Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Развитие черепа хвостатых амфибий и роль тиреоидных гормонов в его регуляции

ВАК РФ 03.02.04, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Развитие черепа хвостатых амфибий и роль тиреоидных гормонов в его регуляции"

Меркулова Ксения Михайловна

РАЗВИТИЕ ЧЕРЕПА ХВОСТАТЫХ АМФИБИИ И РОЛЬ ТИРЕОИДНЫХ ГОРМОНОВ В ЕГО РЕГУЛЯЦИИ

03.02.04 - зоология

- 6 ОКТ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2011

4855490

Работа выполнена в лаборатории проблем эволюционной морфологии Учреждения Российской академии наук Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук

Смирнов Сергей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор Васильев Борис Дмитриевич

кандидат биологических наук Смирина Элла Моисеевна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Зоологический институт РАН

Защита состоится 25 октября 2011г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 002.213.01 при Учреждении Российской академии наук Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН по адресу: 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33, тел./факс: 8 (495) 952 35 84, www.sevin.ru, e-mail: zashita@sevin.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОБН РАН по адресу: 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33. Автореферат разослан 23 сентября 2011г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

кандидат биологических наук

Е.А. Кацман

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Череп хвостатых амфибий - традиционный объект исследования, привлекающий внимание морфологов, палеонтологов, систематиков и эволюционистов. Данные по строению и развитию черепа используются для анализа закономерностей эволюционных преобразований (Лебедкина, 1979), изучения механизмов регуляции онтогенеза (Медведева, 1975; Devillers, Corsin, 1968), диагностики видов (Wake, 1966) и реконструкции филогенетических связей (Шмальгаузен, 1964; Trueb, Cloutier, 1993). Развитие черепа у хвостатых амфибий - видоспецифический процесс: краниальные окостенения появляются в строгой, присущей данному виду, последовательности. Порядок появления костей настолько постоянен, что используется в филогенетическом анализе (Wake, 1999) и при реконструкции эволюционного становления отряда Urodela (Schoch, Carroll, 2009). Регуляторные механизмы, ответственные за поддержание этой последовательности, не ясны. Экспериментальными методами показано, что время появления костей может зависеть от времени появления структур, индуцирующих их развитие (Медведева, 1975; Лебедкина, 1985 и др.), т.е., имеют место межтканевые индукционные взаимодействия. Однако, этот механизм регуляции присущ лишь отдельным краниальным элементам, и степень индукционной зависимости варьирует у представителей разных форм (Лебедкина, 1979, 1985; Медведева, 1975, 1985). Другим механизмом, принимающим участие в регуляции краниогенеза, является эндокринная индукция, ведущую роль в которой играет тиреоидная ось, в том числе -гормоны щитовидной железы (тиреоидные гормоны, ТГ). ТГ играют важную роль в онтогенезе хвостатых амфибий, индуцируя многие онтогенетические события. Изменения в активности тиреоидной оси влияют на сроки и темпы морфогенетических процессов и вызывают гетерохронии, являющиеся одним из ведущих механизмов эволюционных преобразований амфибий (Рэфф, Кофмен, 1986). Эти изменения сыграли важную роль в эволюции Urodela, в том числе - в становлении неотенических семейств хвостатых амфибий (Dent, 1968) и в переходе к прямому развитию (Смирнов, 2008) - эволюционных событиях, сопровождавшихся изменениями в краниогенезе и дефинитивном строении черепа. Экспериментальными методами показано, что в краниогенезе Urodela ТГ индуцируют метаморфные преобразования черепа и появление некоторых окостенений (Смирнов, Васильева, 2002, 2005; Dundee, 1957; Rose, 1995). Как гипотеза, выдвинута модель эндокринной регуляции развития черепа Urodela (Rose, 1996, 2004), согласно которой, последовательность появления костей *

задается взаимодействием двух факторов - уровнем гормона и чувствительностью кости к нему. При этом предполагается, что чувствительность кости к гормону в целом одинакова у разных саламандр и не изменяется в эволюции игос!е1а, тогда как изменяется гормональный профиль, и различия в нем ответственны за различия в развитии и строении черепа хвостатых амфибий.

Безоговорочному признанию этой модели препятствует ряд обстоятельств. Во-первых, модель основывается на априорном предположении, что все краниальные окостенения в своем развитии зависят от ТГ, тогда как, с одной стороны, неизвестна роль ТГ в регуляции раннего краниогенеза, в течение которого появляется большая часть костей черепа игоёе1а, а с другой - есть данные, указывающие на то, что некоторые краниальные окостенения в своем развитии могут не зависеть от ТГ (впитоу, УаэзШеуа, 2002, 2005). Во-вторых, модель основывается на априорном предположении, что одинаковые окостенения у разных саламандр в равной степени зависят в своем развитии от ТГ и степень зависимости не меняется в эволюции игосЫа, тогда как есть данные, указывающие на то, что одни и те же окостенения у разных форм хвостатых амфибий могут различаться по степени зависимости от ТГ (Бгшгпоу, 2006). В-третьих, модель абсолютизирует роль ТГ и игнорирует данные об участии в регуляции краниогенеза других механизмов, в частности -межтканевых индукционных взаимодействий. И, наконец, модель недостаточно подтверждена экспериментальными данными, в частности - данными, показывающими влияние изменений активности тиреоидной оси на дефинитивную морфологию черепа хвостатых амфибий.

Таким образом, несмотря на несомненное участие ТГ в регуляции развития черепа хвостатых амфибий, роль ТГ в морфогенезе и эволюции черепа Игос1е1а до настоящего времени оставалась малоизученной.

Цель и задачи исследования.

Цель работы - экспериментальное исследование роли тиреоидных гормонов в регуляции краниогенеза в онто- и филогенезе игосЫа. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Сравнить последовательность и время появления костей черепа в онтогенезе представителя примитивного семейства НупоЬпс1ае, Ба1атапс1геПа квузегИпф при развитии в условиях нормального, повышенного и пониженного уровня ТГ.

2. Сравнить последовательность и время появления костей черепа в онтогенезе представителя эволюционно-продвинутого семейства 8а1атапс1пёае,

Pleurodeles waltl, при развитии в условиях нормального, повышенного и пониженного уровня ТГ.

3. На основе синтеза полученных результатов и литературных данных проанализировать роль ТГ в регуляции краниогенеза в индивидуальном развитии Urodela.

4. Сопоставить роль ТГ в регуляции краниогенеза у представителей семейств разного эволюционного уровня и проанализировать эволюцию регуляторной роли ТГ в филогенезе Urodela.

5. На основе оригинальных экспериментальных данных оценить возможное влияние изменений активности тиреоидной оси на краниогенез и дефинитивную морфологию черепа Urodela.

Научная новизна.

Впервые изучена роль тиреоидных гормонов в регуляции раннего морфогенеза костного черепа хвостатых амфибий.

Впервые экспериментальным путем доказано, что наиболее ранние этапы развития костного черепа Urodela практически не зависят от тиреоидных (в том числе материнских) гормонов.

Впервые экспериментальным путем показано, что количество костей в дефинитивном черепе может изменяться в зависимости от уровня ТГ.

Выявлена динамика изменений механизмов регуляции морфогенеза краниальных окостенений в онтогенезе амфибий. Показано, что в ходе индивидуального развития уменьшается роль межтканевых взаимодействий в регуляции краниогенеза и возрастает роль эндокринной индукции.

Доказана практическая применимость амиодарона для экспериментального исследования роли ТГ в онтогенезе амфибий.

Теоретическое и практическое значение.

Результаты работы имеют значение для понимания механизмов формообразования скелетных структур Urodela. Полученные данные могут быть использованы при подготовке лекционных курсов и пособий по сравнительной анатомии, биологии развития и зоологии позвоночных, а также при реконструкции филогенетических связей внутри отряда.

Апробация работы.

Материалы исследований были представлены на конференциях молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН «Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых» (Москва, 2008, 2010), на IV Съезде Герпетологического Общества им. A.M. Никольского (Казань, 2009), на

Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2011), VI Международной конференции Украинского Герпетологического Общества (Киев, 2011) и на заседаниях морфологического семинара ИПЭЭ РАН (2010-2011).

Публикации.

По теме работы опубликовано 5 статей, из них 2 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК и 2 статьи находится в печати.

Структура и объем работы.

Диссертация общим объемом 236 страниц состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы, включающего 154 работы, из которых 138 на иностранных языках, и приложения. Иллюстративный материал включает 58 рисунков и 24 таблицы.

Благодарности.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю С.В. Смирнову за всестороннюю помощь при выполнении данной работы, Э.И. Воробьевой, Н.Н. Иорданскому, Е.И. Наумовой, А.Б. Савинецкому, М.В. Холодовой, О.Ф. Черновой и М.И. Шатуновскому за внимательное ознакомление с моей работой, за консультации, ценные советы, замечания и рекомендации. Искренняя признательность Д.В. Щепоткину и В.Г. Петросяну за оказанную помощь в статистической обработке результатов и А.Б. Васильевой -за предоставленные материалы.

Настоящее исследование поддержано грантами РФФИ (07-04-00141а и 10-04-00787а) и Президента РФ для поддержки Ведущих Научных Школ НШ-2210.2008.4

Содержание работы

Глава 1. Обзор литературных данных.

Приводится информация по дефинитивному строению костного черепа игоёе1а; рассматриваются особенности строения и развития черепа у метаморфизирующих и неотенических постоянножаберных саламандр, а также у форм, перешедших к прямому развитию; приводятся данные по последовательности появления окостенений черепа; рассматриваются особенности морфогенеза отдельных костей (в частности, количество центров окостенения, участвующих в их формировании); приводятся данные по

4

механизмам регуляции развития черепа (в частности, рассматриваются морфогенетическая, на основе межтканевых взаимодействий, и эндокринная индукции); освещены результаты экспериментальных работ по изучению роли тиреоидных гормонов в регуляции морфогенеза черепа и онтогенеза в целом у Urodela; приводятся данные по строению, метаболизму, принципам работы тиреоидных гормонов и динамике изменений их уровня (гормональный профиль) в разные периоды онтогенеза.

Глава 2. Материал и методы.

В качестве основных объектов исследования были выбраны сибирский углозуб (,Salamandrella keyserlingi) и испанский тритон (Pleurodeles waitI) -представители соответственно примитивного (Hynobiidae) и эволюционно-продвинутого (Salamandridae) семейств Urodela. Дополнительный материал был получен при просмотре экспериментальных серий по Triturus vulgaris (Salamandridae), частично описанных ранее (Smirnov, Vassilieva, 2003). Развитие черепа изучали на возрастных сериях личинок и постметаморфозных животных.

Личинки S. keyserlingi были получены из икры, собранной в окрестностях Екатеринбурга (в 2000г.) и Томска (в 2001г.) и инкубированной в лабораторных условиях. Личинки Т. vulgaris и P. waltl были получены из кладок икры, отложенной в лабораторных условиях - соответственно в 2001, 2003 и 2008 -2010 гг. Зародышей и личинок содержали при комнатной температуре при естественном освещении. Животных регулярно фиксировали в нейтральном 10% формалине и тотально окрашивали спиртовым раствором ализарина красного С. В ряде случаев использовали двойную окраску на кость и хрящ, окрашивая животных ализарином красным и альцианом синим.

Окрашенные препараты просветляли 2-4% раствором КОН и изучали под бинокуляром Olympus SZx9 (Japan). Всего было исследовано более 200 потомков от одной пары производителей P. waltl и более 200 - от другой, а также около 300 экземпляров S. keyserlingi.

Стадии развития личинок определяли по таблицам нормального развития для Р. wähl (таблица Гальена и Дюроше из: Васецкий, 1975) и S. keyserlingi (Сытина и др., 1987).

При изучении краниогенеза сроки и последовательность появления костей оценивались по стадиям и времени (дни после оплодотворения - дпо - и дни после вылупления - дпв) их массового возникновения у особей каждой экспериментальной группы.

Для исследования роли ТГ в развитии черепа морфогенез последнего был изучен у животных, развивавшихся в условиях нормального, повышенного и пониженного уровня ТГ.

Для исследования развития черепа P. waltl в условиях повышенного уровня ТГ животных содержали в щелочном растворе трийодтиронина (Т3) следующих концентраций: 1 нг/мл; 2 нг/мл; 4 нг/мл; 10 нг/мл. С использованием этих концентраций была проведена серия экспериментов, в ходе которых изменялись время начала и окончания воздействия гормоном, продолжительность воздействия и возраст (стадия) животных, на которых воздействовали ТГ.

При изучении морфогенеза черепа в нормальных условиях выяснилось, что многие кости формируется вскоре после выхода личинки из икры и так быстро, что экзогенный ТГ может не «успеть» оказать на них какое-либо влияние. В то же время было обнаружено, что содержание личинок при пониженной температуре резко замедляет онтогенез в целом и краниогенез в частности. Соответственно, в таких условиях при добавлении экзогенного ТГ продолжительность его воздействия и период возможной реакции кости на это воздействие увеличиваются. Поэтому был исследован краниогенез у личинок Р. waltl, содержавшихся в 10 нг/мл и 50 нг/мл растворах ТГ при температуре 13°С.

Для исследования развития черепа P. waltl в условиях пониженного уровня ТГ (дефицит ТГ), морфогенез черепа был изучен у личинок, содержавшихся в 0,02% растворе тиомочевины - гойтрогена, подавляющего секреторную функцию щитовидной железы и, соответственно, снижающего уровень эндогенных ТГ в плазме крови. У амфибий на ранних стадиях развития щитовидная железа нефункциональна и не продуцирует ТГ, однако наличие у эмбрионов Anura материнского ТГ (Fujikara, Suzuki, 1991) и ТГ-рецепторов (Kawahara et al., 1991) указывает на возможное участие ТГ в регуляции раннего онтогенеза. Чтобы исследовать роль ТГ в раннем краниогенезе хвостатых амфибий, использовали амиодарон, который считается антагонистом ТГ (Norman, Lavin, 1989). У млекопитающих амиодарон подавляет трансформацию малоактивного гормона Т4 в высокоактивный Т3; кроме того, он обладает способностью связывать рецепторы 1Г, не «допуская» к ним собственно ТГ. Таким образом, амиодарон снижает как уровень Т3, так и чувствительность к ТГ. Так как ранее амиодарон в экспериментах над амфибиями не использовался, нами была проведена серия опытов, показавших, что у P. waltl этот препарат замедляет метаморфные преобразования, облигатно индуцируемые ТГ, т.е., он действительно снижает активность тиреоидной оси. Экспериментальным путем была подобрана рабочая концентрация раствора амиодарона, которая затем использовалась в опыте по выявлению роли ТГ в регуляции раннего краниогенеза P. waltl.

Развитие черепа S. keyserlingi наблюдали у личинок, содержавшихся в нормальных условиях, в растворе Т3 концентрацией 1нг/мл и 10 нг/мл и в 0,02% растворе тиомочевины. В этих же режимах содержались личинки Т. vulgaris, развитие черепа которых подробно описано ранее (Smirnov, Vassilieva, 2003) и

6

которых в данной работе использовали как дополнительный сравнительный материал.

Статистическая обработка результатов экспериментов проводилась с помощью регрессионного анализа в программе "Statistica", версия 7.0.

Глава 3. Результаты исследования.

Развитие костного черепа Salamandrella keyserlingi

Скорость онтогенеза в целом и скорость краниогенеза варьировали в зависимости от уровня ТГ, на фоне которого развивались личинки. Воздействие высоких доз ТГ ускоряло развитие. Содержание в растворе 10 нг/мл ТГ ускоряло развитие настолько, что животные начинали метаморфоз еще на средне-личиночных стадиях и умирали, не достигнув 40 стадии. Воздействие 1 нг/мл ТГ ускоряло метаморфоз, но на выживаемости животных не отразилось. Содержание личинок в растворе тиомочевины замедляло онтогенез и подавляло метаморфоз: внешнее соматическое развитие, оцененное по степени дифференцировки конечностей, дальше 42 стадии не шло, и даже в возрасте 5 -12 месяцев животные сохраняли черты личиночной организации.

Краниогенез изменялся при изменении гормонального уровня, на фоне которого проходило развитие личинок. При этом окостенения различались по их реакции на изменение ТГ-уровня (табл.1). Окостенения, возникающие на начальных стадиях развития черепа (33-36 стадии), появляются практически в одно и то же время, на сходных стадиях личиночного развития и в одинаковой последовательности независимо от того, на фоне какого уровня ТГ содержатся личинки. На более поздних стадиях, начиная с 37-38, проявляются различия во времени появления окостенений в зависимости от уровня ТГ. У личинок, содержавшихся в условиях повышенного гормонального фона (1 и 10 нг/мл ТГ), наблюдается ускоренное (относительно общего соматического развития) появление краниальных окостенений. Дефицит ТГ вызывает задержку появления костей. Изменения во времени появления ранних костей средне-личиночного периода (nasale, exoccipitale, maxillare) незначительны и усиливаются при переходе к более поздним (prooticum, praefrontale). Наибольшую реакцию на изменение ТГ уровня проявляют septomaxillare и lacrymale - окостенения, в норме появляющиеся в самом конце поздне-личиночного периода, непосредственно перед метаморфозом.

Таблица 1.

Последовательность и время (стадии и дни -cm и дпв) появления костей черепа у личинок

нормальное развитие черепа варианты экспериментов

0,02%

2001 г 2000 г 1 нг/мл ТГ 10 нг/мл ТГ тиомочевины

кости черепа N=80 N=9 3 N=47 N=28 N=67

* СТ. Дпв ст. дпв ст. ДПВ ст. ДПВ ст. ДПВ

coronoideum 33 33 34 34 32

dentate 33 33 34 34 33

palatinum 34 34 34 34 32

praemaxillare 34 34 34 34 34

vomer 34 34 34 34 33

parasphenoideum 35 35 35 35 35

pterygoideum 35 35 35 35 35

squamosum 35 35 35 35 35

angulare 35 35 36 35 35

frontale 35 35 35 36 35

goniale 35 35-36 36 35 35

parietale 36 35 35-36 36 35

quadrato-jugale 38 37 37 37 38

nasale 39 27 39 23 37 21 37 18 40 30

exoccipitale 40 29 40 31 38 23 39 24 41 35

maxilla re 40 29 40 33 38 23 38 16 41 35

postrostrale 40 27 40 30 38 23 38 20 41 36

praoticum 41 42 41 35 39 27 39 26 42 43

praefrontale 41 42 42 35 39 26 39 21 42 41

orbitosphenoideum 43 48 43 48 40 34 не появляется 57

septomaxillare 44 48 44 48 39 26 39 21 54

lacrymale 44 48 44 48 39 27 39 24 54

quadratum 45 48 43 52 39 29 не появляется 46

Таким образом, чем позднее в развитии личинки появляется окостенение, тем сильнее сказываются на времени его появления изменения уровня "ГГ.

Сходная тенденция наблюдается на уровне морфогенеза отдельных окостенений. Время появления основной порции ргаетахШаге, появляющейся вскоре после выхода из икры, не меняется при изменении уровня ТГ, тогда как время возникновения небных отростков, растущих по направлению к сошнику и формирующихся во время метаморфоза, сильно варьирует в зависимости от уровня ТГ. Таким образом, в пределах одной и той же кости ее разные участки по-разному реагируют на изменения уровня ТГ, причем степень реакции

зависит от времени формирования соответствующих участков и возрастает по мере перехода к более поздним.

Более того, даже в пределах одного участка кости разные онтогенетические события могут демонстрировать разную реакцию на изменение уровня ТГ. Так, восходящий отросток ргаетахШаге появляется в одно и то же время независимо от уровня ТГ, на фоне которого развиваются личинки. Однако, дальнейшие его изменения, в частности рост, зависят от уровня гормона. Темпы роста отростка ускоряются под действием высоких доз 1Г и замедляются при ТГ-дефиците.

Наибольшие изменения временных параметров в зависимости от уровня ТГ характерны для метаморфных преобразований черепа (табл. 2).

Таблица 2.

Время (стадии и дни -cm и дпв) метаморфных преобразований черепа S. keyserlingi_

метаморфные преобразования нормальное развитие черепа варианты экспериментов

1 нг/мл ТГ 10 нг/мл ТГ тиомочевина 0,02%

ст. Дпв ст. ДПВ ст. ДПВ ст. дпв

начало резорбции vomer 38-39 37 36 39

начало резорбции palatinum 38-39 37 36 39

начало резорбции coronoideum 38-39 37 36 39

преобразования vomer 42 42 38 19 36 15 54

расщепление palato-pterygoideum 42-43 59 39-40 28 37-38 20 н проис а ХОДИТ

полная резорбция palatinum 45 63 44 26 не происходит

полная резорбция coronoideum 45 63 50 39 26 не происходит

Начальные этапы этих преобразований (резорбция vomer, palatinum и coronoideum) ускоряются при воздействии высоких доз ТГ, но не реагируют на ТГ-дефицит. Следующие этапы (формирование отростков у vomer) ускоряются под действием высоких доз ТГ и замедляются при ТГ-дефиците. Конечные этапы (расщепление palato-pterygoideum на небную и птеригоидную порции с последующей полной резорбцией palatinum) сильно ускоряются при содержании личинок в условиях повышенного уровня ТГ и не происходят при ТГ-дефиците.

Изменение времени начала кальцинации костей при изменении ТГ уровня приводит к изменению порядка их появления (табл. 1). Ускоренный рост и более интенсивная кальцинация, вызванные воздействием высоких доз ТГ, приводят к слиянию соседних костей. Так, для личинок, выращенных в условиях высокого уровня ТГ, характерно срастание maxillare с praemaxillare и vomer с palato-

pterygoideum. Замедленные рост и кальцинация, вызванные ТГ-дефицитом, напротив, замедляют процесс слияния костей, в норме участвующих в формировании сложных по происхождению окостенений. Так, при нормальном развитии nasale и postrostrale появляются почти одновременно (ст. 39 - 40) и очень быстро срастаются с образованием единой naso-postrostrale (39 - 40 ст.). У личинок, выращенных на фоне высокого уровня ТГ, срастание происходит раньше (38 - 39 ст.). В условиях ТГ-дефицита указанные окостенения дольше сохраняют самостоятельность и даже на 42 ст. многие личинки имели раздельные nasale и postrostrale.

Развитие костного черепа Pleurodeles waltl

Скорость развития P. waltl в целом и скорость краниогенеза варьировали в зависимости от экспериментальных условий, в которых развивались животные. Содержание личинок в растворе ТГ разных концентраций в разной степени ускоряло развитие. В 4 и 10 нг/мл Т3 развитие ускорялось настолько, что животные начинали метаморфоз еще на ранне-личиночной стадии и умирали, не достигнув 41 стадии. При 1 и 2 нг/мл животные метаморфизировали раньше, чем при нормальных условиях, но на выживаемости это не отразилось. Скорость развития при содержании в тиомочевине замедлялась, наружное соматическое развитие останавливалось на 54 стадии, метаморфоз не завершался и даже у животных в возрасте более двух лет сохранялись наружные жабры и дорзальный и хвостовой плавники.

Вне зависимости от экспериментальных условий эмбрионы и личинки на стадии вылупления краниальных окостенений не имели. В различных экспериментальных условиях кости, возникающие на ранне-личиночных стадиях, появлялись практически в одно и то же время и на одних и тех же стадиях (ст. 35-37) (табл. 3). Однако при повышенной концентрации ТГ наблюдались более интенсивные рост и кальцинация костей. Кости, возникающие в средне-личиночный период (ст. 39-50), по-разному реагировали на изменение ТГ-уровня. Время появления ранних окостенений этого периода (frontale и parietale) практически не изменялось при изменении уровня ТГ. Появление более поздних окостенений (exoccipitale и quadrato-jugale) запаздывало по сравнению с нормой при ТГ-дефиците и ускорялось (пропорционально дозе ТГ) при воздействии высоких доз ТГ. Все окостенения, появляющиеся на поздних стадиях (ст. 54-55), реагировали на изменение уровня ТГ изменением времени своего появления.

Таблица 3.

Последовательность и время (стадии и дни - ст и дпо) появления костей черепа у личинок Р. waltl в условиях нормального, повышенного и пониженного уровня тиреоидного

гормона

последователь ность нормальное развитие черепа 108 экз. варианты экспериментов

появления костей черепа 1 нг/мл ТГ N=57 2 нг/мл ТГ N=39 4 нг/мл ТГ N=14 10 нг/мл ТГ N=26 0,02% тиомочевины N=91

CT ДПВ ст ДПВ СТ дгв ст дгв сг дв сг ДПВ

cononoideum 36 36 36 36 36 36

palatinum 36 36 36 36 36 36

vomer 36 36 36 36 36 36

dentale 36 36 36 36 36 36

squamosum 37 37 37 37 37 37

praemaxillare 37 37 37 37 37 37

parasphenoideu m 37 37 37 37 37 37

pterygoideum 37 37 37 37 37 37

angulare 37 37 37 37 37 37

frontale 38-39 39 38 38 38-39 39

parietale 41 22 41 22 39 20 40 23 40 20 41 21

exoccipitale 44 31 44 30 43 30 40 23 50 35

quadrato-jugale 50-51 37 48 35 43 30 52 39

orbitosphe noideum 54 43 50 39 43 30 и о X О X s эг 53-54 51

prooticum 54 45 55 50 52 45 X s с л с; о ю s с; л 53-54 51

maxillare 54-55 51 43 29 42 26 54 64

nasale 54-55 51 50 39 43 30 54

praefrontale 54-55 51 51-52 42 46-47 32 54

quadratum 54-55 51 51-52 39 54 64

thyroideum 54-55 51 51-52 39 53 45 54 Ы

Сильнее всего реагировали на изменение ТГ-уровня три покровных окостенения поздне-личиночного периода: maxillare, nasale, praefrontale. Их появление резко ускорялось (пропорционально уровню ТГ) при воздействии экзогенного ТГ и замедлялось в условиях ТГ-дефицита (табл. 3, 4). При этом в условиях ТГ-дефицита у многих личинок даже в возрасте одного года и старше указанные кости отсутствовали, если же они присутствовали - то были в рудиментарном состоянии и часто только на одной стороне черепа. Так, у maxillare развивался только восходящий отросток кости, тогда как каудальный отросток и зубная (основная) порция кости отсутствовали (хотя на месте

11

последней в соединительной ткани формировались зубы). У подавляющего большинства личинок отсутствовала nasale. У остальных в области носовой капсулы, в норме занимаемой nasale, появлялось несколько (до четырех) окостенений. Количество и топография этих окостенений варьировали (рис. 3).

Таблица 4.

Время появления (дпо, стадии) покровных окостенений поздне-личиночного периода

преобразование черепа нормальное развитие варианты эксперимента

1 нг/мл ТГ 2 нг/мл ТГ тиомочевина 0,02%

дпо I ст. дпо ст. дпо ст. дпо ст.

maxillare 51 29 26 641

nasale 51 39 30 119

praefrontale 51 42 32 65

начало резорбции coronoideum 29 42 29 41 20 39 30 44

начало резорбции palatinum 29 42 29 41 20 39 35 46

расщепление palato-pteryqoideum 70 35 36 не происходит

полная резорбция coronoideum 71 66 45 не происходит

полная резорбция palatinum 72 66 45 не происходит

Наибольшую реакцию на изменение уровня ТГ демонстрировали метаморфные преобразования черепа (табл. 4). Они ускорялись при воздействии высоких доз ТГ и замедлялись при ТГ-дефиците. Более ранние процессы краниогенеза (начало резорбции coronoideum, vomer и небной порции palato-pterygoideum) реагировали значительно слабее более поздних (преобразование сошника, расщепление palato-pterygoideum, полная резорбция coronoideum и palatinum). У особей, выращенных в условиях ТГ-дефицита, даже в возрасте года и старше, последние процессы оказывались незавершенными. Coronoideum и palatinum сохранялись. Не происходило расщепления palato-pterygoideum на небную и птеригоидную порции. Хотя озубление на сошнике стало однорядным, vomer сохранил черты скорее личиночной кости, чем постметаморфной - так, его каудальный отросток не сформировался (рис. 1 Б).

При содержании личинок в условиях пониженной температуры резко замедлялось эмбриональное и личиночное развитие - так, животные достигали 38 стадии на 28 дпо, вместо 18 дпо при нормальном развитии. Замедлялось появление краниальных окостенений. В результате, у личинок, содержавшихся при пониженной температуре под действием высоких доз ТГ, увеличивалась продолжительность экспозиции гормона и временного интервала, в течение

1 Появление только восходящего отростка

которого окостенения могли «среагировать» на ТГ. Несмотря на более позднее (по сравнению с нормой) появление, все окостенения ранне-личиночного периода возникали практически на тех же стадиях и в той же последовательности, что и при нормальном развитии личинок (табл. 5).

Таблица 5.

Последовательность и время (стадии) появления костей черепа Р. waltl при развитии в

кости черепа нормальное развитие черепа (t=13°C) N=18 варианты эксперимента

10 нг/мл ТГ (t=13'JC) N=14 50 нг/мл ТГ (t=13"C) N=16

стадия стадия стадия

coronoideum 33 36 35

palatinum 36 36 35

vomer 36 36 35

dentale 36-37 36-37 35

squamosum 36-37 37 36

praemaxillare 37 37 37

parasphenoideum 37 37 37

pterygoideum 37-38 37 37

angulare 38 37 37

frontale 38 37 38

При развитии личинок в растворе амиодарона время появления и стадии, на которых появляются окостенения ранне-личиночного периода развития, не изменяются по сравнению с нормой, но задерживается появление двух окостенений средне-личиночного периода (ехосарка1е и quadrato-jugale) и всех окостенений, возникающих в поздне-личиночный период (табл. 6).

Таблица 6.

Последовательность и время (стадии и дпо) появления костей черепа Р. \\ialtl при развитии

кости черепа нормальное развитие варианты эксперимента

амиодарон100 нг/мл N=13 амиодарон 1000нг/мл N=75 ;

ст. ДПО ст. ДПО ст.

coronoideum 36 36

palatinum 36 36

vomer 36 36

dentale 36 36

squamosum 37 36-37

praemaxillare 37 36-37

parasphenoideum 37 37

pterygoideum 37 37

angulare 37 37

frontale 38-39 38-39

parietale 41 41

exoccipitale 44 46

quadrato-jugale 50-51 52

orbitosphenoideum 54 45 54 69 конец серии

prooticum 54 45 54 73

maxillare 54-55 51 54 69

nasale 54-55 51 54 73

praefrontale 54-55 51 54 73

Метаморфные преобразования у животных, развивавшихся под воздействием амиодарона, происходят позже, чем в норме. Преобразования vomer (формирование каудального и латерального отростков, замещение многорядного личиночного озубления однорядным и т.д.) и полная резорбция palatinum запаздывают почти на две недели, а резорбция coronoideum - на три недели.

Таким образом, при всех экспериментальных условиях изменения в активности тиреоидной оси (под действием ТГ, гойтрогена и амиодарона) практически не сказывались на времени появления ранних окостенений, но вызывали изменения во времени появления более поздних. Реакция на изменения усиливалась по мере приближения к метаморфозу.

Сходная тенденция прослеживается в развитии отдельных костей. Например, ранние стадии развития сошника не изменялись при изменениях уровня ТГ, а его поздние, метаморфные преобразования, тормозились и ускорялись при понижении и повышении уровня ТГ. Время появления frontale (38 - 39 ст.) неизменно во всех экспериментальных условиях, однако появление её предглазничного отростка ускорялось под действием ТГ (на 6 стадий) и замедлялось в условиях ТГ-дефицита.

Поскольку разные кости по-разному реагируют на воздействие ТГ, порядок появления костей менялся в зависимости от экспериментальных условий (табл. 3). Более того, и в пределах одного окостенения последовательность морфогенетических процессов могла изменяться в зависимости от уровня ТГ. Так, в норме при развитии maxillare первой появляется основная (несущая зубы) порция кости, от нее вверх сразу же начинает расти восходящий отросток, а тянущийся назад каудальный отросток формируется гораздо позже. При воздействии высоких доз ТГ каудальный отросток начинал развиваться сразу же после появления основной порции кости. При содержании в тиомочевине ни озубленная порция кости, ни каудальный отросток не формировались, и возникал только восходящий отросток maxillare.

Глава 4. Обсуждение.

Впервые участие тиреоидных гормонов в развитии черепа хвостатых амфибий было выявлено при исследовании развития неотенических форм Urodela, у которых отсутствует переход во взрослое состояние, не происходят метаморфные преобразования черепа и не формируются некоторые окостенения, появляющиеся на поздне-личиночных стадиях. Келлере (Kellers, 1946) показал, что у аксолотля (Ambystoma mexicanum) воздействие экзогенного ТГ индуцирует перестройку vomer и резорбцию небной порции palato-pterygoideum и coronoideum - события, в норме не характерные для этого вида.

Схожие результаты были получены Данди и Роузом (Dundee, 1962; Rose, 1996) при воздействии ТГ на неотенических саламандр рода Haideotriton (сем. Plethodontidae). Появление поздне-личиночных окостенений (maxillare и septomaxillare) при повышенном уровне ТГ было зафиксировано у неотенических Typhlomolge rathbuni (слепая техасская саламандра) и Gyrinophilus palleucus (теннессийская ключевая саламандра) (сем. Plethodontidae), в норме их не имеющих (Dundee, 1957).

Позднее было показано, что и у видов, имеющих типичное личиночное развитие и завершающих метаморфоз (Eurycea bislineata - двулинейная саламандра, сем. Plethodontidae, и Т. vulgaris, сем. Salamandridae), ТГ ускоряет появление поздне-личиночных окостенений и метаморфные преобразования черепа (Rose, 1995; Smirnov, Vassilieva, 2003). Экспериментальное понижение уровня ТГ у Г. vulgaris и A. mexicanum вызывало замедление развития и даже утрату поздне-личиночных окостенений (Smirnov, Vassilieva, 2003,2005).

Проведенное нами исследование показало, что для S. keyserlingi и P. waltl также характерны ускоренные появление окостенений поздне-личиночных стадий и метаморфное преобразование черепа при повышении уровня ТГ. Понижение уровня ТГ приводило к замедлению появления окостенений, недоразвитию и утрате некоторых из них. У S. keyserlingi замедляется появление septomaxillare и lacrymale; у P. waltl - praefrontale, nasale и maxillare, причем у maxillare утрачивается озубленная порция кости, a nasale появляется не у всех тритонов и в разных количествах; у Т. vulgaris не формируются nasale и praefrontale, а также предглазничный отросток frontale и небный отросток praemaxillare, не образуется каудальный отросток maxillare.

Следовательно, изменение уровня ТГ влияет на поздний краниогенез всех исследованных в этом отношении видов Urodela.

О влиянии ТГ на развитие окостенений, появляющихся на более ранних стадиях онтогенеза, известно гораздо меньше. Показано, что у Т. vulgaris окостенения средне-личиночного периода или не проявляют реакции на ТГ-дефицит (exoccipitale и quadratum) или слабо реагируют на него (orbitosphenoideum и prooticum). При повышении уровня ТГ ускоряется появление orbitosphenoideum и quadratum, но не изменяется время появления exoccipitale и prooticum (Smirnov, Vassilieva, 2003). Подобная же реакция на изменение уровня ТГ была выявлена у костей средне-личиночного периода развития у A. mexicanum (Smirnov, Vassilieva, 2005). Проведенное нами исследование показало, что у S. keyserlingi появление всех окостенений средне-личиночных стадий немного ускоряется под действием ТГ, а появление четырех окостенений (nasale, postrostrale, prooticum и praefrontale) замедляется при ТГ-дефиците. У P. waltl все окостенения средне-личиночного периода реагируют на повышение и понижение уровня ТГ соответственно ускорением или

15

замедлением сроков появления. У обоих видов реакция на изменение уровня ТГ усиливается при переходе к более поздним окостенениям.

Таким образом, у всех исследованных видов, принадлежащих трем семействам Urodela, кости средне-личиночного периода реагируют на изменение уровня ТГ.

Проведенные ранее исследования показали, что у Т. vulgaris и A. mexicanum при изменении уровня ТГ под воздействием экзогенного ТГ или гойтрогена время появления костей ранне-личиночного периода развития не изменяется (Smirnov, Vassilieva, 2003, 2005). Сходные результаты получены нами при исследовании раннего краниогенеза у S. keyserlingi и P. waltl. Однако методика проведения экспериментов не исключала того, что на результаты могли оказать влияние недостаточная продолжительность экспозиции гормона (из-за быстрого появления ранних окостенений черепа) или влияние материнского ТГ, уровень которого гойтрогеном не понижается.

Проведенные нами эксперименты показали, что у P. waltl ни увеличение продолжительности воздействия экзогенным ТГ (при замедлении онтогенеза понижением температуры содержания), ни снижение чувствительности к ТГ (блокированием ТГ-рецепторов амиодароном) не сказывались на времени (стадии) и порядке появления окостенений ранне-личиночного периода развития. Соответственно, можно заключить, что у хвостатых амфибий время и последовательность появления ранних окостенений черепа не меняются при изменении уровня ТГ.

Изменение сроков появления, темпов роста и скорости морфологической дифференцировки костей в зависимости от уровня ТГ указывает на зависимость развития окостенений от ТГ. Очевидно, чем сильнее реакция кости на изменение уровня ТГ, тем сильнее ее ТГ-зависимость. У всех исследованных видов кости черепа различаются по степени ТГ-зависимости. Наиболее ранние этапы краниогенеза практически не зависят от ТГ, зависимость возрастает по мере приближения к метаморфозу, и метаморфные преобразования черепа большей частью облигатно индуцируются ТГ, а постметаморфные изменения черепа оказываются в целом ТГ-независимыми. Тенденция к усилению ТГ-зависимости по мере перехода к поздним стадиям развития прослеживается и на отдельных окостенениях. Например, у всех исследованных видов ранние стадии развития сошника не зависят от уровня ТГ. Следующие этапы - его рост и резорбция - ускоряются при высоких дозах ТГ и замедляются при дефиците ТГ, а метаморфные преобразования - индуцируются ТГ (рис. 1 А, Б, В). Время появления frontale у всех видов не изменяется при изменении уровня ТГ, тогда как предглазничный отросток этой кости у P. waltl развивается с задержкой при ТГ- дефиците, а у Г. vulgaris не развивается вовсе.

А. Преобразование небной области £ кеувегИп§1 под действием гойтрогена и при нормальных условиях.

/ ф

wd№>

-. fJSlff,

rlan

It"

■ ШЖ ш

Ж щ

. -у,..--- -• -

тиомочевина 0,02%

ртх тх vom orb

parasph pal-pter

pro

st

exo

— pmx

— ют

— mx

/

Ж,

нормальные условия

orb

parasph pter

pro Я st exo

Б. Преобразование небной области Р. waltl под действием гойтрогена и при нормальных условиях.

■Ш Ш

lÜl Ж

ртх ppalp

- vom -parasph

pal-pter

Г............

•s

№ г. -г ..: '-

щяг Мина

ртх тх - vom

parasph

pter

тиомочевина 0,02%

нормальные условия

Я Преобразование небной области Т. vulgaris под действием ТГ и гойтрогена.

"Ш

ртх

vom parasph

pal-pter q

тиреоидный гормон (1 нг/мл)

тиомочевина 0,02%

Рисунок 1. Преобразование небной области у S. keyserlingi, P. waltl и Т. vulgaris в различных условиях.

ехос - exoccipitale; mx - maxillare; orb - orbitosphenoideum; pal-pter - palato-pterygoideum; parasph - parasphenoideum; pmx - praemaxillare; pro - prooticum; pter - pterygoideum; q -quadratum; st - stapes; vom - vomer

Соответственно, в онтогенезе Urodela изменяется роль тиреоидных гормонов в регуляции развития черепа: она незначительна в раннем краниогенезе, возрастает по мере приближения личинок к метаморфозу,

максимальна во время метаморфоза и вновь идет на убыль после его завершения.

На основе синтеза полученных результатов и литературных данных нам удалось проследить в онтогенезе хвостатых амфибий динамику изменений механизмов, принимающих участие в регуляции краниогенеза. Так, у S. keyserlingi самый ранний этап в развитии praemaxillare - формирование основания кости (предшественника озубленной порции кости) - индуцируется хрящом рога трабекул (Лебедкина, 1985). Следующий этап - появление ее восходящего отростка - индуцируется обонятельным мешком (Лебедкина, 1985). Оба этапа не зависят от ТГ. Затем следует разрастание кости - процесс, скорость и интенсивность которого зависят от уровня ТГ. Завершающий этап -формирование небных отростков - индуцируется ТГ. Сходная картина наблюдается и у P.waltl в процессе развития praemaxillare.

Подобная же тенденция прослеживается на уровне краниогенеза в целом. У S. keyserlingi появление praemaxillare, возникающей в ранне-личиночный период развития (ст. 34), индуцируется хрящом рога трабекул (Лебедкина, 1985), при этом 1Г, по нашим данным, не влияет на время появления этой кости. Появление более позднего окостенения, nasale, индуцируется обонятельным мешком (Лебедкина, 1985), но высокие дозы ТГ и его дефицит слегка соответственно ускоряют и замедляют появление этой кости. Появление lacrymale, возникающей в поздне-личиночный период развития, индуцируется слезно-носовым протоком (Медведева, 1975), но изменение уровня ТГ серьезно сказывается на времени ее появления. Наконец, время появления и степень развития septomaxillare сильно зависят от уровня ТГ, тогда как участие слезно-носового протока в регуляции ее морфогенеза ограничивается влиянием на форму кости (Медведева, 1975).

Приведенные данные указывают на то, что в онтогенезе хвостатых амфибий роль ТГ как фактора, принимающего участие в регуляции краниогенеза, возрастает: если на ранних этапах краниогенеза превалирует морфогенетическая индукционная зависимость на основе межтканевых взаимодействий, когда появление кости индуцируется какой-либо структурой (хрящом, слезно-носовым протоком, обонятельной и слуховой плакодами и т. д.), то в ходе морфогенеза к ней подключается и постепенно ее заменяет эндокринная индукция - с ТГ в качестве индуктора.

Изменение уровня ТГ у всех исследованных видов влияет на скорость развития краниальных элементов и на время их появления, что приводит к изменению порядка появления костей. Таким образом, последовательность появления костей сильно зависит от уровня ТГ. Встречающиеся индивидуальные отклонения от обычной для вида последовательности появления костей, возможно, являются следствием индивидуальной

18

изменчивости в активности щитовидной железы, часто обнаруживаемой у хвостатых амфибий (Alberch et al., 1985; Rosenkilde, 1987).

В ходе эксперимента было выявлено, что повышение уровня ТГ ускоряет рост костей и процесс их кальцинации, что часто приводит к срастанию близлежащих окостенений. Так, у P. waltl и S. keyserlingi vomer срастается с palato-pterygoideum с образованием сложного комплекса vomero-palato-pterygoideum (рис. 2). У S. keyserlingi maxillare часто срастается с praemaxiilare под действием высоких доз экзогенного гормона. Срастания костей были замечены также у Т. vulgaris под действием повышенного уровня ТГ (Smimov, Vassilieva, 2003). Таким образом, повышение уровня ТГ может приводить к уменьшению количества отдельных окостенений в дефинитивном черепе. Понижение уровня ТГ приводило к замедлению роста костей и замедляло срастание закладок, участвующих в формировании кости. Как следствие, увеличивалось количество краниальных элементов в результате самостоятельной кальцинации отдельных закладок кости (например, nasale у Р. waltl - рис. 3). С другой стороны, дефицит ТГ может приводить к утрате ТГ-зависимых краниальных окостенений. Таким образом, искусственное изменение темпов развития при изменении уровня ТГ приводит к изменению дефинитивной морфологии черепа.

А. Б.

Рисунок 2. Срастание vomer с palatinum (А.) и praemaxiilare с maxillare (Б.) у S. keyserlingi в условиях повышенного уровня тиреоидного гормона (1 нг/мл).

parasph - parasphenoideum; ртх - praemaxiilare; pter - pterygoideum; pmx+mx- срастание praemaxiilare с maxillare; q - quadratum; vom- vomer; vom+ pal-pt - срастание vomer с palato-pterygoideum.

А.

Б.

рарт

рарт

max en

рарт ос

ос

Рисунок 3. Формирование нескольких окостенений nasale у P. waltl в условиях ТГ-дефицита. А. - по два окостенения с каждой стороны черепа; Б. - одно окостенение с левой стороны, четыре окостенения-с правой стороны черепа

en - capsula nasalis; max - maxiüare; n - nasale; ос - oculus; рарт - proc. ascendens oss. praemaxillaris; prf - praefrontale.

Хвостатые амфибии в своем краниогенезе по-разному реагируют на изменения уровня ТГ. У S. keyserlingi высокие дозы ТГ ускоряют появление многих окостенений, особенно сильно - поздних (lacrymale и septomaxillare). При дефиците ТГ происходит замедление появления многих костей, особенно сильно - костей, возникающих в поздне-личиночный период, однако все кости черепа все же появляются. У A. mexicanum - сходная ситуация, но кости, появляющиеся в поздне-личиночный период, при дефиците ТГ оказываются сильно недоразвитыми (nasale) и/или могут быть утрачены (septomaxillare) (Smírnov, Vassilieva, 2003). У P. waltl при ТГ-дефиците кости поздне-личиночного периода (maxillare, praefrontale и nasale) остаются рудиментарными и могут быть утрачены (maxillare, nasale). У Т. vulgaris все кости поздне-личиночного периода (maxillare, praefrontale и nasale) не только рудиментарны, но и склонны к утрате при низком уровне ТГ. У Eurycea bislineata (Plethodontidae) все кости поздне-личиночного периода (maxillare, praefrontale, nasale и septomaxillare) индуцируются ТГ (Rose, 1995). У неотенических плетодонтид эти кости отсутствуют, но могут появиться (в частности, maxillare и septomaxillare у Typhlomolge rathbunt) под действием экзогенного ТГ (Dundee, 1957; Rose, 1995, 1996). Последнее обстоятельство указывает на то, что их утрата - следствие естественного дефицита ТГ у этих плетодонтид.

Сходная картина наблюдается на примере метаморфных преобразований черепа. Реакция последних на изменение уровня ТГ минимальна у S. keyserlingi, усиливается при переходе к саламандридам {P. waltl и Т. vulgaris) и оказывается максимальной у плетодонтид. Таким образом, в пределах отряда Urodela в эволюционном ряду от примитивных саламандр (гинобииды) к эволюционно-продвинутым (саламандриды и плетодонтиды) зависимость краниогенеза от ТГ усиливается. Та же тенденция наблюдается в пределах семейства Salamandridae при переходе от примитивного (среди саламандрид) Pleurodeles к эволюционно-

го

продвинутому Triturus (Wake, Ozetti, 1969). Следовательно, эволюция Urodela сопровождалась усилением роли ТГ в регуляции краниогенеза.

На основе синтеза полученных результатов и литературных данных нам удалось проследить в эволюции хвостатых амфибий динамику изменений механизмов, принимающих участие в регуляции развития черепа. Так, у S. keyserlingi появление lacrymale индуцируется слезно-носовым протоком (Медведева, 1975), но II влияют на время ее появления и скорость развития. Те же механизмы обеспечивают регуляцию морфогенеза этой кости у А. техгсапит, но влияние ТГ на время ее появления и скорость развития выражено гораздо сильнее (Медведева, 1986; Smirnov, Vassilieva, 2005). У 5. keyserlingi появление nasale индуцируется хрящом носовой капсулы (или обонятельной плакодой) (Лебедкина, 1985), тогда как ТГ способны оказывать лишь некоторое влияние на время появления и темпы роста кости. У A. mexicanum ТГ оказывают серьезное влияние на время появления носовой кости (Smirnov, Vassilieva, 2005), тогда как у P. waltl и Т. vulgaris для развития кости необходимо воздействие ТГ, и дефицит ТГ приводит к ее утрате. У S. keyserlingi в регуляции морфогенеза septomaxillare принимают участие слезно-носовой проток (Медведева, 1975) и ТГ. У Е. bislineata (Plethodontidae) развитие septomaxillare индуцируется ТГ, а слезно-носовой проток в регуляции ее морфогенеза, по-видимому, не участвует (кость развивается и в его отсутствие - Rose, 1995).

Таким образом, в эволюционном ряду хвостатых амфибий при переходе от примитивных саламандр к продвинутым изменяются механизмы регуляции развития черепа. Краниальные структуры, в развитии которых у примитивных саламандр превалирует морфогенетическая индукционная зависимость на основе межтканевых взаимодействий, при переходе к филетически более продвинутым приобретают зависимость от ТГ, усиливающуюся в филогенезе Urodela.

В биологии развития амфибий морфогенез черепа рассматривается либо как каскад последовательных морфогенетических индукций на основе межтканевых взаимодействий, либо как последовательность взаимодействий между тканями-мишенями (osteogenic sites) и ТГ (Hanken, Hall, 1984). Наше исследование показало, что оба механизма принимают участие в регуляции морфогенеза черепа, но их «доля участия» изменяется как в онто-, так и филогенезе хвостатых амфибий.

Выводы

1. Тиреоидине гормоны принимают участие в регуляции развития черепа иго<Ыа, влияя на время и последовательность появления окостенений, темпы их роста и кальцинации.

2. В онтогенезе хвостатых амфибий изменяется роль тиреоидных гормонов в регуляции развития черепа. Наиболее ранние краниальные окостенения практически не зависят от ТГ; зависимость возрастает по мере приближения к метаморфозу, метаморфные преобразования черепа большей частью облигатно индуцируются тиреоидными гормонами.

3. В процессе развития кости её ТГ-зависимость меняется: на ранних стадиях морфогенеза кость может быть индифферентна к гормону, но становится ТГ-зависимой на более поздних стадиях. Разные участки одной и той же кости могут различаться по степени зависимости от ТГ; зависимость отдельных участков от ТГ приобретается на поздних стадиях развития.

4. Изменения уровня тиреоидного гормона сказываются на дефинитивной морфологии черепа: уменьшается количество окостенений в результате срастания нескольких самостоятельных костей при воздействии высоких доз ТГ и увеличивается в результате самостоятельной кальцинации отдельных закладок кости при дефиците ТГ. Дефицит ТГ может приводить к недоразвитию черепа и утрате отдельных его элементов.

5. В онтогенезе и филогенезе хвостатых амфибий возрастает роль ТГ в регуляции развития черепа и уменьшается роль межтканевых взаимодействий как механизма регуляции краниогенеза.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Смирнов C.B., Васильева А.Б., Меркулова K.M. 2008. Экспериментальное исследование роли гетерохроний в морфогенезе костей черепа амфибий // Доклады Академии наук, Т. 418, N 5, С. 715-717.

2. Меркулова K.M. 2008. Влияние тиреоидных гормонов на краниогенез испанского тритона {Pleurodeles waltl: Urodela: Salamandridae) // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Товарищество научных изданий КМК, Москва. С. 227-236.

3. Смирнов C.B., Васильева А.Б., Меркулова K.M. 2010 Носовая кость испанского тритона (Pleurodeles wähl-, Salamandridae;Urodela): развитие и механизмы его регуляции // Доклады Академии наук, Т. 431, N 3, С. 426-429.

4. Меркулова K.M. 2010 Развитие черепа сибирского углозуба (Salamandrella keyserlingir, Hynobiidae; Urodela ) и механизмы его регуляции //Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Товарищество научных изданий КМК, Москва. С. 199-205.

5. Меркулова K.M. 2011 Роль тиреоидных гормонов в регуляции онтогенеза черепа испанского тритона {Pleurodeles waltl, Salamandridae, Urodela) // Вопросы герпетологии. Материалы IV Съезда Герпетологического Общества им. A.M. Никольского. С. 172-177.

6. Меркулова K.M. 2011 Онтогенез черепа хвостатых амфибий и роль тиреоидных гормонов в его регуляции // Материалы XVIII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». С. 135.

7. Smirnov S.V., Vassilieva A.B., Merkulova K.M. 2011. Thyroid hormone mediation in skull development of Siberian newt, Salamandrella keyserlingii (Urodela: Hynobiidae), with comparison to other species // Russ. J. Herpetol., V. 18, N 3. (in press).

8. Меркулова K.M. 2011. Тиреоидные гормоны в развитии и эволюции черепа хвостатых амфибий // Труды Украинского герпетологического общества №3. (в печати).

Заказ № 448. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Петроруш». г.Москва, ул.Палиха 2а.тел.(499)250-92-06 www.postator.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Меркулова, Ксения Михайловна, Москва

!

Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

На правах рукописи

МЕРКУЛОВА КСЕНИЯ МИХАИЛОВНА

РАЗВИТИЕ ЧЕРЕПА ХВОСТАТЫХ АМФИБИЙ И РОЛЬ ТИРЕОИДНЫХ

ГОРМОНОВ В ЕГО РЕГУЛЯЦИИ

03.02.04- зоология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени CD кандидата биологических наук

(О

Tt

Tt _

CNJ

x— Научный руководитель

доктор биологических наук

Mb °

^ Смирнов C.B.

Москва 2011

Оглавление

Введение.................................................................................................................4

Цель и задачи исследования...................................................................................................6

Научная новизна......................................................................................................................6

Теоретическое и практическое значение...............................................................................7

Публикации..............................................................................................................................7

Благодарности..........................................................................................................................7

Глава 1....................................................................................................................9

Обзор литературы....................................................................................................................9

1.1. Строение костного черепа хвостатых амфибий.........................................................9

1.2. Развитие костного черепа хвостатых амфибий........................................................10

1.3 Центры окостенения....................................................................................................14

1.4. Механизмы регуляции развития черепа...................................................................15

1.5 Тиреоидные гормоны..................................................................................................16

1.6. Роль тиреоидных гормонов в регуляции развития черепа.....................................22

Глава 2..................................................................................................................25

Материалы и методы.............................................................................................................25

Глава 3..................................................................................................................29

3.1. Развитие костного черепа Salamandrella keyserlingi...................................................29

3.1.1. Развитие костного черепа S. keyserlingi при нормальных условиях...................29

3.1.2 Развитие костного черепа S. keyserlingi при повышенном уровне ТГ................47

Развитие костного черепа при 1 нг/мл ТЗ...................................................................47

Развитие костного черепа при 10 нг/мл ТЗ.................................................................57

3.1.3 Развитие костного черепа S. keyserlingi при ТГ-дефиците...................................60

Развитие черепа при подавлении активности щитовидной железы тиомочевиной (концентрация 0,02%)....................................................................................................60

3.2. Развитие костного черепа Pleurodeles waltl.................................................................72

3.2.1 Развитие костного черепа Р. waltl в норме.............................................................72

3.2.2 Развитие костного черепа Р. waltl при высоком уровне ТГ.................................80

Развитие костного черепа при 1 нг/мл Тз....................................................................80

Развитие костного черепа при 2 нг/мл Тз....................................................................89

Развитие костного черепа при 4 нг/мл Тз....................................................................97

Развитие костного черепа при 10 нг/мл Тз................................................................100

3.2.3 Развитие костного черепа Р. waltl при пониженной температуре.....................103

Развитие черепа при пониженной температуре в нормальной среде.....................103

2

Развитие при пониженной температуре под действием экзогенного тиреоидного

гормона (10 нг/мл).......................................................................................................104

Развитие черепа при пониженной температуре с добавлением тиреоидного гормона (50 нг/мл).......................................................................................................106

3.2.4 Развитие костного черепа P. waltl при ТГ - дефиците........................................107

Развитие черепа при подавлении активности щитовидной железы тиомочевиной (концентрация 0,02%)..................................................................................................107

3.2.5 Развитие костного черепа P. waltl при воздействии амиодарона......................127

Развитие черепа при содержании в растворе амиодарона 1000 нг/мл....................127

Развитие черепа при содержании в растворе амиодарона 100 нг/мл......................135

3.3 Развитие костного черепа обыкновенного тритона (Trituras vulgaris) при ТТ-

дефиците...............................................................................................................................140

Глава 4. Обсуждение результатов.................................................................145

Развитие костного черепа Salamandrella keyserlingi.....................................................145

Развитие костного черепа Pleurodeles waltl...................................................................151

Роль ТГ в регуляции развития черепа в индивидуальном развитии Urodela.............158

Эволюция регуляторной роли ТГ в филогенезе Urodela..............................................166

Выводы...............................................................................................................171

Список цитированной литературы..............................................................172

Приложение 1....................................................................................................185

Статистическая обработка результатов.............................................................................185

Графики зависимости появления костей черепа P. waltl от концентрации экзогенного

тиреоидного гормона.......................................................................................................185

Графики зависимости появления костей черепа S.keyserlingi от концентрации

тиреоидного гормона.......................................................................................................194

Приложение 2....................................................................................................200

Список условных обозначений к рисункам......................................................................200

Список условных обозначений к приложению 2..............................................................201

Введение

Череп хвостатых амфибий - традиционный объект исследования, привлекающий внимание морфологов, палеонтологов, систематиков и эволюционистов. Данные по строению и развитию черепа используются для анализа закономерностей эволюционных преобразований (Лебедкина, 1979), изучения механизмов регуляции онтогенеза (Медведева, 1975; Devillers, Corsin, 1968; Rose, 1996), для диагностики видов (Wake, 1966) и реконструкции филогенетических связей (Шмальгаузен, 1964; Trueb, Cloutier, 1991; Trueb, 1993). Развитие черепа у хвостатых амфибий - видоспецифический процесс: краниальные окостенения появляются в строгой, присущей данному виду, последовательности. Порядок появления костей настолько постоянен, что используется в филогенетическом анализе (Wake, 1999) и при' реконструкции эволюционного становления отряда Urodela (Schoch, Carroll, 2003). Регуляторные механизмы, ответственные за поддержание этой последовательности, не ясны. Экспериментальными методами показано, что время появления'костей может зависеть от времени появления структур, индуцирующих их развитие (Медведева, 1975; Лебедкина, 1986 и др.), т.е., имеют место межтканевые индукционные взаимодействия. Однако, этот механизм регуляции присущ лишь отдельным краниальным элементам и степень индукционной зависимости варьирует у представителей разных форм (Медведева, 1975, 1985; Лебедкина, 1979, 1985). Другим механизмом, принимающим- участие в регуляции морфогенеза черепа, является эндокринная индукция, ведущую роль в которой играют гормоны щитовидной железы (тиреоидные гормоны, ТГ). ТГ играют важную роль в онтогенезе хвостатых амфибий, индуцируя многие онтогенетические события. Изменения в активности тиреоидной оси влияют на сроки и темпы морфогенетических процессов и вызывают гетерохронии, являющиеся одним из ведущих механизмов эволюционных преобразований амфибий (Рэфф, Кофмен, 1986). Эти изменения сыграли важную роль в эволюции Urodela, в том числе - в становлении неотенических семейств хвостатых амфибий (Dent, 1968) и в переходе к прямому развитию (Смирнов, 2008) -эволюционных событиях, сопровождавшихся изменениями в краниогенезе. и дефинитивном строении черепа. Экспериментальными методами было показано, что в краниогенезе хвостатых амфибий ТГ индуцируют метаморфные преобразования черепа и появление некоторых краниальных окостенений (Смирнов, Васильева, 2002; Dundee, 1957; Rose, 1995, 2000). В соответствии с этими данными как гипотеза была выдвинута модель эндокринной регуляции развития черепа хвостатых амфибий (Rose, 1996, 2004),

согласно которой: 1) развитие кости индуцируется ТГ; 2) каждой кости присуща собственная чувствительность к гормону; 3) каждой кости для запуска развития требуется воздействие определенной, пороговой дозы гормона; 4) уровень гормона в организме изменяется в ходе онтогенеза; 5) при достижении порогового уровня кость начинает формироваться. Соответственно, последовательность появления костей «задается» взаимодействием двух факторов — уровнем гормона и чувствительностью кости к гормону. При этом предполагается, что чувствительность к гормону в целом одинакова у разных форм хвостатых амфибий и не изменяется в эволюции игос!е1а -изменяется гормональный профиль, и различия в нем ответственны за различия в развитии и строении черепа современных хвостатых амфибий.

Безоговорочному признанию этой модели препятствует ряд обстоятельств. Во-первых, модель основывается на априорном предположении, что все краниальные окостенения в своем развитии зависят от ТГ, тогда как, с одной стороны, неизвестна роль ТГ в регуляции раннего краниогенеза, в течение которого появляется большая часть костей черепа хвостатых амфибий, а с другой - есть данные, указывающие на то, что некоторые краниальные окостенения в своем развитии могут не зависеть от ТГ (Зтипоу, УаээШеуа, 2002, 2005). Во-вторых, модель основывается на априорном предположении, что одинаковые окостенения у разных форм хвостатых амфибий в одинаковой степени зависят в своем развитии от ТГ и степень зависимости не меняется в эволюции игос1е1а, тогда как есть данные, указывающие на то, что одними те же окостенения у разных форм хвостатых амфибий могут различаться по степени зависимости от ТГ (Зггпгпоу, 2006). В-третьих, модель абсолютизирует роль ТГ и полностью игнорирует данные, указывающие на участие в регуляции краниогенеза механизмов, отличных от эндокринной регуляции, в частности — межтканевых индукционных взаимодействий. И, наконец, модель недостаточно «поддержана» экспериментальными данными, в частности - данными, подтверждающими влияние изменений активности тиреоидной оси на дефинитивную морфологию черепа хвостатых амфибий.

Таким образом, несмотря на несомненное участие ТГ в регуляции развития черепа хвостатых амфибий, роль ТГ в морфогенезе и эволюции черепа игос1е1а до настоящего времени оставалась малоизученной.

Цель и задачи исследования.

Целью работы было экспериментальное исследование роли тиреоидных гормонов в регуляции краниогенеза в онто- и филогенезе хвостатых амфибий. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Сравнить последовательность и время появления костей черепа в онтогенезе представителя примитивного семейства Hynobiidae, Salamandrella keyserlingi, при содержании в различных концентрациях тиреоидного гормона (нормальном, повышенном и пониженном).

2. Сравнить последовательность и время появления костей черепа в онтогенезе представителя эволюционно-продвинутого семейства Salamandridae, Pleurodeles waltl, при содержании в различных концентрациях тиреоидного гормона (нормальном, повышенном и пониженном).

3. На основе синтеза полученных результатов и литературных данных проанализировать роль ТГ в регуляции развития черепа в индивидуальном развитии Urodela.

4. Сопоставить роль ТГ в регуляции краниогенеза у представителей семейств разного эволюционного уровня и проанализировать эволюцию регуляторной роли ТГ в филогении Urodela.

5. На основе экспериментальных данных оценить возможное влияние изменений активности тиреоидной оси на краниогенез и дефинитивную морфологию черепа Urodela.

Научная новизна.

Впервые изучена роль тиреоидного гормона в регуляции раннего морфогенеза костного черепа хвостатых амфибий.

Впервые экспериментальным путем доказано, что наиболее ранние этапы развития костного черепа хвостатых амфибий практически не зависят от тиреоидных (в том числе материнских) гормонов.

Впервые экспериментальным путем показано, что количество костей в дефинитивном черепе может изменяться в зависимости от уровня тиреоидного гормона.

Выявлена динамика изменений механизмов регуляции морфогенеза краниальных окостенений в онтогенезе амфибий. Показано, что в ходе индивидуального развития

б

уменьшается роль межтканевых взаимодействий в регуляции краниогенеза и возрастает роль эндокринной индукции.

Доказана практическая применимость амиодарона для экспериментального исследования роли ТГ в онтогенезе амфибий.

Теоретическое и практическое значение.

Результаты работы имеют значение для понимания механизмов формообразования скелетных структур у хвостатых амфибий. Данные диссертации могут быть использованы при подготовке лекционных курсов и пособий по сравнительной анатомии, биологии развития и зоологии позвоночных, а также при реконструкции филогенетических связей внутри отряда.

Апробация работы.

Материалы исследований были представлены на конференциях молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН «Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых» (Москва, 2008, 2010), на IV Съезде герпетологического Общества им. A.M. Никольского «Изучение и охрана биоразнообразия амфибий и рептилий Северной Евразии: новые подходы в теории и практике» (Казань, 2009), на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2011), на VI Международной конференции украинского герпетологического общества (Киев, 2011) и на заседаниях морфологического семинара ИПЭЭ РАН (2010-2011).

Публикации.

По теме работы опубликовано 5 статей, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК и 2 статьи находятся в печати.

Благодарности.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.б.н, C.B. Смирнову за всестороннюю помощь, Э.И. Воробьевой, H.H. Иорданскому, Е.И. Наумовой, А.Б. Савинецкому, М.В. Холодовой, О.Ф. Черновой, за внимательное ознакомление с моей работой, за консультации, ценные советы, замечания и рекомендации. Особую благодарность автор выражает М.И. Шатуновскому за советы, помощь и моральную поддержку. Искренняя признательность Д.В. Щепоткину и В.Г.

7

Петросяну за оказанную помощь в статистической обработке результатов и А.Б. Васильевой - за предоставленные материалы.

Настоящее исследование поддержано грантами РФФИ (07-04-00141 а и 10-04-00787а) и Президента РФ для поддержки Ведущих Научных Школ НШ- 2210.2008.4

Глава 1.

Обзор литературы

1.1. Строение костного черепа хвостатых амфибий

Костный череп хвостатых амфибий демонстрирует широкое разнообразие планов строения. Межвидовые различия в его морфологии проявляются как в строении отдельных костей, так и в количестве краниальных окостенений, входящих в состав черепа: максимальное количество костей присуще черепу примитивных саламандр, гинобиид. Дерматокраний последних включает в себя praemaxillare и maxillare (верхняя челюсть), dentale, angulare и goniale (нижняя челюсть), frontale и parietale (крыша черепа), nasale, praefrontale, lacrymale и septomaxillare (носовая область черепа), squamosum и quadrato-jugale (щечная область), парные vomer и pterygoideum и непарный parasphenoideum (основание черепа). Помимо покровных костей, череп включает в себя набор эндохондральных (замещающих) окостенений: prooticum и exoccipitale (ушная капсула), orbitosphenoideum (латеральная стенка нейрокраниума), quadratum (щечная область), articulare (нижняя челюсть) и слуховая косточка (stapes) в овальном окне слуховой капсулы.

По мере перехода к эволюционно более продвинутым^ формам сокращается количество костей, входящих в состав черепа. Так, у саламандрид отсутствует lacrymale и septomaxillare, у плетодонтид - lacrymale и pterygoideum, у многих утрачены praefrontale и articulare (Rose, 2000).

Количество краниальных окостенений сокращается у педоморфных форм, в первую очередь, - у неотенических, постоянножаберных саламандр. Среди постоянножаберных амфибий экстремальное недоразвитие черепа характерно для Proteidae (Necturus и Proteus): отсутствуют septomaxillare, lacrymale, praefrontale, nasale, maxillare, orbitosphenoideum и articulare (Parker, 1877; Wilder, 1903). У Siren. lacertiana (Sirenidae) отсутствуют septomaxillare, praefrontale и lacrymale (Reilly and Altig, 1996). Многие формы с прямым развитием демонстрируют педоморфное, вероятно связанное с миниатюризацией, недоразвитие черепа: утрату septomaxillare и praefrontale, редуцированную носовую кость (Wake, 1966; Hanken, 1984; Alberch and Alberch, 1981; Alberch, 1983).

1.2. Развитие костного черепа хвостатых амфибий

Развитие черепа описано для многих форм хвостатых амфибий, в том числе в сем. Cryptobranchidae для Andrias japonicus (Aoyama, 1930; Fox, 1954), в сем. Hynobiidae для Ranodon sibiricus, Salamandrella keyserlingi (Лебедкина, 1979) и Onychodactylus japonicus (Suzuki, 1932; Okutomi, 1936), в сем. Sirenidae для Siren intermedia (Bourque, 1939; Reilly and Altig, 1996), в сем. Proteidae для Necturus maculosus (Eycleshymer and Wilson, 1919), в сем. Amphiumidae для Amphiuma means (Hay, 1890; Davison, 1895), в ceM.Rhyacotritonidae для Rhyacotriton cascadae (Worthington and Wake, 1971; Good and Wake, 1992), в сем. Ambystomatidae для Ambystoma texanum (Bonebrake and Brandon, 1971), A. mexicanum (Keller, 1945; Лебедкина, 1979; Smirnov and Vassilieva, 2005), A. talpoideam (Reilly, 1987) и A. tigrinum (Flick, 1992), в сем. Salamandridae для Pleiirodeles waltl (Corsin, 1966; Лебедкина, 1979), Triturus vulgaris (Erdmann, 1933; Smirnov and Vassilieva, 2003), Triturus karelini (Лебедкина, 1979), Notophthalmus viridescens (Reilly, 1986), в сем. Plethodontidae для Eurycea bislineata, Gyrinophilus porphyriticus, Hemidactylium scutatum (Rose, 1995a), Desmognathus quadramaculatus и D. aeneus (Marks, 2000), Plethodon cinereus (Dent, 1942) и Bolitoglossa subpalmata (Alberch and Alberch, 1981; Ehmche and Clemen, 2000a).