Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Морфологические и оптические особенности хрусталика гидробионтов

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Морфологические и оптические особенности хрусталика гидробионтов"

На правах рукописи

Бородин Алексей Леонидович Морфологические и оптические особенности

хрусталика гидробионтов

Специальность 03.00.18 - Гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва, 2005

Работа выполнена в Московском государственном университете технологий и управления (МГУТУ)

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

доктор биологических наук, академик РАЕН, профессор

Ю.Г. Симаков

Е.А. Гамыгин Д.Н. Маторин В.А. Абакумов

Ведущая организация - ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО)

Защита состоится 2005 г., в 14 часов на заседании

диссертационного совета ДР 212.122.10 при Московском государственном университете технологий и управления, по адресу: 117149, г.Москва, ул. Болотниковская, дом 15, кафедра «Биоэкологии и ихтиологии» МГУТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета технологий и управления (МГУ ТУ)

Автореферат разослан

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

М.Г. Фельдман

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Зрительной системе гидробионтов принадлежит значительная, а у многих видов - ведущая роль в осуществлении важнейших поведенческих реакций. У большинства видов рыб и головоногих моллюсков зрение является одним из основных дистантных рецепторов. Оптомоторная реакция - врожденная, зрительно-обусловленная форма поведения отчетливо выражена у многих видов рыб (Павлов, 1970; 1987). Уже на самых ранних этапах онтогенеза зрение играет существенную роль в общей ориентации в окружающей среде, являясь доминирующим каналом (Крыжановский, 1949; Дислер, 1960; Бабурина, 1972; Гирса, 1981).

В водной среде, в силу незначительных различий показателя преломления воды и основных сред глаза рыб, роль линзы, образованной роговицей и влагой передней камеры в значительной мере девальвирована по сравнению с таковой у наземных позвоночных. В силу этого хрусталик гидробионтов играет ведущую роль в формировании изображения на сетчатке глаза. От рефракционных характеристик хрусталика в значительной мере зависит функционирование всей зрительной системы гидробионтов в целом.

Несмотря на значительное количество работ по физиологической оптике, оптические свойства хрусталика гидробионтов исследуются сравнительно редко. Анализ анатомического строения глаза водных животных показывает, что глаз как оптическая система, имеет большое входное отверстие зрачка, что в условиях малой освещенности необходимо для обеспечения прохождения максимального светового потока к сетчатке глаза. Сферический хрусталик ряда рыб и головоногих моллюсков имеет относительно низкую, а в ряде случаев почти исправленную сферическую аберрацию (СНвкп, Кгое§ег, 2002; ОЫеп, 2004). Как известно (Матвеев, 1985; Ландсберг, 2003), оптически однородные однокомпонентные оптические системы с достаточно простой геометрией не могут обладать подобными высокими оптическими характеристиками в случае, когда диаметр входного зрачка сопоставим с диаметром линзы. В связи с этим значительный интерес представляет установление закономерностей морфологического строения и оптических свойств хрусталика гидробионтов, обуславливающих его высокие оптические характеристики.

Понимание особенностей функционирования оптической системы глаза гидробионтов необходимо для анализа закономерностей в поведении рыб -стайном, защитном, пищевом, иерархическом, миграционном и других типах поведения (Протасов, 1968; Радков, 1972; Сбикин, 1974). Учет этих закономерностей позволит повысить эффективность многих рыбохозяйственных и рыбопромысловых мероприятий. Выявление взаимосвязей между морфологией и оптическими свойствами хрусталика гидробионтов позволило бы найти решение ряда общебиологических проблем, связанных в частности с эволюцией органа зрения, а также некоторых прикладных вопросов водной экологии.

Цель и задачи исследований. Целью настоящего исследования явилось выявление закономерных взаимосвязей между морфологией и оптическими свойствами хрусталика гидробионтов.

В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие основные задачи: _

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

- Выявить основные морфологические особенности хрусталика гидробионтов, обуславливающие его оптические характеристики.

- Установить статистические закономерности клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб и выявить взаимосвязь между интенсивностью процессов клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб и морфогенезом хрусталика.

- Исследовать рефракционные свойства хрусталика рыб.

- Вскрыть закономерности пространственного распределения показателя преломления хрусталика рыб.

- Установить закономерности пространственного распределения химических элементов в хрусталике рыб и головоногих моллюсков и исследовать взаимосвязь с пространственным распределением показателя преломления.

- Создать и верифицировать модель рефракционных свойств хрусталика гидробионтов, учитывающую особенности морфологии хрусталика гидробионтов. Провести на ее основе всесторонне изучение рефракционных свойств хрусталика гидробионтов различных систематических групп.

Научная новизна исследований.

- Впервые найдены статистические законы распределения для числа клеток в эпителии, митотической активности и митотического индекса эпителия хрусталика рыб.

- Впервые сформулированы критерии применимости формул Квастлера. Получены поправки к формулам Квастлера для случая ограниченного объема клеточной популяции.

- Сформулированы критерии, при выполнении которых митотический индекс находится в линейной связи с митотической активностью клеточной популяции.

- Впервые создана модель, описывающая изменение митотического индекса эпителия хрусталика рыб под воздействием различных факторов. На обширном экспериментальном материале показана адекватность модели.

- Впервые создана модель роста хрусталика, связывающая параметры динамики пролиферационной активности ткани и рост органа. Модель включает в себя механизм обратной связи, обеспечивающий константность сферической формы хрусталика.

- Впервые сформулированы необходимые условия поддержания хрусталиком рыб сферической формы.

- Впервые в результате непосредственных измерений получено пространственное распределение показателя преломления в отдельных слоях хрусталика рыб.

- Впервые в результате непосредственных измерений получено пространственное распределение химических элементов в хрусталике рыб и головоногих моллюсков.

- Впервые показана взаимосвязь химического состава хрусталика и распределения показателя преломления хрусталика.

- Создана модель оптических свойств хрусталика гидробионтов, учитывающая особенности морфологии хрусталика.

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований разработана методика автоматического определения митотического индекса эпителия хрусталика рыб и амфибий. Разработана методика количественного определения степени помутнения хрусталика. Полученные результаты могут быть использованы при создании безаберрационных оптических систем на основе компонентов с градиентом показателя преломления, в том числе искусственных хрусталиков; при проектировании орудий лова; при исследовании динамики развития помутнения хрусталика под действием антропогенных и иных факторов, в частности недоброкачественных кормов.

Материалы проведенных исследований и разработанные положения были использованы при написании учебника "Аквакультура", учебных пособий "Системная экология", "Прикладная экология", "Методы рыбохозяйственных исследований", а также при чтении соответствующих лекционных курсов на кафедре "Биоэкологии и ихтиологии" МГУТУ.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертационной работы представлены и опубликованы в материалах: Всесоюзной конференции по водной токсикологии (Рига, 1991); 2-й Всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии (Санкт-Петербург, 1993), VI-ой Международной научно-практической конференции "Пищевая промышленность на рубеже третьего тысячелетия" (Москва, 2000), Межрегиональной научно-практической конференции "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов" (Москва, 2001), VII-ой Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии в пищевой промышленности третьего тысячелетия" (Москва, 2001), IX-ой Международной научно-практической конференции "Стратегия развития пищевой промышленности" (Москва, 2003), Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы иммунологии, патологии и охраны здоровья рыб" (Борок, 2003), Международной научно-практической конференции "Водные экосистемы и организмы" (Москва, 2004), Международной научно-практической конференции "Проблемы воспроизводства аборигенных видов рыб" (Киев, 2005), на научных коллоквиумах кафедры "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА (1990-2005).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 55 работ, в том числе 5 монографий.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, изложена на 265 страницах машинописного текста и включает 33 таблицы и 96 рисунков. Список литературы содержит 715 источников, в том числе 482 работы на иностранных языках.

Основное содержание работы

Глава 1. Хрусталик гидробионтов: структура и функция

В аналитическом обзоре обобщены литературные данные по морфологии, цитологии, биохимии хрусталика низших позвоночных животных. Рассмотрены особенности биохимических изменений, происходящих в хрусталике в процессе онтогенеза и при катарактах различной этиологии. Проанализированы основные аспекты молекулярной и клеточной биологии хрусталика; факторы, обеспечивающие прозрачность хрусталика; механизмы

аккомодации; биохимические изменения в хрусталике в процессе эмбрионального и постэмбрионального развития, старения хрусталика, катарактогенеза, при дифференцировке клеточных волокон, регенерации хрусталика; механизмы контактного торможения и клеточной адгезии (Bloemendal, 1981; Koretz, Handelman, 1988; Wan-Cheng et al., 1995; Нефедова, Тойвонен, 1997; Lang, 1999; Burd et al. 1999; Glassser, Kaufman, 1999; Kawashima et al., 2000; Shirai et al., 2001; Phillips, 2002; Saikaet et al., 2002; Nauen, Lauder 2002; Lovicu et al., 2002; Straub et al., 2003; Sivak, 2004; Katzir, Howland, 2003; Masai et al. 2003; Kiss et al. 2004; Meyer, Sekundo, 2005; Douglas et al., 2005).

Проведен анализ методов определения показателя преломления хрусталика гидробионтов, методов анализа химического состава хрусталика. Проанализированы существующие модели глаза и хрусталика позвоночных животных. Отмечена недостаточная изученность статистических закономерностей пролиферационной активности эпителия хрусталика рыб; недостаточная изученность вопросов взаимосвязи между интенсивностью процессов клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб и ростом хрусталика; отсутствие четких критериев применимости митотического индекса эпителия хрусталика рыб в качестве адекватной характеристики митотической активности; отсутствие моделей, описывающих изменение митотического индекса эпителия хрусталика рыб под воздействием различных факторов.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Основным материалом для написания работы послужили результаты исследований морфологических и оптических характеристик хрусталика гидробионтов, проводившихся в период с 1989 г. по 2005 г. Критерием выбора объектов для настоящего исследования служило наличие у гидробионтов сформированного хрусталика. Были изучены хрусталики гидробионтов различных систематических групп, в числе которых брюхоногие моллюски (Gastropoda) - прудовик большой (Limnaea stagnalis), ампуллярия (Ampullaria sp.); головоногие моллюски (Cephalopoda) - кальмар (Sepioteuthis lessoniana); костистые рыбы (Teleostei) - (обыкновенный) сом (Silurus glanis), (обыкновенный) сиг (Coregonus lavaretus lavaretus), пелядь (Coregonus peled), радужная форель (Parasalmo mykiss), (обыкновенная) щука (Esox lucius), карп (Cyprinus carpió), (белый) амур (Ctenopharyngodon idella), золотой (обыкновенный) карась (Carassius carassius), золотая рыбка (Carassius auratus gibelio), данио (Brachydanio rerio), (обыкновенный) пескарь (Gobio gobio), головешка-ротан (Percottus glehni), (обыкновенный) окунь (Perca fluviatilis), (обыкновенный) судак (Stizostedion lucioperca); амфибии (Amphibia) - травяная лягушка (Rana temporaria).

Для получения гистологических препаратов, фиксация глаз моллюсков, рыб и амфибий осуществлялась в смеси Карнуа (этанол и уксусная кислота в соотношение 3:1) (Ромейс, 1954; Лилли, 1969; Милованова, Лысенко, 1996). Продолжительность фиксации составляла 24 часа. Препараты хрусталиков рыб и амфибий окрашивались гематоксилином-эозином, брюхоногих I моллюсков - толуидиновым синим (Саркисов и др., 1996). Для исследования эпителия хрусталика рыб и амфибий, отбирались хрусталики без видимых оптических и иных отклонений, с тем, чтобы исключить материал, в котором различные поражения хрусталика могли бы влиять на клеточную

пролиферацию (Симаков, 1987). После фиксации глаза и энуклеации хрусталика от него отделялась капсула с эпителием (Симаков, 1998). Препараты эпителия рыб окрашивались гемаляумом Майера (Howard, 1952), амфибий - ацетоорсеином (0,5 % орсеина в 45 %-ной уксусной кислоте) (Макгрегор, Варли, 1986). После окраски препарат проводился через спирты до ксилола и заключался в канадский бальзам. Подсчет митотического индекса на тотальных плоскостных препаратах эпителия хрусталика осуществлялся либо вручную с помощью окулярной сеточки микроскопа, либо с использованием специально разработанной программы. При этом подсчет велся как для всего эпителия в целом, так и для отдельных зон цитодифференцировки эпителия хрусталика.

Электронно-микроскопические исследования хрусталиков рыб и головоногих моллюсков проводились с помощью растрового сканирующего электронного микроскопа Philips XL-30 в режиме топографии. Энуклеированные хрусталики рыб подсушивались на открытом воздухе в течение двух часов, замораживались жидким азотом и раскалывались на две половины (хрусталики кальмара после подсушивания относительно легко разделялись на половины вдоль мембраны).

Влияние бензольных соединений, эпихлоргидрина, дибутилсебацината и аминопропилтриэтоксисилана на пролиферационную активность эпителия хрусталика радужной форели исследовалось в однофакторном эксперименте на 10 уровнях фактора в 3-кратной повторности. Длительность эксперимента составляла 21 день. Влияние тяжелых металлов на пролиферационную активность эпителия хрусталика радужной форели исследовалось в четырехфакторном эксперименте на трех уровнях (З4) (Cu, Zn, Cd, Pb) и трехфакторном эксперименте на пяти уровнях (53) (Cu, Zn, Cd). Длительность эксперимента составляла 30 дней. По окончании опыта из эпителия хрусталика готовились постоянные тотальные препараты, и осуществлялся их анализ в соответствии с описанными выше методиками.

Влияние травмы на пролиферационную активность эпителия хрусталика изучалось на сеголетках радужной форели (Parasalmo mykiss). Травма наносились иглой диаметром 0,15 мм под контролем микроскопа МБС-10 (Симаков и др., 1991). Травма наносилась во всех случаях в правый глаз рыб. Через 48 ч после нанесения травмы из эпителия хрусталика опытных рыб готовились тотальные препараты.

Исследования воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) на пролиферационную активность эпителия хрусталика проводились на золотой рыбке (Carassius auratus gibelio) и травяной лягушке (Rana temporaria). В качестве источника НИЛИ использовался аппарат РИКТА-01, модифицированный для целей настоящего исследования. Модификация заключалась в создании нового блока управления инфракрасным полупроводниковым арсенид-галлиевым лазером с длиной волны 890 нм, и отключении штатных источников видимого и инфракрасного некогерентного излучения. В базовом исполнении аппарат РИКТА-01 позволяет устанавливать три фиксированных частоты следования импульсов (скважность импульсов) инфракрасного лазерного излучения: 5, 50 и 1000 Гц. Проведенная модификация позволила регулировать скважность импульса в диапазоне от 5 до 1000 Гц с шагом 5 Гц. Подопытные особи облучались в течение трех дней. Суммарное время экспозиции за этот период составило

6 мин, экспозиционная доза - от 0,18 до 36,0 мДж/см2. По окончании опыта из эпителия хрусталика готовились постоянные тотальные препараты, и осуществлялся их анализ в соответствии с описанными выше методиками.

Исследования воздействия рентгеновского излучения на пролиферационную активность эпителия хрусталика проводились на золотой рыбке (Carassius auratus gibelio) на линейном ускорителе Philips SL-75 с энергией квантов тормозного излучения 6 МэВ. Экспозиционная доза составляла от 25 до 5000 Р. На 21-й день после облучения из эпителия хрусталика готовились постоянные тотальные препараты, и осуществлялся их анализ в соответствии с описанными выше методиками.

Исследование совместного действия травмы и токсикантов на пролиферационную активность эпителия хрусталика рыб проводилось на сеголетках радужной форели (Parasalmo mykiss); травмы и низкоинтенсивного лазерного излучения - на золотой рыбке (Carassius auratus gibelio) и травяной лягушке (Rana temporaria); травмы и рентгеновского излучения излучения - на золотой рыбке (Carassius auratus gibelio). За двое суток до окончания опыта подопытным особям в правый глаз наносили укол под контролем микроскопа МБС-10 в передний полюс хрусталика на глубину около 0,2 его диаметра. Левый глаз всегда служил в качестве контроля.

Воздействия травмы на оптические свойства хрусталика исследовалось на карпе (Cyprinus carpió), пескаре (Gobio gobio), окуне (Perca fluviatilis) и травяной лягушке (Rana temporaria). Травма наносилась вышеописанным способом в оба глаза одновременно. Прижизненное изучение состояния хрусталика животных после травмирования проводилось при помощи щелевой лампы ЩЛ-56 через 30 минут, через 2 часа, на 2-й день и далее ежедневно в течение 30 дней. Динамика развития помутнений исследовалась на основе анализа цифровых изображений глаза подопытных особей с помощью специально созданной программы LCI.

Исследования изменений оптических свойств хрусталика под воздействием лазерного излучения проводились на травяной лягушке (Rana temporaria). Использовался импульсный неодимовый лазер (на основе алюмо-итгриевоего граната, легированного неодимом - YAG:Nd) с длиной волны 1064 нм и 532 нм (вторая гармоника). Средняя мощность излучения составляла 18 Вт, частота повторения импульсов - 5 кГц, длительность импульса - 3- 10 сек. В разных вариантах опыта общая энергия экспозиции составляла соответственно 0,04, 0,12 и 0,18 Дж. Прижизненное изучение состояния хрусталика животных, подвергшихся воздействию лазерного излучения, проводилось при помощи щелевой лампы ЩЛ-56 через 30 минут, через 2 часа, на 2-й день и далее ежедневно в течение 30 дней после облучения. Динамика развития помутнений исследовалась методами, аналогичными случаю травмы хрусталика.

Исследования рефракционных характеристик хрусталика карпа (Cyprinus carpió), окуня (Perca fluviatilis), пескаря (Gobio gobio) и радужной форели (Parasalmo mykiss) проводились методом трассировки лазерного луча (Barbero et al., 2004; Smith, 2005). Энуклеированный хрусталик помещался в ванночку с 0,9% раствором хлорида натрия (Sivak, 2004) с плоскопараллельной прозрачной передней стенкой. Луч гелио-неонового (He-Ne) лазера мощностью 5 мВт, длиной волны 632,8 нм пропускался через хрусталик параллельно главной оптической оси хрусталика. Сдвиг луча параллельно

главной оптической оси осуществлялся с шагом 0,02/?, максимальное отклонение луча от главной оптической составляло 0,9/?, где R - радиус хрусталика. Результаты фиксировались цифровой камерой. На основе полученных данных вычислялось значение индекса Матгиессена (отношения фокусного расстояния к радиусу хрусталика).

Исследования пространственного распределения показателя преломления в хрусталике карпа (Cyprinus carpió), окуня (Perca fluviatilis), данио (Brachydanio rerio), радужной форели (Parasalmo mykiss), проводились на фазовом микроскопе "Эйрискан" с когерентным источником. Энуклеированные хрусталики рыб разрезались пополам. Полученные профили фазового изображения обрабатывались с помощью специализированного программного обеспечения (Тычинский и др., 1997).

Исследования химического состава хрусталика кальмара (Sepioteuthis lessoniana), пеляди (Coregonus peled), карпа (Cyprinus carpió), двухмесячных мальков золотой рыбки (Carassius auratus gibelio), сеголеток радужной форели (Parasalmo mykiss) и травяной лягушки (Rana temporaria) проводились методом рентгеновского спектрального микроанализа на основе анализа спектра характеристического рентгеновского излучения с использованием рентгеновского микроанализатора EDAX UTW, установленного на растровом сканирующем электронном микроскопе Philips XL-30 (Гоулдстейн, 1984). Препараты хрусталиков готовились так же, как и для электронной микроскопии. Энергия пучка электронов (энергия инициализации) составляла 30 кЭв. Пространственная разрешающая способность составляла 7 мкм, спектральная разрешающая способность - 130,17 эВ, наклон оси детектора -37,83°.

Модельные эксперименты проводились на серии моделей рефракционных свойств хрусталика гидробионтов. Эмулировались различные варианты геометрии хрусталика, и находилась плотность распределения точек пересечения трассируемого луча с главной оптической осью хрусталика.

Вычисление первичных статистик экспериментальных данных осуществлялась с использованием MS Excel. В таблицах и на графиках данные приводятся в нотации М ± Д0,05, где М - выборочное среднее; Д0,05 -доверительный интервал, с вероятностью 95 % содержащий генеральное среднее. Проверка статистических гипотез о характере распределения экспериментальные данных осуществлялась с использованием ^-критерия Пирсона. Экспериментальные данные группировались в классовые интервалы по 10 варианс в каждом. Регрессионный анализ (построение линейной регрессии) проводился с использованием пакета STATISTICA 5.5 (Боровиков, 2003). Нелинейный регрессионный анализ (нахождение коэффициентов нелинейной регрессии) проводился с помощью итерационного алгоритма, основанного на методе Ньютона-Канторовича (Демидович, 1966). Корреляционный анализ осуществлялся с использованием пакета STATISTICA 5.5. Многофакторный дисперсионный анализ проводился на основе самостоятельно разработанной программы (Бородин, Никифоров-Никишин, 2004). Проверка гипотезы о равенстве дисперсией экспериментальных данных в ячейках опыта (являющейся одной из предпосылок применимости дисперсионного анализа) осуществлялась с помощью критерия Бартлетта (Кремер, 2003). Проверка "нормальности"

данных осуществлялась с использованием модифицированной Р. Фишером оценки моментов выборочного распределения (Ллойд, Ледерман, 1989).

Глава 3. Некоторые особенности морфологии хрусталика гидробионтов

Одной из задач настоящего исследования было изучение особенностей морфологического строения хрусталика гидробионтов и их связи с основной функцией хрусталика - формированием оптического изображения. Нами была изучена морфология хрусталика некоторых видов рыб, головоногих и брюхоногих моллюсков. Среди изученных гидробионтов, рыбы имеют наиболее сложное строение хрусталика, во многом сходное с таковым у высших позвоночных.

Капсула хрусталика рыб представляет собой эластичную и необычно толстую базальную мембрану, окружающую хрусталик. При световой микроскопии и электронной микроскопии с малым увеличением капсула представляется гомогенной. Капсула на передней полусфере хрусталика значительно толще, чем на задней полусфере (рис. 1А, 1Б). Наружная и внутренняя поверхности капсулы у большинства исследованных рыб гладкие. Исключение составляет капсула головешки-ротана (Регсойив д1еЬш), на наружной поверхности которой в районе экватора отчетливо видны зубчикоподобные выросты. Капсула ротана имеет еще ряд особенностей, в частности, можно отметить ее слоистую структуру, а также наличие отчетливо видных на препаратах радиальных уплотнений (рис. 1В).

Рис. 1. Капсула хрусталика рыб. А) передняя и Б) задняя капсула хрусталика щуки (Евох Шсшб). В) передняя капсула хрусталика головешки-ротана (РегсоПиз £1еЬш). 1 - капсула; 2 - волокна хрусталика; 3 - эпителии; 4 -зубчики" на наружной поверхности капсулы; 5 -слоистая структура капсулы; 6 - радиальные структуры.

Под капсулой на передней полусфере хрусталика располагается монослой эпителиальных клеток. Центральная зона эпителия хрусталика представлена преимущественно плоскими эпителиальными клетками неправильной формы. Наиболее округлую форму имеют клетки центральной зоны эпителия хрусталика сига и пеляди (средний эксцентриситет еср для них составляет соответственно 0,51 и 0,58). Наиболее вытянутая форма характерна для эпителиальных клеток белого амура и радужной форели (еср составляет

соответственно 0,78 и 0,76). В герминативной зоне клетки приобретают кубоидною форму, а в предэкваториальной зоне их форма становится близкой к призматической. Максимальная митотическая активность наблюдается в узкой полосе герминативной зоны эпителия в непосредственной близости к экватору хрусталика, при этом в центральной зоне эпителия митозы практически полностью отсутствуют. Эпителиальные клетки центральной зоны имеют более крупные размеры по сравнению с другими зонами дифференцировки эпителия (табл. 1).

Таблица 1

Средние размеры клеток эпителия рыб по зонам дифференцировки и ширина волокон коры в экваториальной зоне по данным электронной и оптической микроскопии (мкм)

Вид Зона дифференцировки волокна

центральная герминативная предэква-ториальная

Белый амур (Ctenopharyngodon idella) 13,46 ±4,78 11,04 ±3,92 10,27 ±3,65 10,37 ±3,69

Сиг (Coregonus lavaretus lavaretus) 11,57 ± 1,88 9,37 ±0,71 8,81 ±0,67 8,72 ± 0,68

Пелядь (Coregonus peled) 11,03 ±1,47 8,71 ±1,16 8,01 ± 1,07 8,17 ± 1,07

Щука (Esox lucius) 10,11 ±2,43 8,29 ± 1,99 7,96 ± 1,91 8,21 ±2,05

Головешка-ротан (Percottus glehni) 9,93 ± 2,06 8,04 ± 1,67 7,32 ± 1,52 7,35 ± 1,62

Карп (Cyprinus carpió) 9,61 ±1,91 8,26 ± 1,64 8,09 ±1,61 8,05 ± 1,66

Пескарь (Gobio gobio) 9,23 ± 2,43 7,75 ± 2,04 7,36 ±1,94 7,32 ± 1,94

Сом (Silurus glanis) 8,97 ± 2,65 7,09 ± 2,09 6,74 ±1,99 6,71 ±2,15

Радужная форель (Parasalmo mykiss) 8,13 ±2,35 6,34 ± 1,83 6,09 ± 1,76 6,21 ± 1,88

Судак (Stizostedion lucioperca) 6,91 ± 1,18 5,46 ±0,93 5,08 ± 0,86 5,23 ± 0,94

Окунь (Perca fluviatilis) 6,62 ±2,06 5,36 ±1,67 5,09 ± 1,59 5,08 ± 1,72

Непосредственно перед экватором эпителиальные клетки выстраиваются в параллельные ряды (рис. 6). Подобное пространственное расположение клеток в предэкваториальной зоне типично для большинства исследованных рыб. Исключение составляет характер пространственной организации клеток предэкваториальной зоны эпителия сига. В данном случае клетки также выстраиваются в ряды, однако клетки в соседних рядах сдвинуты относительно друг друга примерно на половину диаметра и образуют выраженные диагональные структуры (рис. 2А). В процессе дальнейшей дифференцировки клетки трансформируются в хрусталиковые волокна, постепенно вытягиваясь в сторону переднего и заднего полюсов хрусталика. Клеточные ядра волокон наружных слоев хрусталика постепенно смещаются в сторону переднего полюса, образуя так называемую дугу дифференцировки (рис. 2Б, рис. 6). Однако в более глубоких слоях волокон клеточные ядра отсутствуют.

Первичные волокна хрусталика имеют гладкие боковые поверхности, но уже примерно на глубине 10 слоев начинают формироваться интердижитальные контакты между клеточными волокнами (рис. ЗА). Ширина клеточных волокон максимальна у экватора и постепенно - уменьшается в сторону полюсов. Рост клеточных волокон прекращается в районе швов хрусталика в результате контактного торможения. В непосредственной близости от швов волокна изгибаются в сторону шва и примыкают к нему примерно под прямым углом. Хрусталиковые волокна образуют упорядоченные пространственные структуры, в поперечном

сечении напоминающие столбцы. Столбцы волокон представляют собой стабильные структуры и на протяжении десятков слоев неизменны. В процессе роста хрусталика увеличение периметра его экватора до некоторой степени обеспечивается за счет небольшого увеличения ширины волокон хрусталика. Однако в какой-то момент формируется новый ряд клеток в предэкваториальной зоне эпителия который дает начало новому столбцу волокон (рис. ЗБ).

Рис. 2. А) Клетки предэкваториальной зоны эпителия сига (Соге§опиБ ЬуагеШв куагеШв). Б) Дуга дифференцировки в хрусталике судака (БйгойесНоп 1исюрегса).

Рис. 3. А) Интердижитальные контакты между клеточными волокнами в хрусталике белого амура (ОелорЬагу^оскт 1<1е11а). Б) Столбцы волокон в хрусталике судака. Стрелкой показано место закладки нового столбца волокон.

Швы хрусталика представляют собой упорядоченные структуры, неизменные на протяжении десятков слоев. Передний и задний швы

хрусталика рыб взаимно перпендикулярны. Швы хрусталика рыб, как правило, не имеют ответвлений (рис. 4А). Однако в ряде случаях нами наблюдались ответвления от шва хрусталика (рис. 5А, 5Б). При этом существует вполне очевидная закономерность, обусловленная конечной шириной волокон в области контакта со швом - длина шва без ответвлений больше, чем длина шва, имеющего ответвления, и при этом шов без ответвлений гораздо более изогнут. В некоторых случаях были отмечены ответвления, не примыкающие непосредственно к шву хрусталика (рис. 4Б).

Рис. 4. А) Схематичное изображение типичного шва и структуры волокон в районе шва хрусталика костистых рыб. Б) Стрелкой показано ответвление, не примыкающее непосредственно к шву хрусталика.

, , « ' > ^

Рис. 5. А) Схематичное изображение шва хрусталика. Стрелкой показано ответвление. Б) Ответвление от шва хрусталика карпа (Сурлпив сагрю).

Пространственная организация волокон в хрусталике рыб такова, что волокна, примыкающие к оконечности переднего шва хрусталика, вступают в контакт с задним швом примерно в его середине и наоборот. По результатам проведенных исследований можно составить следующую общую схему строения хрусталика костистых рыб (рис. 6):

Таким образом, следующие особенности морфологии хрусталика рыб в значительной степени обуславливают его прозрачность: гладкая поверхность и однородная толщина капсулы, а также ее оптическая гомогенность; относительно малая толщина капсулы на задней полусфере хрусталика; однородность монослоя клеток переднего эпителия хрусталика и отсутствие эпителия на задней полусфере хрусталика; пространственная локализация митозов в узкой полосе герминативной зоны в максимальном удалении от главной оптической оси хрусталика при практически полном отсутствии митотической активности в центральной зоне; наличие ядер в волокнах хрусталика только в области дуги дифференцировки, на значительном удалении от главной оптической оси хрусталика и их отсутствие в более глубоких слоях; пространственная организация волокон хрусталика в упорядоченные столбцы; упорядоченная структура швов хрусталика.

Глава 4. Процессы клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб и рост хрусталика

В силу особенностей функционирования зрительной системы рыб в водной среде, хрусталик играет ключевую роль в процессе формирования изображения на сетчатке глаза. Исключительно важным для нормального функционирования зрительной системы рыб является постоянство сферической формы хрусталика в онтогенезе. Рост хрусталика у рыб не прекращается в течение всей жизни и осуществляется за счет клеточной пролиферации эпителия (Wright, 1983; Fernald, Wright, 1983). Уникальная

особенность хрусталика состоит в том, что волокна хрусталика остаются живыми и сохраняют прозрачность в течение всего этого периода. В нормально развивающемся хрусталике гибель клеток и апоптоз - события исключительные. При этом общее количество волокон хрусталика за исключением эмбрионального ядра находится в прямой зависимости от пролиферационной активности эпителия. Следовательно, размеры хрусталика и его основные оптические характеристики непосредственно зависят от интенсивности процессов клеточной пролиферации эпителия.

4.1. Статистические характеристики процессов клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб

митотическая активность эпителия

Рассмотрим последовательность митотических циклов для некоторой клетки эпителия хрусталика и одной из ее дочерних клеток, образующихся в конце каждого митотического цикла. Рассматриваемый поток событий п„ связанных с окончанием очередного митотического цикла и вступлением дочерней клетки в постмитотический период (период в]) в терминах теории случайных процессов можно классифицировать как поток Пальма. Поток Пальма представляет собой поток событий с ограниченным последействием, у которого случайные интервалы времени Тл, Т,2,..., Т,т, ... между соседними событиями являются независимыми случайными величинами (Вентцель, Овчаров, 2000). Очевидно, что рассматриваемый поток событий является ординарным, так как одновременное наступление двух и более событий в потоке невозможно (в противном случае это означало бы нулевую длительность, по крайней мере, одного митотического цикла).

Интенсивность Я, потока п, представляет собой число событий в потоке, происходящих в единицу времени. Предположим, что мы рассматриваем состояние потока п, на большом интервале времени То6т:

т,

^общ = » (1)

]=1

где т, - число событий в потоке п, за время г^щ. Тогда для интенсивности потока п, получим:

Я, = т, Г0бщ , (2)

или учитывая, что

<1Ьу=Т1ср, (3)

м

где Т, ср - средняя на интервале Т длительность митотического цикла в потоке п„ окончательно получим:

1=Т1Ср~1. (4)

Рассмотрим суперпозицию пв из N стационарных, ординарных и взаимно независимых потоков п,. В соответствии с предельной теоремой теории случайных процессов (Хинчин, 2004) суммарный поток будет представлять собой пуассоновский стационарный (простейший) поток событий с и нтенсивностью

в = ЕЯ,. (5)

Вероятность P¡iAt) того, что в потоке Пй в интервале времени (t, t + Дt) произойдет к событий будет равна:

РкШ) = №¥ е-*"г (¿ = 0,1,2,...). (6)

к\

Определим митотическую активность эпителия хрусталика (абсолютную митотическую активность) как число клеток в рассматриваемой клеточной популяции, завершающих митотический цикл закономерным делением в единицу времени.

Можно было бы дать альтернативное определение митотической активности, определив ее как число новых клеток, образующихся в рассматриваемой клеточной популяции в процессе митотических клеточных делений в единицу времени. Однако в подобном определении есть двусмысленность, заключающаяся в том, что именно следует называть новыми клетками. Очевидно, каждая из двух клеток, образующихся в результате митоза, является новой для клеточной популяции. Следовательно, можно утверждать, что в результате каждого митоза образуются две новые клетки. Также очевидно, что в результате каждого митоза общее количество клеток увеличивается на одну. В силу сказанного, в дальнейшем изложении термин митотическая активность будет использоваться в соответствии с первым из приведенных определений.

Найдем основные статистические характеристики - математическое ожидание М(Д/) и дисперсию D(Aí) для закона распределения (6):

М(Д/) = В At, D(A t) = В At.

Так как математическое ожидание для рассматриваемого стационарного потока Па представляет собой среднее число событий в потоке в интервале времени (t, t + At), то очевидно, что интенсивность В потока событий Пй представляет собой определенную выше митотическую активность.

Учитывая выражения для абсолютной митотической активности В (5) и интенсивности потоков Я, (4) найдем для относительной митотической активности Ь:

b = BN-1=N~lXAl=Acp. (7)

/=i

Таким образом, абсолютная митотическая активность в стационарном случае представляет собой сумму интенсивностей Я, потоков событий П„ а относительная активность - среднее для интенсивностей Я, потоков событий П,. Показано (Вентцель, Овчаров, 2000), что суперпозиция Пв ординарных, слабозависимых, стационарных, а также нестационарных потоков П, с соизмеримыми интенсивностями Я, адекватно описывается пуассоновским (в общем случае нестационарным) потоком. Вероятность Pi¡(t, At) того, что в нестационарном потоке Пв в интервале времени (/, t + At) произойдет к событий будет равна:

Pk(t, = е-ПМ.р-0,1,2,...), (8)

к\

где

г+Д/ N

A(t,At)= (9)

, ,=i

В рассматриваемом нестационарном случае будем различать среднюю и мгновенную абсолютную митотическую активность. Так как математическое ожидание m(i, АО для закона распределения (8) будет равно:

M(t,At) = A(t,At), то для средней абсолютной митотической активности получим: B(t, Ai) = (А/)"1 М(/, А/) = (А/)"1 Л(/, АО-

Следовательно, средняя абсолютная митотическая активность представляет собой среднюю интенсивность потока Пв в интервале времени (t, t + At). Предел B{t, At) при At — 0 есть мгновенная интенсивность потока па в момент времени t или - мгновенная абсолютная митотическая активность:

1+Д/ N N

т = lim B(t,At) = lim (ДО-1 J = • (Ю)

^0 , «=1 ,=i

Таким образом, как в стационарном, так и в нестационарном случаях поток событий, связанных с клеточными делениями в эпителии хрусталика представляет собой пуассоновский поток, параметром которого является митотическая активность.

Численность клеток эпителия

Численность клеток эпителия хрусталика определяется двумя разнонаправленными процессами: процессом образования новых клеток в результате клеточных делений, интенсивность которого определяется митотической активностью, и процессом эмиграции клеток из эпителия и их дальнейшей дифференцировки в волокна хрусталика. Будем рассматривать клеточную популяцию эпителия хрусталика как систему S, различным состояниям S, которой соответствует различное число клеток i в популяции. Изменение состояния системы происходит в результате двух потоков событий: рассмотренного выше пуассоновского потока пй, приводящего к увеличению числа клеток в популяции и потока событий Ü£, обусловленного выбытием клеток из эпителия в результате эмиграции. Будем рассматривать поток п£ как пуассоновский поток событий, для которого вероятность PiSjt, At) наступления к событий в интервале времени (/, t + At) равна:

е-*«">»лк = ь 1>2>

к\

где

t+At

E(t,At) = (At)-1 ¡E(ZW.

i

Величины E(t, АО и E(t) представляют собой соответственно среднюю в интервале времени (t, t + At) и мгновенную в момент времени t абсолютные интенсивности потока эмиграции клеток п£, связанные с числом клеток, выбывающих из эпителия хрусталика в единицу времени.

В сделанных предположениях процесс Х(/), переводящий рассматриваемую систему из текущего состояния S, в соседнее, будет марковским процессом с непрерывным временем и дискретными состояниями (Вентцель, Овчаров, 2000). Будем также предполагать, что число

состоянии в рассматриваемой системе конечно и индекс г состояния системы удовлетворяет условию:

А^ггап < I < Мпах •

Данное предположение вполне оправдано в силу конечности роста хрусталика и, следовательно, конечной его площади, а также конечной площади клеток эпителия.

Размеченный граф состояний рассматриваемой системы показан на рис. 7.

о-т) ¡т (^-06(0

"тт

"ш

С- +>М0 <е(0 ('+1И0

Рис. 7. Размеченный фаф состояний системы Б.

Система уравнений для вероятностей р,(() пребывания системы в момент времени I в состоянии 5, (/ = М™, Л^ + 1,..., ДО™*) в рассматриваемом случае будет иметь вид (система уравнений Колмогорова):

Фм™ = (^тш + т+1 (0 - Мт1ПЬ(()р„ (Г)

ф, (/)/Ж = (/ -1Ж0Л-1 (0 + 0' + 1)е(Г)Л+1(/) - ¿[6(0 + е(/)]р, (0, (11)

[Ф^ (0/Л=(^ - - ^шах^Ор^ (0

где Ь(() и е(() соответственно мгновенная относительная митотическая активность и мгновенная относительная интенсивность потока эмиграции; р,(0) > 0; а также

Ел(0)=1.

I

В стационарном режиме решение системы (11) будет иметь вид: где рмтт определяется выражением:

1,Г\Ье-1)

-1

и суммирование ведется по всем состояниям 5, системы в.

Легко видеть, что в предельном случае бесконечно большого числа состояний полученный закон распределения будет отличаться от распределения Пуассона (Бородин, Никифоров-Никишин, 2005).

Найдем основные характеристики процесса Х(/) - математическое ожидание М(?) и дисперсию Б(?). Учитывая свойства математического ожидания и дисперсии из системы уравнений Колмогорова (11) получим следующие дифференциальные уравнения:

«ЛУВД / Л = [Ь( 0 - е(г)]М(0, (12)

<Ш(/)/Л = [Ь(0 + е(/)]М(/) + 2 [6(0 - е(1)]Щ1). (13)

Математическое ожидание M(í) в рассматриваемом случае представляет среднее число клеток N(t) в клеточной популяции в момент времени /. Учитывая это, запишем уравнение (12) в виде:

dN(t) /N(í) = [¿(i) - e(i)] di. (14)

Данное уравнение представляет собой хорошо известное основное уравнение динамики численности популяций, описывающее популяцию, численность которой определяется рождаемостью и эмиграцией (Уильямсон, 1975; Рикер, 1979).

Общее решение уравнений (12) и (13) можно представить в виде:

М(0 = М(0)е°

2 i[6(i)-e(i)]rff D{t) = e °

, \[e(tyb(T)\dT

J[6(í) + e(£)]M(0)e° dt + D(0)

(15)

(16)

митотическая активность и митотический индекс

В цитологии, гидробиологии и некоторых других биологических дисциплинах мерой митотической активности, являющейся мерой генеративной способности клеточной популяции, традиционно служит митотический индекс.

Будем называть индексируемой фазой митотического цикла (ИФМЦ) некоторую фазу митотического цикла, число клеток находящихся в которой в рассматриваемый момент времени / подсчитывается тем или иным способом. Индексом г'-ой ИФМЦ будем называть величину:

1,(т\0 = тк1(1)Щ1у[. (17)

где МУ) - число клеток в клеточной популяции в момент времени т-некоторое заранее оговоренное число клеток. Нетрудно убедиться в том, что значение индекса /,(1 ' соответствует числу клеток в г'-ой ИФМЦ выраженному в процентах (%); /((1000) - в промилле (%о) и т. д.

Митотическим индексом эпителия хрусталика /т) будем называть величину индекса ИФМЦ для ана-телофазы. Отметим, что митотический индекс является "мгновенной" характеристикой состояния клеточной популяции, количественное значение которой легко находится непосредственным подсчетом соответствующего числа клеток на фиксированных препаратах, что обуславливает широкое применение данного индекса.

Обозначим через т, ср среднее время пребывания клеток в г-ой ИФМЦ:

т1СР = №(№,

о

где - функция распределения длительности пребывания клеток в г'-ой ИФМЦ.

Будем полагать, что поток событий, связанных со вступлением клеток в г'-ю ИФМЦ представляет собой пуассоновский стационарный поток с интенсивностью Вероятность Р^ нахождения системы в состоянии к, в рассматриваемом случае будет равна (Бородин, Никифоров-Никишин, 2003):

к.^ср]4'

где Ы- общее число клеток; к, -число клеток в г'-й ИФМЦ; 0 <к,<И-, Р0 находится из выражения:

у! [У|Т|Ср] ¿о к \

-1

(19)

Отметим, что на основании эргодической теоремы теории потоков (Хинчин, 2004) вероятность Рк[ можно интерпретировать как среднее относительное время пребывания системы в состоянии к,. Полученные для вероятности Рк> формулы (18) и (19) представляют собой известные в теории массового обслуживания формулы Эрланга (Хинчин, 2004). Проверка статистической гипотезы о характере распределения митотического индекса и соответствии этого распределения (18) осуществлялась с использованием -критерия Пирсона. Экспериментальные данные группировались в классовые интервалы по 10 варианс в каждом. В результате было показано, что на уровне значимости а = 0,05 рассматриваемая гипотеза непротиворечива.

Можно показать (Бородин, Никифоров-Никишин, 2003), что в рассматриваемом стационарном случае интенсивности потоков событий, связанных со вступлением клеток в г'-ю ИФМЦ будут равны для всех ИФМЦ и, следовательно, будут равны определенной выше абсолютной митотической активности В. С учетом этого найдем математическое ожидание (среднее число клеток в 1-й ИФМЦ) и дисперсию для закона распределения (18):

М, = Л:,ср=х,г,ср[1 -Р„] =2?г1Ср[1 -Рн], (20)

Б, = Ят1Ср[1 -Рм] + [Вт1ср]2[Р„-Р^ ~РМ\ (21)

где Рм находится из (18) при к, = N.

В предельном случае бесконечно большого числа клеток N распределение вероятности Рк (18) будет совпадать с распределением Пуассона:

= 1Г,г,о] (22)

к> к,1

Математическое ожидание и дисперсия в данном случае будут равны:

М, = ^Ср=^,г,Ср = Вт1Ср, (23)

Ъ = В т1ср. (24)

В случае, когда поток событий, связанных с выходом клеток из /-Й ИФМЦ представляет собой пуассоновский нестационарный поток с мгновенной интенсивностью хМ математическое ожидание (среднее число клеток в 1-й ИФМЦ) будет равно (Бородин, Никифоров-Никишин, 2003):

М,(0 = М0=*{'НсР«. (25)

где к, ср(0, Х,(0, т, сР(0 - мгновенные значения параметров, определенные по аналогии с формулой (10).

Отсюда, учитывая (17) получим выражение, связывающее митотический индекс (индекс ана-телофазы) с митотической активностью:

/т)(0 = тЬ(()тср(0, (26)

где b(t) - относительная митотическая активность; гср(0 - среднее время пребывания клеток в ана-телофазе.

Запишем выражение (23) с учетом (7) в виде:

Л1срТ,ор"1=5 = ^Гср-1, (27)

где Тср - величина, обратная относительной митотической активности Ъ. Полученные формулы (27), связывающие количества клеток в различных ИФМЦ со средней длительностью этих фаз представляют собой известные в цитологии формулы Квастлера (Жинкин, 1966).

Сформулируем критерии применимости формул Квастлера. Для этого резюмируем основные предположения, сделанные при выводе формул (27). Основным предположением при анализе связи среднего числа клеток в z'-й ИФМЦ с митотической активностью было предположение о пуассоновском характере потока пв, характеризующего пролиферационную активность клеточной популяции. Как отмечалось выше, поток пв, представляющий суперпозицию потоков п, отдельных клеточных делений является пуассоновским в случае ординарности, независимости и соизмеримости интенсивностей 1, указанных потоков. Существенным было предположение о стационарности потока пв. Далее, формулы (27) были непосредственно получены из закона распределения (22) и, следовательно, справедливы для бесконечно большого числа клеток N в рассматриваемой клеточной популяции. В противном случае, при ограниченном количестве клеток необходимо пользоваться формулой (20) из которой несложно получить "уточненные" формулы Квастлера: kiC9xicix=B[\-PN].

Отметим также, что формулах Квастлера величина Гср понимается как среднее время митотического цикла в рассматриваемой клеточной популяции. В действительности же при выводе формул (27) мы ввели формальное обозначение 7*ср для величины, обратной к относительной митотической активности Ъ:

к 1 Г1

(28)

Г«,

1=] '/ср

где Т, ср - средняя длительность митотического цикла в потоке п„ найденная по формуле (3). Легко видеть, что Гср фигурирующее в формулах (27) и определяемое в соответствии с (28) отличается от "истинного" среднего времени митотического цикла:

W^'ix- (29)

i=i

Очевидно, что результаты, найденные по формулам (28) и (29) будут полностью совпадать лишь в случае Г, ср = const, или в соответствии с (4) при одинаковой интенсивности Я, потоков п,.

Таким образом, резюмируя сказанное можно сделать вывод о том, что формулы Квастлера применимы для больших клеточных популяций, пролиферационная активность которых носит характер пуассоновского стационарного потока событий.

Нарушение одного из перечисленных условий, например, в случае выраженной синхронизации клеточных делений в результате циркадных

ритмов пролиферационной активности, приводит к нарушению пуассоновского характера потока Пв. Это в свою очередь означает неприменимость полученных законов распределений (18) и (22), и, следовательно, неприменимость в указанных случаях формул Квастлера.

Рассмотрим изменения митотической активности под воздействием некоего фактора (факторов). Для дальнейшего анализа будет удобно записать уравнение (26) в виде параметрической системы уравнений:

|/ = Wi7l7 + ?r\ (30)

где I=fm\t) - митотический индекс; Ъ = b(t) - относительная митотическая активность; г = тср(/) - среднее время пребывания клеток в ана-телофазе; в = rcp(i) - тc„(i); Тср - величина, обратная относительной митотической активности b(t), определенная выше формулой (28).

Рассмотрим четыре характерных случая:

I II III IV

г = const в = const г [г + ву1 = const г + в = const

Ih ' = ЬЬо1 По1 = (гАГ'О - воЬ) 11 ЬЬо1 = 1

где /0, Ьо, г0, во - определенные выше величины в отсутствии воздействия (в контроле).

В первом случае изменение митотической активности сопровождается прямо пропорциональным изменением величины митотического индекса (рис. 8).

1 /?„ /?, Рш р

Рис. 8. Изменение митотического индекса в зависимости от митотической активности. Графики построены в предположении то < во- Приняты следующие обозначения:

р = ЬЪо'\ = [то + 0о][го + биГ1; Ри = [то + 6»0][гтш + 6>0Г'; Р\ii = тоттт ; У = Но \У\= Р\ \ Уи = у1у Р\\; У\\ = ттшто ■

Во втором случае изменения митотической активности и изменения величины митотического индекса находятся в обратной линейной зависимости. В третьем случае при изменении митотической активности митотический индекс остается постоянным. Наоборот, в четвертом случае при постоянной величине относительной митотической активности митотический индекс может меняться.

Таким образом, в общем случае митотический индекс не являются адекватной характеристикой митотической активности. Для того чтобы митотический индекс и митотическая активность находились в прямой линейной зависимости необходимо, чтобы среднее время пребывания клеток в ана-телофазе было постоянным. Отметим также, что подобный анализ можно провести для любой фазы митотического цикла. Однако в нестационарном случае интенсивности/,^) и B(t) могут не совпадать.

Полученные результаты находятся в согласии с результатами проведенных модельных экспериментов. Рассматривалась модель клеточной популяции, состоящая в начальный момент времени из 10000 клеток. Из общего количества клеток случайным образом выделялась группа в 1 ООО клеток, для которых рассматривались траектории потоков событий, связанных со вступлением в ана-тело фазу и окончанием митотического цикла. Были реализованы ситуации, когда при равных значениях митотического индекса митотическая активность различалась в 2 раза, и наоборот, при равной величине митотической активности значения митотического индекса отличались вдвое.

4.2. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под влиянием различных факторов

Имеются обширные данные, указывающие на то, что митотический индекс клеточных популяций может меняться под влиянием различных воздействий, далее называемых факторами. Выше были рассмотрены некоторые аспекты взаимосвязи митотического индекса с митотической активностью. Рассмотрим наиболее важный с практической точки зрения случай прямой линейной связи митотического индекса с митотической активностью (случай I). Как было показано выше, подобная взаимосвязь возможна, если среднее время пребывания клеток в ана-телофазе т постоянно и не меняется под воздействием факторов. Будем полагать, что под действием факторов меняется среднее время г) пребывания клеток в одной или нескольких ИФМЦ. Диапазон изменения т} очевидно представляет собой полуоткрытый интервал: î}min<^<00, где туmin-минимальная длительность j-Pi ИФМЦ. Будем, далее предполагать, что изменение длительности j-й ИФМЦ может быть описано выражением:

b=r]niB+{z]0-rjniB)eG'(F\ (31)

где Tj о - длительность j-й ИФМЦ в отсутствии воздействия факторов (в контроле); Gj{F) = Gj{F\, F2, ...,F„) - непрерывная функция факторов F„ удовлетворяющая условию: G/0) = 0.

Очевидно, что выражение (31) имеет весьма общий характер и существенным в нем является лишь предположение о существовании минимальной длительности j-й ИФМЦ. Можно показать, что с учетом (31) время в в уравнениях (30) будет равно (Бородин, Никифоров-Никишин, 2002):

* = (32)

)

где суммирование ведется по тем фазам митотического цикла, длительность которых меняется под действием факторов.

Учитывая (32) из системы уравнений (30) получим модель изменения митотического индекса под воздействием некоторых факторов:

+ (33)

)

где И] = Ь0 (гу о - „ил); величины с индексом "0" - соответствующие значения в контроле и суммирование ведется по тем фазам митотического цикла, длительность которых меняется под действием факторов.

Адекватность полученной модели проверялась на обширном экспериментальном материале, включающем воздействие 12-ти токсикантов и их комбинаций (данные по влиянию токсикантов на митотическую активность получены совместно с Никифоровым-Никишиным А.Л.), травмы, рентгеновского излучения, низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ), комбинированного воздействия травмы и токсикантов, а также травмы и рентгеновского излучения. Полученные экспериментальные данные использовались для построения регрессий на основе уравнения (33) (табл. 2).

Таблица 2

Результаты регрессионного анализа экспериментальных данных по влиянию различных факторов на митотический индекс герминативной зоны эпителия хрусталика рыб

№ Факторы Источник данных"

1 Хлорбензол" [52] Никифоров-Никишин и др., 2005

2 Трихлорбензол" [26] Никифоров-Никишин, Бородин, 2003

3 Нитробензол" [51] Бородин, Никифоров-Никишин, 2005

4 2-нафтол" [20] Симаков и др., 2002

5 Эпихлоргидрин" [35] Бородин и др., 2004

6 Аминопропилтриэтоксисилан" [4] Никифоров-Никишин, Бородин, 1997

7 Дибутилсебацинат" [4] Никифоров-Никишин, Бородин, 1997

8 "Праестол"" [ 18] Никифоров-Никишин, Бородин, 2002

9 Си, Ъп, Сс1, РЬ" [30] Borodin, Nikiforov-Nikishin, 2004

10 Си, 2п, СсГ [29] Никифоров-Никишин, Бородин, 2003

11 Травма" [6] Бородин, Симаков, 2000

12 НИЛИ'" [42] Фельдман, Бородин, 2004

13 Рентгеновское излучение " [22] Симаков и др., 2003

14 Травма и аминопропилтриэтоксисилан" [4] Никифоров-Никишин, Бородин, 1997

15 Травма и дибутилсебацинат" [4] Никифоров-Никишин, Бородин, 1997

16 Травма и НИЛИ [42] Фельдман, Бородин, 2004

17 Травма и рентгеновское излучение [22] Симаков и др , 2003

Ссылки приводятся в соответствии со "Списком работ, опубликованных по теме „ диссертации" настоящего автореферата.

Исследования проводились на сеголетках радужной форели (Рагаэакпо туИвБ). Исследования проводились на золотой рыбке (С аигаШв рЬеНо).

Продолжение таблицы 2

№ Сумма квадратов отклонений Значение F-статистики Критическое значение /•"-критерия Коэффициент детерминации (/г) Асимптотическое значение митотического

общая остаточная индекса

1 76,557 0,789 3713,360 -Р0.001.3.116 5,794 0,990 2,91

2 26,670 0,567 1781,355 ^о.оо1,з.11б 5,794 0,979 2,16

3 97,399 0,743 3737,994 ^0,001.4.115 4,962 0,992 2,75

4 66,244 0,906 2072,690 ^0.001.4.115 4,962 0,986 2,25

5 29,416 0,327 3435,937 Р0.001.3.116 5,794 0,989 0,00

6 12,417 0,239 1966,434 ^0.001.3.116 5,794 0,981 2,88

7 17,440 0,202 2452,126 Р0.001.4.115 4,962 0,988 0,00

8 22,017 0,394 2123,603 -Родарив 5,794 0,982 0,00

9 100,656 4,122 1660,252 ^ 0.001.9.638 3,149 0,959 0,00

10 249,057 6,947 4316,884 ^ 0,001,8,991 3,299 0,972 0,00

11 2,772 0,017 4392,103 ^0,001.3.83 5,951 0,994 2,26

12 17,858 0,252 2697,970 Fo.oou.ii6 5,794 0,986 0,00

13 31,436 1,595 723,273 ^0.001.3.116 5,794 0,949 0,00

14 30,032 0,827 805,345 ^0,001.5.114 4,433 0,972 2,93

15 30,555 0,428 1325,329 0,001,6.113 4,063 . 0,986 0,00

16 30,242 0,608 1402,308 Р о,оо1.4.115 4,962 0,980 0,00

17 86,644 2,797 861,991 ^ 0,001,4,115 4,962 0,968 0,00

№ Компоненты уравнения регрессии

1 О, = 0,259; Я2 = 0,397; С, =-665,365- С; С2 =-40,823- С

2 О, = 0Д45;£)2 = 0,291; <7, =-13,104- С; С2 = -394,406- С

3 £>, = 0,252;£>2 = 0,385; С, =-2448,067- С"; в2 = 70,044- С-2703,697- Сг

4 £>1 = 0,187;¿)2 = 0,369; (?1 =28,891- С-49,798- С2; С2 = -2,446- С

5 О! = 0,219; £>2 = 0,355; б] =-78,071- С;в2 = 2,888- С

6 О, =0,309; £>2 = 0,344; б, =-9,505- С; С2 = -0,034- С

7 01 = 0,305;£>2 = 0,370; б, =0,339- С; (?2 = 11,268- С-10,423- С"

8 О] = 0,292; £)2 = 0,461; 0\ = 4,747- С; Ог = 4,808- С

9 О, = 0,141; £)2 = 0,441; С, = 188,961 Си + 46,698- 2л+ 17,117- С<* + 693,613- Си- +327,693- 2и- С</; С2 =-1716,558- Си-1355,838- 7л + 3,617- Я6

10 О, = 0,169; £)2 = 0,445; О, = 192,246- Си+ 46,238- гп + 17,241- С</+ 597,628- С«- СУ +360,712- 2л- О*; С2 =-1640,612- Си -2199,793- г«

11 О, =0,215;/)2 = 0,338; С, =4,909- Я; в2 = -1,108- Р

12 О, = 0,479; £>2 = 0,317; О, = -1,720- £; <72 = 0,014- £

13 О, = 0,521; £>2 = 0,295; О, = -69,832- X; в2 = 0,263- X

14 О, = 0,301;£>2 = 0,358; С, =-6,171- С- 1,676- Р;Д2 = -0,179- С-0,760- Я

15 О, = 0,298; £)2 = 0,340; <7, =0,370- С- 1,742- Я; <72 = 11,413- С- 10,469- С2-0,697- Я

16 01 = 0,487;£>2 = 0,314;01=-1,730- £;С2 = 0,020- £-0,587- Я

17 01 = 0,513; £>2 = 0,347; б, =-57,590- X; <72 = 0,638- 0,672- Я

Д, <7, - коэффициенты и функции модели (33); С - концентрация вещества, мг/л; Си, 7,п, СУ, РЬ - концентрации меди, цинка, кадмия и свинца, мг/л; Р -периметр травмы, мм; I, - экспозиционная доза низкоинтенсивного лазерного излучения, мДж/см ; Х- экспозиционная доза рентгеновского излучения, кР (килоРентген).

В качестве модельных функций G/F) рассматривались линейные функции (линейные предикторы) исследуемых факторов и их комбинаций. С учетом условия Gj{0) = 0 свободный член функций Gj{F) принимался равным нулю.

Найденные регрессии во всех исследованных случаях оказались значимы (на уровне а = 0,001). Соответствующие значения коэффициента детерминации R2, который можно рассматривать как показатель качества найденных уравнений регрессии (Кремер, 2003) во всех рассматриваемых случаях мало отличаются от единицы (минимальное значение коэффициента детерминации получено для рентгеновского излучения, максимальное - для воздействия травмы). Это дает основание полагать, что полученные регрессионные уравнения и лежащая в их основе модель (33) вполне удовлетворительно описывают экспериментальные данные. Основной предпосылкой при построении модели (33) было предположение о том, что среднее время пребывания клеток в ана-телофазе постоянно и не меняется под воздействием факторов. Выполнение этого предположения как показано выше означает наличие прямой линейной связи между митотическим индексом и митотической активностью эпителия хрусталика. Таким образом, митотический индекс является адекватной характеристикой митотической активности эпителия хрусталика исследованных видов рыб для всех типов рассмотренных воздействий.

4.3. рост хрусталика рыб

Рассмотрим рост хрусталика рыб в зависимости от уровня пролиферационной активности эпителия хрусталика. Полагая, что хрусталик рыб имеет сферическую форму и эпителий занимает половину поверхности хрусталика, оценим число клеток N(t) эпителия хрусталика в момент времени t:

N(t) = 2nR(tfsm-\ (34)

где R(t) - радиус хрусталика; s^ - средняя площадь клеток эпителия хрусталика.

Используя уравнение (34) из (14) получим следующую оценку для радиальной скорости роста хрусталика Vr:

VR = dR(t)/dt = 0,5 [Z>(/) - e(t)]R(t). (35)

Рост хрусталика осуществляется за счет дифференцировки клеток, эмигрировавших из эпителия в волокна хрусталика. Число клеток, покидающее эпителий в интервале времени (/, t + dt) равно: dN(t) = e(i)N{t)dt.

Отсюда с учетом (34) получим (Бородин, Никифоров-Никишин, 2005):

vR = dR(t) ldt = s.s^ e(t)R(t). (36)

где .s-в - средняя площадь поперечного сечения волокон в верхних слоях коры экваториальной области хрусталика.

Из (35) и (36) несложно получить выражение, связывающее относительную митотическую активность и относительную интенсивность потока эмиграции клеток для хрусталика рыб:

bit) = [1 + 2s„iiur1] e{t). (37)

Используя (37) из (35) получим уравнение роста хрусталика рыб:

dR(t)/R(t) = Ci b{t) dt, (38)

где коэффициент Сх равен: С\ — 5в[^кл ^ 2sB]

Решение уравнения (38) можно представить в виде: R(t) = R(0)e 0

Отметим, что аналогичный результат можно получить из уравнения (15) с учетом (34) и (36).

Полученное выше уравнение роста хрусталика (38) предполагает сохранение его сферической формы в процессе роста. Рассмотрим вопрос об изменении формы хрусталика в процессе его роста и сформулируем необходимые условия сохранения хрусталиком сферической формы. Пусть в момент времени t\ хрусталик представлял собой сферу, радиуса R\. Найдем уравнение огибающей хрусталика в момент времени t2 = h + A t. Будем предполагать, что введенная выше скорость радиального роста vR постоянна в рассматриваемом интервале времени. Полагая также постоянной в рассматриваемом интервале времени скорость линейного роста волокна хрусталика, получим искомое уравнение огибающей хрусталика (Бородин, Никифоров-Никишин, 2005):

(х2 +у2)( 1 + С arctg ух~1)2 = а2, (39)

где а = R(t2) - радиус хрусталика, измеренный от центра к экватору в момент времени t2',C = vRlvL\vL- скорость линейного роста волокна хрусталика.

Графики огибающих (39) для некоторых значений параметра С приведены на рис. 9А. Несложно убедиться в том, что огибающая (39) будет являться окружностью при С = 0.

Сделанное выше предположение о постоянстве скорости линейного роста волокна хрусталика имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что в конце процесса роста волокна (в непосредственной близости от полюсов хрусталика) скорость объемного роста волокна будет неограниченно возрастать. Ввиду этого рассмотрим случай постоянной в интервале времени (ii, t\ + Ai) скорости объемного роста волокна хрусталика. Искомое уравнение огибающей хрусталика будет иметь вид (Бородин, Никифоров-Никишин, 2005):

(х2 +у2)(1 + С у [х2 +yY-5)2 = а2, (40)

где а = R(t2) - радиус хрусталика, измеренный от центра к экватору в момент времени t2 ; С = vR sB /vv\ vv - скорость объемного роста волокна хрусталика; sB- средняя площадь поперечного сечения волокон в верхних слоях коры экваториальной области хрусталика.

Графики огибающих (40) для некоторых значений параметра С приведены на рис. 9Б. Также как и в предыдущем случае огибающая (40) будет являться окружностью при С = 0. Отметим, что скорость объемного роста волокна хрусталика отнесенная к средней площади поперечного сечения волокон в верхних слоях коры экваториальной области хрусталика представляет собой начальную скорость линейного роста волокна vLa: vvsB~l = vLrt.

Учитывая это обстоятельство, сформулируем необходимое условие поддержания сферической формы хрусталика рыб: скорость радиального роста хрусталика vR, зависящая от митотической активности эпителия хрусталика должна быть много меньше начальной скорости линейного роста волокон хрусталика vLo:

VЯ«VL0. (41)

Результатом нарушение условия (41), например, при резком увеличении митотической активности эпителия хрусталика рыб, будет, как показано выше отклонение формы хрусталика от сферической. Это в свою очередь приведет к изменению оптических характеристик хрусталика.

2,6

1,2 1 0,8 0,6 0,4 02 малый радиус хрусталика

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 малый радиус хрусталика

Рис. 9. Семейства огибающих хрусталика для различных значений параметра С. Малый радиус хрусталика отсчитывается от центра к переднему полюсу хрусталика; большой радиус - от центра к экватору хрусталика. А) случаи постоянной скорости линейного роста волокон; Б)случай постоянной скорости объемного роста волокон.

Данные выводы подтверждаются, в частности, следующими фактами. Хрусталик большинства амфибий до метаморфоза имеет сферическую форму, как и у костистых рыб. В тоже время, форма хрусталика у взрослых особей близка к эллиптической. Показано, что в процессе метаморфоза резко повышается уровень митотической активности эпителия хрусталика, что в результате приводит к геометрической трансформации хрусталика (Glover, 1985). Проведенные нами многочисленные исследования показали, что митотическая активность эпителия хрусталика может существенно (в несколько раз) возрастать под действием целого ряда факторов. Однако ни в одном из исследованных случаев не было зафиксировано заметных отклонений формы хрусталика рыб от сферической. У рыб, по-видимому, существует механизм, действующий по принципу обратной связи, обеспечивающий выполнение условия (41). Нами было сделано предположение, что в основе подобного механизма лежит ингибирование митотической активности эпителия хрусталика зонами роста первичных

-U,.x> (42)

волокон. На обоснованность подобного предположения указывают следующие факты. В опытах с культурой эпителия хрусталика человека было показано, что в случае отделения волокон хрусталика от эпителия методом неповреждающей гидродиссекции митотический индекс герминативной зоны эпителия существенно возрастал по сравнению с контролем (Rakic et al., 1997).

Предположим, что растущие первичные волокна продуцируют фактор, ингибирующий митотическую активность эпителия. Тогда в ответ на увеличение митотической активности эпителия в соответствии с (37) увеличится интенсивность эмиграции клеток из эпителия, и, следовательно, увеличится число одновременно растущих первичных волокон. Это в свою очередь приведет к увеличению уровня ингибирующего фактора, что в результате приведет к снижению уровня митотической активность эпителия.

С учетом сказанного дополним уравнение (38) условием обратной связи: [dR(t) / R(t) = С, b(t)dt

W) / dt = -C2 e(t) = -C2ClSmS;xb{t)'

где C2 e(t) - относительное содержание ингибирующего фактора, предполагаемое пропорциональным числу первичных волокон; С2 -коэффициент пропорциональности.

Следует отметить, что система уравнений (42) была получена при неявном допущении мгновенной скорости роста вновь образовавшихся клеток эпителия хрусталика. Будем полагать, что рост клеток эпителия может быть описан неубывающей функцией вида: 0,5 s0 t = 0

•g(t) 0<t<tp, (43)

* > *р

где tp - среднее время роста клеток; s0 - средняя площадь клеток эпителия хрусталика, закончивших рост.

Предположим, что в начальный момент времени t = 0 число клеток в популяции составляло N0 = N(0) и не было растущих клеток. Найдем площадь клеточной популяции в момент времени t > tp:

S(t) = s0[M> ~N\+N2 + Щ, (44)

где:

Nx = N2= 2 \B{4)dt; N3= 2 +

о 0 i-tp

N\ - количество клеток, поделившихся к моменту времени t\ N2 - количество клеток (из числа поделившихся к моменту времени t), закончивших рост к моменту времени t; - количество клеток (из числа поделившихся к моменту времени t), продолжающих рост в момент времени /.

Проведя необходимые преобразования, запишем (44) в виде: <-'? 'р

S(t) = s0N0+s02 + 2 \B(t - О g(OdC ■ (45)

о о

С учетом (45) система уравнений (42) примет вид:

>0 = (2^r1>/s(0 'P

s(t)=50 m - 2 ¡в« - о к -

' dN(t) = [B(t)-E(t)]dt (46)

27tR(t)dR(t) = sbE(t)dt dB(t) = -C[E(t)]dt

Решение системы (46) следует искать в виде: R(t) =f[B(t)\, где f[B{t)] -неизвестная функция митотической активности.

Таким образом, сформулирована модель роста хрусталика рыб (46), описывающая изменение размеров хрусталика в зависимости от ряда параметров пролиферационной активности эпителия.

Глава 5. Оптические характеристики хрусталика гидробионтов

5.1. Изменения прозрачности хрусталика под влиянием различных факторов

Одной из важнейших оптических характеристик хрусталика является его прозрачность. Нами были изучены оптические отклонения в интактных хрусталиках некоторых гидробионтов и нарушения, возникающие при внешних воздействиях ряда факторов.

Наиболее распространенной причиной нарушения прозрачности хрусталика у карпа является инвазия личинками трематод рода диплостом. Даже незначительное количество диплостом в хрусталике карпа приводит к потере прозрачности хрусталика. При наличии 1-2 паразитов отмечалось нарушение капсулы хрусталика, выражавшееся в появлении неровностей на поверхности капсулы. При наличии 3-5 паразитов наблюдалось воспаление роговицы, частичное отслоение коры хрусталика и начальная катаракта. Если число паразитов достигало 5-9, то в 90% подобных случаев наблюдалось помутнение всей массы коры хрусталика. При наличии более 10 паразитов отмечалась полная паразитарная катаракта хрусталика, сопровождавшаяся отслоением коры хрусталика от ядра. В целом у карпа паразитарная катаракта, являющаяся одной из основных причин помутнения хрусталика, отмечалась в 31 % случаев.

Помутнения хрусталика при отсутствии паразитов отмечались в 19% случаев. По-видимому, эти помутнения вызваны либо воздействием токсикантов, либо являются результатом механических повреждений хрусталика. В 15 % случаев нарушения затрагивали оба глаза.

В ряде случаев при отсутствии помутнений отмечались другие нарушения прозрачности хрусталика. В 5 % случаев у карпа были зафиксированы нарушения прозрачности хрусталика, вызванные наличием большого количества мелких вакуолей в области заднего шва хрусталика. Аналогичная картина необратимых нарушений прозрачности хрусталика наблюдалась нами в исследованиях по воздействию лазерного излучения и травмы на хрусталик рыб и амфибий. Помимо этого были зафиксированы несколько * случаев смещения ядра хрусталика в сторону переднего полюса (рис. 10А). При этом поверхность ядра слабо опалесцирует, но в целом ядро сохраняет прозрачность. Также был отмечен случай полного помутнения

эмбрионального ядра, при сохранении прозрачности остальной массой хрусталика (рис. 10Б).

Рис. 10. А) Хрусталик карпа со смещенным ядром. Б) Помутнение

эмбрионального ядра в хрусталике карпа.

В целом различные нарушения прозрачности хрусталика у карпа были отмечены в 56 % случаев.

Несколько иная картина нарушений прозрачности хрусталика наблюдается в природной популяции пескаря (Gobio gobio). При наличии 1-15 паразитов в 95 % случаев хрусталик пескаря оставался прозрачным. Наличие 15-20 метациркарий диплостом в 20 % случаев вызывало нарушение капсулы хрусталика. Если число паразитов было больше 20, отмечалось частичное отслоение коры хрусталика и незначительное помутнение хрусталика. В целом паразитарные катаракты были отмечены в 9 % случаев. В 3 % случаев нарушения прозрачности отмечались у хрусталиков обоих глаз особи. Вакуолизации в области заднего шва хрусталика, а также трещин и разрыва волокон отмечено не было.

У амфибий наиболее распространенным типом нарушения прозрачности хрусталика явилась вакуолизация в области заднего шва, отмеченная в 45 %. Подобные нарушения наблюдались чаще всего у самцов травяной лягушки (Rana temporaria). Примерно в 35 % случаев было отмечено наличие мелких трещин около заднего шва хрусталика, делающих задний полюс хрусталика мозаичным. Мозаичность в области заднего шва хрусталика чаще всего отмечалась у самок. Начальные катарактальные изменения отмечались у 6 % особей.

В целом различные нарушения прозрачности хрусталика у травяных лягушек были зафиксированы примерно в 70 % случаев, причем чаще всего данные нарушения наблюдались у самцов. В 26 % случаев подобным нарушениям были подвержены хрусталики обоих глаз особи.

Полученные результаты показывают, что при изучении оптических свойств хрусталика рыб и амфибий необходимо проводить тщательный предварительный отбор подопытного материала, с тем, чтобы исключить использование в экспериментах особей, имеющих различные нарушения прозрачности хрусталика. Подобный отбор осуществлялся на всех этапах данного исследования.

Воздействие лазерного излучения на хрусталик амфибий

Инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1,06 мкм и энергиями экспозиции 0,12 и 0,18дж, вызывало первичное поражение хрусталика травяной лягушки, заключавшееся в том, что на переднем полюсе появлялось небольшое помутнение и наблюдалось сильное поражение заднего полюса. Поражение заднего полюса заключается в появлении хорошо заметных в щелевую лампу трещин, идущих вдоль границы волокон, делающих задний полюс мозаичным. В области заднего шва хрусталика отмечались крупные вакуоли. Основная часть хрусталика оставалась прозрачной. Изменения, вызванные первичным поражением хрусталика, наблюдались в среднем через 30 минут после облучения. Воздействие лазерного излучения с энергией экспозиции 0,04 дж также приводило к возникновению первичного поражения хрусталика. Поражение заднего полюса хрусталика при этом было менее выраженным, чем в случаях воздействия лазерного излучения с более высоким энергиями.

Случайное воздействие лазерного луча с энергией экспозиции 0,12 и 0,18 дж на радужную оболочку в 96% случаев приводило к развитию катаракты, вызванной тепловым воздействием лазерного излучения. Особи с подобными нарушениями отбирались и в дальнейших исследованиях не использовались.

Через сутки у 30 % особей, подвергшихся воздействию лазерного излучения с энергиями экспозиции 0,12 и 0,18 дж, начали развиваться кольцевые помутнения в экваториальной области хрусталика. При воздействии лазерного излучения с энергией экспозиции 0,04 дж подобных кольцевых помутнений не возникало, и картина поражения хрусталика, в целом, не отличалась от первичной картины поражения. На 3-й сутки кольцевые помутнения от лазерного излучения с энергиями экспозиции 0,12 и 0,18 дж отмечались у 70 % особей. На гистологических препаратах отмечены обширные поражения в экваториальной зоне коры хрусталика в области дуги дифференцировки. В 90 % случаев наблюдалось отслоение капсулы хрусталика и структурные нарушения в коре хрусталика (рис. 11).

На 5-е сутки количество особей с помутнениями хрусталика не увеличилось, но в пораженных хрусталиках прогрессировали катарактальные изменения. В 50 % случаев наблюдалось тотальное помутнение хрусталика. На 7-е сутки после облучения изменения не наблюдались. В дальнейшем картина помутнения также оставалась стабильной.

Характер первичного поражения, вызванного воздействием лазерного излучения с длиной волны 0,53 мкм, отличался от случая воздействия на хрусталик инфракрасного лазерного излучения. На заднем полюсе хрусталика отмечались мелкие, беспорядочно расположенные трещины, идущие по границам волокон. В области заднего шва хрусталика отмечалось большое количество мелких вакуолей. Общее поражение заднего полюса хрусталика занимало примерно в два раза меньшую площадь. Так же, как и в случае воздействия на хрусталик лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм, на переднем полюсе появлялось небольшое помутнение.

Изменения, вызванные первичным поражением хрусталика, наблюдались через 30 минут после облучения. В период с 1-х по 3-е сутки после облучения изменений не отмечалось. На 5-е сутки у 40 % особей наблюдались кольцевые помутнения в экваториальной области хрусталика. На 7-е сутки у

30 % особей развилась полная катаракта, у 30 % - частичная, у остальных особей катарактальных изменений отмечено не было. На 11-е сутки катарактальные изменения достигали максимума. Передний шов частично раскрывался. В последующие дни, вплоть до 30-го дня, новых отклонений не отмечалось. Изучение гистологических препаратов хрусталика показало, что воздействие на хрусталик излучения с длиной волны 0,53 мкм приводит к поражению переднего эпителия, вызывая его отслоение в экваториальной зоне. Воздействие излучения с энергией экспозиции 0,04 дж вызывало образование вакуолей в экваториальной зоне хрусталика и частичное поражение переднего и заднего полюса.

Рис. 11. Хрусталик травяной лягушки (Rana temporaria). А) Картина поражении в экваториальной зоне коры хрусталика. 1) отслоившаяся капсула хрусталика; 2) пораженные волокна. Б) Картина поражений в области дуги дифференцировки хрусталика.

Картина катарактальных изменений в хрусталике амфибий, вызванных воздействием лазерного инфракрасного и видимого диапазона в целом сходна. Основное различие заключается в том, что при лазерном поражении хрусталика излучением с длиной волны 0,53 мкм развитие катарактальных изменений запаздывает на 1-3 суток по сравнению со случаем воздействия излучения с длиной волны 1,06 мкм.

Обработка микрофотографий хрусталиков, подвергшихся воздействию лазерного излучения, проводилась с помощью компьютерной программы LCI. В результате было получено распределение интенсивности рассеяния света хрусталиком в области границы помутнения для различных длин волн и энергий лазерного импульса с учетом сроков развития помутнения (рис. 12).

Анализ полученных данных показывает, что с увеличением срока развития помутнения относительное изменение интенсивности рассеяния света в области границы помутнения увеличивается. Также происходит увеличение ширины границы помутнения хрусталика.

Таким образом, картина катарактальных изменений в хрусталике амфибий, вызванных воздействием лазерного излучения с различными длинами волн и энергиями в целом сходна. Различие заключается в том, что при лазерном поражении хрусталика излучением с длиной волны 0,53 мкм развитие катарактальных изменений запаздывает на 1-3 суток по сравнению со случаем

воздействия инфракрасного лазерного излучения. Воздействие лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм вызывает более выраженные катарактальные изменения, проявляющиеся в 50 % случаев, чем воздействие лазерного излучения с длиной волны 0,53 мкм, приводящее к полному помутнению хрусталика только в 30 % случаев. Воздействие излучения с энергией экспозиции 0,04 дж не зависимо от длины волны, приводит только к возникновению первичного лазерного поражения. При этом отмечается небольшое помутнение в области переднего полюса хрусталика, частичное поражение заднего полюса и образование вакуолей в экваториальной области хрусталика. Поражение заднего полюса заключается в появлении хорошо заметных в щелевую лампу трещин, идущих вдоль границы волокон. Также отмечается выраженная вакуолизация в области заднего шва. При этом основная часть хрусталика остается прозрачной.

I 100

Ё?

Ч I&

¡s г

на 5-е сутки

' на 3-е сутки

0 50

ширина границы помутиания, нки

Рис. 12. Распределение интенсивности рассеяния света хрусталиком травяной лягушки (Rana temporaria) в области гоаницы помутнения при лазерном поражении. Энергия экспозиции 0,12 дж. Длина волны излучения к = 1,06 мкм.

Изменение прозрачности хрусталика рыб и амфибий при травматизации Проведенные исследования воздействия травмы на прозрачность хрусталика у рыб показали, что после нанесения травмы через 30 минут вокруг укола развивается помутнение, которое имеет овальную форму. При этом в ряде случаев наблюдаются изменения в области заднего шва хрусталика. В целом картина изменений в области заднего шва сходна с той, которая наблюдается при воздействии на хрусталик амфибий лазерного излучения. Подобные изменения выражаются в появлении мозаичности в области заднего шва и часто сопровождаются вакуолизацией (табл. 3). Помутнение в области нанесения травмы сохраняется не более 24 часов. Через сутки помутнение исчезает и при изучении состояния хрусталика в щелевую лампу видно, что поражение затрагивает только капсулу и эпителий

хрусталика. Регенерация травмы завершается через 2-е суток, а на 3-й сутки также исчезает пятно в области укола.

Таблица 3

Распределение изменений в прозрачности хрусталика по типу у рыб и амфибий при травматизации

Объекты исследования Помутнение в области переднего полюса, (%) Мозаичиость в области заднего шва, (%) Вакуолизация в области заднего шва, (%)

Окунь (Perca fluviatilis) 96,7 ± 3,0 12,2 ±3,9 10,6 ±4,5

Карп (Cyprinus carpió) 94,6 ±3,5 10,4 ± 4,2 9,7 ± 3,9

Пескарь (Gobio gobio) 95,2 ±3,9 8,1 ±4,8 8,7 ±3,0

Травяная лягушка (Rana temporaria) 100 17,7 ±5,1 17,1 ±6,8

Исследования процессов регенерации капсулы и эпителия хрусталика показали, что в пораженной зоне заметно увеличивается пролиферационная активность эпителиальных клеток. При этом пространственное распределение посттравматических митозов существенно зависит от места нанесения травмы. При нанесении травмы в центральную зону эпителия (в районе переднего полюса хрусталика) возникающие посттравматические митозы локализуются полностью в герминативной зоне эпителия. Посттравматические митозы распределяются, как правило, в виде замкнутых кольцеподобных структур, форма которых в целом повторяет форму травмированного участка. Площадь, охватываемая полосой митозов, практически не зависит от площади травмированного участка. Различия заключаются лишь в интенсивности посттравматических митозов в герминативной зоне: с увеличением площади пораженного участка центральной зоны, количество посттравматических митозов в герминативной зоне возрастает. Травмирование герминативной зоны эпителия приводит к появлению посттравматических митозов, локализованных главным образом в предэкваториальной зоне эпителия и лишь частично захватывающих герминативную зону (в герминативной зоне митозы располагаются по границе с предэкваториальной зоной). Нанесение травмы в предэкваториальную зону не приводит к ингибированию митозов в центральной и герминативной зонах. В этом случае постгравматические митозы, возникающие непосредственно вокруг травмы, локализованы главным образом в предэкваториальной зоне. Следует отметить, что в данном случае скорость регенерации травмы существенно выше, чем в случаях травмирования герминативной зоны (в 3-4 раза) и центральной зоны эпителия (как минимум на порядок). В зимнее время митотическая активность в эпителии хрусталика окуня сохраняется и регенерация эпителия идет так же как и летом. У карпов и пескарей митотическая активность в зимнее время подавлена и регенерация эпителия хрусталика осуществляется за счет миграции клеток эпителия в область травмы.

Изучение состояния хрусталика амфибий с помощью щелевой лампы после нанесения травмы показало, что через 30 минут, так же как и у рыб появляется помутнение на переднем полюсе хрусталика, и в ряде случаев наблюдаются изменения в области заднего шва. Помутнение во всех хрусталиках было однотипным и представляло собой полосы., идущие в разные стороны от переднего шва вдоль травмы.

БИБЛИОТЕКА С.Петербург * 09 33* <" j

Изучение состояния хрусталика через 2 часа после нанесения травмы показало, что помутнение не изменилось по интенсивности и не распространяется на другие части хрусталика. В дальнейшем начинается постепенное восстановление прозрачности хрусталика, и уже через сутки помутнения не наблюдаются. На 4-й день завершаются процессы регенерации травмы, закрывается прорыв в эпителии хрусталика и восстанавливается прозрачность капсулы.

Процессы регенерации хрусталика у рыб и амфибий в целом сходны. У амфибий они запаздывают на 24-30 часов. На заднем полюсе хрусталика на 3-й день после нанесения травмы наблюдается исчерченность около заднего шва, и появляются мелкие вакуоли. На 4-й день исчерченность может смениться сильной вакуолизацией в области заднего шва хрусталика. После 7-го дня дальнейшие изменения прозрачности хрусталика не наблюдаются.

Для нахождения распределения интенсивности рассеяния света помутневшими областями, микрофотографии хрусталиков рыб и амфибий, подвергшихся травмированию, обрабатывались с помощью компьютерной программы LCI. В результате было получено распределение интенсивности рассеяния света хрусталиком в области границы помутнения для различных сроков развития помутнения (рис. 13).

ширина границы помутнения, мкм

Рис. 13. Распределение интенсивности рассеяния света хрусталиком травяной лягушки в области границы помутнения при травме.

Анализ полученных данных показывает, что в течение первых двух часов после нанесения травмы относительное изменение интенсивности рассеяния света в области границы помутнения увеличивается. Также происходит увеличение ширины границы помутнения хрусталика. Затем начинается процесс восстановления прозрачности хрусталика, который характеризуется постепенным уменьшением относительного изменения интенсивности рассеяния света в области границы помутнения.

Таким образом, процессы развития помутнения и регенерации хрусталика при травматизации у рыб и амфибий протекают сходным образом. Основное л

различие заключается в том, что у амфибий процессы регенерации длятся примерно на сутки больше. У рыб и амфибий различается форма помутнений: у рыб помутнение имеет, как правило, овальную форму; у амфибий помутнение во всех случаях было однотипным и представляло собой полосы, идущие в разные стороны от переднего шва вдоль волокон от места нанесения травмы. Подобное различие, по-видимому, обусловлено различиями пространственной структуры, образуемой волокнами хрусталика в области переднего шва. Изменения, наблюдаемые в ряде случаев в области заднего полюса хрусталика, выражаются в появлении мозаичности в области заднего шва и часто сопровождаются вакуолизацией. В целом картина изменений в области заднего шва сходна с той, которая наблюдается при воздействии на хрусталик амфибий лазерного излучения.

5.2. Рефракционные свойства хрусталика гидробионтов

Сферическая аберрация хрусталика рыб

Исследования рефракционных свойств хрусталиков рыб, проводившиеся методом трассировки лазерного луча, позволили найти зависимость индекса Маттиессена М{И) (отношения фокусного расстояния к радиусу хрусталика) от величины относительного смещения Ь входного луча от главной оптической оси (относительное смещение к является отношением величины абсолютного смещения входного луча, параллельного главной оптической оси к радиусу хрусталика) (рис. 14). На основе полученных значений индекса Маттиессена была найдена величина продольной сферической аберрации (Ландсберг, 2003) как отношение разности максимального и минимального значений индекса Маттиессена АМ= А/пих-Мтщ к значению главного максимума М0 (табл. 4).

Таблица 4

Рефракционные характеристики хрусталика некоторых видов рыб

Вид Индекс Маттиессена (М) Продольная

Mnm Мгж сферическая аберрация (о)

Карп (Cyprinus carpió)

взрослые особи 2,08 ±0,02 2,30 ± 0,02 9,57 %

молодь 1,67 ±0,04 2,52 ±0,03 33,73 %

Окунь (Perca fluviatilis) 2,15 ± 0,02 2,41 ±0,02 10,79 %

Пескарь (Gobio gobio) 2,09 ±0,03 2,35 ± 0,02 11,06%

Радужная форель (Parasalmo mykiss)

молодь 1,59 ±0,03 2,44 ± 0,03 34,84 %

Хрусталики всех исследованных видов рыб обладают продольной сферической аберрацией, величина которой для взрослых рыб составляет около 10%. Сферическая аберрация хрусталика молоди рыб (карпа и радужной форели) примерно в 3 раза выше, чем у взрослых особей. Во всех рассмотренных случаях наблюдалась положительная сферическая аберрация хрусталика. С ростом величины относительного смещения Н в интервале значений от 0 примерно до 0,4 индекс Маттиессена у взрослых рыб незначительно отличается от максимального значения (рис. 14А). При этом величина продольной сферической аберрации в рассматриваемом интервале изменений А составляет около 1 %. Дальнейший рост И приводит к заметному уменьшению величины индекса Маттиессена, что делает вклад

периферийных лучей в итоговую величину продольной сферической аберрации ведущим. В хрусталиках молоди исследованных видов индекс Маттиессена уменьшается с ростом А во всем интервале изменений относительного смещения. При этом скорость изменения индекса Маттиессена увеличивается с ростом величины относительного смещения А (рис. 14Б).

15 1,6 1,7 1,8 1,0 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5

индекс Маттиессена Л/

Рис. 14. Изменение индекса Маттиессена в зависимости от величины входного смещения луча от оптической оси. А) Карп (Cyprinus carpió); Молодь радужной форели (Parasalmo mylass).

Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб

Исследования пространственного распределения показателя преломления в хрусталике гидробионтов, проведенные с помощью фазового микроскопа "Эйрискан" (рис. 15) позволяют сделать вывод о том, что хрусталик изученных видов рыб оптически неоднородный. Во всех рассмотренных случаях установлено наличие градиента показателя преломления: величина п меняется от периферии к центру хрусталика, достигая максимального значения в ядре (табл. 5).

Плавное монотонное увеличение показателя преломления (в среднем относительно линии тренда) (рис. 16А, 16Б) сопровождается малыми колебания его значения по отношению к скользящему среднему. Изучение локальных изменений величины показателя преломления позволило сделать вывод, что указанные изменения имеют периодический характер, и, по-

видимому, не обусловлены статистическими ошибками измерений, а связаны с морфологическими особенностями хрусталика. Во всех изученных случаях характерный размер локальных неоднородностей составляет в среднем около 7 мкм (от 2 до 12 мкм), что совпадает с характерными размерами сечения волокон хрусталика (рис. 15).

Рис. 15. Хрусталик данио (Brachydanio redo) А) Фазовый портрет, полученный на срезе ядра в области центра ядра с помощью микроскопа Эйрискан-2". Различным оттенкам серого цвета соответствуют различные значения локальной фазы отраженной световой волны. Б) Локальные изменения показателя преломления в районе центра ядра. Линейные размеры рассматриваемой области 84 мкм.

Таблица 5

Предельные значения показателя преломления хрусталика некоторых видов рыб

Вид Показатель преломления (п)

"mm fynax

Карп (Cypnnus carpió) взрослые особи 1,3643 ± 0,0045 1,5514 ±0,0052

Окунь (Perca fluviatilis) 1,3685 ± 0,0039 1,5682 ±0,0048

Данио (Brachydanio rerio) 1,3712 ±0,0051 1,5637 ±0,0059

Радужная форель (Parasalmo mykiss) молодь 1,3561 ±0,0053 1,5339 ±0,0058

В качестве моделей регрессии при анализе данных пространственного распределения показателя преломления (рис. 16А, 16Б) была рассмотрена модель Аугустена-Гарнера (I); модель Поупа-Джонса (II); модель Маттиессена (III); полиномиальная модель (IV) и логистическая модель (V) (табл. 6).

Как видно из результатов регрессионного анализа все исследованные модели удовлетворительно описывают экспериментальные данные (табл. 7). Регрессии, построенные на основе данных моделей значимы (на уровне а = 0,001). Коэффициент детерминации R2, который можно рассматривать как показатель качества уравнения регрессии (Кремер, 2003) во всех случаях мало

отличается от единицы. Данный результат представляется вполне очевидным в силу существования бесконечного числа аналитических функций, неубывающих на конечном интервале изменения аргумента.

Таблица 6

Модели зависимости показателя преломления от радиуса

Источник Уравнение модели

I Augusteyn, 2001; Garner et al., 2001 n(R) = пта + aRz + bR4 + cRb

II Pope, 2004; Jones, Pope, 2004 n(R) = «max + («max ~ «min) R "

га Axelrod et al., 1988; Sands, 1988 n(R) 2 = a - bR2,

IV Бородин, Никифоров-Никишин, 2005 n(R) = «max + aR + bR2 + сД3

V Бородин, Никифоров-Никишин, 2005 n(R) = c[\ +beaKYl

относительное расстояние до центра хрусталика

Рис. 16. Распределение показателя преломления хрусталика вдоль главной

оптической оси от переднего полюса к центру ядра. А) Карп (Cyprinus carpio);

Б) Молодь радужной форели (Parasalmo mykiss).

Если провести формальное сравнение величин коэффициента детерминации (непосредственно зависящего от величины остаточной суммы квадратов отклонений), то рассмотренные модели в порядке убывания R2 можно расположить в ряду IV > V > II > I > III для хрусталика карпа и IV > II > I > V > III для хрусталика радужной форели (табл. 7). Из приведенного сравнения видно, что наилучшие результаты в обоих случаях дает полиномиальная модель IV. Максимальные значения величины остаточной суммы квадратов отклонений, как для карпа, так и для радужной форели достигаются в модели Маттиессена III, что дает снование считать ее наименее удачной. Следует отметить, что однозначный выбор между рассмотренными моделями (за исключением может быть модели Маттиессена) сделать сложно, поэтому необходим дальнейший анализ моделей, который будет проведен ниже в главе 7.

Таблица 7

Результаты регрессионного анализа экспериментальных данных распределения показателя преломления вдоль главной оптической оси от переднего полюса к центру ядра хрусталика рыб

Параметры Модель

I II га IV V

Карп (Сурппш сагрю)

Общая сумма квадратов отклонений от среднего значения 0,5293

Остаточная сумма квадратов отклонений 0,0011 0,0010 0,0077 0,0004 0,0008

Значение ^статистики 31618,634 52481,892 13408,088 79391,210 65090,920

Критическое значение /"-критерия для уровня значимости а = 0,001 Р 0,001,3,196 5,638 Р 0,001,2,197 7,156 Р 0,001,1,198 11,158 Р 0,001,3,196 5,638 Р 0,001,2,197 7,156

Коэффициент детерминации 0,9979 0,9981 0,9854 0,9992 0,9985

Коэффициенты уравнения регрессии

а -0,1181 2,6997 2,4274 -0,0451 3,0643

Ь -0,0184 - 0,5082 0,0626 0,0067

с -0,0513 - - -0,2028 1,5667

Ятах 1,5512 1,5496 - 1,5542 -

- 1,3727 - - -

Радужная форель (РапкаЬпо глупее)

Общая сумма квадратов отклонений от среднего значения 0,4337

Остаточная сумма квадратов отклонений 0,0036 0,0009 0,0239 0,0009 0,0105

Значение /-"-статистики 7754,396 46447,031 3398,517 32597,438 3968,887

Критическое значение /-"-критерия для уровня значимости а = 0,001 ^0,001,3,196 5,638 Р 0,001,2,197 7,156 Р 0,001,1,198 11,158 Р 0,001,3,196 5,638 Р 0,001,2,197 7,156

Коэффициент детерминации (Л^) 0,9916 0,9979 0,9449 0,9980 0,9758

Коэффициенты уравнения регрессии

а -0,0622 3,6647 2,3884 -0,0746 2,9673

Ь -0,0341 - 0,4472 0,2362 0,0067

с -0,0820 - - -0,3373 1,5567

"птах 1,5340 1,5326 - 1,5389 -

^тш - 1,3627 - - -

Таким образом, проведенные исследования пространственного распределения показателя преломления в хрусталике костистых рыб позволяют сделать вывод о том, что данное распределение пространственно неоднородно. Существует градиент показателя преломления в хрусталике. При этом показатель преломления внутренних областей ядра хрусталика заметно превышает показатель преломления внешних слоев коры. Указанная закономерность не является видоспецифичной для исследованных костистых рыб. Более существенными являются возрастные различия в характере распределения показателя преломления, обусловленные изменениями в хрусталике в процессе онтогенеза. Наибольшие различия между максимальным и минимальным значениями показателя преломления наблюдаются у взрослых рыб. При общем плавном характере изменения показателя преломления п во всех рассмотренных случаях отмечаются локальные неоднородности в распределении п(Я), обусловленные особенностями морфологического строения хрусталика.

Глава 6. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике гидробионтов Анализ спектров характеристического рентгеновского излучения

химических элементов проводился в узлах ортогональной решетки с шагом '/256 радиуса хрусталика. Дисперсионный анализ полученных данных (в качестве действующего фактора на 128 уровнях рассматривается расстояние от центра хрусталика) позволяет сделать вывод о том, что для всех изученных видов гидробионтов существуют значимые (на уровне а = 0,001) различия в пространственном распределении химических элементов (табл. 8). Исключение составляет пространственное распределение кислорода в хрусталике карпа и радужной форели, где различия значимы на уровне а = 0,05.

Таблица 8

Результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных пространственного распределения химических элементов в хрусталике гидробионтов

Элемент Кальмар Карп Форель Пелядь Золотая

Значение /-"-статистики

1 О 9,146 - - . 1,349- ......1:431 ■ 5,977 7,377

2 Ыа 7,759 1,525 4,798 5,572 3,197

3 м8 274,876 1287,727 602,695 258,529 278,307

4 Р 23,026 33,652 12,833 17,575 76,001

5 в 69,681 76,423 13,203 82,265 56,181

6 С1 5,310 23,314 5,254 13,586 34,169

7 К 49,397 30,287 33,865 23,584 33,963

8 Са 21,999 2,544 1,859 2,093 11,323

9 Си 284,732 317,881 326,279 310,185 294,107

10 Хп 256,925 288,587 354,554 322,417 314,041

Критическое значение /-"-критерия для соответствующих уровней значимости

а = 0,001

а = 0,05

0.001.127.640 '

1,496

0.05.127.640 -

1,242

Примечание:

Н- влияние значимо на уровне а = 0,001 - влияние значимо на уровне а = 0,05

Распределение кислорода в хрусталике исследованных видов в целом подвержено наименьшим вариациям в сравнении с другими химическими элементами (табл. 8, рис. 17-рис. 19). В тоже время пространственное распределение магния, меди и цинка подвержено наибольшим изменениям в хрусталике. Общим для этих элементов во всех исследованных случаях является их наличие в верхних слоях коры при полном их отсутствии (в пределах чувствительности метода) в более глубоких слоях хрусталика. Как известно (ВаБзпеИ:, 1995; ВееЬе, 2001), в процессе дифференцировки хрусталиковые волокна эпителия теряют клеточные органеллы, что сопровождается редуцированием большинства ферментных систем и существенной перестройкой клеточного метаболизма. Следствием этого является изменение химического состава волокон хрусталика. В хрусталике позвоночных существует резкая граница, шириной в один-два слоя волокон ниже которой вплоть до центра хрусталика простирается так называемая зона, свободная от органелл (ВееЬе, 2001).

Мд

о 120 100 80 60 40 20 О 120 100 80 60 40 20 О 120 100 80 60 40 20 О

400 300 200 100

Г* ^ШНЯН т

1 1 1 ГТТТЧ 1 п

1 1 1 11111 1 1

1 1 1 11111 1 1

I 1 1 11111 1 1

1111 I ГТ1

I I I I I I I 1111 III

I

Са

I

Си

I ВОТТО ГТТ'гЧ 11111111111

120 100 80 60 40 20 О 120 100 80 60 40 20 О 120 100 80 60 40 20 О 120 100 80 60 40 20 О

'Иг.

I Г1 1«М

II м г т шт

II 1111 ГТ1

м ММ1 г I

1 0.8 0,6 0,4 0,2 0 1 0,8 0,6 0,4 0,2 О

относительное расстояние до центра хрусталика относительное расстояние до центра хрусталика

Рис. 17. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике кальмара ^ернЯеиНш кзвошапа).

Следствием этого, по-видимому, является резкое уменьшение содержания (вплоть до полного исчезновения) магния, меди и цинка, выступающих кофактором многих ферментных систем. При этом граница области, в которой регистрируются данные металлы уже в хрусталике взрослых рыб.

Содержание натрия в хрусталике кальмара, а также радужной форели и пеляди уменьшается к центру хрусталика. Содержание калия в хрусталике всех исследованных видов заметно (в несколько раз) уменьшается. При этом соотношение № / К к центру хрусталика растет.

Характерной особенностью для всех изученных видов является увеличение содержания серы к центру хрусталика. Подобный характер распределения серы в хрусталике как показали исследования, характерен как для костистых рыб, так и для головоногих моллюсков. Содержание серы в ядре хрусталика у

взрослых рыб и у кальмара увеличивается примерно в три раза по сравнению с внешними слоями коры хрусталика. У сеголеток радужной форели и двухмесячных особей С. аигайк дЛеНо данное соотношение несколько меньше.

№

150

100 -

50 -

0 -150

100 -

50 -

150

П II П III п

Мд

о 120 100 80 60 40 20 0 150

100

50

т т

л т щи

■ ^

.¿й

11111 \тт\

1 0.8 0,6 0,4 0.2 0 1 0,8 0,6 0,4 0.2 0

относительное расстояние до центра хрусталика относительное расстояние до центра хрусталика

Рис. 18. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике карпа (Сурппив сагрю).

Между пространственным распределением изученных химических элементов в хрусталике карпа и сеголеток радужной форели и пространственным распределением показателя преломления существует значимая (на уровне а = 0,001) корреляция (табл. 9). Исключение составляет распределение кислорода в хрусталике. Для Mg, Р, К, Са, Си и 7лу указанная корреляция, как для хрусталика карпа, так и для хрусталика радужной форели носит обратный характер (выборочный коэффициент корреляции в данных

случаях отрицателен). Прямая корреляционная связь в обоих случаях имеется между пространственным распределением серы и распределением показателя преломления.

150 - „. 150

п I гттттт

ill I I

ill i i

mi I г

II i i i i i

71 Zn

ИГТ1 I I I I I i i i i i i i i i i i i i i i i i

120 100

60 40

20

s

1 0.8 0,6 0,4 0.2 0 1 0.8 0,6 0,4 02 0

относительное расстояние до центра хрусталика относительное расстояние до центра хрусталика

Рис. 19. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике сеголеток радужной форели (Рагаза1то ту^ББ).

Указанная связь является весьма тесной (в обоих случаях г 1). Величина эмпирического корреляционного отношения г\ при этом практически не отличается от соответствующих значений выборочного коэффициента корреляции г, что указывает (Кремер, 2003) на линейный характер корреляции между пространственным распределением серы и показателя преломления в хрусталике карпа и радужной форели.

Таким образом, существует связь между пространственным изменением химического состава хрусталика и распределением показателя преломления в хрусталике рыб. Наиболее высокая степень положительной корреляции

выявлена для пространственного распределения показателя преломления и распределения серы в хрусталике.

Таблица 9

Результаты корреляционного анализа экспериментальных данных пространственного распределения химических элементов и показателя преломления хрусталика карпа (СурппиБ сагрю) и радужной форели (РагаваЬпо тукив)

Элемент Карп Радужная форель

Выборочный /-статистика Выборочный /-статистика

коэффициент корреляции, г коэффициент корреляции,г

1 О 1,030 -0,209 2,400

2 Ыа 0,408 5,012 -0,742 12,434

3 Мй -0,866 19,419 -0,934 29,442

4 Р -0,920 26,331 -0,634 9,210

5 Б 0,985 64,261 0,951 34,364

6 С1 0,660 9,856 -0,777 13,858

7 К -0,958 37,358 -0,799 14,917

8 Са -0,681 10,434 -0,401 4,909

9 Си -0,850 18,130 -0,942 31,443

10 га -0,886 21,396 -0,943 31,743

Критическое значение /-критерия для соответствующих уровней значимости

а = 0,001 а = 0,05

¿0.999.126 3,369

10.95.126 ~ 1,979

Примечание:

I________1 - влияние значимо на уровне а = 0,001

| - влияние значимо на уровне а = 0,05 РИД - влияние не значимо на уровне а = 0,05

Глава 7. Моделирование оптических характеристик хрусталика гидробиотов

Полученные экспериментальные данные по морфологии хрусталика и его оптическим характеристикам легли в основу серии моделей оптических свойств хрусталика гидробионтов.

7.1. Простейшие модели хрусталика гидробионтов

Простейшая модель оптически однородного хрусталика имеет скорее методическую ценность, т. к. изучение пространственного распределения показателя преломления хрусталика выявило наличие его градиента. Отсюда в частности следует, что при изучении оптических характеристик хрусталика неприменимы формулы геометрической оптики, а также неоправданно использование простых моделей оптически-однородного хрусталика. Возникает необходимость построения более сложных моделей, учитывающих оптическую неоднородность хрусталика. Однако работа над моделью оптически однородного хрусталика была важным этапом исследования, в рамках которого были созданы основные базовые классы модели и ее общая программная структура.

Анализ строения глаза рыб показывает, что данная оптическая система, имеет большое входное отверстие зрачка, радиус которого может составлять до 90 % радиуса хрусталика. В условиях малой освещенности это необходимо для обеспечения прохождения максимального светового потока к сетчатке

глаза. Для подобных оптических систем формулы геометрической оптики применимы только для случая параксиальных (мало отклоняющихся от главной оптической оси) лучей. Можно показать (Бородин, 1989), что для оптически-однородного сферического хрусталика зависимость Л/( h) индекса Матгиессена от величины h относительного смещения входного луча от главной оптической оси описывается формулой:

M(h) = h [sin 2(arcsin(A) - arcsin(A и^"1 )J , (47)

где: Л/( h) - индекс Маттиессена (отношения фокусного расстояния к радиусу хрусталика); h - относительное смещение входного луча от главной оптической оси (отношение величины абсолютного смещения входного луча, параллельного главной оптической оси к радиусу хрусталика); погн -относительный показатель преломления (отношение абсолютного показателя преломления вещества хрусталика к абсолютному показателю преломления внешней среды).

Рассматриваемая задача эквивалентна задаче построения изображения бесконечно удаленного точечного источника света. На рисунке (рис. 20) представлены зависимости M{h), полученные на основе (47) для различных значений показателя преломления п (показатель преломления внешней среды принят равным щ = 1,332, что соответствует показателю преломления воды).

1 12

i i

1 i 08

I | 0.6

¡I0'4

I 6 ол

1 0,0

Mm

мт

h

п = 1,65 : л = 1,60 п = 1,55 , \ >

0,5

tí 2 га з

кодекс Маттиессена

за

А

м

Рис. 20. Зависимость индекса Маттиессена от величины относительного отклонения входного луча для оптически-однородного сферического хрусталика при различных значениях показателя преломления.

С уменьшением показателя преломления оптически-однородного сферического хрусталика увеличивается разность АМ между максимальным и минимальным значениями индекса Маттиессена, которая характеризует величину продольной сферической аберрации хрусталика. Минимальная сферическая аберрация а в рассмотренных случаях составляет около 36 % для и =1,65. При и = 1,55, что примерно соответствует полученному экспериментально значению показателю преломления в ядре хрусталика карпа (и = 1,5514), величина продольной сферической аберрации составляет более 40 %, в то время как в экспериментах соответствующее значение оказалось равным 9,57 % (табл. 4). Аналогичный результат получен в модельном эксперименте (рис. 21).

На рисунке (рис. 21 А) приведена зависимость М(К) при и =1,60; на рисунке (рис. 21 Б) - плотность распределения ДМ) полученных значений М{Н) по главной оптической оси хрусталика (для нахождения плотности распределения данные группировались в классовые интервалы величиной

0,01). Очевидно, что главная мода А/о распределения ДМ) соответствует точке (в рассматриваемом случае интервалу длиной 0,01 радиуса хрусталика) на оптической оси хрусталика, на который приходится большая часть преломленных хрусталиком лучей, что естественным образом позволяет отождествить эту точку (интервал) с главным фокусом хрусталика.

*** та*

ез

11

0,8 0.6 0,4 0,2 0,0 10%

И

\ \ ^

0%

ЯМ)

-1,5

-0,5

Цццшншщ

2 2,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттнессена М

Рис. 21. Результаты модельного эксперимента для оптически-однородного сферического хрусталика, п = 1,60: мтт = 1,854; Мт„ = 2,985; М0 = 2,980; <7=37,95 %.

В модели двухкомпонентного сферического хрусталика предполагалось, что его ядро и кора сферические, концентрические, оптически однородные и имеют постоянные значения показателя преломления (в общем случае отличающиеся друг от друга) (рис. 22).

« . „ Л/|Ып Л^ми

х 1,2 --'- -

£ : а

I 8 1,0

II °'8

а °'6

11 °'4

16 0,2

I 0,0

° 10%

к

Л

0%

ДМ)

, I II11||||||||[|||

и

111111,ищц|

-1,5

-1

-0,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 22. Результаты модельного эксперимента для двухкомпонентного сферического хрусталика. Диаметр ядра ¿ = 0,6; и, = 1,55; п2 = 1,65; Мгап = 1,047; Мтак = 2,721; М0 = 2,180; ст = 76,80 %.

В частности если показатель преломления коры п\ равен 1,55, а ядра - 1,65, величина продольной сферической аберрации а составляет более 76 %, что

заметно превышает соответствующие значения для оптически-однородного сферического хрусталика, как при я = 1,65 (сг = 36,16 %) так и при и = 1,55 (<т = 40,17%).

Таким образом, простейшие модели: модель рдтически-однородного сферического хрусталика и модель двухкомпонентного сферического хрусталика не дают адекватного описания экспериментальных данных и нуждаются в существенной корректировке.

7.2. модель концентрических оболочек

Следующим этапом развития модели явилась реализация структуры сферических концентрических оболочек (слоев) хрусталика. Каждому слою сопоставлено определенное значение показателя преломления, предварительно табулированное, либо заданное аналитической функцией. Количество слоев может быть любым целым числом; по умолчанию данная величина принимается равной 1000. В основе реализованного в модели алгоритма расчета хода луча лежит математическая модель общего вида:

RARj + 2a,R* +а0) =0

(J^-Ä^xr^O

Г, *N, = П<шЧГ,-1* N,

ri ri-\ xNj=0

где квадратная матрица А„ вектор-строка а, и скаляр а0, характеризуют поверхность второго порядка, соответствующую г'-му слою; R, и R,T - вектор-строка и вектор-столбец, соответствующие точке Р, вхождения луча в г'-й слой; R, - радиус-вектор точки Р,\ г, - единичный вектор луча в г'-м слое; N, -единичный вектор нормали к поверхности, задающей г'-й слой в точке Р,; Пат, - относительный показатель преломления г-1-ro и г'-го слоев.

В системе (48) первое уравнение представляет собой уравнение поверхности второго порядка, задающей г'-й слой; второе уравнение -уравнение луча; третье уравнение - закон Снеллиуса (Снелла) в векторной форме; последнее уравнение системы - условие компланарности соответствующих векторов.

В качестве модельного распределения показателя преломления рассмотрим обсуждавшиеся выше модельные зависимости Аугустена-Гарнера, Поупа-Джонса, Маттиессена, а также полиномиальную и логистическую зависимость, приведенные в таблице 6. В качестве коэффициентов указанных моделей используем результаты регрессионного анализа (табл. 7). Результаты соответствующих модельных экспериментов приведены на рисунках (рис. 23 - рис. 27).

Дальнейший сравнительный анализ экспериментальных данных (рис. 14) и результатов модельных экспериментов (рис. 23 - рис. 27) показывает (табл. 10), что в наименьшей степени экспериментальным данным распределения M(Jt) отвечают результаты моделей III и V. Это подтверждает и качественный анализ. Для модельного распределения показателя преломления Маттиессена (модель III, рис. 25) размах вариации индекса Маттиессена AM находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными (табл. 4). Однако при этом модельная зависимость M(h) качественно отличается от полученной экспериментально: в рассматриваемом случае хрусталик имеет отрицательную продольную сферическую аберрацию

(фокусное расстояние для периферийных лучей превышает соответствующие значения для параксиальных лучей и увеличивается с ростом И).

Таблица 10

Результаты сравнительного анализа экспериментальных данных и данных модельных экспериментов

Параметры Модель

I I И I III 1 IV I V

Индекс Матгиессена (М)'

Сумма квадратов отклонений данных модельных экспериментов от экспериментальных данных 0,0005 0,2703 0,9742 0,2198 0,3506

Показатель преломления (п)"

Сумма квадратов отклонений модельных значений показателя преломления от экспериментальных данных 0,0011 0,0010 0,0077 0,0004 0,0008

Данные группировались в классовые интервалы величиной 0,01, вычислялись средние значения для классовых интервалов, и на основе этих результатов находилась сумма квадратов отклонений данных модельных экспериментов от экспериментальных .. данных.

Данные для показателя преломления приводятся в соответствии с таблицей 7.

i 1'2а !§1'0

ii °-8 I ё 0,6 в | 0.4

| е о-2

1 0,0

20%Б 10% 0%

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 23. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I). ида= 1.3634; лтах= 1,5512; Мтт = 2,077; Л/фах = 2,293; М0 = 2,280; (Т = 9,45 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,1181; Ъ = -0,0184; с = -0,0513.

Наилучшее совпадение с экспериментальными данными дает модельное распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I, рис. 23, табл. 10). Результаты, полученные для модельного распределения показателя преломления Поупа-Джонса (модель II, рис. 24) и полиномиального распределения (модель IV, рис. 26) в целом следует признать неудовлетворительными. Для данных моделей, а также для модели V характерны высокие значения продольной сферической аберрации (около 20 %), и что наиболее существенно, величина продольной сферической аберрации велика для параксиальных лучей. Отсюда в частности следует, что

подобные оптические системы будут иметь неудовлетворительное качество в случае относительно малых размеров входного зрачка.

е g

1.2 1,0

ф "

Ii

1108 0,6

0,4

1 0,2

0,0

20%

10%

0%

а /щиг / Щш i П.'/ 1 .li'hl ((/', д \

im luhu

-1,5

-05

0 05 1 15 2 25 3

кодекс Маттмессена м

Рис. 24. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Поупа-Джонса (модель II). Птт= 1,3727; «тах = 1,5496; М„и„ = 2,102; М^ = 2,477; М0 = 2,130; <х = 17,59 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а = 2,6997.

1.2

л/min

мя

В i П

g s 0,6

1 iw

i & 0.2

I 0,0 10%

0%

¡ч.иин^ши//-. чЛ U ! 1 ' ! t' 11 . и i > U | I ■

/т i

-15

-1

-0,5

0 05 1 15 2 25 3 индекс Маттмессена М

Рис. 25. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Маттиессена (модель III). ия = 1,3854; nmix = 1,5580; Мтт = 2,077; Мпах = 2,326; Mo = 2,090; а= 11,89 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а = 2,4274; 6 = 0,5082.

Аналогичные результаты были получены для хрусталика молоди радужной форели. Также как и для хрусталика карпа, наиболее адекватное описание экспериментальных данных достигается при использовании модельного распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I, рис. 28).

S 8

1,2 1,0

il 08

I | 0,6

É | 0,4

^ S 0,2 8 °

I 0,0 10%

мт ¡„

M„

0%

А \ i

„iJ

-1,5

-0,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

ицдекс Маттиессена М

Рис. 26. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Полиномиальное распределение показателя преломления (модель IV). птт= 1,3689; птгх = 1,5542; Мт„= 1,869; мтп = 2,345; Л/о = 2,330; <г = 20,43 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,0451; ¿> = 0,0626; с = -0,2028.

а. i

i? л £ с Ё

S ®

1,2 1,0 0,8 0,6 -0,4 0,2 0,0 20%

м„

10%

0%

1 1 1 1 1- а- v¥n ^Jí^NN^ \ - х лд \ \ , 1 л.м.^'и!;.', .1 3

/т 2

-1,5

-0Í

1,5

2,5

3

м

О 0^ 1

индекс Маттиессена

Рис. 27. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Логистическое распределение показателя преломления (модель V). пт = 1.3706; птзх = 1,5563; Mmin = 1,874; Мтх = 2,265; М0 = 2,250; а = 17,39 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а - ~ Ъ = 0,0067; с = 1,5667.

■■ 3,0643;

Таким образом, рефракционные свойства хрусталика карпа и радужной форели в рамках модели сферических концентрических оболочек наиболее адекватно описывает модельное распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I). Модель Маттиессена (модель III) по-видимому, может быть успешно использована для рыб, хрусталик которых имеет отрицательную продольную сферическую аберрацию. Следует отметить, что во всех исследованных случаях кривые распределений показателя преломления лежат достаточно "тесно" в рассматриваемом диапазоне (табл. 10). При этом результаты рефракции хрусталика

существенно зависят от конкретного вида распределения показателя преломления. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о высокой чувствительности рефракционных характеристик хрусталика к малым изменениям распределения показателя преломления. На наш взгляд, это обстоятельство необходимо учитывать при создании однокомпонентных оптических систем с градиентом показателя преломления.

ф _ Мш\п мтах

i Vh--:-:- а

al0,8 /Г х : "х :

¡ge. \ i N :

Iь J \

20% -- с

ЯМ)

10% '.

0% _,_,__,_,_ :.ji-jjiTi_iji.«M_

-1 -05 О 0.5 1 15 2 25 3 индекс Маттиессеиа М

Рис. 28. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I). л™„= 1,3557; «мх = 1,5340; Мтт = 1,589; Л/1ШХ = 2,436; М0 = 2,430; <7=34,82%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = —0,0622: Ъ = -0,0341; с = -0,0820.

Рассмотрим более детально характер изменения распределения M(h) в зависимости от вида распределения показателя n(R). В качестве модельного распределения показателя преломления возьмем логистическое распределение (модель V). Изменяя параметры модели, будем менять кривизну K(R) распределения rt(R) при фиксированных максимальном и минимальном значениях показателя преломления (рис. 29).

1,60 -

к

Í 155 -•

I 1,50 ■ i

с 1,45л с

I 1.40 -

п «

g 1,35 -

1,30 -

0 200 400 600 800 1000

номер слоя

Рис. 29. Логистическое распределение показателя преломления (модель V) при различных значениях параметров. 1. А"тах = 0,229; KCD = 0,179 (рис.31); 2. «тах = 0,946; Кср = 0,456 (рис. 27); 3. Kmíx = 3,028; Л"ср = 0,885 (рис. 30).

h ,> /V-v-/ 1 ' í / v '' х Г ' ' 1 Ч. X Л

ДМ) ■jijjuu^iá

При больших значениях максимальной К„„ и средней Кср кривизны распределения показателя преломления п(Я), хрусталик обладает положительной продольной сферической аберрацией (рис. 30), и характер распределения М(К) становится близок к таковому у однородного хрусталика (рис.21). При малых значениях максимальной Л*гшх и средней Кср кривизны распределения показателя преломления п(К) (при этом п(Я) почти линейно уменьшается от центра к периферии), продольная сферическая аберрация хрусталика становится отрицательной (рис.31). В обоих случаях величина продольной сферической аберрации а велика и превышает 40 %.

Ф ^ М туп М щаж

| • ТТ 1 П а

Ц

I | 0,4

1 5 °.2

1 0,0 10%

h Шё'Щ hit,!1!! .hi/ (iff - - \ \ v*,^4 \ л л A ^"V,4 V> I'M \ : \ : N

f(M) -,-,-^J iiiiiiiiiiiiiinMiiiiiiiliaiiiiuj

-1,5

-0,5

1,5

2J5

3

M

0,5 1

индекс Маттиессена

Рис. 30. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Логистическое распределение показателя преломления (модель V). пща = 1,3706; итах = 1,5563; Мтш = 1,668; Мтах =_ 2^947;

liUVJlVJlVlJlVnr^ I IVIVJ/Д,^ J ID V I. »<nun

Mo = 2,940; <x = 43,49%. Ko

<x = 43,49%. Коэффициенты уравнения регрессии: b = 0,0001; с = 1,5564. Кривизна: Kmin = 3,028; Кср = 0,885.

: 7,il81;

Была решена обратная задача: задача нахождения распределения показателя преломления n(R), минимизирующего продольную сферическую аберрацию. Наилучшие результаты были получены для модельного распределения n(R) Аугустена-Гарнера (модель I) (рис. 32). При этом величина продольной сферической аберрации а составила около 2 %. Таким образом, показана принципиальная возможность создания однокомпонентной короткофокусной оптической системы на основе сферической линзы с неоднородным показателем преломления, с большим отверстием входного зрачка, с исправленной продольной сферической аберрацией.

Во многих из рассмотренных выше случаев плотность распределения J{M) помимо главного максимума, соответствующего главной моде распределения М0, имеет несколько локальных максимумов, т. е. распределение индекса Маттиессена является мультимодальным. Это соответствует тому, что хрусталик с подобными характеристиками будет мультифокальным. В ряде работ указывается на наличие мультифокальности (би- и трифокальности) хрусталика у некоторых видов рыб, в частности у цихлид (Cichlidae) и некоторых видов Cottocomephoridae (Wagner, 1999; Gislen, Kroeger, 2002; Malkki et al., 2003; Gislen, 2004; Malkki, Kroger, 2004).

О 0,5 1 1.5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 31. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Логистическое распределение показателя преломления (модель V). пт¡„ = К3706; л™ = 1,5563; Мтт = 1,191; М^ = 2,915; М0 = 2,720; <т = 63,37%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = 1,2798; Ь = 0,0551; с = 1,6420. Кривизна: Kmin = 0,229; KCf = 0,179.

X 1.2

fl 10 8 S о.б

0,0 40%

Wmln Мщ

й

- Мфг- 1

it

i i >J'J J !'///;■

30% 20% -10% 0%

AM)

-15

-05

0 05 1 15 2 25 3

индекс Маттиессена М

Рис. 32. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель П. пщп = 1,3687; «тах = 1,5516; Мтт = 2,177; = 2,226; М0 = 2,210; а = 2,19 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,1353; 6 = -0,0206; с = -0,0270.

На рисунке 33 приведен пример выраженного бимодального распределения индекса Маттиессена. В рассматриваемом случае, полученном для полиномиального распределения показателя преломления (модель IV), главный максимум распределения равен Мо = 2,340 и соответствует преимущественно периферийным лучам, второй максимум составляет М\ = 2,420. Как будет показано ниже, мультифокальность хрусталика может способствовать коррекции хроматической аберрации.

-1.5 -1 -0 ¡5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 33. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Полиномиальное распределение показателя преломления (модель IV). птт= 1,3644; итах = 1,5350; Мтш = 2,131; Мтах = 2,429; М0 = 2,340; М, = 2,420; а =12,75%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,0233; Ь = -0,0151; с = —0,1321.

13. Модель трехмерных асферических оболочек

Существенным ограничением модели концентрических оболочек явилось ее псевдотрехмерность, т. к. в неявном виде данная модель предполагает сферическую и, как следствие, аксиальную симметрию хрусталика. Дальнейшим этапом развития модели явилась реализация структуры асферических оболочек. Данная модель позволила эмулировать близкий к эллиптическому хрусталик брюхоногих моллюсков и амфибий, а также позволила рассмотреть случаи нарушения внутренней геометрии хрусталика, в частности эффекты, возникающие при смещении ядра хрусталика рыб.

Рассмотрим рефракционные свойства хрусталика рыб со смещенным ядром. Будем полагать, что в исходном случае распределение показателя преломления хрусталика соответствует модели I и хрусталик обладает положительной продольной сферической аберрацией (рис. 23). При смещении ядра в сторону переднего полюса вдоль главной оптической оси хрусталика на 0,1755 радиуса главный максимум распределения сдвигается в направлении смещения ядра на 0,11 радиуса хрусталика. Величина продольной сферической аберрации при этом существенно уменьшается и составляет около 3 % (рис. 34), что очень близко к "идеальному" случаю (рис. 32). Если смещение ядра хрусталика к переднему полюсу сопровождается смещением в дорсальном направлении, рефракционные характеристики хрусталика резко ухудшаются (рис. 35). При этом для некоторых значений h, индекс Маттиессена M(h) принимает отрицательные значения, что соответствует наличию мнимого фокуса и рассеянию луча. Если в исходном (несмещенном) случае хрусталик обладает отрицательной продольной сферической аберрацией (модель III, рис. 25), то смещение ядра в сторону заднего полюса вдоль главной оптической оси хрусталика также будет приводить к уменьшению продольной сферической аберрации (рис. 36).

I

I -И

1,2 1,0 0,8 0.6 : 0,4 5 02 0,0 40% 30% 20% 10% 0%

л/„

мт

а /С^У-: ш ( ' 4 ^ \ ^ М 1 = 1 ], | и 11 11 ,1 : 5

/№ , , ,

-15

-1

-05

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 34. Результаты модельного эксперимента для модели асферических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I). Ядро хрусталика смещено к переднему полюсу на 0,1755 радиуса. пт= 1 3634; итах= 1,5512; Мтт = 2,120; А/™. = 2,180; М0 = 2,170; 0 0513 Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,1181; 6 = -0,0184; с = -

1.2

1.0

0,8

1 0,6 I *

5 8 0,4

и <х

8. I 0,2

I ? 0.0

л 5

I 5 °'2

I6 0,4 § 0,6 0,8 1,0 1.2 10%

й Щ///-,<>■- -¡Щ • /11 I! 1 1 < •1 ' ( >,' "V ЧЛ \ ./.,' 1 1' :'!!■ •

т|Ц1>\\нчЧ\>-- ^¡¡1 ''У/Н})' '''¡и [ "........ щМ X,

0%

гт

> 1 " 1 .......[111Ш1|Ц|^|11Л1Чи1ии<111111

-1,5

-1

-0.5

О 0.5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 35. Результаты модельного эксперимента для модели асферических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I). Ядро хрусталика смещено к переднему полюсу на 0,1755 радиуса и в дорсальном направлении на 0,0780 радиуса хрусталика, и,™ = 1,3634: п = 1,5512; Мт;„ =-86,441; А/«, = 15,337; Ма = 1.970; (7=5166,37%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,1181; ¿ = -0,0184; с = -0,0513.

b ö

«о ".в a к

| S 0,6

i | 0,4

fs 0.2 §

20% 10% 0%

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

индекс Матпюссена M

Рис. 36. Результаты модельного эксперимента для модели асферических

оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления

Матгиессена (модель III). Ядро хрусталика смещено к заднему полюсу на

0,1755 радиуса. итш= 1,3854; Пгшх= 1,5580; Мтт = 2,198; Л/тах = 2 270;

Л/о = 2,240; <г=3,20%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = 2,4274;

Ь = 0,5082.

Таким образом, сдвиг ядра к переднему полюсу хрусталика "исправляет" положительную, а сдвиг к заднему полюсу - отрицательную продольную сферическую аберрацию. В первом случае фокусное расстояние хрусталика уменьшается и, соответственно, увеличивается во втором случае. Однако при этом существенно ухудшается качество изображения точечных источников света, лежащих вне главной оптической оси хрусталика. В целом нарушение внутренней геометрии хрусталика приводит к ухудшению его оптических характеристик.

Рассмотрим влияние локальных неоднородностей распределения показателя преломления n(R) на рефракционные свойства хрусталика. В качестве модельного распределения показателя преломления используем распределение из примера на рисунке 32 с локальным минимумом в области границы ядра (рис. 37).

Подобная ситуация может возникать в случае отслоения коры хрусталика. Как известно, если световая волна из оптически более плотной среды падает на границу раздела с менее плотной средой, то при углах падения, превышающих некоторое критическое значение а,ф, будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения (Ландсберг, 2003).

На рисунке 38 приведены результаты соответствующего модельного эксперимента и изображен ход луча при h = 0,6674. В рассматриваемом случае, несмотря на расходимость части лучей, 95 % значений индекса Маттиессена, формирующих распределение j[M) попадают в узкий интервал в окрестности главной моды распределения, соответствующий двухпроцентной продольной сферической аберрации. Таким образом, подобные локальные неоднородности распределения показателя преломления в целом незначительно ухудшают рефракционные свойства хрусталика. При этом поверхность неоднородности будет отчетливо видна как, например, на рисунке 10А.

I i;

,35 ■

1,30 ■

200

400 600

номер слоя

800

Рис. 37. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I) с аномалией в районе поверхности ядра хрусталика.

5 8

&1

| ф 0,6

¡I0'

I 6 0,2

I 0,0

30%

0%

h 55N. . Л

/ //'(féyZ- Г>' V /•/ ^ г / / //>' 1 ' 1 ¡1 ^ 1

' ' ' ' ' '

ДМ) 1

-1,5

-1

-Oí

0 Oí 1 1,5 2 2,5 3

индекс Маттиессена М

Рис. 38. Результаты модельного эксперимента для модели концентрических оболочек. Хрусталик рыб. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I) с аномалией в районе поверхности ядра хрусталика, «iran = > ,3687; ита*= 1,5516; M<¡ = 2,210. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,Í353; b = -0,0206; с = -0,0270.

Как известно (Матвеев, 1985; Ландсберг, 2003) хроматическая аберрация в оптических системах возникает вследствие дисперсии света, обусловленной зависимостью показателя преломления от длины световой волны: п = п(Х). В прозрачных неокрашенных средах, вдали от линий поглощения показатель преломления п(Х) растет с уменьшением длины волны (нормальная дисперсия). В большинстве случаев при указанных выше условиях характер зависимости п{Х) с достаточной точностью описывается (в видимой части спектра) формулой Коши (Ландсберг, 2003):

-2i

1 = 0

где Ь, - коэффициенты, зависящие от характеристик среды.

Анализ, проведенный на основе случая минимизированного значения продольной сферической аберрации (рис. 32) показал, что с уменьшением длины волны фокусное расстояние хрусталика уменьшается и продольная сферическая аберрация становится положительной. При этом положение главного максимума распределения ДМ) мало отличается от величины Л/тах (рис. 39). Напротив, с ростом длины волны (что соответствует сдвигу в красную область спектра) продольная сферическая аберрация становится отрицательной. Отметим, что при выраженной нелинейной зависимости Мтт и Мтах от длины волны Я, значение главной моды М0 меняется практически линейно.

Рис. 39. Изменение параметров распределения ДМ) (размаха вариации

ДМ = Мщах - Мтт и главной моды М0) при изменении длины волны света Л.

В рассмотренном выше случае бимодального распределенияДМ) (рис. 33) левый максимум соответствует главной моде распределения М0. При уменьшении длины волны (что соответствует сдвигу в синюю область спектра) оба максимума распределения сдвигаются влево (рис. 40) в сторону уменьшения значений М. При этом структура бимодального распределения ДМ) меняется таким образом, что уже правый максимум становится главным. Таким образом, в рассмотренном примере при уменьшении длины волны света положение главного максимума распределения ДМ), соответствующего максимуму интенсивности на главной оптической оси и положению фокальной плоскости остается неизменным. По-видимому, подобный механизм в мультифокальном хрусталике способствует коррекции (по крайней мере, частичной) хроматической аберрации.

Во всех рассмотренных выше случаях исследовалась рефракция параллельного пучка света от бесконечно удаленного точечного источника. Рассмотрим изменение рефракционных характеристик сферического хрусталика в зависимости от расстояния до точечного источника, лежащего на главной оптической оси на конечном расстоянии от хрусталика и связанный с этим вопрос аккомодации. Рассмотрение проведем на основе случая минимизированного значения продольной сферической аберрации (рис. 32). Изменяя относительное расстояние Ь до точечного источника света в пределах от 0 до 105 радиусов хрусталика найдем в каждом случае величину относительного смещения хрусталика АЬ вдоль главной оптической оси, необходимую для того, что положение главной моды распределения ДМ) оставалось неизменным. На расстояниях до точечного источника, превышающих 1000 радиусов хрусталика, значимых различий в характере

рефракции хрусталика не наблюдается. На меньших расстояниях начинает расти величина АЬ сдвига хрусталика вдоль главной оптической оси в сторону от фокальной плоскости, необходимого для компенсации приближения точечного источника (рис. 41 А). По мере уменьшения расстояния до точечного источника растет также величина продольной сферической аберрации, пропорциональной размаху вариации АЛ/ = Л/|Ш1Х -Мил распределения ДА/) (рис. 41Б), достигая 3,87 % при £ = ЮЛ (на бесконечности продольная сферическая аберрация составляет 2,19 %).

20%

20%

0%

1,5 -1 -0,5 0,5 1 1,5 2 1 1 2,5 1 3

ДМ) и

-1.5

-0,5

0,5

1

1,5

2,5

3

индекс Маттиессена М

Рис. 40. Изменение характера распределения ДА/) при изменении длины волны света Я. А) Я = Я<>; Б) Я = Ло - ЛЯ.

юоооо

МтЫ

л/в м«

0,00

0,60

2,15 2,20

индекс Маттиессена

2,25

относительное смещение хрусталика в направлении от фокальной плоскости

Рис. 41. А) Зависимость относительного смещения хрусталика при изменении относительного расстояния до точечного источника света. Б) Изменение параметров распределения ДА/) (размаха вариации ДМ = Мтзх - М,тп) при изменении относительного расстояния до точечного источника света.

Таким образом, у рыб, на расстояниях до точечного источника, меньших 1000 радиусов хрусталика, с уменьшением расстояния растет величина сдвига хрусталика (обусловленного аккомодацией) вдоль главной оптической оси в сторону от фокальной плоскости. При этом растет величина продольной сферической аберрации.

Анализ фотографий срезов глаза прудовика большого (Limnaea stagnalis) и ампуллярии (Ampullaria sp.) с помощью созданной нами программы LCI выявил пространственную неоднородность в окрашивании препаратов толуидиновым синим, соответствующую неоднородности распределения белков хрусталика (рис. 42). Показано, что плотность белков хрусталика (в первую очередь у-кристаллинов) коррелирует с величиной показателя преломления (Augusteyn, 1995; Pierscionek, Augusteyn, 1995). На основе этих данных, была создана модель хрусталика брюхоногих моллюсков, в которой хрусталик эмулировался набором неконцентрических эллиптических оболочек.

Рис. 42. Пространственная неоднородность окрашивания полутонких срезов глаза брюхоногих моллюсков толуидиновым синим. А) Прудовик большой (Ытпаеа 51а§г1аНз); Б) Ампуллярия (АтриНапа ер.).

Также как и для случая сферического хрусталика было найдено распределение показателя преломления, минимизирующее продольную сферическую аберрацию. Наилучшие результаты были получены для модельного распределения п(К) Аугустена-Гарнера (модель I), параметры которого приведены на рисунке 43. При этом величина продольной сферической аберрации составила около 4 %, а расстояние от внешней поверхности хрусталика до главной моды распределения - 0,068 малого радиуса хрусталика, принятого равным единице. В случае если максимум пространственного распределения показателя преломления лежит вне главной оптической оси, рефракционные характеристики хрусталика резко ухудшаются. При этом, как и в случае сферического хрусталика со смещенным ядром, для некоторых значений А, индекс Маттиессена М(И) принимает отрицательные значения, что соответствует наличию мнимого фокуса и рассеянию луча (рис. 44).

Для эллиптического хрусталика амфибий, большой диаметр которого перпендикулярен главной оптической оси, распределение показателя преломления, минимизирующее продольную сферическую аберрацию также было найдено на основе модели Аугустена-Гарнера. Величина продольной сферической аберрации в данном случае составила 1,93 %, а значение главной моды распределения ДА/) оказалось равным 3,110 (рис. 45), что примерно на 40 % процентов больше соответствующего значения для сферического хрусталика с минимизированной продольной сферической аберрацией (рис. 32).

Таким образом, асферические (эллиптические) хрусталики брюхоногих моллюсков и амфибий при соответствующем пространственном распределении показателя преломления обладают малой продольной сферической аберрацией во всем диапазоне значений входного зрачка. При этом продольно вытянутый хрусталик брюхоногих является сверхкороткофокусной оптической системой, с вполне удовлетворительными оптическими характеристиками.

М min Л/тах

А

1,2

!3

11 8 i

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 30%

20% 10%

0%

h . ч. \ А

ДМ)

-1,5

-0,5

0,5 1

индекс Маттиессена

модельного эксперимента моллюско (модель I).

1,5

2,5

3

м

Рис. 43. Результаты

оболочек. Хрусталик брюхоногих моллюсков.

для модели асферических Распределение показателя преломления ' Аугустена-Гарнера (модель I). птт = 1,3440; ятах = 1,5640; Мт.п= 1,711; Мгои= 1,778; М0 = 1.770; и = 3,80 %. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0Л 331; Ь = -0,0090; с = -0,0782.

1.2 1,0 0,8

ф

i s °'6

g 8 0,4 и «

3. 8 0,2

1 *

| | 0,2

0,4

I 0,6 0.8 1,0 1,2 20%

10% -

h

f№ ! л— .1 , i_i ii^iiiiiih ifiajl^mbqiiiii iiii* " ■ 1_

-1,5

-0,5

0 0,5 1 1,5

индекс Маттиессена

2,5

3

М

Рис. 44. Результаты модельного эксперимента для модели асферических оболочек. Хрусталик брюхоногих моллюсков. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель I). птт = 1,3440; и „их = 1,5640; М,™, = -156,311; Мтзх= 17,370; М0= 1,790: <х=9702,84%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,1331; Ь = -0,0090; с = -0,0782.

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

кодекс Маттиесеена М

Рис. 45. Результаты модельного эксперимента для модели асферических оболочек. Хрусталик амфибий. Распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера (модель 1). и„1П= 1,3440; итах = 1,5640; Мтт = 3,091; Л/шах = 3,150; Л/0 = 3,110; а =1,93%. Коэффициенты уравнения регрессии: а = -0,1331; Ъ = -0,0090; с = -0,0782.

Таким образом, проведенные исследования позволяют заключить, что созданная модель рефракционных свойств хрусталика гидробионтов вполне удовлетворительно описывает полученные экспериментальные результаты. Анализ полученных многочисленных данных способствовал более полному пониманию сложного процесса формирования хрусталиком гидробионтов оптического изображения. Выявленные закономерности могут быть использованы при решении широкого круга проблем, выходящих за рамки данного исследования, в частности таких, как нахождение оптимальных размеров гранул гранулированных кормов; подбор материалов при проектировании орудий лова; проектирование безаберрационных оптических систем, в том числе искусственных хрусталиков. В заключении отметим, что объектно-ориентированный подход, использованный при создании модели позволяет интегрировать ее в более общую модель глаза гидробионтов и всесторонне исследовать проблему формирования изображения на сетчатке, что, безусловно, будет предметом дальнейших исследований.

Основные выводы

1. Деление клеток в эпителии хрусталика костистых рыб, как в стационарном, так и в нестационарном случаях адекватно описываются пуассоновским потоком событий, параметром которого является митотическая активность. Для больших клеточных популяций, пролиферационная активность которых носит характер пуассоновского стационарного потока событий применимы формулы Квастлера.

2. В общем случае митотический индекс не являются однозначной характеристикой митотической активности клеточной популяции. Для того чтобы митотический индекс и митотическая активность находились в прямой линейной зависимости необходимо, чтобы среднее время пребывания клеток в ана-телофазе не зависело от воздействия внешних факторов.

3. Митотический индекс эпителия хрусталика исследованных видов костистых рыб адекватно характеризует митотическую активность для широкого спектра воздействий.

4. Необходимым условием поддержания хрусталиком рыб сферической формы является следующее: скорость радиального роста хрусталика, зависящая от митотической активности эпителия хрусталика должна быть много меньше скорости линейного роста волокон хрусталика.

5. Распределение показателя преломления в хрусталике костистых рыб пространственно неоднородно. Существует градиент показателя преломления в хрусталике: показатель преломления возрастает от периферии к центру хрусталика. Данная закономерность не является видоспецифичной для костистых рыб. Более существенными являются возрастные различия в характере распределения показателя преломления, обусловленные изменениями в хрусталике в процессе онтогенеза.

6. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб находится в тесной зависимости от пространственного распределения химических элементов. Наиболее высокая степень положительной корреляции выявлена для пространственного распределения показателя преломления и распределения серы в хрусталике костистых рыб.

7. Локальные неоднородности распределения показателя преломления имеют периодический характер и обусловлены особенностями морфологии хрусталика. Локальные неоднородности распределения показателя преломления в целом незначительно ухудшают рефракционные свойства хрусталика.

8. Рефракционные свойства хрусталика карпа и радужной форели наиболее адекватно описывает модельное распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера. Нарушения внутренней геометрии хрусталика рыб, заключающиеся в сдвиге ядра к переднему полюсу хрусталика исправляют положительную, а при сдвиге к заднему полюсу - отрицательную продольную сферическую аберрацию. Однако при этом существенно ухудшается качество изображения точечных источников света, лежащих вне главной оптической оси хрусталика. В целом нарушение внутренней геометрии хрусталика приводит к ухудшению его оптических характеристик.

9. Существует принципиальная возможность создания однокомпонентной короткофокусной оптической системы на основе сферической линзы с неоднородным показателем преломления, с большим отверстием входного зрачка, с низкой продольной сферической аберрацией.

10. Асферические хрусталики брюхоногих моллюсков и амфибий при соответствующем пространственном распределении показателя преломления обладают малой продольной сферической аберрацией во всем диапазоне значений входного зрачка. При этом продольно вытянутый хрусталик

брюхоногих является сверхкороткофокусной оптической системой, с вполне удовлетворительными оптическими характеристиками.

11 .Модель рефракционных свойств хрусталика гидробионтов адекватно описывает полученные экспериментальные результаты. Данная модель позволяет исследовать широкий круг вопросов, связанных с рефракционными характеристиками сферического и эллиптического хрусталика гидробионтов, нарушениями внутренней геометрии хрусталика, сферической и хроматической аберрацией, аккомодацией, влиянием мультифокальности хрусталика на качество формируемого изображения. Объектно-ориентированный подход, использованный при создании модели позволяет интегрировать ее в более общую модель глаза гидробионтов и всесторонне исследовать проблему формирования изображения на сетчатке.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Бородин A.J1. Модель оптически однородного сферического хрусталика // Сб. трудов молодых ученых ВЗИПП. - М.: ВЗИПП, 1989, С. 31-32.

2. Бородин А.Л., Симаков Ю.Г. Оптические характеристики хрусталика гидробионтов // Сб. трудов молодых ученых ВЗИПП. - М.: ВЗИПП, 1993, С. 25-26.

3. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб и головоногих моллюсков // Сб. трудов молодых ученых МГЗИПП. - М.: МГЗИПП, 1997, С. 14-19.

4. Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Изучение совместного воздействия травмы и токсикантов на митотическую активность эпителия хрусталика рыб // Сб. трудов молодых ученых МГЗИПП. - М.: МГЗИПП, 1997, С. 45-46.

5. Симаков Ю.Г., Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Влияние теплового загрязнения на митотическую активность эпителия хрусталика гидробионтов // Сб. трудов молодых ученых МГЗИПП. - М.: МГЗИПП, 1997, С. 20-23.

6. Бородин А.Л., Симаков Ю.Г. Морфогенез клеток эпителия хрусталика в норме и при травматизации // VI Международная научно-практическая конференция "Пищ. пром. на рубеже третьего тысячелетия". Москва, 18-19 апреля 2000 г. - М.: МГТА, 2000, С. 223-224.

7. Бородин А.Л. Воздействие лазерного излучения на хрусталик гидробионтов // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. Вып. I - М.: МГТА, 2001, С. 5659.

8. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Особенности оптического строения хрусталика рыб // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. - М.: ВНИРО, 2001, С. 24-27.

9. Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Оптическая плотность хрусталиков некоторых гидробионтов // VII Международная научно-практическая конференция "Инновационные технологии в пищ. пром. третьего тысячелетия". Москва, 22 марта 2001 г., Т. I, Вып. 6. - М.: МГТА, 2001, С. 2324.

Ю.Бородин А. Л., Никифоров-Никишин А.Л. Рефракционные свойства хрусталика брюхоногих моллюсков // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. - М.: ВНИРО, 2001, С. 27-30.

П.Симаков Ю.Г., Бородин А.Л. Световодные свойства хрустапиковых волокон при лазерном исследовании // Проблемы биовалиотехнологии, №1 - М.: МГТА, 2001, С. 48-54.

12.Никифоров-Никишин А.Л., Горбунов A.B., Бородин А.Л. Перспективы развития малых водоемов Центральной части России // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. - М.: ВНИРО, 2001, С. 52-56.

13.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Горбунов A.B. Изменение элементного состава хрусталика радужной форели под влиянием тяжелых металлов // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 17, - М.: МГТА, 2002, С. 26-34.

14.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Изменения в хрусталике гидробионтов под воздействием когерентного излучения // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. Вып. II - М.: МГТА, 2002, С. 68-72.

15.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. К вопросу о соотношении митотической активности и митотического индекса эпителия хрусталика рыб // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 17, - М.: МГТА, 2002, С. 9-25.

16.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Влияние аномалий в распределении показателя преломления хрусталика гидробионтов на качество формируемого изображения // IX Международная научно-практическая конференция "Стратегия развития пищ. промышленности". Москва, 13-14 мая 2003. - М.: МГТА, 2003, С. 210-214.

17.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Электронно-микроскопические исследования строения хрусталика гидробионтов // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 17, - М.: МГТА, 2002, С. 53-61.

18. Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Влияние умеренно- и слаботоксичных веществ на чувствительные биологические показатели некоторых гидробионтов // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 17, - М.: МГТА, 2002, С. 62-77.

19.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Некоторые аспекты биохимии хрусталика // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. Вып. II - М.: МГТА, 2002, С. 57-68.

20.Симаков Ю.Г., Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Изменение некоторых биологических показателей гидробионтов под влиянием мутагенных соединений // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 17, - М.: МГТА, 2002, С. 35-52.

21 .Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Статистические закономерности митотической активности эпителия хрусталика рыб // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 18, - М.: МГТА, 2003, С. 1932.

22.Симаков Ю.Г., Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Экспериментальные лучевые и травматические катаракты. - М.: МГТА, 2003, 168 с.

23.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Пространственное распределение некоторых химических элементов в хрусталике кальмара И Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 18, - М.: МГТА, 2003, С. 46-52.

24.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Воздействие инфракрасного лазерного излучения на хрусталик гидробионтов // IX Международная

научно-практическая конференция "Стратегия развития пищ. промышленности". Москва, 13-14 мая 2003. - М.: МГТА, 2003, С. 203-207.

25.Бородин A.J1., Горбунов A.B. Особенности формирования хрусталика в процессе индукции у гидробионтов, относящихся к низшим позвоночным // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 18, - М.: МГТА, 2003, С. 16-18.

26.Никифоров-Никишин A.J1., Бородин A.JT., Сотников Ф.И. Анализ чувствительности некоторых биологических показателей гидробионтов к действию трихлорбензола // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 18, - М.: МГТА, 2003, С. 5-15.

27.Симаков Ю.Г., Никифоров-Никишин АЛ., Бородин А.Л. Цитодифференцировка хрусталика и катарактогенные факторы. - М.: ВСХИЗО, 2003,214 с.

28.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Количественная оценка оптических характеристик хрусталика гидробионтов при катарактах различной этиологии // IX Международная научно-практическая конференция "Стратегия развития пищ. промышленности". Москва, 13-14 мая 2003. - М.: МГТА, 2003, С. 207210.

29.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Оценка комплексного воздействия тяжелых металлов на хрусталик радужной форели (Parasaimo mykiss) // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. Вып. 18, - М.: МГТА, 2003, С. 33-45.

30.Borodin A.L., Nikiforov-Nikishin A.L. Influence Cu, Zn, Cd and Pb on mithotic activity of fishes lens epithelium (on example Parasaimo mykiss) // Fresh Water Ecosystems Health and Management, Vol. 2, - Tel-Avive: Hargol, 2004, P. 25-33.

31 .Никифоров-Никишин А.Л., Никифоров-Никишин Д.Л., Симаков Ю.Г., Бородин А.Л. Гистологические и гистохимические особенности строения хрусталика пескаря (Gobio gobio, gobio L.) // Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы иммунологии, патологии и охраны здоровья рыб". Расширенные материалы. Борок, 16-18 июля 2003 г. - М.: 2004, С. 316-322.

32.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Изменение митотической активности в различных зонах цитодифференцировки эпителия хрусталика рыб при травматизации // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 1 - М.: МГУТУ, 2004, С. 4-13.

33.Nikiforov-Nikishin A.L., Borodin A.L. Accumulation of heavy metals by fishes lens // Fresh Water Ecosystems Health and Management, Vol. 2, - Tel-Avive: Hargol, 2004, P. 16-24.

34.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Системная экология. - М.: МГТА, 2004,372 с.

35.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Сотников Ф.И. Сравнительный анализ чувствительности различных биологических показателей гидробионтов к действию эпихлоргидрина // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 1 - М.: МГУТУ, 2004, С. 14-29.

36.Никифоров-Никишин А.Л., Никифоров-Никишин Д.Л., Симаков Ю.Г., Бородин А.Л. Особенности строения хрусталика ротана-головешки, Percottus glehni, Dybowski, 1877 // Всероссийская научно-практическая конференция

"Проблемы иммунологии, патологии и охраны здоровья рыб". Расширенные материалы. Борок, 16-18 июля 2003 г. - М.: 2004, С. 322-331.

37.Никифоров-Никишин A.J1., Бородин А.Л. Хрусталик гидробионтов как тест-объект в водной токсикологии. - М.: МГУТУ, 2004, 145 с.

38.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Построение таблиц многофакторного дисперсионного анализа // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 1 - М.: МГУТУ, 2004, С. 38-52.

39.Borodin A.L., Nikiforov-Nikishin A.L. Fishes lens growth // Fresh Water Ecosystems Health and Management, Vol. 2, - Tel-Avive: Hargol, 2004, P. 57-63.

40.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Методы рыбохозяйственных исследований. - М.: МГУТУ, 2004, 348 с.

41.Никифоров-Никишин А.Л., Симаков Ю.Г., Бородин А.Л. Морфологические и гистологические изменения в хрусталике рыб при диплостомозе // Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы иммунологии, патологии и охраны здоровья рыб". Расширенные материалы. Борок, 16-18 июля 2003 г. - М.: 2004, С. 331-338.

42.Фельдман М.Г., Бородин А.Л. Изучение воздействия НИЛИ на митотическую активность эпителия хрусталика рыб и амфибий // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 1 - М.: МГУТУ, 2004, С. 30-37.

43.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Прикладная экология. - М.: МГУТУ, 2004,92 с.

44.Nikiforov-Nikishin A.L., Borodin A.L. The analysis of sensitivity some biological parameters hidrobionts to influence of pollutants // Fresh Water Ecosystems Health and Management, Vol. 2, - Tel-Avive: Hargol, 2004, P. 34-56.

45.Симаков Ю.Г., Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Ингибиторы клеточной пролиферации в хрусталиках рыб и амфибий // Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы иммунологии, патологии и охраны здоровья рыб". Расширенные материалы. Борок, 16-18 июля 2003 г. -М.: 2004, С. 358-369.

46.Козлов В.А., Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Аквакультура. - М.: МГУТУ, 2004,433 с.

47.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Симаков Ю.Г. Моделирование оптических характеристик хрусталика гидробионтов // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 5 - М.: МГУТУ, 2005, С. 7-16.

48.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Стебельков В.А., Горбунов А.В. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике рыб // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 5 - М.: МГУТУ, 2005, С. 30-38.

49.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Морфология хрусталика низших позвоночных животных (на примере рыб) // II Международная научно-практическая конференция "Проблемы воспроизводства аборигенных видов рыб" - Киев: 2005, С. 59-65.

50.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Модель роста хрусталика рыб // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 5 - М.: МГУТУ, 2005, С. 39-48.

51.Бородин A.J1., Никифоров-Никишин A.JT. Морфология и оптические характеристики хрусталика гидробионтов. - М.: ВСХИЗО, 2005, 138 с.

52.Никифоров-Никишин А.Л., Горбунов A.B., Бородин А.Л. Анализ чувствительности метода митотической активности эпителия хрусталика рыб (на примере монохлорбензола) // II Международная научно-практическая конференция "Проблемы воспроизводства аборигенных видов рыб" - Киев: 2005, С. 123-137.

53.Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л., Фельдман М.Г., Горбунов A.B. Изменение митотической активности хрусталика рыб и амфибий под влиянием биотических и абиотических факторов // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 5 - М.: МГУТУ, 2005, С. 17-29.

54.Симаков Ю.Г., Никифоров-Никишин А.Л., Бородин А.Л. Хрусталик гидробионтов' морфология, биохимия, цитогенетика. - Ростов н/Д: Изд. Рост, ун-та, 2005, 160.

55.Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Горбунов A.B. Связь градиента показателя преломления в хрусталике некоторых гидробионтов с пространственным распределением химических элементов // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология", Вып. 5 - М.: МГУТУ, 2005, С. 49-58.

МГУТУ. Заказ 2842. Тираж 100 экз.

(19 0 49

РНБ Русский фонд

2006-4 17379

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Бородин, Алексей Леонидович

Введение.

Глава 1. Хрусталик гидробионтов: структура и функция.

1.1 Морфология хрусталика низших позвоночных животных.

1.2 Эмбриогенез хрусталика.

1.3 Некоторые аспекты биохимии хрусталика.

1.4 Изменения, происходящие в хрусталике при катарактах различной этиологии.

1.5 Оптические свойства хрусталика.

Глава 2. Объекты и методы исследований.

2.1. Приготовление плоскостных препаратов эпителия хрусталика.

2.2. Подсчет митотического индекса эпителия хрусталика.

2.3. Электронно-микроскопическое исследование хрусталика гидробионтов.

2.4. Исследование влияния токсикантов на пролиферационную активность эпителия хрусталика

2.5. Изучение влияния травмы на пролиферационную активность эпителия хрусталика рыб и амфибий.

2.6. Изучение воздействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения на пролиферационную активность эпителия хрусталика рыб и амфибий.

2.7. Исследования воздействия рентгеновского излучения на пролиферационную активность хрусталика рыб.

2.8. Количественное определение степени помутнения хрусталика гидробионтов.

2.9. Изучение помутнений различной этиологии хрусталика гидробионтов.

2.10. Исследования рефракционных характеристик хрусталика рыб.

2.11. Исследования пространственного распределения показателя преломления хрусталика рыб.

2.12. Исследования химического состава хрусталика гидробионтов.

2.13. Модельные эксперименты.

2.14. Статистическая обработка экспериментального материала.

Глава 3. Некоторые особенности морфологии хрусталика гидробионтов.

Глава 4. Процессы клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб и рост хрусталика.

4.1. Статистические характеристики процессов клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб.

4.1.1. Митотическая активность эпителия.

4.1.2. Численность клеток эпителия.

4.1.3. Митотическая активность и митотический индекс.

4.2. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под влиянием различных факторов.

4.2.1. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под воздействием токсикантов.

4.2.2. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под воздействием травмы и некоторых видов излучений.

4.2.3. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика при совместном воздействии травмы и некоторых факторов.

4.3. Рост хрусталика рыб.

Глава 5. Оптические характеристики хрусталика гидробионтов.

5.1. Изменения прозрачности хрусталика под влиянием различных факторов.

5.1.1. Интактный хрусталик.

5.1.2. Воздействие лазерного излучения на хрусталик амфибий.

5.1.3. Изменение прозрачности хрусталика рыб и амфибий при травматизации.

5.2. Рефракционные свойства хрусталика гидробионтов.

5.2.1. Сферическая аберрация хрусталика рыб.

5.2.2. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб.

Глава 6. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике гидробионтов.

Глава 7. Моделирование оптических характеристик хрусталика гидробионтов.

7.1. Простейшие модели хрусталика гидробионтов.

7.2. Модель концентрических оболочек.

7.3. Модель трехмерных асферических оболочек.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Морфологические и оптические особенности хрусталика гидробионтов"

Зрительной системе гидробионтов принадлежит значительная, а у многих видов - ведущая роль в осуществлении важнейших поведенческих реакций. У большинства видов рыб и головоногих моллюсков зрение является одним из основных дистантных рецепторов. Оптомоторная реакция - врожденная, зрительно-обусловленная форма поведения отчетливо выражена у многих видов рыб (Павлов, 1970; 1979). Уже на самых ранних этапах онтогенеза зрение играет существенную роль в общей ориентации в окружающей среде, являясь доминирующим каналом (Бабурина, 1955; 1961; 1972; Крыжановский, 1959; Протасов, 1957; 19586; 1960; Дислер, 1960; Протасов и др., 1966; Гирса, 1966; 1969; 1981; Павлов и др., 1981; Лукьянов и др., 1984; Павлов, Касумян, 1987).

В водной среде, в силу незначительных различий показателя преломления воды и основных сред глаза рыб, роль линзы, образованной роговицей и влагой передней камеры в значительной мере девальвирована по сравнению с таковой у наземных позвоночных. В силу этого хрусталик гидробионтов играет ведущую роль в формировании изображения на сетчатке глаза (Seltner et al., 1989; Kirschfeld, 1993; Schaeffel et al., 1999). От рефракционных характеристик хрусталика в значительной мере зависит функционирование всей зрительной системы гидробионтов в целом.

Несмотря на значительное количество работ по физиологической оптике, оптические свойства хрусталика гидробионтов исследуются сравнительно редко. Анализ анатомического строения глаза водных животных показывает, что глаз как оптическая система, имеет большое входное отверстие зрачка, что в условиях малой освещенности необходимо для обеспечения прохождения максимального светового потока к сетчатке глаза. Сферический хрусталик ряда рыб и головоногих моллюсков имеет относительно низкую, а в ряде случаев почти исправленную сферическую аберрацию (Gislen, Kroeger, 2002; Gislen, 2004). Как известно (Матвеев,

1985; Ландсберг, 2003), оптически однородные однокомпонентные оптические системы с достаточно простой геометрией не могут обладать подобными высокими оптическими характеристиками в случае, когда диаметр входного зрачка сопоставим с диаметром линзы. В связи с этим значительный интерес представляет установление закономерностей морфологического строения и оптических свойств хрусталика гидробионтов, обуславливающих его высокие оптические характеристики.

Понимание особенностей функционирования оптической системы глаза гидробионтов необходимо для анализа закономерностей в поведении рыб -стайном, защитном, пищевом, иерархическом, миграционном и других типах поведения (Протасов, 1958а; 1962; 1968; Загорулько, 1960; Протасов, Сбикин, 1970; Радаков, 1972; Сбикин, 1974; 1975; Рощупкин, Потапенко, 1977; Легкий, Попова, 1984). Учет этих закономерностей позволит повысить эффективность многих рыбохозяйственных и рыбопромысловых мероприятий. Выявление взаимосвязей между морфологией и оптическими свойствами хрусталика гидробионтов позволило бы найти решение ряда общебиологических проблем, связанных в частности с эволюцией органа зрения, а также некоторых прикладных вопросов водной экологии.

Заключение Диссертация по теме "Гидробиология", Бородин, Алексей Леонидович

Основные выводы

1. Деление клеток в эпителии хрусталика костистых рыб, как в стационарном, так и в нестационарном случаях адекватно описываются пуассоновским потоком событий, параметром которого является митотическая активность. Для больших клеточных популяций, пролиферационная активность которых носит характер пуассоновского стационарного потока событий применимы формулы Квастлера.

2. В общем случае митотический индекс не являются однозначной характеристикой митотичеекой активности клеточной популяции. Для того чтобы митотический индекс и митотическая активность находились в прямой линейной зависимости необходимо, чтобы среднее время пребывания клеток в ана-телофазе не зависело от воздействия внешних факторов.

3. Митотический индекс эпителия хрусталика исследованных видов рыб адекватно характеризует митотическую активность для широкого спектра воздействий.

4. Необходимым условием поддержания хрусталиком рыб сферической формы является следующее: скорость радиального роста хрусталика, зависящая от митотичеекой активности эпителия хрусталика должна быть много меньше скорости линейного роста волокон хрусталика.

5. Распределение показателя преломления в хрусталике костистых рыб пространственно неоднородно. Существует градиент показателя преломления в хрусталике: показатель преломления возрастает от периферии к центру хрусталика. Данная закономерность не является видоспецифичной для костистых рыб. Более существенными являются возрастные различия в характере распределения показателя преломления, обусловленные изменениями в хрусталике в процессе онтогенеза.

6. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб находится в тесной зависимости от пространственного распределения химических элементов. Наиболее высокая степень положительной корреляции выявлена для пространственного распределения показателя преломления и распределения серы в хрусталике костистых рыб.

7. Локальные неоднородности распределения показателя преломления имеют периодический характер и обусловлены особенностями морфологии хрусталика. Локальные неоднородности распределения показателя преломления в целом незначительно ухудшают рефракционные свойства хрусталика.

8. Рефракционные свойства хрусталика карпа и радужной форели наиболее адекватно описывает модельное распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера. Нарушения внутренней геометрии хрусталика рыб, заключающиеся в сдвиге ядра к переднему полюсу хрусталика исправляют положительную, а при сдвиге к заднему полюсу - отрицательную продольную сферическую аберрацию. Однако при этом существенно ухудшается качество изображения точечных источников света, лежащих вне главной оптической оси хрусталика. В целом нарушение внутренней геометрии хрусталика приводит к ухудшению его оптических характеристик.

9. Существует принципиальная возможность создания однокомпонентной короткофокусной оптической системы на основе сферической линзы с неоднородным показателем преломления, с большим отверстием входного зрачка, с низкой продольной сферической аберрацией.

10.Асферические хрусталики брюхоногих моллюсков и амфибий при соответствующем пространственном распределении показателя преломления обладают малой продольной сферической аберрацией во всем диапазоне значений входного зрачка. При этом продольно вытянутый хрусталик брюхоногих является сверхкороткофокусной оптической системой, с вполне удовлетворительными оптическими характеристиками.

11 .Модель рефракционных свойств хрусталика гидробионтов адекватно описывает полученные экспериментальные результаты. Данная модель позволяет исследовать широкий круг вопросов, связанных с рефракционными характеристиками сферического и эллиптического хрусталика гидробионтов, нарушениями внутренней геометрии хрусталика, сферической и хроматической аберрацией, аккомодацией, влиянием мультифокальности хрусталика на качество формируемого изображения. Объектно-ориентированный подход, использованный при создании модели позволяет интегрировать ее в более общую модель глаза гидробионтов и всесторонне исследовать проблему формирования изображения на сетчатке.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Бородин, Алексей Леонидович, Москва

1. Абросимова А.Н., Шафиркин А.В., Федоренко Б.С. Вероятность развития помутнений хрусталика и образования зрелых катаракт при действии излучений с различными значениями ЛПЭ. // Авиакосм, и экол. мед., 2000, т. 3, С. 33-41.

2. Аверкина Р.Ф. Специфические антигены в тканевых зачатках глаза куриных эмбрионов. // Бюлл. экспер. биол. и мед., 1964, т. 58, вып. 11, С. 111-115.

3. Аветисов Э.С. Близорукость. М.: Медицина, 1986, 239 с.

4. Аветисов Э.С. Патология оптических сред глаза. // Моск. НИИ глазных болезней им. Гельмгольца. М.: М. Б., 1989, 20 с.

5. Азнабаев М.Т., Авхадеева С.Р., Азнабаев Р.А., Суркова В.К. Некоторые аспекты изучения наследственных врожденных катаракт. // Новые технологии в офтальмологии., 2000, С. 87-90.

6. Аникин А.В. Морфологическое обоснование индукции хрусталика глазной чашей. // Труды 6-го Всесоюз. Съезда анатомов, гистологов и эмбриологов. Харьков, 1961, т. 1, С. 511-513.

7. Архангельский В.Н. Практическое руководство по патологи отологической технике для офтальмологов. М.: Медгиз, 1957, 110 с.

8. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд. МГУ, 1998, 655 с.

9. Бабурина Е.А. Особенности строения и функции глаз у рыб. // Тр. Совещ. по вопр. повед. и разведки рыб. М.: Изд. АН СССР, 1955, С. 45-49.

10. Бабурина Е.А. Развитие глаз и их функции у литофильных карповых рыб. // Тр. Ин-та морфол. животных АН СССР., 1961, вып. 33, С. 111-150.

11. Бабурина Е.А. Развитие глаз у круглоротых и рыб в связи с экологией. -М.: Наука, 1972, 145 с.

12. Балдин Д., Реффи Д. Динамика разрушения в стеклах, вызванного действием лазерного излучения. М.: Мир, 1968, С. 383-387.

13. Барнс Р., Кдейлоу П., Олив П., Голдинг Д. Беспозвоночные. Новый обобщенный подход. М.: Мир, 1992, 573 с.

14. Бауэр О.Н., Мусселиус В.А., Стрелков Ю.А. Болезни прудовых рыб. -2-е изд., переработ, и доп. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981,320 с.

15. Бигел А.К. Действие высоковольтного излучения бетатрона на глаза (экспериментальные данные). // В сб. Лучевые катаракты. М.: Медгиз, 1959, С. 55-56.

16. Бодемер Ч. Современная эмбриология. М.: Мир, 1971, 446 с.

17. Божкова В.П. Современное состояние проблемы щелевых контактов и представление об их роли в развитии. Сборник тезисов II Съезда биофизиков России, Москва, 23-27 августа., 1999, С. 226-227.

18. Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере. СПб.: Питер, 2003, 688 с.

19. Бородин A.JI. Воздействие лазерного излучения на хрусталик гидробионтов. // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. М.: МГТА, 2001, вып. 1, С. 56-59.

20. Бородин A.JI. Модель оптически однородного сферического хрусталика. // Сб. трудов молодых ученых ВЗИПП. М.: ВЗИПП, 1989, С. 31-32.

21. Бородин A.JI., Горбунов А.В. Особенности формирования хрусталика в процессе индукции у гидробионтов, относящихся к низшим позвоночным. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 2003, вып. 18, С. 16-18.

22. Бородин A.JI., Никифоров-Никишин A.JI. Изменения в хрусталике гидробионтов под воздействием когерентного излучения. // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. М.: МГТА, 2002а, вып. II, С. 68-72.

23. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. К вопросу о соотношении митотической активности и митотического индекса эпителия хрусталика рыб. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 20026, вып. 17, С. 9-25.

24. Бородин А. Л., Никифоров-Никишин А.Л. Методы рыбохозяйственных исследований. М.: МГУТУ., 2004в, 348 с.

25. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Модель роста хрусталика рыб. // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология". М.: МГУТУ, 20056, вып. 5, С. 39-48.

26. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Морфология и оптические характеристики хрусталика гидробионтов. М.: ВСХИЗО, 2005в, 138 с.

27. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Морфология хрусталика низших позвоночных животных (на примере рыб). // II Международная научно-практическая конференция "Проблемы воспроизводства аборигенных видов рыб". Киев, 2005а, С. 59-65.

28. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Особенности оптического строения хрусталика рыб. // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. М.: ВНИРО, 2001а, С. 24-27.

29. Бородин A.JI., Никифоров-Никишин А.Л. Построение таблиц многофакторного дисперсионного анализа. // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология". М.: МГУТУ, 20046, вып. 1, С. 38-52.

30. Бородин А. Л., Никифоров-Никишин А.Л. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб и головоногих моллюсков. // Сб. трудов молодых ученых МГЗИ1II1. -М.: МГЗИПП, 1997, С. 14-19.

31. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Пространственное распределение некоторых химических элементов в хрусталике кальмара. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 2003в, вып. 18, С. 46-52.

32. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Рефракционные свойства хрусталика брюхоногих моллюсков. // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. М.: ВНИРО, 20016, С. 27-30.

33. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Системная экология. М.: МГТА, 2004а, 372 с.

34. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Статистические закономерности митотической активности эпителия хрусталика рыб. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 20036, вып. 18, С. 19-32.

35. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Горбунов А.В. Изменение элементного состава хрусталика радужной форели под влиянием тяжелых металлов. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 2002, вып. 17, С. 26-34.

36. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Симаков Ю.Г. Моделирование оптических характеристик хрусталика гидробионтов. // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология". М.: МГУТУ, 2005а, вып. 5, С. 7-16.

37. Бородин A.JI., Симаков Ю.Г. Морфогенез клеток эпителия хрусталика в норме и при травматизации. // VI Международная научно-практическая конференция "Пищ. пром. на рубеже третьего тысячелетия". Москва, 18-19 апреля 2000 г. М.: МГТА, 2000, С. 223-224.

38. Бородин A.JL, Симаков Ю.Г. Оптические характеристики хрусталика гидробионтов. // Сб. трудов молодых ученых ВЗИПП. М.: ВЗИПП, 1993, С. 25-26.

39. Бузунов В.А., Федирко П.А., Прикащикова Е.Е. Особенности структуры и распространенность офтамопатологии у эвакуированных из зоны отчуждения ЧАЭС в различном возрасте. // Офтальмол. ж., 1999, т. 2, С. 65-69.

40. Бяков В.М., Степанов С.В. О механизме первичного радиобиологического действия. // Радиац. биол. Радиоэкол., 1997, С. 469-474.

41. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей. М.: Наука, 1973, 368 с.

42. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Высш. шк., 2000, 383 с.

43. Вишневский Н.А., Абдулаимов В.М., Иванова Е.А., Котова Э.С., Кротова Н.С., Стиксова В.Н. К критической оценке значения "начальных признаков" лучевой катаракты. // Мед. радиология., 1960, т. 5(11), С. 77-81.

44. Войнар А.О. Биологическая роль микроэлементов в жизни человека и животных. М.: Советская наука, 1960, 494 с.

45. Втюрин Б.В., Пальцын А.А. Современные методы и приемы электронно-микроскопических исследований биологических объектов (электронно-микроскопическая радиоавтография и растровая электронная микроскопия). М.: Радио и связь, 1985, 48 с.

46. Гексли Дж., де Бер Р. Основы экспериментальной эмбриологии. М.-JL: Биомедгиз, 1936, 467 с.

47. Гинецецинская Т.А. Трематоды, их жизненные циклы, биология и эволюция. Л.: Наука, 1968, 406 с.

48. Гирберт С. Биология развития. М.: Мир, 1993, 228 с.

49. Гирса И.И. Освещенность и поведение рыб. М.: Наука, 1981, 164 с.

50. Гирса И.И. Поведение некоторых рыб в условиях фотоградиента. // Вопросы ихтиологии., 1966, т. 6, вып. 1, С. 127-139.

51. Гирса И.И. Фотореакция некоторых пресноводных рыб в онтогенезе и в разном физиологическом состоянии. // Вопросы ихтиологии., 1969, т. 9, вып. 1,С. 171-183.

52. Головина Н.А., Стрелков Ю.А., Воронин В.Н., Головин П.П., Евдокимова Е.Б., Юхименко Л.Н. Ихтиопатология. М.: Мир, 2003, 448 с.57