Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Онтогенез врожденных форм акустического поведения насекомых (сверчков Gryllus Bimaculatus)

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Онтогенез врожденных форм акустического поведения насекомых (сверчков Gryllus Bimaculatus)"

российская академия наук

институт эволюционной физиологии и биохимии им. и. м. сеченова

На правах рукописи УДК 591.485:591.044.5:565.729

СЕРГЕЕВА Марина Викторовна

ОНТОГЕНЕЗ ВРОЖДЕННЫХ ФОРМ АКУСТИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ НАСЕКОМЫХ (СВЕРЧКОВ С1тьи8 ВШАСиЬАТиБ)

(специальность 03.00.13 — физиология человека и животных)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

санкт-петербург 1993

Работа выполнена в лаборатории нейроэтологии насекомых (заведующий— д. б. н. А. В. ПОПОВ) Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН.

Научный руководитель — доктор биологических наук А. В. ПОПОВ

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Ф. Г. ГРИБАКИН; доктор биологических наук И. А. ВАРТАНЯН

Ведущая организация — НИИФ им. А. А. Ухтомского Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Защита состоится 1994 г. в Ж » часов

на заседании специализированно'го совета К 002.89.01 в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН по адресу: Санкт-Петербург, 194223, пр. М. Тореза, 44.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке ИЭФиБ им. И. М. Сеченова РАН.

Автореферат разослан «

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Л. В. ЗУЕВА

ОЕКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность црсбпени Настоянее исследование хюсвяено пробленв онтогенеза акустического поведения и слуха насеюсишх. В последние десятилетия вопроси, касаадиеся слуховой систеяи насекоимх, вызывают все возрастающий интерес специалистов различных областей. Погону, бо-перЕЫх, что слуховая систеиа в частности прянокршшх оказалась удобиш модельный сбьекгсм для решения некоторых обиих вопросов физиологии слуха. При относительной простоте ее организации многие принципи устройства и функционирования являются универсальнши,. обиинн для неродственных групп животных. Бэ-вторцх, поте«у что слух играет очень важную роль в обеспечении весьма сложного поведения насешшк: помогает избежать столкновения с хииниюн; обеспечивает встречу полов; регулирует внутрипсетуляционнш отношения.

Инсго внинания исследователей било уделано акустзгесюоиу поведению и слуху взрослых псдовсорелых васеших, и очень немного - их развитию, онтогенезу, хотя это представляет нэкалий эволшиошшй интерес. Обычно преднвствувдиЕ' филогенетические стадии не исчезает бесследно, они "прячутся" за более пссднищ, подчиняясь ии, но иогут проявиться при определенных условиях, например, в ранней онтогенезе (Орбели 1938).

Озль и задачи исследования Мы преследовали цель: охарактеризовать онтогенетические изменения главных врожденных фэрн акустичвсюхо поведения, положительного и отрицательного фэноташгса (ПФГ и (Ж), саиок сверчков СгуНиз ЫшасиЬсиг в надежде подойти к представлению о той, как они развивались в эволюции. Для достижения поставленной шли решались следующие задачи:

1. Проследить ииагиналышй онтогенез ОФТ на трапециевидные звуиовш посылки в полете.

2. Прсследигь инагиналышй онтогенез ПФГ санок на призшный сигнал (ПС) санцов в полете, а именно, возрастную динанику его чувствительнссти, рабэтего диапазона в координатах частота-интенсивность, избирательности в отношении временных. параметров ПС.

3. Попытаться найти возрастные изменения в работе слуховых шпернейронов 1-го грудного ганглия, учавстаулиих в фэрнировании обоих форы фэнотагсиса, которые коррелировали бы с возрастании изнененияни поведения, с поножью эюстраклеточной регистрации их активности на уровне шйних шшвкшв.

Научная новизна работы Впервые показано, что в условиях закрепленного полета, в отличив от ситуации, когда насеюонш находятся на субстрате, можно вызвать реакции фонотаксиса, начиная с самых первых дней стадии инаго. Благодаря этому удалось вцяснить, что обе главные формы акустического поведения санок сверчюэв проходят существеннее доразвитне в раннем инагинальнон онтогенезе. Чувствительность реакции ОФГ на высоких частотах улучшается приблизительно на 30 дБ. -Это происходит в результате сосэревания периферических отделов системы высокочастотного (Ш) слуха.

Чувствительность ПФТ на ПС тоже улучшается приблизительно на 30 дБ, но это явление инеет нейтральнее происхождение, так как периферические отдали систеиц низкочастотного (НЧ) слуха являются уже зрелиыи к началу стадии ииаго.

Обнаружено, что ПФГ санок сверчков в полете настрсен на 5 кГц, главную частоту спектра ПС, гораздо сстрее, чел в условиях побежки т субстрате.

Впервые показано, что совсем молодые ииаго демонстрирует: 1ЙТ преимущественно на арель с пвриодоы повторения пульсов как в ПС, и лишь позднее развивается избирательность к действигельнону ПСс посилочной вреиенной структурой. Следующим эталон является утрата селективности к временным параметрам ПС.

Показано, что совместное содержание санок с самцами в течение личиночных стадий существенно ускоряет развитие у них системы распознавания ПС.

Практическая значимость Знание особенностей поведения насекомых необходимо для развития эффективных методов управления этин поведением. Наш данные показали следующее.

Одни и те же звуковые модели оказывают разнсе воздействие на насекших разного всераста.

Для привлечения насекошх, находящихся в полете и на субстрате, нужны разные метода, т. к они используют разные

критерии распознавания сигнала.

Можно ускорить созревание санок путен совнестного содержания их с сашши в течение личиночных стадий.

Нетод закрепленного полета позволяет исследовать фоноташк уже в первда дни ииаго, когда в условиях побежки он нв проявляется.

1). Сделано предположение о тон, что БЧ слух сверчков развивается в Цшогенезе позднее низкочастотного, под влияние» гасекшояддах хщниюов, использующих Ш звуки для ко1шуникашш и охсям, шгорш появились в эволюции относительно поздно.

2). Получено подтверждение гипотезы о тон, что в филогенезе трелевмй детектор систем распознавания ПС в ЦНС санок появился раньше детектора поселок, и что у современник насеиоинх систэиа распознавания организована иерархически.

3). Бщгвинуто предположение о ведущей роли несущей частота ПС дня распознавания его в условиях полета, и в ре ненкой структура - в условиях свободной побежки.

Апробация работа Отдельнш части работы, били представлены: на южурсе нсдодак ученых НЭФиБ ин. И. Ц. Сеченова в 1935 году; на заседании Всесоюзного Физиологического общества в 1935 году; на 3-й Всесоюзной совещании по эволюционной физиологии, посвященной паияти I. А. Орбели в I36S году; на' 1-й Советсвз-Западногериансюон сщшоеиуив "Sensory Systems and Communication in Arthropods" в 1383 году; на 2-й Международной Конференции "Sensry Systems and Communication in Arthropods" В 1992 ГОДУ; на 3-й Мэвдугародюи Совешнии "insect Sound and Vibration" В 1992 году.

Структура и объеи дисергапии Диссертация изложена на ш страницах. Состоит из Введения, глав: I. Обзор литературы; 2. Материал и иетодо; 3. Результаты; 4. О&уждвшэ, - и Выводов. Диссертация содержит страниц иажинописного тешга, I таблицу, 15 рисунков, библиографию из "HS работ1.

Публикации

По натериалаи диссертации опубликовано 6 печатных работ, I статья сдана в печать.

СОЖтШЕ РАБОТН

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Оазор пссвяивн рассмотрению ссновшх свойств главных врожденных форы акустического поведения насекших, шторме хорошо исследованы у взрсслых таяовазрелих живаганх, а тайке (¡й'ныщональнону описашш титанальной слуховой систенк сверчков, как афферентного звена цепей, реализующих ПФТ и 04Т.

Главной задачей ПФГ является обеспечение встречи псшов для воспроизведения вида. ПФТ избирательно настроен на ПС КОНСПЁЦНфИЧШИ сащов, - У вида Сгу11ц£ Ы.таси1а1ие ПС СОСТОИТ из четирехпульсових посылок; период повторения пульсов оюло 40 не, несущая частота ошло 5 кГц, - и в то же вреня очень пластичен. Характер проявления его зависит от совокупности внутренних и внешних условий. Это многоступенчатая реакция.

Эти черты ПФГ исслужшш ссновсй для выдвижения А. В. Половин и В. Ф. Шуваловнн гипотезы сб иерархической организации систены распознавания ПС в ЦНС санок. Согласно ей, система распознавания содержит 3 детектора: детектор шсрвй частоты, детектор ритш пупсов и детектор псешкж. Они появшшсь в эволюции нв одновреиенно, а в указанной последовательности, параллельно с усложнением ПС санцов. При этон, соответственно фунданентальюну правилу эволюционной физиологии (Орбели Ю38), шжду кшш установились определенные отношния иерархии: первый детектор подчинен второму, второй - третьему.

Ой в основном сдужгг целям избегания хищников. Он не специфичен в отношении вреиенного узора и частот сигнала, всякий Ш звук (у сверчков от 10 до 100 кГц) с достаточно крутыш фронтани ножет вызвать его. ОСТ является реакцией быстрой, безотказной, а значит довольно простой.

В слуховой системе сверчков довольно четко выделяются две подсисоены, принципы работа шгорцх резко отличаются невду собой и хорошо соответствуют даун форнан $онотаксиса На уровне 1-го грудного ганглия, где ин&ориацня о звуке от рецепторов передается слуховш интерне йрован, эти две годсистены представ лени, в частнести, интернейронгши НЧ1 и БЧ1 Это важнейшие восходящ© эленентн путей ПИ и 04Т, соответственно.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Все поведенческие эксперименты были проведена с понокью нетода закрепленного полета. За вертикальный держатель, прикрепленный к пронотуну, самку подвешивали во встречной потоке всодуха, чтобы вызвать состояние полета, внутри звугазаглушвнной какври. По направлению латерального изгиба брюшка и отклонения задних ног при звуковой стимуляции сбоку оценивали знак фонстаксиса: в сторону источника звука - П4Т; от источника - ОФТ. (Отклонение происходит в ту сторону, куда сверчок "намеревается" повернуть.) Использовали телевизионную' систему, чтобы регистрировать эти реакции, находясь вне канери. Исследовавве отрвпателъвого фояотахсяса

30 санок двугеггнистого сверчка Gryllus bimaculatus De Geer были взяты из многолетней культуры инсектария Института Эволюционной Физиологии и Биохииии ии. И. И. Сеченова РАН в Санкт-Петербурге. Они жили в индивидуальных садках размером 7x7x7 см со стадии личинки последнего возраста до конца эксперимента при оеипературе всодуха 20 - 24° С. Их поведение прослеживали начиная с первых дней после кмагкнальной линькй до 20 - 26 дня, тестировали не более одного раза в дань.

Колебания, вырабатываемые генератором звука 1013 (Брюль и Къер) проходили через систему преобразователей и усилители. Звуковой стимул полагался на ©5ъеет с понощью двух излучателей: динамического ЗГД-ЗЗ, работающего в диапазоне частот 3-25 кГц,. и конденсаторного, изготовленного в ИРПА им. А. С. Попова, работающего в диапазоне 25 - 100 кГц. Они били расположены в 0,5 и от животного, под углом 90° к продольной оси его тела.

В качестве стинулов использовались трапециевидные тональные ПССИЛКИ с фронтами длительностью 5 ис и плато - 100 не, эффективно вшивающие 0ФГ. Частоту заполнения посылок шжно било изменять от 3 до 100 кГц. Кроне знака фонотаксиса оценивали его пороги, понижая интенсивность стимула (уровень звукового давления в децибелах относительно 2 х 10~5 Па, дБ УЗД) сначала с шагом 10 дБ, затеи, близ® к порогу, - 2 дБ. Пороговым считали УЗД на I дБ меньше того, при шгорон был огиечен последний видимый поворот брюшка при предъявлении трех раздражений.

Исследовавже полсхмтеливого фовотахснса

Для изнврений порогов и частотной настройки ПФТ ш использовали 32 саики. Они содержались в большой общем пластиковом контейнере до шагинальнсй линьки без самцов; хотя поющие самцы находились в той же комнате. Тенпература все духа била '25 - 28° С днен и около 20° С ночью. Начиная с первого дня ииаго жили в индивидуальных садках (7x7x7 сн) при шшатной температуре (около 20° С). Животных тестировали один раз в день. За сснову били взята аппаратура и методика, использованные для исследования ОФГ.

В качестве стимула ш предъявляли модель ПС с временными параметрами близкими к таковым в ПС самцов: это бшш посылки из 4-х пульсов, длительность пульсов - 24 не, период повторения пульсов - 42 ис (рис. 3, вставка). Посылки следовали с частотой 3,2 Гц. Частоту сигнала изменяли в пределах 3-16 кГц.

Последовательность измерений била следующей. Сначала ни подавали ПС с несущей частотой 5 кГц и определяли пороги ПФТ. Затеи определяли знак реакции и порог П4Т на модели ПС с другим частотный заполнением. В последнюю очередь определяли качество реакции на модели ПС высокой интенсивности.

При исследовании онтогенеза селективности 1Ж в отношении временных параметров ПС. мы разделили всех экспериментальных животных на 2 группы, чтобы заодно проверить, влияет ли присутствие самцов рядом с растущш личинкани санок на скорость созревания последних.

Группа I - 171 сайка - была полностью изолирована от самцов на очень ранней личиночной стадии, как только стал заметен яйцеклад. Отобранные личинки содержались в общих контейнерах до последней линьки при температуре 25 - 26° С днен и около 20° С ночью. После линьки на таго они жили в индивидуальных валвньких садках при комнатной температуре и использовались для тестоЕ в возрасте от I до 15 дней. Чтобы исключить возможный эффект обучения или привыкания, салок тестировали один раз в жизни.

Санки из группы II содержались совместно со взрослыми (активно пощини) самцами и личинками самцов в общих контейнерах до имагинальной линьки. Температура вссдуха была 25 - 26° С днем и около 20° С ночью. Затеи молодых ииаго помещали в

индивидуальные садки. Здесь они кили при комнатной температуре и били использованы для экспериментов в возрасте от I до 15 дней, однократно. Было проведено три серии таких опытов с числом санок 25, 18 и 127.

Условия в экспериментальной камере били тени же, хотя в этой части работы генерация звуюэвых стимулов осуществлялась с помощью компьютера 1ВК-3.

В каждом тесте саннэ предъявляли следующий ряд сигналов с частотой заполнения 5 кГц: непрерывные трели с длительностью пульсов 30 не и периодов повторения пульсов 70 не (М70), 60 не (М60), 50 не (1Б0) и 40 не (М40, что соответствует значении этого параметра в посылках ПС при той же температуре); затем ПС: 4 пульса в. посшвй, длительность пульса - 30 ис, триод повторения пульсов - 40 не, интервал нелшу посылками - 200 не. Интенсивность стимулов была 80 дБ УЗД - для однодневных животных, 70 дБ - для 2-3-дневных санок и £0 дБ - для старших. Оценивали вероятность Ш1 на нодели с разный временный рисунком. Регистрация вызваввов актвввостя певрояа ВЧ1

Были использованы 22 санки. Их содержали при тех жв условиях, что и животных, на которых исследовали онтогенез 04Т.

Опыты были поставлены на инаго разных возрастов: 0,5-1 день - 4 опыта, 2 дня - 4 опыта, 3-4 дня - 4 опыта, 7 и более дней -10 опытов. ПринЕняли ту же систену звукостинуляции, чих и при исследовании ОФГ.

Сажу после эфирного наркоза в течение 2-х нинут закрепляли на пластилиновом блоке в естественном положении. С дорсальной стороны открывали участок нервной цепочки - 1-й грудной ганглий и шейные кэннективы. Коннективу, ипсилатеральную стимуляции, поддевали на крючкообразный вольфрамовый электрод. Отводящая поверхность элестрода касалась Еентроиедиальной поверхности шннвкгивы, гдз проходят аксоны ВЧ1 и НЧ1. Индифферентный электрод был закреплен в геыолшф брюшка. Суммарную вызванную активность коннективы наблвдали на экране осциллографа и прослушивали через динамик. Затеи ни перерезали воннвкгиви около голоеной капсулы и ниже переднегрудаого ганглия, чтобы уиенышть шум. После этого иипульсы двух восходящих слуховых интерне йронов первого порядка, сходных по свои.' свойствам с интернейронани

БЧ1 и НЧ1 (Wohlers and Huber 1982, попов 1965), выявлялись довольно четко. Мы определяли частотно-пороговые характеристики БЧ1-нейрона, подобно тону, как это двлалсеь в поведенческой части работы. За порот1 принимали последнюю ступень УЗД, при которой нейрон отвечал хотя бы одаин спайксм при предъявлении трех раздражений. Спонтанная активность у ТО-нейроаа низка. Стицулы предъявляли с частотой I раз в 4 секунды Регястрзджя ЕЫ2ВЗЕВ0Н 3XTMSBOCTS в&врона 114J

Были использованы 6 санок нэ старю 24 часов с иошнта инагинальной линьки и 4 санки не ноложв 10 дней. Их содержали при тех ж условиях, что и животных, на которых были проведаны гезыерения порогов ПФГ.

Санку после наршза С02 (0,5 нин) закрепляли на восюовон блоке вентральной стороной кверху. С вентральной стороны подходили к шйныи юннекгиван. Прочие условия опытов были как при регистрации активности БЧ1.

Ми измеряли пороги НЧ1-нейрона, предъявляя иодель ПС толь*» на 5 кГц, т. к. только на этой частоте его юра* был ниже порога Ш1-нейрона За порог приникали последнее значение УЗД, при которой ответ НЧ1-нейрона был все еще различии на слух на фоне его спонтанной активности.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изменения ОфТ в области низких частот

Молодые самки в возрасте 1-7 дней, способные лететь или поддерживать характерную псеу полета, проявляли только ОФГ на трапециевидные посылки теш во всен воспрининаеиои диапазоне частот, либо никак не реагировали на НЧ звуки, в области 5 кГц, и показывали ОФТ на Ш звуки.

В средней на 8 - 10 день происходило качественное изменение характера реакций на Ш звуки: ОФГ становился нестабильный, с изненчивыни порогаии, иногда совсеи исчезал, и проявлялся ПФГ (рис. I, область плюсов).Все 30 санок в половозрелой возрасте показали разнш соотношения П4Т и ОФГ на сигналы низких частот

90

на ч

4 ш

5 80-1 ф

Ч

я «

ч

70

о

1ц

о я о

ы

>»

я

п 601

А

н о

п -о

А ►>

50

ч % > * »•.. +

40;

10

100

Частота звука (кГц)

Рис. I

Частото-пороговыэ кривые 04Т санок в возрасте I - 3 дня (I) и 7-18 дней (2). Вертикальные линии - среднеквадратичные отклонения. "++" - область возможного проявления ПФГ у зрелых животных.

(си. Сергеева и Попов 1987). Обида тенденция бита такова: при окодопороговон ИД стимула реакции были чаще отрицательными, с повышением УЗД повышалась вероятность ПФГ. В диапазоне примерно от 65 до 85 дБ, очевидно, происходит борьба двух поведенческих программ, в которой в разные моменты времени побеждает то ПФГ, то ОФГ.

Отчетливый, стабильный ОФТ на БЧ звуки сохранился у всех санок до юонца тестового периода. Изменения ОфТ в области высоких частот

Далее ш измерили частотно-пороговые характеристики ОФГ санок разных возрастов: 1-3 дня, 7-9 дней, 15 - 18 дней. Вторая и третья возрастные группы достоверно не различались, псотоиу в дальнейшем они будут рассматриваться как одна (половозрелые).

В возрасте 1-3 дня средние пороги ОФТ бши высоки на всех частотах, оптимум кривой выражен черезЕычайно слабо. Верхняя граница реакции - 40-60 кГц (рис. I, кривая I). Индивидуальный разброс был велик на всех частотах.

В последующе дни произошли существенные изменения ОФТ в области высоких частот. Чувствительность на частотах выше 10 кГц, улучшилась на 20-30 дБ, тогда как чувствительнссть на 5 кГц осталась на прежнем низком уровне. В результате у половозрелых санок частотно-пороговые кривые приобрели хорошо выраженную, хотя и широкую зону оптимума в районе 10-40 кГц со средними порогами отло 55 дБ. Верхняя граница диапазона реакции отодвинулась до 100 кГц. Индивидуальный разброс существенно уменьшился (рис. I, кривая 2). Изменения в работе ВЧ1-нейрона

В условиях наших опытоб ЕЧ1-нейрон отвечал на звуки иипульсаии амплитудой I-1,5 мВ. Это бил самый высокоамплитудный из регистрируемых элементов, его индентификация была наиболее надежной. У многих санок, как у зрелых, так и у молодых, в начале ответов на НЧ звуки наблюдалась тормозная пауза, характерная ДЛЯ ВЧ1 (Popov and Markovich 1982).

В возрасте 0,5-1 день его частотно-пороговая кршая имела I выраженный пик чувствительности на 5 кГц. В направлении повышения частоты пороги нейрона постепенно повышались, а

граница реакции находилась на уровне 40-60 »Гц (рис. % кривая I). Индивидуальный разброс значений велик.

В течение первых дней жгони ииаго происходило значительное снижение порогов нейрона на высоких частотах, величина снижения достигала 20 - 30 дБ в диапазоне 10-60 кГц; сна постепенно уменьшалась по игре приближения к 5 кГц Чувствительность ва 5 кГц не даняелась. Пороги стабилизировались к 7-ну дню.

В результате у половозрелых санок частагно-порогсвая характеристика Ш1-нейрона шила два оптинука чувствительности: пониио прежнего пика на 5 кГц появился широюй сшзшук в районе 9 - 40 кГц (со средними порогами отло 35 дБ), а диапазон воспринимаемых частот расширялся до 100 кГц (ряс. 2, цявая 2).

Изменения порогов ПфТ на ПС

При стимуляции звуками с временной структурой ПС самцов или близкими к вэиу юделями санки, способные лмвть или поддерживать пооу попета, показывали истинный ЩИ, часто - с саннх первых дней стадии ииаго.

Мы обнаружили регулярную возрастную динамику: способности выполнять моторную программу полета (лететь или поддерживать позу полета), соотношения разных типов реакций на Ш (си. Гкхюв и Сергеева 1988) и среднего порога ПОТ на ПС. В соответствии с этии было удобно разделить результаты всех тестов ю слэдущин возрастным категориям: I день, 2-3 дня, 4-10 дней и II - 20 дней.

Уже в возрасте I дань сажи в 3&% тестов показали ПФГ на ПС, настроенный на 5 кГц. Однако, ПФТ молодых санок характеризовался нестабильностью, быстрой утонляеясстью, довольно высокий средним порогом (63,8 i 4,98 дБ) и небольшой ашшлудой откюнений брюшка даже при максимальной интенсивности сгинула. В течение следующих дней ШГ претерпел существенные изменения. Реакция с возрастом стабилизировалась, утомляемость унешяилась. Прошит реакций Ш1 вырастал и достиг иашшуиа -83,7% - в возрасте 4-10 дней и впоследствии оставался высокий. Средний порог постепенно понизился приблизительно на 30 дБ и достиг нинииуиа -35,0 i 2,6 дБ - в возрастной группе И-20 дней (рис.3).

Частота звука (кГц)

РИС. 2

Частотно-пороговые кривые Ш1-нейрона санок в всерасте 0,5-1 лень (I) н 7 - 18 дней (2). Вертикальные линии - среднеквадратичные отклонения.

ПС

НИНМН1-

N=9

N=13

N=30

N=30

I 2-3 4-10

Возраст (дня)

1 1-20

Рис.3

Понижение порогов ПОТ на ПС (5 кГц) с возрастов. N - число тестов, вертикальные линии - среднеквадратичные отклонения

Поиски изменений в работе НЧ1-нейрона

При наших условиях регистрации НЧ1-йейрон отвечал на звуки шщульсаш низкой ашшпуда - 0,2 нВ, что лишь немного превшало уровень спонтанного дума кшнвктивы. Поэтому пороги, км оценивали в ссновжж на слух, получая, вероятно, несколько завышенные значения порогов. Но тс интересовали не абсолютные величины, а возрастные изменения порогов.

Мы не обнаружили изненения порога НЧ1 с возрастом. Его пороги на 5 кГц у совсем молодых (<24 часов) и зрелых (>10 дней) санок достоверно не различались: они составили 50,3 + 3,78 дБ и 48,5 + 3,70 дБ УЗД, соответственно. Изменения рабочего диапазона ПфТ в координатах частота-интенсивность

ПФТ на сигналы с временной структурой ЕС проявлялся и при других частотах заполнения. Одновременно с понижениен порсга ПФГ, при интенсивнссти выше 70 дБ характер реакции во всей частотной диапазоне (4-16 кГц) становился лабильныи и неоднозначный. Наблюдались слЕдувдие варианты: ПФТ или ОФТ в частой виде; ПФТ, сменяющийся ОФТ (2-3 движения к источнику звука, затеи - от него); ОФТ, сменяющийся П4Т; их чередование (рмвки то в ту, то в другую сторону); полнее подавление реакции.

Что касается остроты настройки ШГ, то здесь иы не заметали никаюой зависимости от возраста животного. ШГ в полете был всегда настроен на 5 КГц, сстрее, чем при свободной побежке, особенно со стороны низких частот. Большинство самок не реагировали на звуки ниже 4 кГц.

Острота настройки со стороны: высоких частот сильно варьировала, даже у одного и того т животного в течение одного эксперимента. ВЧ крыло частотно-перогових кривых ПИ могло сдвигаться от 6 - 7 кГц в случаях максимального обострения до 12 - 16 кГц в случаях минимальной остроты настройки. В случаях наименьшего обострения со стороны высоких частот характеристики Ж в условиях полета и свободной побежки сближаются. При дальнейшей повышении частоты заполнения сигнала ПФ1 полностью замещается на ОФТ, независимо от временного узора и интенсивности сгинула

Изменение селективности ПФТ к временной структуре ПС

Санки, изолированные от саниов на ранней личинэчиэй стадии

Из 45 выполнявших шторную программу псяета санок в возрасте 1-2 дня только 17 (38%) показали положительные направленные реакции. С возрастай этот процент быстро возрастал.

Подавляшве большинство - 34% - реагировавших саиок в возрасте 1-2 дня проявляли ПФТ на трель с периодом повторения пульсов 40 не, как в реальной ПС (1(43); сан же ПС был гораздо менее эффективен (35£). Евдз чуть менее эффективной была трель с периодов повторения пульсов 50 не (ШО), а более "разреженные" трели (М60, И70) не вызывали никаких реакций (рис.4). На 3-й дань процент П4Г на М40 оставался высокии (95%), процент реакций на ПС вырос до 64% (но это значение все же оставалось достоверно ниае доли реакций на М43, Р=0,99), доля реакций ЖГ на другие иодели оставалась низкой.

На 4-й день ситуация изменилась на противоположную. Все растущая доля реакций ПФТ на ПС теперь достигла 925, сушственнэ превысив процент ШТ на М), который, напротив, резво понизился до 52%. (Разница между этиш значениями достоверна на уровне Р=0,99). Процент реакций на другие модели оставался низким. Т. о., в этон всорасте била достигнута максимальная селективность к истинному ПС.

Позднее с возрастов эта хорошо выраженная селективность" расстроилась: процент положительних ответе® на другие нодвли постепенно рсс, и в конечной итоге зрелые санки оказались неизбирателыш в отношении временных параметров сигнала. Санки, содержавшиеся с санцани в течение всей личшючвой жизни (группа н).

Результаты первых двух серий из проведенных трех были сходными, поэтому ш будем описывать эти серия как одну.

Ухе в возрасте I - 2 дня го 43 выполнявших шторную программу полета санок 36 (83%!) демонстрировали 1НТ уже специфичный в отношении временной структуры ПС. Трели М40 и бот гораздо шнее эффективны, Н60 и Ш не вызывали шжамк -реакций. Пример дан на рисунюэ 5 (верхняя гистограмма). Далее, с возрастом, эта исходная, хорошо выраженная селективность к ПС

N

4 5 6 7 Возраст (дни)

17 22 24 15 15 10 10

9

10

Рис. 4

Возрастная динамика избирательности Ш1 к сигналам с различной временной структурой у санок, выращенных в изоляции от самцов. ПС, 1140, 150, ШО - призывный сигнал и трели с периодом повторения пульсов 40, 50 и 60 ис,соответственно. N - число тестов.

М70 МбО N50 М40 ПС

Рис.5

Ухудшение избирательности П4Г к ПС с всорастш у санок, выраденных совместно с санцани. Остальные обозначения - как на рте. 4

ухудааюсь (как и у санок из группы I), и к концу периода созревания все издали вшивала 1Ш (рис.5, нижняя гистсгранва).

В третьей серии эшвринэнтов из 30 выполнявинх моторную программу талзта санок в возраста I - 2 дня 18 (60Х) демонстрировали 1ЙГ. Эти 18 санок разделились на 3 категории по селективности: I) отвечало® толы» на Ш (как в выюописанных сериях данюй группы), 2) отвечаюаие тольго на М40 (как санки гругш I), 3) отвечающие и на ПС, и на МЗ. Последняя категория, вероятно, является переходней между первыми двумя. Т. о., третья серия групп» 11 оказалась гетерогенной.

С всерастон все предъявляет® модели стали вшивать все больш реакций ЮТ, в результате все санки стали неизбирателыш, как во всех предыдущих сериях экспериментов.

ОБСУЖДЕНИЕ

Главные фэриы акустического поведения сверчисе, Ш и СФТ, не являпгся фюсирсеаннши схемами реакций, оба они проходят значительнее доразвигиа в течение первых дней, ииагшшьного онтогенеза.

Метод закрепленного полета оказался очень удо&ши дня онтогенетических исследований, т.к. с подошью него нал удавалось вызвать фсшгаксис уже у однодневных животных, тогда как в природе, а так же в опытах, когда насекомые находятся на субстрате, ш не ножен наблвдааъ реакций $сшгаисиса до периода их половой зрелости. Нсдадш свернет в естественных условиях не летают, большую часть времени они проводят в укрытии, и реакции фоиоташка у них подавлены. Это подавление, очевидно, инвет центральное происхождение и затрагивает эфферентное звено фонотаксиса, но сно нв "предусногрено" для неадекватных ситуаций, и щ видин проявление фоногагака у однодневных животных, искусственно активируя у них шторную программу шлета.

Онтогенетические изменения ОфТ н их нейрофизиологические основы

В средней на 8 - 10 день, ОФТ ка трапециевидные посылки

некой частота, от 4 до 10 - 12, в отдельных случаях - до 14 - 16 кГц, частично заменялся ПФТ. Вероятно; это является следствием того, что к нонету половой зрелссти созревает и ПФГ на ПС (происходит понижение его порогов). Тот ¿акт, что салки начинают проявлять ПФТ (хотя и нестабильней, с очень высокими порогами) на сигкэлы с неадекватной временной структурой, согласуется с вашни данными о разрушении селективности ПФТ к временный параметрам ПС с возрастом. 7

Область возможного проявления ШТ та звуки от 4 до 16 кГц в координатах частота-интенсивность (рис. I, "++"- область) совпадает с зоной перекрытия рабочих сбластей вссходящих интернейронов LFl и иг! (Rheinlaender et al. 1976), т. в. нч1 и ВЧ1 - важнейших восходящих элементов систем ПФГ и ОФГ, соответственно. Вероятно, в этой области функционируют оба канала, передавая инкарнацию о звуке в центры головного мозга, который, интегрируя эти ч другие входы, формирует реакцию.

Одновременно ОФТ претерпевает существенные изменения в области высоких частот (вше 10 кГц): к 7-иу даэз пороги его понижается на 20 - 30 ДБ, верхняя гранита диапазона реакции отодвигается до 100 кГц (рис. I).

Онтогенетическим изненениян ОФТ в ВЧ области хорош соответствует возрастная динамика характеристик восходящего слухового шпврнейрона 1-го грудного ганглия БЧ1. К 7-ну даю пороги его на частотах выше 10 кГц понимаются на 25 - 30 дБ, а воспринимаемый диапазон расширяется до 100 кГц (рис.2).

Это еще раз подтверждает важную роль Ш1 в запуске ОФТ и говорит о возшкнссти периферической природы его дозревания.

Известно, что Ш рецепторы тимпанальных органов сверчков созревают морфологически и функционально позднее низкочастотных, а именно на последней ЛИЧИНОЧНОЙ стадии (Ball and Young 1974, Ball and нш 1978). В ходе инагинальной линьки тщтанальная вэнбрана приобретает свойства акустического окна, что приводит к резкому повышению ЭФФЕКТИВНОСТИ всей системы (Ball and Covan 1978). Однако, как показали позднейшие исследования (Popov et al. 1993), передаточная функция тимпанальной мембраны на частотах выше 10 кГц улучшается на 8 и более децибел в течение первых

орех дней «вагинального онтогенеза, тогда как в районе 5 кГц все изменения завершится в пврвда часи.

Это улучшение функции уха в ВЧ области находит свое отражение и на уровне рецепторов. Методом отведения суммарных потенщалов тимпанального шрва было показано, что частотно -пэроговш кривые однодневных н зрелых (бслэеЮ днвй) сажж сверчков на низких частотах ведут себя одинаково, а с повншвнивн частот пороги у взрослых становятся ниже, чех у молодых. Верхний предел реакции при этой отодвигается с 25 »Гц у молодых до 100 кГц у зрелых тавсяних (йэканов и др. 1992)".

Должно бить, ошсаннив изшненкя в горифвричвсш! отделе слухсвой системы, а так je, вероятно, процесс созревания связей Ш рецепторов с интернэйронаыи пвреднвгрудного ганглия и обеспечиваю: набдюдаенсе снижение порогов Ш^интврнейрона в первые дни стадии ннаго. У однодневных сверчков частагно-пороговив характеристики БЧ1 определяются в основной входами 5-кГц рецепторов, шторш созревают раньше.

Вполне вероятно, что более шздаве созревание БЧ эленентов слухсвой системы является отражением более позднего развитая ВЧ слуха в эволюции под давлением вновь появившихся хищников, издающих БЧ звуки. Известно, что в истории развитая нлвкопитащих вида, использующие ВЧ кшыуникадюннда и локационные сигналы, появились относительно поздно (Константинов и Новчан 1985).

Летучие ниш, должно быть, атрали здесь немаловажную роль, стимулируя повышение чувствительности летающих ш ночам насекших к ультразвуку, от 30 до 100 я более килогерц. В этой связи становится пснятаж, почему у нелвтающих родственников

ВИДа Gryllus bimoulatus - у Gryllus eampestris - диапазон Слуха ограничен сверху частотами 20 - 30 кГц (Wohlers and Huber 1982).

Онтогенетические изменения ПФТ: чувствительность, рабочий диапазон, селективность с временным параметрам ПС

Уже в возрасте один дань санки в принципе способы проявлять ГШ на ГЮ и близкие по врзнненной структуре иоделн. ПФТ молодых

животных характеризуется быстрей утокляэжхтью, нвболыюй амплитудой, довольно высокими порогами. Ко вреизнн полового созревания реакция стабилизируется, утсяляеность уяеныаается Средний порог П4Т на ПС с частотой заполнения 5 кГц постепенно, в течение первых 10 дней иыагикалыюго ошегенеза понижается приблизительно на 30 дБ (рис.3). Аналогичное пошиение порогов ПФХ в течение первых дней ивагинальной жизни было описаю Дк. Стаутом и сотрудниками (stout et ai. 1991) у саюж сверчкж

Acheta domestious.

В поисках физиологических причин обнаруженной феноменологии кы обратились в первую очередь к онтогенезу восходямэго слуховсго интернейрена НЧ1 И не нахта никаких возрастных изменений в его работе. Его пороги на S *Гц у молодых (<24 часа) и зрелых (>10 дней) самок достоверно не различались. Подобав результаты были получена недавно L Ст/нпнерш (личное сообявяив) в его многочисленных внухриклеточих экспериментах на

НЧ1-НеЙроках G. bimaculatus И Ll-НВЙрсШХ A. domestious (соответствующих НЧ1 у Gryllus). Кроив того, никакого систематического изменения чувствительности на 5 кГц в ходе имагинального онтогенеза не было обнаружено ни в механических свойствах тимпанальной нвнбраш (Popov et al.шз), ни в ответах рецепторов (Щеканов и яр. 1992), ни в порогах Ш-нейроюв (Сергеева и Попов 1987), поцучаюишх, как и НЧ1, входа от 5-хГй рецепторов.

Таким образом, можно заключить, что афферентный путь П4Т является уже зрелый к началу стадии ииаго. Отсутствие ПФТ у нолодах животных на зешв, а также bvkoke пороги реакции в полете могут быть объяснены подавлением ее гдё-то на более высоких уровнях нервней системы (в ют период, ' ютда 1ЙТ не может достичь свсей цели, а может демаскировать животное перед хшником) и, возможно, незрелостью эфферентных звеньев цепи.

Одновременно с понижением порогов 1ЙТ при интенсивности выше 70 дБ на частотах от 4 до 14 - 16 кГц реакция становится неоднозначной. С физиологической точки зрения это явление, как

нн представляем, является опять жв результатом конкуренции двух поведенческих программ - ПФТ и <Ш, так же как и описанные вше нестабильность ОФГ на трапециевидные 100 -ышшсекундные посылки и частичный переход к ПФТ, которые развиваются тсже к» времени половой зрелости в аналогичной частотно-интвнсиввостной зонв. ^предсказуемость поведения ножет быть полезной адаптацией для летающих насекомых, чтобы избегать хщниюов в полете.

Независимо от возраста животного, ПФТ в полете всегда остро настроен на 5 кГц, особенно с НЧ стороны. Сседается впечатление, будто ниже 5 кГц иывет место стабильное подавление реакции. Это подавление ножет быть обусловлено влиянкяии, йдуэдши от НЧ механорецепторных систем (церки, подкшэнша органы, еолоски на поверхности тела), непрерывно стимулируемых ветром при полете. Острота настройки со стороны высоких частот сильно варьирует, даже у одного и того жв животного в разные нонеты времени. Что можно предположить о физиологических веханизнах такой пластичности ?

Частотные кривые ПФТ в случае максимальной остроты настройки гораздо уже, чел все известные по литературе кривш 5-кГц рецепторов и прогоракальгак восходящих интернейронов. Поэтому ш дсдзяш предположить наличие даханизиа дополнительного обострения настройки П-iT. Оно вполне может быть реализовано на уровне прогсшребруна, где интегрируются НЧ и Ш входи от всех систем. Хорош известная лабильность поведения восходящих ВЧ-нейронов в области НШКИХ частот (Popov and Markovich 1982) шиэг бшъ одной из причин пластичности ctjtepu проявления ТШ.

То что ПФ1 в полете настроен на 5 -кГц гораздо острее, чем в условиях свободной побежки, представляется нан биологически оправданным: сайка, летящая к колонии с дальнего расстояния, ориентируется скорее всего по спектру сигналов самцов, так как временные параметры отдельных ПС в обдан хоре не различимы. В этих условиях чей острее настройка ПФТ санок на главную частоту спектра конспецифичного ПС, тем болышз шанс найти "своих" в поливвдовых биотопах. Показано (Шувалов и Попов 1979), что аналогичное обострение ПФТ возникает в апуашях, когда санке однсврешнно предъявляются 2 иодели ПС с разными частотами

заполнения (5 кГц и отличная от нее), т. е. в случае обнаружения сигнала на фоне шума. Иквшю такая ситуация и имеет место в полете. После приземления ПФГ на субстрате осуществляется уже с близкого расстояния от самцов. Таперь решающее значение дня распознавания приобретает временной рисунок сигнала, и острая настройка на его частоту может быть уже не столь важна. Такая сшна критериев распознавания доказана у сверчков т. oceanicus

(Doolan and Pollack 1985) и цикэд (Doolan and Уоипд 1989).

Результаты всех серий экспериментов, посвященных онтогенезу избирательности ПФТ ко временный параметрам ПС, привели нас к слэдушш представлениям. Развитие избирательности проходит три последовательных стадии: I) избирательность к трели с периодом повторения пульсов как в ПС; 2)избирательность к действительному ПС с посылочной структурой; 3) Неселективная фаза.

Возраст, когда животные находятся на стадии I или на стадии 2 не является жестко фиксированным. Созревание центров нервной системы, ответственных за распознавание ПС, нохет бить очень сильно ускорено в тон случае, если в течение личиночных стадий санки живут вместе с самцами. Стадия I была отчетливо выражена только у санок, выращенных в изоляции от самцов (группа i). Санки, прожившие личиночную шзнь в окружении активно поющих и ухаживаюшх самцов и личинок самцов, с первого дня имаго были "настроены" на реальный ПС - стадия 2; стадия I отсутствовала, вероятно, она бала уда пройдена (группа и, серии I, 2). Серия 3 группы и оказалась гетерогенной по составу - санки, входящие в нее изначально находились ва разных стадиях: 1/3 санок - еда на стадии I, 1/3 - уже на стадии 2 и 1/3 - на промежуточном этапе. Может быть, взаимодействие с самцами не было достаточный для части из них, им нв могли точно контролировать количество и интенсивность контактов.

Тот факт, что санки сначала селективны к трели М) и только потом - к посылочному ПС, подтверждает вашу гипотезу о том, что трелевый детектор, детектор периода следования пульсов, в филогенетической истории пояеился раньше, чей детектор посылсж. Оба детектора сосуществуют и работает; у Езрсслых животных в отношениях определенной иерархии, в сбычных условиях первый

подчинен второиу, н толы» в ранней онтогенезе, причвн при задержка развития, можно "вызвать к жизни" филогенетически более раннюю стадию.

Детектор периода пульсов описан как сеть мозговых цейроюв ша-вю (зсмыьегдег 1984); элеаэнш, составляющие детектор посылок еда не индетифицированы.

Стадия 3 наводит на мысль, что санки становятся менее "разборчивыми" из-за длительной депривации от сащов. Однако тесты на У-сфазном лабиринте (Шувалов и Попов 1984) показали, что у половозрелых девственных санок с.Ытаси1гииз, тоне неселектившк ко врененнш паранетраи, селективность восстанавливается после первой фэнатактичесюой побежки на ПС. В полете же утраченная селективность не восстанавливается

Здесь ны видим определенную пластичность поведения. Очевидно, кеханизш, контролирущие ПФГ, когда ¡кивотнсе находится в укрытии в иошнт принятия решения (на У-лабиринте), являются белее сложными, более комплексными (а животное - более избирательным*), чем, например, в полЕте или на шишнеаторе движения, когда определенная двигательная активность ухе запущена. Известно, что сажи в процессе побежки ПФТ не прекращают реакции, когда звуковой стимул внезапно заменяют стимулом с другой временной структурой, неэффективным для того, чтобы "запустить" ПФТ (Шувалов и Потв 1973).

Другиа объяснением ухудшения селективности ноквт быть то, что в полете санки не используют или мало используют временные параметры ЕС для распознавания и ориентируются больше го частоте. Это согласуется с нашими данншш о той, что ПФТ настроен на несущую частоту ПС в полете гораздо острее, чем в условиях свободной побежки.

Ш южви допустить, что описанные онтогенетические стадии воспроизводят филогенетические этапы развития избирательности к ПС и затен вторичного ослабления ее в условиях полета

ВЫВОДЫ

I. Основные врожденные форш акустического поведения самок сверчков Сгу11из Мтаси1аив, ШЛОЖИТВЛЬНЫЙ И ОТрИЦЗТеЛЫШЙ

йонотаисис (ПОТ н ОФТ), проходят существеннее доразвитнэ в течение несшяьких первых дней инагиналъного онтогенеза.

2. Доразвитие ОФТ выражается в снюаэнии его порогов на звуки высоких частот (еыш 10 кГц) на 20 - 30 ДБ и расширении диапазона реакции с 43 кГц до 100 кГц к 7-му дню.

Онтогенетически юиененияи 04Г соответствует возрастая динамика характеристик восходящего слухового интернейрона 1-го грудного ганглия БЧ1,

Улучшение высокочастотного слуха в первые дни инагиналъного онтогенеза имеет преимущественно периферическое происхождение.

3. Средний порог ПФТ на призывный сигнал (ПС) самцов понижается приблизительно на 30 дБ за пврвш 10 дней инагиналъного онтогенеза.

В активности восходящего слухового интернейрона 1-го грудного ганглия НЧ1 не обнаружено возрастных изменений, шгорые могли бы быть физиологической основой наблюдаемых онтогенетических изменений ПФГ.

Афферентный путь П4Т является зрелый к началу стадии имаго.

4. Высокочастотная система слуха g. bimacuiatus развивается в онтогенезе позднее низкочастотной. Этот $акт мсжвт бшь отражением более позднего ее появления в эволюции в связи с необходимостью защиты от вновь появившихся насекомоядных хищников.

5. ПОТ в полете настрсен на 5 кГц острее, чей в условиях свободной побежки. Возможно, при полете несумая частота ПС является главным кригериен для узнавания, тогда как на субстрате, на близком расстоянии, временные параметры становятся решашцшш.

6. Развитие избирательности ПОТ в отношении временных параметров сигнала проходит в ииаганальнои онтогенезе 3 последовательных стадии:

1). Избирательность к трели с ритмом пульсов как в ПС;

2).Избирательность к реальному ПС с посылочной структурой;

3). Неселекгавная стадия.

Существование стадий I и 2 подтверждает гипотезу о той, что в эволюции трелевий детектор системы распознавания ПС появился раныив, чем детектор посылок. Т. о., у современных сверчиов

систена распознавания IK организована иерархически: у зрелых животных трелевый детектор подчинен посылочному.

7. Содержание санок в течение личиночных стадий совместно с сяуцани существенно ускоряет развитие их системы распознавания ПС.

1. Сергеева U. В., Попов А. В. Онтогенетические изшнения фоногаксиса сверчков. // Труда IX Совещания по эволюционной физиологии памяти X А. Орбели. Ленинград, 1996. с. 256.

2. Сергеева М. В., Попсе А. В. Онтогенетические изменения фоногаксиса и их нейрофизиологические корреляты у сверчка Gryllus bimaculatus (Отрицательный фоноташк:). И Ж.Эвол. Еиох. «изиоя. 1987. 23/1: с. с. 58-67.

3. Попов А. Е, Сергеева К В. Онтогенетические изиенения

ПОЛОЖИТеЛЬНОГО фОНСТаЮСИСа у СВерЧКа Gryllus bimaculatus De Geer. // Ж. Эвсл. Биох. Фювж 1988. 24/2: с. с. 210-216.

4. Sergejeva M.V., Popov A.V. Ontogenesis of pbonotaxis in female crickets Gryllus bimaculatus.// In: Sensory Systems and Communication in Arthropods. Eds. F.G.Gribakin, K.Wiese, A.V.Popov. Birkhauser Verlag, Basel, 1990, p.p.335-340.

5. Sergejeva M.V., Shuvalov V.F.,. Popov A.V. The ontogeny of positive phonotaxis selectivity to calling song temporal parameters in female crickets Gryllus bimaculatus.11 Proc. of 6-th Intern. Meeting on Insect Sound and Vibration. Pommersfelden, 1992, p.63.

6. Sergejeva M.V., Popov A.V., Shuvalov V.F. Ontogeny of selectivity of positive phonotaxis in female crickets Gryllus bimaculatus to temporal parameters of the male calling song.// In: Sensory Systems of Arthropods. Eds. K.Wiese, F.G.Gribakin, A.V.Popov, G. Renninger. Birkhauser Verlag, Basel, 1993,

p.p.319-327.

1. Sergejeva M.V., Popov A.V. Ontogeny of positive phonotaxis in female crickets Gryllus bimaculatus De Geer: dynamics of sensitivity, frequency-intensity domain, and selectivity to temporal pattern of the male calling song.11 J.Comp.Piiysiol.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1994А. 174: (в ГОЧаТИ).