Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Строение и развитие туловищного мозга в онтогенезе Nereididae (Annelida, Polychaeta)

ВАК РФ 03.02.04, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Строение и развитие туловищного мозга в онтогенезе Nereididae (Annelida, Polychaeta)"

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Л' (СПбГУ)

005008412

СТАРУНОВ Виктор Вячеславович

СТРОЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТУЛОВИЩНОГО МОЗГА В ОНТОГЕНЕЗЕ NEREIDIDAE (ANNELIDA, POLYCHAETA)

03.02.04 - зоология

1 g RHB Ш

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург - 2011

005008412

Работа выполнена на кафедре зоологии беспозвоночных федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Университет» (СПбГУ)

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Георгий Сергеевич Слюсарев, Санкт-Петербургский государственный университет, биолого-почвенный факультет, кафедра зоологии беспозвоночных

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Елена Анатольевна Котикова, Зоологический институт РАН, лаборатория эволюционной морфологии

доктор биологических наук, профессор Дмитрий Константинович Обухов, Санкт-Петербургский государственный университет, биолого-почвенный факультет, кафедра цитологии и гистологии

Ведущая организация:

Российский Государственный Педагогический университет им. А.И. Герцена

Защита диссертации состоится /£ <Р£ВРЙА Я 2-0/2._

на заседании совета Д 212.232.08 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная д.7/9, ауд. /23

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан ¡2.. 2~Р/(

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Нервная система считается одной из наиболее эволюционно-консервативных систем органов. Данные о ее строении часто используются при анализе филогенетических взаимоотношений [Orrhage, Müller, 2005]. Развитие методов иммуногистохимии и конфокальной сканирующей микроскопии спровоцировало новый виток в изучении нервной системы. Стало возможным проследить процесс нейрогенеза на уровне отдельных нейронов и их проекций [Незлин, 2010]. Тем не менее, на данный момент существует удивительно мало данных о строении ганглиев брюшной нервной цепочки и развитии нервной системы аннелид, полученных с помощью этих методов [Brinkmann, Wanninger, 2008].

В последнее время полихеты семейства Nereididae, а именно два вида, Alitta (раннее Nereis) virens и Platynereis dumerilii стали одними из модельных объектов для многих дисциплин биологии, главным образом, для молекулярной биологии развития. Было выяснено, что некоторые гены, играющие важную роль в развитии и росте, в частности гены Нох и РагаНох кластеров, имеют домены экспрессии, помимо прочего и в различных частях брюшной нервной цепочки [Kulakova et al., 2007; Kulakova, Cook, Andreeva, 2008]. Таким образом, для понимания процессов, происходящих в ходе личиночного развития и постларвального роста нам представляется важным охарактеризовать строение и этапы формирования нервной системы у этих организмов.

Согласно теории первичной гетерономности сегментов П. П. Иванова, все тело аннелид можно подразделить на два отдела: ларвальный и постларвальный, которые различаются по строению и механизмам формирования [Иванов, 1937, 1944]. То есть из гипосферы трохофоры единовременно образуется группа сегментов, называемых ларвальными. После образования личиночного тела начинается развитие постларвальных сегментов. Они появляются последовательно один за другим.

Существуют и альтернативные точки зрения [Mantón, 1949; Anderson, 1959, 1966]. По мнению этих авторов первичная гетерономность тела связана лишь с особенностями личиночного развития.

В состав тела представителей Nereididae входят как ларвальные, так и постларвальные сегменты: перистомиум и первые два щетинконосных сегмента являются по своему происхождению ларвальными, а все последующие туловищные сегменты — постарвальными. Для проверки теории первичной гетерономности представляется необходимым провести сравнительный анализ строения сегментов и процессов их формирования в ларвальном и постларвальном отделах. Параподии, обладающие большим количеством элементов и различающиеся по своему строению в ларвальном и постларвальном отделах тела [Хлебович, 1996], являются одним из удобных объектов для подобного рода анализа.

Нервная система играет существенную роль при формировании сегментов тела у полихет. Было показано, что удаление брюшной нервной цепочки в заднем конце тела ведет к образованию сегментов, лишенных параподий и \/ брюшного кровеносного сосуда [Combaz, Boilly, 1970]. Поэтому строение и

развитие параподий следует рассматривать в непосредственной связи со строением и развитием туловищного мозга.

Цель и задачи исследования. Цель работы: Выявить основные особенности организации и этапы формирования брюшного мозга в контексте строения и развития ларвальных и постларвальных сегментов тела у полихет А Ни а \чгет и Р!а1упеге1.ч <1итегПп.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать строение ганглия брюшной нервной цепочки постларвального туловищного сегмента.

2. Описать и проанализировать общее строение и иннервацию заднего конца тела (пигидий, зону роста и зону формирования сегментов).

3. Проанализировать строение ганглиев и параподий первых щетинконосных сегментов червя.

4. Проследить и проанализировать развитие нервной системы и параподий ларвальных сегментов в ходе личиночного развития.

Научная новизна работы. Впервые с использованием методов конфокальной сканирующей микроскопии был проведен анализ строения и развития серотонин-, РМКРамид- и катехоламинергической систем ганглиев туловищного мозга у А. \nrens и Р. (¡птегПИ. Впервые было детально изучено строение заднего конца тела у А. \irens и Р. с/итегИИ. Показано, что строение пигидия Кеге!сНс1ае существенно отличается от ставших классическими представлений о строении пигидия аннелид. Впервые было сделано описание процесса развития серотонин- и РМЯРамидергических систем в эмбриогенезе А. тгет, а также РМЯРамид- и катехоламинергических систем в эмбриогенезе Р. йитегИи. Были получены новые данные, подтверждающие гипотезу о существовании в развитии №ге1сМае еще одного, сильно эмбрионизированного ларвального сегмента.

Теоретическое и практическое значение работы. Результаты исследования строения ганглия брюшной нервной цепочки А. \irens и Р. ¿итегНН могут быть использованы в дальнейшем для решения вопросов систематики и филогении полихет. Данные о пространственном распределении нейротрансмиттеров в ганглии могут быть важны для понимания паттерна экспрессии регулятроных генов в нервной системе аннелид. Полученные данные о развитии нервной системы А. \irens и Р. ¿итегНИ могут быть использованы для дальнейшего сравнительного анализа филогенетических отношений трохофорных животных, а также для выявления возможных путей эволюции их личиночного развития. Также, полученные данные необходимы для дальнейшей разработки теории П.П. Иванова о первичной гетерономное™ сегментов у аннелид. Апробация работы. Результаты работы были доложены на VII (Санкт-Петербург, 2006), VIII (Санкт-Петербург, 2007), X (Санкт-Петербург, 2009) и XI (Санкт-Петербург, 2010) научных сессиях морской биологической станции СПбГУ, международной конференции «Проблемы эволюционной морфологии животных» (Санкт-Петербург, 2006), международном научно-методическом семинаре "современные методы микроскопии в исследовании живых систем." (Санкт-Петербург, 2008), международной научной конференции "Каспар

Фридрих Вольф и современная биология развития" (Санкт-Петербург, 2009), XVII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2010." (Москва, 2010), а также на всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы эволюционной морфологии животных» (Санкт-Петербург, 2011). Публикации: По материалам диссертации опубликовано 13 работ. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Существует пространственная дорсовентральная и ростро-каудальная регионализация ганглия туловищного сегмента Кеге1сШае.

2. Общее строение и иннервация пигидия №ге1<Ыае не соответствует классическим представлениям.

3. В состав личиночного тела Кеге1(Шае входят четыре ларвальных сегмента.

Финансовая поддержка работы.

Работа поддержана грантами РФФИ (06-04-48544-а), РФФИ (09-04-01309-а), РФФИ (09-04-10108-к) и РФФИ (10-04-10039-к).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, глав «Обзор литературы», «Материал и методы», «Результаты», «Обсуждение», выводов и списка цитируемой литературы, включающего 160 источников. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста и иллюстрирована 3 таблицами и 65 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы.

Черви А. \1гет были собраны в акватории Чупинской губы Кандалакшского залива Белого моря, в течение полевых сборов 2004-2008 годов на литорали острова Матренин. Особи размером более двадцати сантиметров были зафиксированы сразу после сбора. Более молодые черви содержалась в чашках петри при комнатной температуре.

Для постановки эмбриональной культуры А. virens, в конце июня, начале июля 2005-2010 годов производили отлов эпитокных самцов и самок. Половые продукты смешивались попарно, от одного самца и одной самки. После оплодотворения культуру отмывали от слизи и содержали при постоянном перемешивании в помещении с температурой +10 - +11°С.

Ювенильных червей, имевших по 10-15 сегментов в составе тела, отсаживали и содержали отдельно в чашках петри диаметром 40 мм при температуре 18°С.

Взрослых Р. с/итегИи содержали в лаборатории в контейнерах с искусственной морской водой (плотность от 1,023 до 1,026 г/см3) при постоянной температуре 18°С. В помещении поддерживался световой режим, состоящий из 18 часового светового и 6 часового темнового периодов. Каждые четыре недели для имитации лунного цикла включали дополнительную лампу, работающую круглосуточно в течение одной недели. Кормление червей производили один раз в неделю.

Эпитокных червей отсаживали в отдельные контейнеры. Самцов и самок содержали раздельно. Готовых к размножению червей ссаживали попарно.

Оплодотворенную икру промывали тремя порциями морской воды и оставляли развиваться при температуре +18°С. Через 24 часа после оплодотворения емкость с личинками подносили к точечному источнику света и переносили собравшихся на свет личинок в чашку петри со свежей порцией морской воды. Кормление личинок начинали через неделю после оплодотворения.

Фиксация материала для гистологического исследования проводилась с использованием жидкости Буэна. Для предотвращения деформации, червей анестезировали в растворе гвоздичного масла (1 капля масла на 100 мл морской воды). Гистологические срезы, толщиной до 3 мкм, окрашивали гематоксилином Эрлиха-эозином. Микрофотографии были получены с использованием микроскопа Leica DM RXA и камеры Leica DC 500. По сериям полученных фотографий были сделаны графические реконструкции с использованием программы Reconstruct.

Для выявления топографии нервной системы были использованы методы иммуногистохимии с применением флуоресцирующих красителей. Червей анестезировали и фиксировали в 4% параформальдегиде на ОДМ фосфатном буфере (PBS, pH = 7,4) в течение 4-8 ч при 4°С и затем отмывали в том же буфере (3 отмывки по 10 минут). Хранение материала осуществлялось при 4°С в PBS с добавлением 0,1% NaN3.

Перед обработкой первичными антителами проводили преинкубацию образцов в течение 3-12 часов в 0,25% растворе бычьего сывороточного альбумина на PBS (pH = 7,4) с добавлением 5% Triton Х-100. В качестве первичных антител были использованы моноклональные антитела к ацетилированному тубулину (Т6793, Sigma) в разведении 1:500— 1:1000, а также поликлональные антитела к серотонину (S5545, Sigma) и FMRFaMHfly (20091, Immunostar) в разведении 1:1000—1:2000. Вторичные антитела использовались в разведении 1:400— 1:800. Были использованы антитела Alexa Fluor® 488 goat anti-rabbit IgG (H+L) (A-11008) и Alexa Fluor® 633 goat anti-mouse IgG (H+L) (A-21050), производства компании «Invitrogen».

Для визуализации мышечного актина червей помещали в раствор TRITC-фаллоидина (разведение 1:500 — 1:1000) на PBS (pH = 7,4) на 1 - 2ч, после чего отмывали в том же буфере (3 смены по 10 мин).

Ядра клеток были подкрашены раствором красителя HOEHST 33258 (HI398, Invitrogen) на однократном PBS в течение 5 минут.

После всех обработок образцы заключали между двух покровных стекол в 80% глицерин на PBS. Обработанный таким образом материал изучали с помощью инвертированного конфокального микроскопа Leica TCS SP 5. Оборудование было предоставлено ЦКП «Хромас».

Строение и развитие параподий изучалось с помощью сканирующего электронного микроскопа. Для этого черви были обездвижены при помощи 10% раствора MgCU и фиксировались глутаровым альдегидом. После обезвоживания образцы были доведены до изоамилацетата и высушены при критической точке. Далее было произведено напыление золотом. Исследование образцов производилось с использованием сканирующего электронного микроскопа Jeol JSM 35С.

Результаты и обсуждение

Оба изученных вида обладают очень схожим устройством нервной системы и внутренним строением. Поэтому необходимо отметить, что описанные результаты применимы как к А1Ша\'Ь'ет, так и к РЫупегегз с1итегИП. Отличия, где они имеют место, охарактеризованы отдельно.

1. Строение ганглия постларвального туловищного сегмента.

Брюшная нервная цепочка расположена между вентральными тяжами продольной мускулатуры. Ганглии вытянуты в продольном направлении. Тела нейронов расположены по периферии ганглия на вентральной и латеральной его поверхностях. Дорсальная часть ганглия тел нейронов не несет. Передняя часть ганглия выдается вперед за пределы соответствующего сегмента. Коннективы между ганглиями короткие.

В сегментарном ганглии Р. с1итегИИ было выявлено двадцать две пары серотонин-иммунореактивных нейронов (рис. 1 А). Все они сосредоточены на вентральной стороне ганглия и расположены симметрично. Их можно разделить на две группы: переднюю и заднюю. Разделение это весьма условно, так как форма ганглия и взаимное расположение нейронов до определенной степени зависят от степени деформации тела червя. Поскольку расположение ганглия смещено относительно сегмента, то первые несколько пар серотонин-положительных нейронов лежат на территории предшествующего сегмента.

Большое количество волокон серотонинергических нейронов расположено диффузно в нейропиле. Входят они и в состав непарного продольного нервного ствола. В составе сегментарных нервов отростки серотонин-положительных нейронов обнаружены, главным образом, в параподиапьных нервах. Единичные волокна находятся и в остальных трех парах сегментарных нервов, но количество их крайне невелико.

Ганглий зрелого сегмента Р. йитепШ содержит около двадцати пяти пар РМИРамидергических нейронов (рис. 1 Б). Большая часть нейронов сосредоточена в вентральной и вентролатерапьных частях ганглия, но несколько пар имеют латеральное и даже дорсолатеральное положение. Главной особенностью распределения РМЯРамид-положительных нейронов является то, что в передней части ганглия, находящейся в предыдущем сегменте не содержится ГМКРамидергических нейронов.

Отростки РМЯРамидергических нейронов в брюшном нервном стволе образуют два хорошо обособленных пучка. В непарном нерве РМЯРамид-иммунореактивных структур выявлено не было. Во всех парах сегментарных нервов были обнаружены отростки РМЯРамидергических нейронов. Наиболее богат ими параподиальный нерв. Параподиальный ганглий содержит в своем составе три РМШ7амид-положительных нейрона.

В ганглии было обнаружено пять пар катехоламинергических нейронов (рис. 1 В). Первые четыре пары располагаются вентрально, вблизи средней линии тела. Пятая пара нейронов залегает дорсолатерально, сразу за местами выхода параподиальных нервов. В задней части ганглия катехоламинергические нейроны не были найдены.

Отростки катехоламин-положительных нейронов образуют в стволах брюшной нервной цепочки четыре продольных пучка. В сегментарных нервах ганглия отростки этих нейронов найдены в первой и третьей парах. В параподиальном ганглии обнаруживается не менее двух катехоламинергических нейронов.

Распределение серотонинергических нейронов по вентральной стороне всего ганглия, и тяготение РМКРамидергических нейронов к задней, а катехоламинергических к передней его частям позволяет предположить определенную функциональную неоднородность ганглия как в дорзо-вентральном, так и в антериорно-постериорном направлениях. Сравнение полученных результатов с данными о распределении подобных нейронов у других Polychaeta [Mirón, Anctil, 1988; Schlawny et al., 1991; Clark, 1966; Старунов, Лаврова, 2011] позволяет сделать заключение, что сопоставимая неоднородность проявляется у представителей различных групп полихет. 2. Строение заднего конца тела

Все туловищные щетинконосные сегменты, за исключением первых двух, формируются в ходе деятельности зоны роста, расположенной на заднем конце тела червя перед пигидием. Строение заднего конца тела Nereididae отличается от представлений, ставших классическими [Ливанов, 1940].

В пигидии нами обнаружена хорошо выраженная полость. Она не разделена мезентериями и представляет собой единое сплошное кольцо (рис. 2). Эта полость имеет собственную клеточную выстилку. При окраске червя TRITC-фаллоидином в этой выстилке были обнаружены мышечные элементы. На дорсальной и латеральных сторонах мускульные волокна ориентированы поперек продольной оси тела и образуют кольца вокруг анального отверстия. Вентральная часть выстилки различается у A. virens и P. dumerilii. У A. virens мускульные волокна в этой области расположены хаотично и образуют относительно редкую сеть. У P. dumerilii на вентральной стороне, в передней части пигидия расположены поперечные мышечные волокна, длина которых уменьшается в антеро-постериорном направлении. К этим волокнам присоединяются мускулы, идущие внутри пигидиальных лопастей.

В области пигидия в отличие от туловищных сегментов стволы брюшной нервной цепочки отделены друг от друга (рис. 2). Они заканчиваются в богатых нервными окончаниями пигидиальных нитях. В передней части пигидия эти стволы соединяются комиссурой. В этом же месте от них латерально отходит по пучку волокон, идущих на дорсальную сторону, образуя циркумпигидиальное нервное кольцо. Отростки серотонинергических нейронов, находящиеся в стволах брюшной нервной цепочки заходят в их составе в пигидий и могут быть прослежены до самого окончания пигидиальных нитей, где образуют густую сеть с большим количеством варикозностей. Отростки серотонинергических нейронов обнаружены в составе пигидиальной комиссуры и волокон циркумпигидиального нервного кольца.

Иным образом организована FMRF амид-подобная иннервация заднего конца тела. У P. dumerilii в пигидии найдено два (в редких случаях четыре) униполярных нейрона, расположенных под брюшными нервными стволами в

области пигидиальной комиссуры. Кроме этих нейронов, каких либо иных РМКТамид-иммунореактивных структур в пигидии Р. с1итегИИ обнаружено не было. Пигидий А. \irans не имеет РМ11Рамид-иммунореактивных нейронов, но в него заходят волокна РМИРамид-положительных нейронов брюшной нервной цепочки. Их можно проследить в пигидиальных нитях, комиссуре и циркумпигидиальном нервном кольце.

Передняя стенка полости пигидия представляет собой диссепимент. Мышечные волокна в ней расположены редко, относительно далеко друг от друга и вытянуты по радиусам. С этой стенкой непосредственно связан перианальный кровеносный сосуд. Он прилегает к наружной стенке кишки и связывает дорсальный и вентральный кровеносные сосуды.

Таким образом, пигидий является сложным образованием. Факт обнаружения перианального целома, сложной схемы иннервации и системы мускульных волокон позволяет сделать вывод о том, что классические представления о его строении не применимы, по крайней мере для Кеге1сПс1ае.

Кпереди от перегородки, отделяющей пигидий от остального тела червя, располагается зона роста. Она является местом начала всех морфогенетических процессов, связанных с образованием постларвальных сегментов. В стенке тела находится кольцо из крупных активно делящихся клеток, расположенных по передней границе перианального кровеносного синуса (рис. 2). С вентральной стороны имеются две симметрично расположенные группы клеток, подобные клеткам, образующим кольцо в стенке тела. По всей видимости, клеточное кольцо является эктодермальной зоной роста, а парные клеточные скопления представляют собой зону роста мезодермы.

Зона формирования постларвальных сегментов находится между зоной роста и полностью сформированными сегментами [Старунов, Тихомиров, Сотникова, 2006]. В зависимости от размера и состояния животного в ней может насчитываться от двух до пятнадцати развивающихся сегментов.

Процесс образования параподий на постлавральных сегментах был детально описан для А. у'тт. Развитие параподий происходит в строго определенном порядке. Последовательно формируются: 1-параподиальные выросты, 2-спинной усик и средняя лопасть, 3-брюшной усик и брюшная лопасть, 4-невроподиальный бугорок, 5-спинная лопасть, 6-неврохеты, 7-нотохеты, 8-нотоподиальный бугорок. Полностью сформированные параподии наблюдаются в среднем на десятом сегменте кпереди от пигидия.

Окрашивание нервных волокон антителами к ацетилированному а-тубулину позволяет обнаружить, что последовательность формирования сегментарных нервов всегда одинакова. Первой появляется третья пара сегментарных нервов (параподиальные нервы), затем последовательно формируются первая, вторая и четвертая пары.

Серотонинергические нейроны появляются в зоне формирования очень рано. Первыми образуются два нейрона, расположенные на уровне параподиальных нервов. После этого становятся различимы несколько пар нейронов расположеных, главным образом, в передней и средней частях ганглия. Постериорно расположенные нейроны формируются позже. Процесс

формирования полного набора серотонин-положительных нейронов в ганглии занимает в среднем от четырех до семи сегментов перед пигидием.

РМЯРамидергические нейроны специфицируются медленнее. Первые два сегмента после пигидия имеют только по одной паре нейронов. Это нейроны расположенные медиально, на уровне отхождения параподиальных нервов. Затем становятся различимы пара постериорных дорсолатеральных нейронов и две пары медиальных нейронов в передней части сегмента. В последующих сегментах происходит стремительное увеличение числа РМКРамид-иммунореактивных нейронов. Завершение формирования РМИРамид-положительных нейронов в ганглии происходит на десятом-двенадцатом сегменте перед пигидием.

Первые катехоламин-положительные нейроны, обнаруживаются на сегментах с уже хорошо различимыми параподиями. Это нейроны, расположенные на уровне отхождения параподиальных нервов. После этого становятся различимы нейроны в передней части ганглия. В последнюю очередь образуются нейроны, расположенные в задней части ганглия, приблизительно на десятом сегменте перед пигидием.

Таким образом, процесс образования РМНРамид- и катехоламин-положительных нейронов в ганглии брюшной нервной цепочки происходит медленнее, чем серотонин-положительных.

Сравнение процессов развития ганглия брюшной нервной цепочки и параподий позволяет сделать вывод о взаимосвязи развития этих частей сегмента. Это предположение подтверждается и экспериментами по отведению брюшной нервной цепочки [СотЬаг, ВоШу, 1970; ВоШу, СотЬаг, 1974]. По всей видимости, развивающийся ганглий выступает своего рода организатором в процессе морфогенеза сегмента.

3. Строение подглоточного ганглия и ганглиев первых щетинкотносных сегментов.

Подглоточный ганглий расположен на территории перистомиума и первого щетинконосного сегмента. Его можно разделить на ростральную и каудальную части. Ростральная часть подглоточного ганглия представляет собой ганглий перистомиума, каудальная же часть является ганглием первого щетинконосного сегмента.

Подглоточный ганглий содержит около 120 серотонин-иммунореактивных клеток. В ростральной части ганглия серотонин-положительные нейроны лежат главным образом вентромедиально, а также на внутренних сторонах расходящихся коннективов. В каудальной части подглоточного ганглия обнаруживаются многочисленные нейроны, расположенные латерально и дорсолатерально. Количество их сопоставимо с числом вентро-медиально расположенных нейронов.

РМКРамид-положительные нейроны как в ростральной, так и в каудальной частях подглоточного ганглия располагаются равномерно на вентральной и латеральных его сторонах. Всего в подглоточном ганглии обнаружено более 90 РМЛРамид-иммунореактивных клеток.

В подглоточном ганглии находятся четыре пары катехоламинергических

нейронов. Они расположены в растральной части ганглия, между расходящимися окологлоточными коннективами. В каудальной части ганглия катехоламинергических нейронов обнаружено не было.

Различия в распределении нейронов в ростральной и каудальной частях подглоточного ганглия объясняются функциональным разделением. Ростральная часть иннервирует перистомиум и перистомиальные усики. От нее отходят окологлоточные коннективы, соединяющие головной мозг с туловищным. Каудальная часть ганглия расположена, главным образом, на территории первого щетинконосного сегмента и является, по сути, сегментарным ганглием, иннервирующим параподию и стенку тела. Подобного рода функциональное разделение наблюдается и у олигохет [Spörhase-Eichmann, Gras, Schürmann, 1987; Reglödi et al., 1997]

Ганглий второго щетинконосного сегмента по своему строению отличается от ганглиев последующих туловищных сегментов лишь более толстыми и короткими коннективами, соединяющими его с подглоточным ганглием. Более существенные различия проявляются в количестве и характере распределения нейронов. Серотонин-положительные нейроны этого сегмента более многочисленны, чем в ганглиях последующих туловищных сегментов, их насчитывается около 30 пар. Как и в каудальной части подглоточного ганглия, нейроны расположены как вентрально, так и латерально. Сходным образом распределяются и РМЯРамид-положительные нейроны. При этом количество латерально расположенных нейронов также превышает таковое в ганглиях последующих туловищных сегментов. Всего в ганглии второго щетинконосного сегмента было обнаружено более 30 пар РМЩ^амид-иммунореактивных нейронов. Катехоламин-положительных нейронов было обнаружено две пары. Они соответствуют нейронам второй и пятой пар ганглия типичного туловищного сегмента.

Подобные отличия в строении ганглиев первых туловищных сегментов были отмечены и у олигохет [Hessling, Müller, Westheide, 1999; Hessling, Purschke, 2000; Hessling, Westheide, 1999]. Особенного внимания заслуживает тот факт, что эти сегменты в ходе паратомии формируются из постериорной части зоны фрагментации [Hessling, Müller, Westheide, 1999]. Согласно теории первичной гетерономности сегментов у аннелид при регенерации на переднем конце тела образуются только ларвапьные сегменты [Иванов, 1944; Короткова, 1997]. Процессы, лежащие в основе регенерации и бесполого размножения у олигохет схожи [Bely, Wray, 2001]. Возможно, что паратомия аннелид появилась как регулируемое включение регенерационных процессов. Следовательно, в ходе паратомии на переднем конце тела формируются также лишь ларвальные сегменты. Таким образом, несмотря на анатомическое сходство, распределение нейронов в ганглиях ларвальных сегментов отличается от такового в постларвальных. Обнаруженные различия служат подтверждением теории первичной гетерономности сегментов [Иванов, 1937, 1944].

Параподии двух первых щетинконосных сегментов также отличаются по своему строению от последующих. Отличия касаются нотоподий которые

представлены единственной лепестковидной нотоподиальной лопастью и спинным усиком. Щетинки и ацикулы в нотоподиях этих сегментов отсутствуют. Невроподии на этих сегментах соответствуют по строению невроподиям постларвальных сегментов. 4. Нервная система и параиодии в личиночном развитии.

Нами было изучено развитие нервной системы в онтогенезе А. virens и Р. dumerilii. Самым первым в развитии обнаруживается один серотонин-положительный нейрон открытого типа, расположенный в постериорной части личинки (рис. 3 А). Он посылает отростки в сторону прототроха. Сразу после этого начинают формироваться нейроны в области апикального органа и нервы, снабжающие прототрох (рис. 3 Д, И). Затем происходит постепенное увеличение количества нейронов в эписфере и постепенное формирование брюшного мозга (рис. 3 Б, Е, К). Появление нейронов и их отростков в брюшном мозге происходит в ростро-каудальном направлении.

У метатрохофоры на боковых сторонах тела формируются так называемые латеральные решетки (рис. 3 В, JI). Состоят они из пары вентральных продольных нервов (nv), пары дорсо-латеральных продольных нервов (ndl) и латеральных комиссур (1с), объединяющих вентральные и дорсо-латеральные нервы. В ячейках решеток оказываются расположены зачатки параподий. Происходит укрупнение головного ганглия и общее увеличение нейронов головного и брюшного мозга.

В дальнейшем происходит вытягивание личинки в передне-заднем направлении, формируются параподии и параподиальные ганглии (рис. 3 Г, 3, М). На основе комиссур латеральных решеток развиваются параподиальные нервные отростки. Вентральные нервы входят в состав брюшной цепочки, а дорсо-латеральные нервы дают начало паре дорсо-латеральных продольных нервов взрослого червя. Параподии первого ларвального сегмента преобразуются в третью и четвертую пары перстомиальных усов. Появляются зачатки параподиальных ганглиев, формируется нервная система глотки. Увеличиваются в объеме церебральные ганглии.

Полученные данные о начальных этапах нейрогенеза согласуются с теорией пионерных нейронов и их роли в развитии трохофорных животных [Воронежская, Ивашкин, 2010]. Подобные пионерные нейроны были обнаружены и у других представителей полихет [Voronezhskaya, Tsitrin, Nezlin, 2003; McDougall et al„ 2006].

Развитие серотонинергической системы у Р. dumerilii и Л. virens практически полностью совпадают. Исключение составляет лишь первый серотонин-положительный нейрон, хорошо различимый в развитии Р. dumerilii, но не выявляющийся в развитии А. virens. В развитии РМКРамидергической системы имеются значительные отличия в последовательности формирования нейронов в эписфере на ранних этапах развития. Несмотря на отличия во времени формирования нейронов, можно установить их гомологии исходя из расположения по отношению друг к другу и к апикальному нервному сплетению.

У Р. dumerilii на очень . ранних стадиях появляются нейроны, предположительно связанные со зрительной функцией [Arendt, Hausen,

Purschke, 2009]. По всей видимости, они маркируют личиночные глаза [Arendt et al., 2004]. Нам не удалось строго сопоставить данные нейроны с какими-либо клетками в развитии А. virens. В то же время, в эписфере трохофоры А. virens одними из первых возникают нейроны, находящиеся в будущих дефинитивных глазах червя. Следовательно, можно предположить, что у А. virens наблюдается более далеко зашедшая эмбрионизация личиночного развития, выливающаяся в раннее приобретение стрктур, характерых для взрослого организма.

Формирование нервной системы личинки происходит в непосредственной связи с развитием ресничных образований, параподий и мускулатуры. Образующиеся таким образом решетки внешне сходны с ортогоном плоских червей, однако сходство это вторичное, поскольку проявляется в развитии относительно поздно, имеет исключительно функциональный характер и связано с развитием периферических отделов нервной системы. Полученные данные подтверждают теорию ортогоноида [Миничев, Бубко, 1973; Бубко, Миничев, 1978].

Согласно гипотезе этапности развития нервной системы многощетинковых червей в ходе личиночного развития происходит смена нескольких планов строения нервных систем, которые отражают основные этапы филогенеза [Бубко и др., 1979]. Ушакова и Евдонин утверждают, что в процессе личиночного развития А. virens последовательно сменяют друг друга три нервные системы: трохофоральная, метатрохофоральная и дефинитивная. [Ушакова, Евдонин, 1988]. К трохофоральной нервной системе относят апикальную зону холинэстеразной активности и нервное кольцо, снабжающее прототрох. Метатрохофоральная нервная система включает нервные решетки, расположенные по бокам тела личинки и мозговые дуги. Нами не было обнаружено разрушения структур метатрохофоральной нервной системы. Латеральные решетки не разрушаются при переходе к стадии нектохеты. Происходит лишь их видоизменение, связанное, очевидно, с ростом и общим изменением формы тела, а также с развитием параподий. Мозговые дуги входят в состав окологлоточных коннективов.

Было изучено и развитие параподий ларвальных сегментов у А. virens. На гистологических срезах у трохофоры А. virens хорошо заметны четыре пары скоплений клеток, расположенные в передне-заднем направлении. Из передней пары клеточных скоплений начинает формироваться первая и вторая пары перистомиальных усов. Из следующих трех пар скоплений формируются параподии ларвальных сегментов.

У поздней нектохеты параподии всех ларвальных сегментов напоминают по своему строению параподии постларвальных сегментов. Они представлены спинным и брюшным подиальными выростами, несущими щетинки. В ходе развития параподии первого ларвального сегмента претерпевают сильные изменения. Параподиальные усики теряют щетинки и редуцируются. Отросток, расположенный на нотоподии, вытягивается и дает начало третьей паре перистомиальных усов взрослого червя. Позже появляется и четвертая пара перистомиальных усов.

Развитие параподий второго и третьего ларвальных сегментов происходит иначе, чем на первом ларвальном сегменте. Нотоподиальные выросты на

параподиях этих сегментов также как и у первого ларвального сегмента, теряют щетинки и постепенно исчезают, остается лишь нотоподиальная лопасть и нотоподиальный усик. Невроподиальный вырост не редуцируется и превращется в невроподию, по своему строению не отличающуюся от невроподий постларвальных сегментов.

Анализ развития перистомиальных усов и параподий ларвапьных сегментов позволяет предположить присутствие в составе тела личинки еще одного, сильно эмбрионизированного ларвального сегмента. В пользу этого свидетельствует и наличие четырех латеральных комиссур, выявляемых на стадии метатрохофоры антителами к серотонину (рис. 3 В). Наличие этого «нулевого» сегмента подтверждается и данными по экспрессии генов PduEn, otx, gbx и некоторых Нох-генов в развитии Р. dumerilii [Steinmetz et al„ 2011]. К рудименту этого сегмента можно отнести и передние группы FMRFaMHfl-положительных клеток у метатрохофоры А. virens и Р. dumerilii. Следовательно, «нулевой» сегмент проявляет себя в развитии как морфологически выраженная структура. В ходе развития этот сегмент входит в состав перистомиума, давая две первые пары перистомиальных усиков и часть нейронов подглоточного ганглия. 5. Заключение

Суммируя полученные данные, следует отметить несколько важных моментов. Ганглий брюшной нервной цепочки состоит из определенного количества нейронов, расположение которых строго детерминировано. Первые два щетинконосных сегмента по своему происхождению являются вторым и третьим ларвальными сегментами. Строение ганглиев и параподий этих сегментов отличается от последующих. Таким образом, строение ларвальных и постларвальных сегментов существенно различается. Данное утверждение хорошо согласуется с теорией первичной гетерономное™ сегментов П. П. Иванова.

С другой стороны, параподии на ларвальных и постларвальных сегментах изначально имеют сходное строение. При сравнении развития параподий на ларвальных и постларвальных сегментах видно, что исчезновению подвергаются те части ларвальной параподии, которые в морфогенезе постларвальной параподии формируются позже всего. В развитии туловищного мозга также обнаруживаются сходные черты. Так закладка ганглиев ларвальных сегментов происходит не единовременно, а последовательно в передне-заднем направлении, что характерно для постларвального роста. Схожи также и начальные этапы развития серотонин- и катехоламинергической систем ганглиев ларвальных и постларвальных сегментов. То есть, различия между ларвальными и постларвальными сегментами можно считать чисто онтогенетическими [Иванова-Казас, 1978]. Наличие первичной гетерономности может отражать процесс разделения изначально единой программы развитая сегмента на ларвальную и постларвальную.

Рис.1. Схема распределения серотонин- (А), РМКРамид- (Б) и катехоламин-ергических (В) нейронов в ганглии брюшной нервной цепочки А. у1гет и Р. ¿итепЫ. Красным отмечены нейроны, расположенные вентрально, синим - нейроны расположенные латерально и дорсо-латерально. 8И1-1У- сегментарные нервы. Сплошной черной линией обозначена граница между ганглиями, пунктирной красной линией обозначена граница между сегментами

Рис. 2. Схема строения заднего конца тела А уЬгет и Р. йтепШ.

□

о

ф

— Туловищные сегш

— Пигидий

— Полость пигидия

— Нервная система

— Кишка

— Кровеносная система

— Клетки эктодермальной зоны роста

— Клетки мезодермальной зоны роста

Метатрохофора Нектохета

Рис. 3 Протрохофора

Трохофора

Р. йитеШи

А. VIгвпв

:_;

Рис. 3. Схема развития нервной системы на примере Р. еквпепШ. Вид с брюшной стороны. Объяснения в тексте.

Рис. 4. Схема ЕМЫ-амид-положительной иннервации трохофор Р. сШтегИИ (А) и А. утт (Б) на сходных этапах развития. Вид со стороны апикального органа. Стрелками отмечены нейроны, имеющие отношение к личиночным глазам у Р. еНопепШ и дефинитивным глазам А. щгет.

Выводы.

1. Обнаружена пространственная дорсо-вентральная регионализация ганглия туловищного сегмента №ге!с11с1ае в отношении распределения серотонинергических нейронов и ростро-каудальная регионализация в отношении РМИРамид- и катехоламинергических нейронов.

2. Строение и иннервация пигидия №ге1(Шае не соответствует классическим представлениям о пигидии полихет. В нем содержится целом и мускульные элементы. Иннервация пигидиального отдела представлена терминальными отделами брюшных нервных стволов с разветвленными отростками и циркумпигдиальным нервным кольцом.

3. Строение ганглиев ларвальных и постларвальных сегментов КегасИае, несмотря на схожесть начальных этапов формирования, различно. Обнаружены существенные несоответствия в количестве и распределении нейронов в ганглиях ларвальных и постларвальных сегментов. Полученные результаты согласуются с концепцией П. П. Иванова о первичной гетерономности сегментов у аннелид.

4. Развитие нервной системы МегасНёае начинается с образования серотонин-положительного нейрона в гипосфере личинки и РМЯРамндергических нейронов в апикальном органе. Дифференцировка нейронов ганглиев ларвальных сегментов личинки происходит в ростро-каудальном направлении на основе каркаса противоположно-направленных отростков пионерного серотонин-положительного нейрона.

5. В состав тела личинки Ыеге1сШае входят четыре ларвальных сегмента: сильно эмбрионизированный «нулевой», а также хорошо развитые первый, второй и третий ларвальные сегменты.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Старунов В.В., Тихомиров И.А., Сотникова Е.В. Развитие ларвальных и постларвальных параподий полихеты Nereis virens (Sars, 1835). Annelida: Polychaeta: Nereididae. // Вестник СПбГУ Сер.З. 2006. № 4. С. 53-60.

2. Старунов В.В., Лаврова О.Б., Тихомиров И.А. Первичная гетерономность сегментов у полихет и рост Nereis virens. II Вестник СПбГУ Сер.З. 2010. №2. С. 13-19.

3. Старунов В.В., Тихомиров И.А. Развитие постларвальных параподий Nereis virens (Sars, 1835). // VII научная сессия морской биологической станции СПбГУ. СПб., 2006. С. 75-76.

4. Старунов В.В., Тихомиров И.А. Развитие параподий Nereis virens (Sars, 1835). II Проблемы эволюционной морфологии животных. СПб., 2006. С. 112-113.

5. Старунов В.В., Тихомиров И.А., Лаврова О.Б. Строение пигидия Nereis virens (Sars, 1835). //VIII научная сессия морской биологической станции СПбГУ. СПб., 2007. С. 67-68.

6. Старунов В.В., Тихомиров И.А., Лаврова О.Б. Изучение строения пигидия полихеты Nereis virens методами конфокальной микроскопии. // международный научно-методический семинар "современные методы микроскопии в исследовании живых систем." СПб., 2008. С. 38.

7. Старунов В.В., Лаврова О.Б., Тихомиров И.А. Морфологическое исследование клеточных источников роста полихеты Nereis virens. // X научная сессия морской биологической станции СПбГУ, СПб., 2009. С. 53-54.

8. Бакаленко Н.И., Кулакова М.А., Киселев A.M., Старунов В.В., Лаврова О.Б. Экспрессия гомеобокссодержащих генов Nvi-Hox2, Nvi-НохЗ и Nvi-Cad в субтерминальной зоне роста полихеты Nereis virens. II международная научная конференция "Каспар Фридрих Вольф и современная биология развития" 24-25 ноября 2009. СПб., 2009. С. 30-31.

9. Новикова Е.Л., Бакаленко Н.И., Старунов В.В., Кулакова М.А. Динамика экспресии Нох-генов полихеты Nereis virens при каудальной регенерации. // международная научная конференция "Каспар Фридрих Вольф и современная биология развития" 24-25 ноября 2009. СПб., 2009. С. 50-52.

10. Старунов В.В., Тихомиров И.А. Развитие параподий Nereis virens Sars, 1835 (Annelida: Polychaeta: Nereididae). II Труды С-Петербургского общества естествоиспытателей серия 1.2009. № 97. С. 103-109.

11. Старунов В.В. Строение пигидия и зоны роста у Nereis virens. И XVII международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2010." Москва, 2010. С. 131.

12. Старунов В.В., Лаврова О.Б. Серотонинергические клетки в брюшной нервной цепочке полихет Nereis virens (Nereididae) и Phyllodoee groenlandica (Phyllodocidae). // XI научная сессия морской биологической станции СПбГУ. СПб., 2010. С. 46-47.

13. Старунов В.В., Лаврова О.Б. Серотонин и РМЯРамидергические нейроны в ганглии брюшной нервной цепочки у полихет Platynereis dumerilii и Phyllodoee groenlandica. II Современные проблемы эволюционной морфологии животных. Материалы II Всероссийской конференции с международным участием к 105-летию со дня рождения академика A.B. Иванова / под ред. О.Н. Пугачева. СПб: ЗИН РАН, 2011. С. 326-329.

Подписано в печать 23.12.2011г. Формат 60x84/16 П.л. 1,12. Уч.-издл 1,12. Тир. 100 экз. Отпечатано в типографии ООО «Турусел» 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова д.38. toroussel@mail.ru Зак.№ 13354 от 26.12.2011г.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Старунов, Виктор Вячеславович, Санкт-Петербург

61 12-3/468

САНКТ-ПЕТЕРБУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СТАРУНОВ Виктор Вячеславович

Строение и развитие туловищного мозга в онтогенезе №ге1сМае (АппеМа, Ро1ус11ае1а)

диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На щ

03.02.04 - зоология

Санкт-Петербург - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................7

2.1. Краткая характеристика объектов исследования..............................................7

2.2. Краткое описание развития А1Ша уггет и Platynereis с1итегйИ......................8

2.3. Представления о сегментном составе тела аннелид.........................................9

2.4. Данные о сегментном составе личинки нереидид..........................................16

2.5. Молекулярно-биологические данные о характере сегментации полихет.... 18

2.6. Строение заднего конца тела полихет..............................................................21

2.7. Общие сведения о строении нервной системы нереидид..............................25

2.8. Особенности распределения и роль катехоламинов, серотонина и РМКРамида в нервной системе аннелид.............................................................28

2.9. Развитие нервной системы у полихет..............................................................35

3. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА.............................................................................38

3.1. Сбор, содержание и постановка эмбриональной культуры А1Ша уггет......38

3.2. Особенности содержания лабораторной культуры Platynereis с1итегНи......38

3.3. Использованные гистологические методики..................................................40

3.4. Методы флуоресцентного и непрямого иммуногистохимического окрашивания...........................................................................................................41

3.5. Методы электронной микроскопии..................................................................42

3.6. Список использованных обозначений.............................................................43

4. РЕЗУЛЬТАТЫ......................................................................................................47

4.1. Строение полностью сформированного постларвального сегмента............47

4.1.1. Краткая характеристика строения постларвальных туловищных сегментов ..................................................................................................................................47

4.1.2. Серотонинергическая нервная система постларвальных туловищных сегментов................................................................................................................52

4.1.3. РМКРамидергическая нервная система постларвальных туловищных

сегментов................................................................................................................55

4.1.4. Катехоламинергическая нервная система постларвальных туловищных сегментов................................................................................................................61

4.2. Строение заднего конца тела червя..............................................................61

4.2.1. Строение пигидия и зоны роста....................................................................62

4.2.2. Зона формирования постларвальных сегментов..........................................72

4.3. Строение подглоточного ганглия и ганглиев первых щетинконосных сегментов...............................................................................................................80

4.4. Развитие нервной системы в морфогенезе..................................................85

4.4.1. Серотонинергическая нервная система.....................................I..................85

4.4.2. РМКРамидергическая нервная система......................................................105

4.4.3. Катехоламинергическая нервная система...................................................129

4.5. Развитие параподий ларвальных сегментов укет.......................137

5. ОБСУЖДЕНИЕ.................................................................................................144

5.1. Строение ганглия типичного туловищного сегмента...................................144

5.2. Строение подглоточного ганглия и ганглиев первых щетинконосных сегментов..............................................................................................................151

5.3. Строение и иннервация заднего конца тела..................................................154

5.4. Нервная система и параподии в личиночном развитии...............................162

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................172

7. ВЫВОДЫ............................................................................................................174

8. БЛАГОДАРНОСТИ..........................................................................................175

9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................176

10. ПРИЛОЖЕНИЯ

193

1. ВВЕДЕНИЕ

Нервная система считается одной из наиболее эволюционно-консервативных систем органов. Данные о ее строении часто используются при анализе филогенетических взаимоотношений [Orrhage, Müller, 2005]. Широкое распространение методов иммуногистохимии и конфокальной сканирующей микроскопии спровоцировало новый виток в изучении нервной системы. Также стало возможным проследить процесс нейрогенеза на уровне отдельных нейронов и их проекций [Незлин, 2010]. Тем не менее, на данный момент существует удивительно мало данных о строении ганглиев брюшной нервной цепочки и развитии нервной системы аннелид, полученных с помощью этих методов [Brinkmann, Wanninger, 2008].

В последнее время полихеты семейства Nereididae, а именно два вида, Alitta (раннее Nereis) virens и Platynereis dumerilii стали одними из модельных объектов для многих дисциплин биологии, главным образом, для молекулярной биологии развития. Было выяснено, что некоторые гены, играющие важную роль в развитии и росте, в частности гены Нох- и РдгаЯох-кластеров, имеют домены экспрессии, помимо прочего и в различных частях брюшной нервной цепочки [Kulakova et al., 2007; Kulakova et al., 2008]. Таким образом, для понимания процессов, происходящих во время личиночного развития и постларвального роста, нам представляется важным охарактеризовать строение и этапы формирования нервной системы у этих организмов.

Согласно теории первичной гетерономности сегментов П.П. Иванова, все тело аннелид можно подразделить на два отдела: ларвальный и постларвальный, которые различаются по строению и механизмам формирования [Иванов, 1937; 1944]. Из гипосферы трохофоры единовременно образуется группа сегментов, называемых ларвальными. После образования личиночного тела начинается развитие так называемых постларвальных сегментов в предпигидиальной области. Они закладываются последовательно

один за другим.

В то же время существуют и альтернативные точки зрения [Mantón, 1949; Anderson, 1959; 1966]. По мнению этих авторов, первичная гетерономность тела связана лишь с особенностями личиночного развития.

В состав тела представителей Nereididae входят как ларвальные, так и постларвальные сегменты: перистомиум и первые два щетинконосных сегмента являются по своему происхождению ларвальными, в то время как все последующие туловищные сегменты — постарвальными. Для проверки теории первичной гетерономности представляется необходимым провести сравнительный анализ строения сегментов и процессов их формирования в ларвальном и постларвальном отделах. Параподии, обладающие большим количеством элементов и различающиеся по своему строению в ларвальном и постларвальном отделах тела [Хлебович, 1996], являются одним из удобных объектов для подобного рода анализа.

Нервная система играет существенную роль при формировании сегментов тела у полихет. Было показано, что удаление брюшной нервной цепочки в заднем конце тела ведет к образованию сегментов, лишенных параподий и брюшного кровеносного сосуда [Combaz, Boilly, 1970]. Поэтому строение и развитие параподий следует рассматривать в непосредственной связи со строением брюшного мозга.

Цель работы: Выявить основные особенности организации и этапы формирования брюшного мозга в контексте строения и развития ларвальных и постларвальных сегментов тела у полихет Alitta virens и Platynereis dumerilii.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать строение ганглия брюшной нервной цепочки постларвального туловищного сегмента.

2. Описать и проанализировать общее строение и иннервацию заднего конца тела (пилидий, зону роста и зону формирования сегментов).

3. Проанализировать строение ганглиев и параподий первых щетинконосных сегментов червя.

4. Проследить и проанализировать развитие нервной системы и параподий ларвальных сегментов в ходе личиночного развития.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Краткая характеристика объектов исследования

Семейство Nereididae является третьим по числу видов в классе полихет и насчитывает примерно 40 родов с более чем 450 видами. Это наиболее широко распространенное семейство полихет. Нереидиды - гетеронимно сегментированные черви, тело которых состоит из простом ума, несущего чувствительные образования (глаза, пара антенн, пальпы, нухальные органы), перистомиум, несущего рот и четыре пары перистомиальных усиков, туловищных сегментов и хвостовой лопасти или пигидия, несущего два хвостовых усика. На туловищных или щетинконосных сегментах червя имеются параподии со щетинками. Параподии первых двух туловищных сегментов отличаются по строению от последующих [Хлебович, 1996].

Вид Alitta virens (М. Sars, 1835) ранее относили к роду Nereis. Название Nereis virens широко используется специалистами различных отраслей биологии, однако в последнее время этот вид относят к роду Alitta (Kinberg, 1866) на основании особенностей строения нотоподий [Хлебович, 1996; Жирков, 2001].

A. virens - вид, характерный для бореальной зоны, обитает на литорали и сублиторали морей и эстуариев. Этот вид образует плотные поселения. Черви поселяются в норах, уходящих в грунт почти на полметра [Жирков, 2001]. Размножение червей происходит один раз на третьем году жизни. После нереста все особи погибают.

Вид Platynereis dumerilii (Audouin and Milne Edwards, 1833) - широко распространенный в тропических и субтропических водах, заходящий в бореальные воды вид [Хлебович, 1996]. Он имеет небольшие размеры тела (до 5 см) и относительно короткий жизненный цикл (около 4 месяцев). Благодаря возможности содержания всех стадий жизненного цикла в лабораторных условиях, P. dumerilii стал одним из модельных объектов биологии развития, нейробиологии и токсикологии.

2.2. Описание развития Л litt a virens и Platynereis dumerilii

В литературе известно немало описаний развития представителей семейства Nereididae: Nereis (Neanthes) succinea [Banse, 1954], N. diversicolor [Dales, 1950; Cazaux, 1969],N.pelagica [Wilson, 1932], N. irrorata [Cazaux, 1969], N.fucata [Gilpin-Brown, 1959], N. grubei [Reish, 1954], Neanthes caudata [Reish, 1957], Perinereis cultifera [Cazaux, 1969], Micronereis nanaimoensis [Berkeley, Berkeley, 1953]. Способы развития и размножения их разнообразны. Чаще всего встречается вариант развития с пелагической личинкой, однако отмечены варианты с прямым развитием, а также с развитием в слизистых кладках [Свешников, 1978]. В большинстве случаев для упомянутых выше видов описываются процессы размножения и эмбрионального развития. Наиболее подробные описания развития A. virens были сделаны Басс и Брэфилд [Bass, Brafield, 1972] и В. А. Свешниковым [Свешников, 1978], а развития P. dumerilii - Фишером [Fischer et al., 2010].

Неоплодотворенная яйцеклетка шарообразная, у А. virens диаметр её около 200 мкм [Свешников, 1978]. Яйцеклетки Р. dumerilii более мелкие, всего 160 мкм в диаметре [Fischer et al., 2010]. Дробление типичное спиральное неравномерное. Гаструляция идет одновременно путем инволюции и эпиболии. Бластопор возникает на оральном полюсе зародыша в виде небольшого отверстия. В это же время определяется и экваториальное положение прототроха. Трохофора лецитотрофная, и в случае А. virens не несет апикального султанчика ресничек. На стадии метатрохофоры появляются паратрохи и шесть пар хетоносных мешков - три пары дорсальных и три пары вентральных.

На стадии нектохеты параподии уже хорошо обособлены, появляется первая пара перистомиальных усиков. Три щетинконосных сегмента легко различимы. Первая пара параподий немного меньше, чем две последующие. Последующее увеличение количества сегментов осуществляется при помощи зоны роста, расположенной непосредственно перед пигидием. Клетки этой зоны делятся и дифференцируются. В результате образуются постларвальные сегменты, которые располагаются между последним ларвальным сегментом и самой зоной роста [Bass, Brafield, 1972].

Сравнение процессов развития A. virens и P. dumerilii проводилось в связи с изучением паттернов экспрессии Яох-генов в личиночном развитии этих полихет [Rulakova et al., 2007]. Результаты исследования приведены в таблице 1. Позднее, специально для P. dumerilii была разработана несколько иная система периодизации [Fischer et al., 2010], приведенная в таблице 2, которая и будет использоваться в настоящей работе.

2.3. Представления о сегментном составе тела аннелид

Рост аннелид связан с увеличением числа сегментов (метамер). В. Н. Беклемишев определяет метамерию, как особый вид симметрии. «Метамерно симметричным - пишет Беклемишев - является такое тело, которое совпадает само с собой при передвигании его вдоль прямой линии -оси переноса, или оси метамерии - на некоторое расстояние, обозначаемое, как длина метамеры» [Беклемишев, 1964, стр. 176]. У полихет метамерно повторяющимися частями можно считать сегменты. Туловищные сегменты полихет в общем случае несут параподии с пучками щетинок, мускулатуру, пару целомических мешков с целомодуктами, пару гонад, пару нефридиев; метамерна и нервная система. Метамерны также группы и пояски ресничного эпителия, сохраняющиеся у многих полихет. Число сегментов может быть весьма велико. Таким образом, полихеты являют собой пример высокоразвитой метамерии.

Существует три различных теории происхождения метамерии аннелид [Беклемишев, 1964]. 1-теория происхождения метамерии аннелид от антимерии кишечнополостных 2 - теория возникновения метамерии аннелид путем метамерной дифференцировки и упорядочения органов. 3 - теория происхождения её путем подавленного поперечного деления (стробиляционная теория). Согласно первой гипотезе, выдвинутой Седжвиком [Sedgewick, 1884 -по Беклемишев, 1964] и развиваемой в наши дни В.В. Малаховым [Малахов, 2004], аннелиды происходят от предков, сходных с Anthozoa (по мнению В.В. Малахова, вендских билатерально-симметричных кишечнополостных). Рот и анус произошли из сифоноглифов щелевидного замкнувшегося рта, радиальные камеры кишечника замкнулись и превратились

Таблица 1.

Соотношение стадий личиночного развития

полихет А1Ша уггет (при 10,5°С) и Р1а1упеге18 сЬтегИи (при 18°С)

Из Киккоуа <й а1., 2007

Название стадии Краткое описание главных особенностей строения Приблизительное время развития в часах после оплодотворения

А. уггет Р. (1итегИи

Ранняя трохофора Трохобласты с ресничками, стомодеум не сфомирован 44-62 12-16

Средняя трохофора Личинка идеально сферической формы, стомодеум полностью сформирован, стомодеум лежит близко к будущей анальной области, вентральная пластинка слабо развита 63-85 17-23

Поздняя трохофора Гипосфера удлинена, на заднем конце ее формируется телотрох; стомодеум и будущая анальная область удаляются друг от друга; Становятся различимы хетоносные мешки 86-105 24-29

Ранняя метатрохо-фора Заметны первые признаки наружной метамерии; начинают развиваться щетинки в двух передних парах хетоносных мешков. 106-122 30-40

Средняя метатрохо-фора Щетинки двух передних пар хетоносных мешков выдаются из тела личинки, начинают формироваться щетинки третьего ларвального сегмента. 123-152 41-52

Поздняя метатрохо-фора Тело личинки постепенно удлиняется; появляются параподиальные выросты; начало формирования пигидиальной (анальной) лопасти. 153-180 53-72

Нектохета Функционирующие параподии, хорошо выделенная голова с головными придатками. 181-390 73-120

Ювениль Начинает формироваться четвертый туловищный (первый постларвальный) сегмент 16-17 дней 5 дней

Таблица 2.

Описание стадий личиночного развития Р1а1упеге1$ сЬлтегИи

По р18Ьег е1 а1., 2010 с сокращениями

Название стадии Время в часах после оплодотворения Краткое описание

Претрохо-фора 13-24 Появляется прототрох и апикальный султанчик ресничек

Ранняя трохофора 24-26 Выход личинки из слизистых оболочек. Формируется телотрох. Различимы личиночные глаза

Средняя трохофора 26-40 Увеличивается количество пигмента в ларвальных глазах. Начинается изменение формы тела из сферической к конической. Появление положительного фототаксиса.

Поздняя трохофора 40-48 Различимы стомодеум и три ларвальных сегмента в гипосфере. Видны первые щетинки.

Ранняя метатрохо -фора 48-51 Образование первого паратроха на задней границе второго ларвального сегмента. Щетинки прободают стенку тела и выходят во внешнюю среду

Средняя метатрохо -фора 51-60 Хорошо различим пигмент в дефинитивных глазах в эписфере. Удлинение щетинок. Различим зачаток кишки. Начинается конвергентное вытяжение в нейроэктодерме. Появляется второй паратрох на задней границе первого ларвального сегмента.

Поздняя метатрохо -фора 60-66 Параподии различимы, но не функционируют. Форма тела становится торпедообразной. Начинается формирование акротроха.

Ранняя нектохета 66-75 Параподии начинают двигаться. Быстрое удлинение тела. Различим зачаток проктодеума

Средняя нектохета 75-96 Образование первой пары перистомиальных усов, антенн и анальных усов. Форма тела становится червеобразной. Выделяется головной отдел.

Поздняя нектохета 5-7 дней Антенны удлиняются. Различимы пальпы. Начало активного питания. Быстрый рост челюстей.

Ювениль более 7 дн. Начинается развитие четвертого сегмента.

в целомические мешки, а щупальца полипа дали начало конечностям. Таким образом, б�