкм). Характерна сравнительно упорядоченная укладка дисков в наружном сегменте и лишь в его дистальной трети очень значительны дисторсии Так как фагосом в пигментном эпителии обнаружено не было, возможно, таким образом, часть дисков выключается из процесса фоторецепции. Базальных дисков до 30 и более, многие из них имеют выход во внеклеточную среду. Их плотно прикрывает чашевидный отросток. Колбочкового полиморфизма у этого вида не обнаружено.

Внутренние сегменты у палочек и колбочек не различаются. Они содержат длинные, червеобразные митохондрии с поперечными криста-ми. эллипсоида не образуется. Ядра колбочек намного крупнее и светлее палочковых.

Сферулы содержат 1-2 синаптических комплекса с лентой, кол-бочковые окончания - 3-4. Обычны диадные и триадные ленточные синапсы. Подходяще к колбочковой синаптической ножке отростки нейронов второго порядка довольно глубоко в нее проникают, образуя на срезе ленточного синапса характерный силуэт бабочки. У этого вида в синаптических окончаниях также наблюдается разнообразие "плавающих" лент.

4.4. Африканская травяная мышь. Фоторецепторный слой в сетчатке этого вида составляет треть толщины сетчатки, соотношение

ядер фоторецепторов и ядер наружного ядерного слоя равно 1.

В сетчатке наблюдается большое разнообразие форм наружных сегментов, затрудняющее идентификацию основных типов фоторецепторов. Палочки, тем не менее, сохраняют типичные для них особенности, что хорошо видно ближе к периферии сетчатки, где они доминируют. По сравнению с другими видами, резко уменьшается длина фоторецепторов. Наружные сегменты палочек (9,5±0,4мкм) короче внутренних (15,8+0,9мкм) и имеют меньший диаметр. У этого вида самые массивные палочки. Все наружные сегменты разделены межклеточным матриксом и отростками пигментного эпителия. Палочки содержат плотно упакованные стопки дисков, не связанных с плазматической мембраной наружного сегмента, за исключением нескольких незрелых базальных. Каждый диск имеет по периметру краевую петлю и единственный вырез. Чашевидный отросток невелик.

Колбочки составляют 34% от общего числа фоторецепторов. Наружные сегменты их (9,8+0.5мкм) разнообразны по форме и их трудно унифицировать в единый тип. Внутренние сегменты (11,0+0.8мкм) массивные, дистально содержат рыхлый эллипсоид из овальных митохондрий. В проксимальной же части внутреннего сегмента, как и у палочек, митохондрии длинные, червеобразные. Наружные сегменты колбочек имеют выраженный гетероморфизм дисков, различные нарушения дискорасположения сильно деформируют контур колбочки. Здесь, как и у большой песчанки, формируется наружный сегмент "неполного" типа. • •

Сферула содержит 1-2 ленточных синаптических комплекса, кол-бочковое окончание - 3-5. Обычны диады и триады. ^Колбочковое окончание сложное, с большим числом подходящих к нему отростков. Глубоко проникающие в ленточный синапс инвагинации образуют характерный силуэт бабочки. Синаптические ленты ориентированы. Наблюдается разнообразие "плавающих" лент.

В заключении по группе дневных видов подводится краткий

итог: критерии отличия основных элементов палочковой и колбочко-вой морфологических систем, сформулированные при изучении сетчатки монгольской песчанки, оказались применимы при изучении фоторецепторов трех видов грызунов, удаленных от нее филетически в различной степени. Перечислены признаки, характеризующие дневную группу, отмечена их универсальность для изученных видов.

4.5. Персидская песчанка. Этот вид имеет много уникальных черт в сетчатке, что возможно связано с его филогенетической древностью и петрофильностью.

Палочки имеют наружный сегмент длиной 21,3±0,8мкм и внутренний - 13.7±0,6мкм. Необычна овальная форма наружного сегмента: один диаметр его может в два раза превышать другой, в среднем составляя 2.5+0,2мкм. Такие крупные палочки более характерны для дневных видов. Б остальном палочки весьма типичны. Палочки этого вида, как и у монгольской песчанки, сближаются плазматическими мембранами наружных сегментов в отдельных точечных участках.

Колбочки не превышают 4%. Это небольшие, веретеновидные клетки, достигающие лишь середины наружных сегментов палочек. Большая часть дисков такой колбочки скошена, правильно ориентированы лишь ближайшие к базальной области диски. В височном секторе обнаружены длинные колбочки, с рыхлой укладкой более правильно ориентированных дисков. И те, и другие колбочки имеют одинаковые морфологические характеристики (кроме размеров). Гетероморфизм дисков наружного сегмента выражен слабо. В базальной и непосредственно примыкающей к ней частях наружного сегмента встречаются отдельные диски-складки, разделяющие пачки вполне замкнутых и обособленных от плазматической мембраны дисков.

Внутренние сегменты имеют разнообразную форму, у палочек длиной 13,7+0.бмкм, у колбочек - 11,3±1,5мкм. Длинные митохондрии палочек и овальные; колбочек образуют рыхлый эллипсоид.

Сферулы и синаптические окончания колбочек содержат диадные

ленточные синапсы. Ленты в синаптическом комплексе поверхностные, не имеют определенной ориентации, отмечены окаймленные пузырьки.

4.6. Полуденная песчанка. Соотношение ядер фоторецепторов более чем в два раза превышает таковое нейронов второго порядка.

Наружные сегменты палочек (26,9+0,5мкм) расположены очень плотно, плазматические мембраны их сближены на многих точечных участках. Отмечена особенность, которая может оказаться видоспе-цифической: образование в наружных сегментах особых бугорков, в которые заходят концы 1-3 дисков. Других особенностей палочки не имеют.

Колбочки не превышают 3%, но более или менее равномерно распределены по всей сетчатке. Наружные сегменты длиной 16,1±1,2мкм. Их особенности полностью соответствуют описанию основного структурного типа колбочек монгольской песчанки, с которой полуденная песчанка близка филетически. Полиморфизма колбочек не обнаружено.

Внутренние сегменты палочек (13,6±0.5мкм) и колбочек (16,1+1,7мкм) содержат длинные митохондрии и между собой не различаются.

Сферулы типа монады или диады, объединяются в кластеры (или букеты). Синаптическое окончание колбочки содержит 3-4 ленточных синапса типа диады, ленты имеют произвольную ориентацию.

4.7. Краснохвостая песчанка. Палочки сближены в точечных участках наружного сегмента, образуя цепочки. Наружные сегменты палочек (27.0+1,4мкм) и колбочек (22,7±1,7мкм) практически не различимы. Гетероморфизм дисков колбочек выражен слабо, светлые диски немногочисленны. У колбочек базальных дисков больше, чем у палочек, они нарастают постепенно и открыты во внеклеточную среду. Нарушений дискорасположения в наружном сегменте колбочек здесь меньше, чем у других видов песчанок. Однако вырезы в дисках у колбочек отсутствуют. Внутренние сегменты этого вида cavi;e

длинные: палочек - 16,7±0,7мкм, колбочек - 19,1+0,6мкм. Характерно низкое содержание в них митохондрий.

Синаптические окончания типа монады или диады. Сферулы просто устроены. Колбочковые окончания сравнительно сложные, содержат 3-5 ленточных синаптических комплекса. Синаптические ленты ориентированы как у дневных видов.

Заключение по сумеречным видам. Виды этой группы объединены в условно-сумеречные, на основе морфологических особенностей сетчатки и лабильности ритма суточной активности. Подчеркивается удивительное разнообразие сочетаний признаков, свойственных как дневным, так и ночным видам, выявленных в обеих системах этой группы.

4.8. Малоазийская песчанка; 4.9. Светлая песчанка; 4.10. Са-хельская песчанка. Сетчатки этих ночных видов, представителей древнейших родов песчанок очень сходны. Колбочки обнаружены у всех трех видов.

Палочковая система специализирована. Соотношение ядерных элементов первого нейрона сетчатки к таковым второго равно 2. Наружные сегменты очень длинные: у малоазийской - 30,4+1.3мкм, у светлой - 28.6+0,6мкм. у сахельской - 28,8±1,3мкм, и в височном секторе могут достигать 40-50мкм. Наружные сегменты палочек плотно прилегают друг к другу плазматическими мембранами и границы клеток устанавливаются с трудом. Синаптические окончания палочек у светлой и сахельской песчанок объединяются в букеты (кластеры), вокруг пучков отростков нейронов второго порядка. Типовые признаки палочек сохраняются.

Колбочки, обнаруженные лишь в височном секторе, составляют не более 0,5-1,5% фоторецепторов. Остальные области сетчатки вероятно полностью лишены колбочек. Эти фоторецепторы почти целиком расположены среди внутренних сегментов палочек. В веретеновидном наружном сегменте практически отсутствуют светлые диски; базаль-

ные диски единичны, связь их с внеклеточной средой неочевидна. Чашевидный отросток отсутствует. Классическую ориентацию имеют лишь немногие диски, расположенные рядом с базальными, далее наблюдаются сильные дисторсии и фрагментации. Наблюдается наибольшее сходство колбочек с палочками, однако все кочбочковые признаки присутствуют в минимальном морфологическом проявлении.

Синаптические окончания сохраняют типичную стратификацию, но очень похожи. Колбочковые синаптические окончания, как и палочковые. содержат 1-2 ленточных синапса ( у малоазийской 2-4) типа монады или диады. Синаптические ленты ориентированы произвольно. Характерно присутствие большого количества окаймленных пузырьков в окончаниях.

5. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящее время принято считать, что молодая группа песчанок. возникнув в миоцене - начале плиоцена в аридных областях Африки, исходно имела ночную активность. Такая активность и сейчас свойственна большинству видов этого подсемейства. Однако, обнаружение в сетчатке у представителей трех древнейших ветвей песчанок элементов колбочковой системы позволяет предполагать исходным полифазный тип активности, со смещением на ночное время.

В дальнейшем, претерпев адаптивную радиацию и распространившись на значительную часть аридной зоны азиатского континента, некоторые виды продвинулись в более умеренные широты, с большей продолжительностью сумеречного периода. Виды, преимущественно теплолюбивые, они были вынуждены в зимнее время проявлять дневную активность, как в более теплое время суток. Песчанки, входящие в сумеречную группу видов, как раз и имеют самые северные границы распространения. Глубина снежного покрова и другие экологические факторы препятствуют дальнейшему проникновению песчанок в умеренные широты.

Песчанки из ночной группы видов - одиночные животные, гри столкновениях ведут себя агрессивно, изгоняют или уничтожают особей своего вида. Из органов чувств у них наиболее развиты обоняние и слух. Виды сумеречной группы характеризуются- удивительной пластичностью поведения, легко меняют суточную активность на противоположную, для них характерны сочетание черт одиночного и социального животного. По гипотезе Гольцмана с коллегами (1994) "увеличение социальности вида - это адаптация к более плотной среде". Итак, по мере насыщения ареалов, виды, психофизиологические потенции которых позволяли переход к социальным структурам, вероятно переходили к семейно-групповому совместному обитанию, образуя, многочисленные сообщества. Для таких сообществ характерны системы доминирования-подчинения, основанные г.а сложном комплексе поведенческих поз и выразительных движений (Громов, 1981; Голь-цман и дрУ; Орленев, 1987). Имеющий, по-видимому, генетическую основу и присутствующий у других песчанок, тот же поведенческий набор растягивается во времени, усиливается его напряженность и информационная значимость (Гольцман и др..1994). Предполагается, что это стимулирует развитие колбочковой системы зрения, приводящее к повышению остроты и детальности различения. Это становится возможным только в условиях хорошей освещенности, и предполагает уже у сумеречных видов усиление вклада зрительного канала коммуникации в работу общей суммы органов чувств.

Рассмотрим, как это осуществляется с точки зрения морфологии фоторецептиров, в каждой из систем.

Палочки ночных видов достигли определенного уровня специализации. Это выражается в значительном удлиннении фоторецепторов за счет наружных сегментов, сомкнутости последних за счет сближения плазматических мембран, колончатой организации наружного ядерного слоя, кластеризации сферул. Не подтвердились ожидаемые изменения числа вырезов в дисках, размеров ядер и диаметр сферул.

Мы ожидали прогрессивного уменьшения поперечника наружных сегментов палочек у этих видов, но он оказался близок к теоретическому пределу.' Однако, методом главных компонент, было показано существование тесной отрицательной корреляции длины и диаметра наружных сегментов палочек. По главной компоненте, отражающей эту корреляцию, виды образовали три группы. В первую вошли все дневные виды, вторую образовали персидская и монгольская песчанки, и третью -остальные ночные и часть сумеречных видов. Количественные характеристики палочковой системы, обработанные кластерным анализом, дали сходные результаты.

Не вызывает удивление попадание сумеречных видов с ночными в одну группу. Все прогрессивные изменения у них касаются в основном колбочковой системы. Уменьшается длина наружного сегмента, усложняется синаптическое окончание. Однако, еще сохраняются многие признаки ночной сетчатки. У полуденной песчанки еще отмечены кластеризация сферул, образование "бугорков" и другие. Персидская песчанка имеет много своеобразных черт, что возможно связано с ее обитанием в горах. Монгольская песчанка - безусловно ближе к дневной группе видов.

У дневных видов происходит дальнейшее сокращение наружного сегмента палочек. В этой сборной группе неродственных видов интересно сравнить его с внутренним: у полевки Брандта наружный сегмент еще велик, у большой песчанки они сравнимы по длине, а у травяной мыши внутренний сегмент длиннее. Тенденция к сокращению наружного сегмента прослеживается у других дневных видов и по литературным данным. У сумеречных, и особенно у дневных видов, в палочках наблюдаются особенности, которые вероятно являются адаптивными к их работе при более высоких фоновых освещенностях. чем у ночных видов. Помимо сокращения длины наружных сегментов, происходит обособление их друг от друга. Происходит также сгущение митохондрий во внутреннем сегменте. Синаптические окончания ус-

ложняются, диадно-триадного типа. Приводятся данные других авторов по дневным видам грызунов и постепенной деградации палочковой системы у этих видов.

У ночных, специализированных в отношении палочковой системы видов, наоборот, регрессивные изменения отчетливо проявляются у колбочек. Они выражаются в уменьшении размеров, массы, слабой ультраструктурной дифференцировке. минимальном проценте в сетчатке. Проявляется значительное сходство их с палочками. Тем не менее они сохраняют характерные наборы признаков "хороших" колбочек. но выраженные в минимальной степени. Итак, у ночных, одиночных видов, зрение вероятно выполняет лишь сигнальную функцию.

У сумеречных видов наблюдаются разные стадии уровня развития колбочковой системы. У персидской песчанки е^ть короткие колбочки, как у ночных видов, ко есть и длинные. У краснохвостой песчанки длинные колбочки еще весьма примитивны. У полуденной и монгольской - колбочки прогрессивно развиты; у них много дисков открытого типа, сложно устроены синаптические окончания. У последней наблюдается полиморфизм колбочек и более высокий их процент в сетчатке. В целом, группа характеризуется прогрессивным развитием колбочковой системы и адаптациями палочек к работе при более высоких фоновых освещенностях. Это- отражается на высокой степени мозаичности организации палочек и колбочек. Наблюдаются сочетания более, а также менее прогрессивных особенностей. Такая гетеробат-мия, свидетельствующая о высокой степени мультифункциональности обеих систем, встречается у молодых, быстро эволюционирующих видов (Северцов. 1990). Такие особенности фоторецепторов, а также отсутствие жесткой нагрузки на зрение в целом, у видов этой группы и объясняет их поведенческую пластичность.

У группы дневных видов, включающей и филетически далекие фор..1Ы, тем не менее отмечаются общие черты колбочковой системы, отличающие ее от других групп: уменьшение размеров наружного сег-

мента, увеличение дезориентации и других нарушений дискорасполо-жения, связанных с увеличением количества дисков открытого типа. Усложняются синаптические окончания, ленточные синаптические комплексы диадно-триадного типа. У большой песчанки отмечен полиморфизм колбочек. Предложена гипотеза происхождения колбочек-карликов от деградировавших колбочек ночных видов.

У видов, имеющих социальную организацию сообществ, возрастает роль зрения в формировании и поддержании самой структуры этих сообществ, запасании корма, коллективной защите от опасности и других. Это и обуславливает прогрессивное развитие колбочковой системы, которая становится ведущей и ослабление ( у некоторых видов вплоть до редукции) палочковой системы.

ВЫВОДЫ

1. Палочки и колбочки, являясь первым нейроном сетчатки, подчиняются той же эволюционной стратегии, что и нейроны высших отделов мозга. Для них характерны дифференцировка, интеграция, колончатая организация, параллельность процессов обработки сигнала и многое другое.

2. Адаптивные изменения двух морфологических систем - палочковой и колбочковой, осуществляются в сетчатке близких видов песчанок в значительной мере независимо и параллельно. Эти изменения затрагивают специфические части рецептора, обеспечивающие восприятие зрительного стимула и передачу информации следующим уровням зрительного анализатора.

3. Палочковая система значительно консервативнее колбочковой и ее изменения носят в основном количественный характер. Колбоч-ковая система существенно изменяется в группах ночных, сумеречных и дневных видов и эти изменения как количественные, так и качественные.

4. Ночные виды песчанок характеризуются специализированной

палочковой системой и регрессивным развитием колбочковой системы, которые вероятно совместно обслуживают сигнальную функцию зрения, то есть различения времени (фазы) суток, сигнала начала активности.

5. У сумеречной группы наблюдается неустойчивое равновесие в развитии обеих систем. Морфологическим субстратом для увеличения активности в светлый период суток у сумеречной группы видов является прогрессивное увеличение колбочек (увеличение наружного сегмента, усложнение синаптического окончания, возрастание их процентного содержания) и адаптация палочек к работе при более высоких фоновых освещенностях. У этой группы видов в наибольшей степени наблюдается гетерохрония ультраструктурных особенностей палочек и колбочек.

6. У дневных видов социальные отношения типа доминирования-подчинения, основанные на сложном, информационно-насыщенном ритуальном поведении, а также ряд поведенческих актов, основанных на кооперации между членами сообщества, стимулируют дальнейшее пргрессивное развитие колбочковой системы, в значительной степени замещающей и даже вытесняющей палочковую.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Содцатова И.Б., Хохлова Т.В., 1982. Морфологические особенности сетчатки рыжей вечерницы. // Млекопитающие. Мат-лы 3 Съезда ВТО. М. Т. 2. С. 78-79.

2. Хохлова Т.В., Орлов О.Ю., 1989. Электронно-микроскопическое исследование сетчатки монгольской ^есчанки. // Песчанки -важнейшие грызуны аридной зоны СССР. 41ат-лы 3 Всес. сов. Ташкент С. 25-26.

3. Хохлова Т.В., Лавренченко Л. А.. 1990. Конвергентные адаптации фоторецепторов у дневных грызунов. // Мат-лы 5 Съезда ВТО. М. С. 15-17.

4. Говардовский В.И.. Релих П., Сел А.. Хохлова Т.В., Орлов О.Ю., 1990. Колбочки сетчатки дневных грызунов.// 10 Всес. сов.

5. Хохлова Т. В., 1991. К изучению зрения рыжеватой пищухи: ульграструктура фоторецепторов. // Экология пищух фауны СССР. М. С. 76-78.

6. Govardovskll V.I., Rohllch P., Szel A., Khokhlova Т.V.,1992. Cones In the Retina of the Mongolian Gerbll. Merlones ungulculatus: an Immunocytochemical and Electrophysiological study. // Vision Research. V. 32., N. 1., P. 19-27.

7. Хохлова Т.В., 1994. Фоторецепторы сетчатки. Общие закономерности морфологической эволюции. // 2 нейрогистол. конф. "Коло-совские чтения - 94" Л. С. 73-74.

8. Хохлова Т.В., 1995. Развитие фоторецепторов птенцов мухоловки-пеструшки // Орнитология. М. Т.27. С. 303-304.

по эволюц. физиол. Тез. докл. Л. С. 58-59.

Подписано в печать Усл. печ. л. /. 5

Формат ¿"СЛ ¿М^б

Заказ '/О Тираж //5"

Типография Россеяъхозакадемяи