Сравнительная морфология и оптические свойства глаз брюхоногих моллюсков stylommatophora (gastropoda, pulmonata)
На правах рукописи
ШЕПЕЛЕВА
Ирина Павловна
СРАВНИТЕЛЬНАЯ МОРФОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ГЛАЗ БРЮХОНОГИХ МОЛЛЮСКОВ STYLOMMATOPHORA
(GASTROPODA, PULMONATA)
03.00.08 - зоология
03.00.13 - физиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва, 2007 2
Работа выполнена в Российском государственном университете им. И. Канта
Научный руководитель:
доктор биологических наук, профессор член-корреспондент РАН Малахов В.В.
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Голубева Т.Б.
доктор биологических наук Кантор Ю.И.
Ведущая организация: Институт проблем передачи информации РАН
Защита диссертации состоится 5 марта 2007 г. в 15. на заседании диссертационного совета Д 501.001.20 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, ауд. МI.
e-mail diss.sov.:[email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан 19 января 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Барсова Л.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Тип Mollusca - монофилетическая линия беспозвоночных животных (Cook, 2001), которые успешно проникли во многие биотопы океанов, морей, пресных водоемов и суши (Пастернак, 1988). Экология животных - их физическая среда обитания и их взаимодействие друг с другом при реализации различных форм поведения - обусловила направленность эволюции зрения, результатом которой явилось возникновение широкого спектра типов строения глаз (Warrant, 2003). У брюхоногих моллюсков (Gastropoda) доминирующими являются камерные глаза с роговицей и хрусталиком, отделенным от сетчатки слоем стекловидного тела (Messenger, 1981).
Некоторые исследователи полагают, что брюхоногие моллюски определяют объекты через химическое чувство и что камерные глаза могут обеспечивать только реакцию фототаксиса (Eakin, Brandenburger, 1975;
Audesirk, Audesirk, 1985;
Emery, 1992;
Chase, 2001). Однако реализация этой формы светозависимого поведения может осуществляться с помощью не глазной фотосенсорной системы (Ваколюк, Жуков, 2000;
Millott, 1957, 1967;
Steven, 1963;
Stoll, 1975;
van Duivenboden, 1982) и, таким образом, не требует специализированного оптического устройства и сравнительно развитой сетчатки камерного глаза (Жуков, Байкова, 2001). Тем временем в поведенческих экспериментах по изучению способности брюхоногих моллюсков к дискриминации зрительных стимулов показано, что некоторые из этих животных могут различать геометрические фигуры, которые напоминают предметы их естественной среды обитания (Жуков, Байкова, 2001;
Жуков и др., 2002;
Evans, 1961;
Hermann, 1968;
Hamilton, 1977;
Hamilton, Winter, 1982, 1984;
Andrew, Savage, 2000).
Как видно, о зрительных способностях брюхоногих моллюсков складываются довольно противоречивые мнения. Причина этого кроется в том, что до сих пор мы располагаем немногочисленными разрозненными сведениями о зрительной системе этих животных. Число работ, посвященных изучению возможностей зрительной системы брюхоногих моллюсков, весьма невелико и контрастирует с большим количеством исследований, выполненных на членистоногих и позвоночных животных. Судя по публикациям, интерес к зрительной системе брюхоногих моллюсков возник в конце XIX века. На данный момент для подавляющего большинства исследованных брюхоногих моллюсков имеются данные только об общей и тонкой структуре глаз (Henchman, 1897 Blumer, 1999). Одновременному изучению морфологии и оптики камерных глаз посвящены лишь единичные работы (Newell, 1965;
Newell, Newell, 1968;
Gillary, Gillary, 1979;
Land, 1981;
Hamilton et al., 1983;
Seyer, 1992, 1994;
Seyer et al., 1998;
Bobkova et al., 2004 (I);
Gal et al., 2004 (II)). Наблюдения за соответствующими формами поведения на моллюсках, для которых уже имеются данные по структуре и оптике глаз, еще более скудные (Hamilton, 1977;
Hamilton, Winter, 1982;
Andrew, Savage, 2000;
Жуков и др., 2002). Таким образом, очевидно, что в наших знаниях о зрительной системе брюхоногих моллюсков существует множество пробелов, и вопрос о ее функциональном значении пока остается открытым. Между тем эволюционный подход к изучению зрительной функции требует соответствующих детальных исследований этой довольно обширной группы животных, занимающих различные места обитания, демонстрирующих разнообразные формы поведения и имеющих, соответственно, различно устроенные сенсорные органы (Жуков, 1990).
Сравнительное изучение зрительной системы экологически изолированных видов брюхоногих моллюсков может показать степень влияния факторов окружающей среды на ее развитие в филогенезе и выявить ее функциональное значение для животных. Подобные исследования позволят определить возможный диапазон адаптивных изменений этой сенсорной системы брюхоногих моллюсков (Hamilton, Winter, 1984). Кроме того, сведения об устройстве и оптике глаз обеспечат основу для соответствующих поведенческих опытов, на результатах которых, в конечном итоге, и строятся наши суждения о возможностях зрительной системы брюхоногих моллюсков.
Цель и задачи исследования. Целью работы является сравнительное исследование морфологии и оптических свойств глаз наземных брюхоногих моллюсков, различающихся световым режимом мест обитания - Arion rufus, Perforatella incarnata, Helicigona lapicida и имеющих сходные световые предпочтения - Arianta arbustorum, Cepaea hortensis. В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1. Изучить общую морфологию глаз.
2. Охарактеризовать диоптрический аппарат глаз: описать компоненты, формирующие изображение, и оценить фокусное расстояние.
3. Охарактеризовать светочувствительный и светоизолирующий аппарат глаз.
4. Оценить пространственное разрешение и оптическую чувствительность глаз.
5. Установить степень соответствия структурных и оптических свойств глаз зрительной функции и определить адаптивные приспособления к зрению на уровне сенсорных органов.
6. Определить основные направления в изменении устройства глаз и свойств их компонентов в связи с переходом моллюсков в филогенетическом развитии из водной в наземную среду обитания.
Научная новизна работы.
1. Впервые изучены морфология и оптические свойства глаз наземных брюхоногих моллюсков Arion rufus, Perforatella incarnata, Helicigona lapicida, Arianta arbustorum и Cepaea hortensis.
2. Впервые выполнен сравнительный анализ структурных и оптических свойств глаз брюхоногих моллюсков с различными и сходными световыми предпочтениями.
3. У наземных моллюсков впервые показана доминирующая роль хрусталика в фокусировании света.
4. У брюхоногих моллюсков впервые обнаружено четыре морфологически различных вида микровиллярных фоторецепторных клеток в сетчатке H. lapicida:
один вид фоторецепторов первого типа и три вида фоторецепторов второго типа.
Высказано предположение, что такое разнообразие видов клеток может обеспечивать цветовое зрение моллюска.
5. Впервые показана зависимость между яркостью предпочитаемых мест обитания моллюсков и оптической чувствительностью фоторецепторов первого типа.
6. Впервые прослежены основные направления в изменении структуры глаз в связи с переходом моллюсков в филогенетическом развитии из водной в наземную среду обитания.
Теоретическое и практическое значение работы. Полученные при помощи методов световой и электронной микроскопии данные и результаты работы вносят весомый вклад в изучение структурных и оптических свойств периферического отдела зрительной системы моллюсков класса Gastropoda. Эти сведения важны для формирования знаний о функциональном значении зрительной системы для этой группы животных. Результаты работы значительно расширяют имеющиеся представления о возможном диапазоне адаптивных изменений периферического отдела зрительной системы брюхоногих моллюсков к наземной среде обитания и к местам обитания с различными световыми условиями.
Результаты создают основу для этологических исследований изученных в этой работе видов моллюсков и позволяют определить направления дальнейших исследований зрительной системы брюхоногих моллюсков. Представленные данные необходимы для понимания эволюции зрительной системы и могут быть использованы для малакологии, эволюционной и сравнительной морфологии и физиологии.
Положения, выносимые на защиту.
1. У всех исследованных видов моллюсков хрусталики являются доминирующими оптическими компонентами. Хрусталики A. rufus, H. lapicida, A.
arbustorum и C. hortensis, очевидно, обладают градиентом показателя преломления.
Хрусталик P. incarnata, по-видимому, является оптически гомогенным.
2. У A. rufus, P. incarnata и H. lapicida, имеющих различные световые предпочтения, выявлена обратная зависимость между яркостью предпочитаемых мест обитания и оптической чувствительностью фоторецепторов первого типа. У A. arbustorum и C. hortensis, живущих при одинаковых световых условиях, обнаружены сходные значения оптической чувствительности фоторецепторов первого типа. У всех исследованных видов моллюсков между чувствительностью к свету фоторецепторов второго типа и яркостью мест обитания никакой связи не прослеживается. В пределах глаза каждого вида моллюсков заметны следующие соотношения: высокая оптическая чувствительность фоторецепторов первого типа/низкая оптическая чувствительность фоторецепторов второго типа и низкое пространственное разрешение фоторецепторов первого типа/высокое пространственное разрешение фоторецепторов второго типа (за исключением фоторецепторов второго типа второго вида у H. lapicida). Вероятно, более чувствительные фоторецепторы первого типа работают при низком уровне освещенности, а фоторецепторы второго типа - при более ярком освещении.
3. Основные изменения в структуре глаз, вызванные переходом моллюсков в филогенетическом развитии из водной в наземную среду обитания, прослеживаются в направлении утолщения роговицы, приобретения более мягкой консистенции и эллипсоидной формы хрусталиков, а также сокращения расстояния между хрусталиком и сетчаткой до минимально возможного. По-видимому, от переднежаберных предков моллюски унаследовали доминантную роль хрусталиков в фокусировании света и градиент показателя преломления вещества этих линз.
4. В формировании глаз моллюсков играют роль несколько факторов: среда обитания, световые условия мест обитания, образ жизни и эволюционная история.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации были представлены на: 1) V-ой и VII-ой Всероссийских медико-биологических конференциях молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт Петербург, 2002, 2004);
2) VII-ой Восточно-европейской конференции Международного общества нейробиологии беспозвоночных «Простые нервные системы» (Калининград-Светлогорск-Отрадное, 2003);
3) XIX-м Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004);
4) Международной научной конференции «Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных» (Саранск, 2005);
5) Всероссийской конференции молодых исследователей «Физиология и медицина» (Санкт Петербург, 2005);
6) XIII Международном совещании, посвященном памяти Л.А.
Орбели и 50-летию Института физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН (Санкт-Петербург, 2006);
7) 29-й Европейской конференции по зрительному восприятию (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 18 работах (7 статьях и тезисах), опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), материалов и методов (глава 2), результатов исследования (глава 3), обсуждения результатов исследования (глава 4), заключения, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 147 страницах, содержит 23 таблицы и 27 рисунков. Список цитируемой литературы включает источников: 24 отечественных и 134 зарубежных.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение В разделе даны общие сведения о работе: актуальность темы, цель и задачи исследования, научная новизна работы, теоретическое и практическое значение работы, основные защищаемые положения.
1. Обзор литературы Обзор литературы посвящен сравнительному анализу строения и оптики известных типов глаз беспозвоночных животных, подробной характеристике всех компонентов камерных глаз брюхоногих моллюсков и основных показателей качества зрения. Глава 1 содержит 35 страниц текста, 15 рисунков, 1 таблицу и включает следующие разделы: типы глаз беспозвоночных животных;
камерные глаза брюхоногих моллюсков;
пространственное разрешение и оптическая чувствительность камерного глаза;
заключение.
2. Материалы и методы 2.1. Моллюски. Материалом для исследования служили взрослые особи пяти видов наземных брюхоногих моллюсков. Три выбранных вида моллюсков различались световым режимом мест обитания, и два вида имели сходные световые предпочтения (табл. 1). Из подкласса Pulmonata отряда Stylommatophora исследованы: Arion rufus (L., 1758) (Arionidae, Arioninae), Perforatella incarnata (Muller, 1774) (Helicidae, Hygromiinae), Helicigona lapicida (L., 1758) (Helicidae, Ariantinae), Arianta arbustorum (L., 1758) (Helicidae, Ariantinae) и Cepaea hortensis (Muller, 1774) (Helicidae, Helicinae).
Таблица Некоторые характеристики образа жизни взрослых особей моллюсков Вид моллюска Высота и Предпочитаемые Яркость света в и диаметр места обитания предпочитаемых жизненная форма раковины или местах обитания (кд/м2) длина тела (мм) моллюски с различными световыми предпочтениями 9 ± 2, 60 заросли невысоких Arion rufus (слизень) растений в лесах (n=70) 18 ± участки с редкой Perforatella 9-1013- невысокой incarnata (n=70) (улитка) растительностью под деревьями в лесах 4580 ± открытые участки на Helicigona lapicida 6-817- (улитка) скалистом берегу (n=70) рядом с морем моллюски со сходными световыми предпочтениями 143 ± заросли крапивы на Arianta arbustorum 17-2019- (улитка) полях (n=70) Cepaea hortensis 15-1718- (улитка) 2.2. Гистология и микроскопия. Перед препарированием моллюсков подвергали темновой адаптации в течение 1 часа. В качестве препаратов для световой и электронной микроскопии использовали глазные стебельки.
Первоначально глазные стебельки фиксировали в 2,5%-ном растворе глутаральдегида на 0,1 М какодилатном буфере (рН=8,0) в течение 2 ч при 4°С.
После отмывания от глутаральдегида в нескольких порциях буфера глазные стебельки фиксировали в 1%-ном растворе OsO4 на 0,1 М какодилатном буфере (рН=8,0) в течение 1 ч при 4°С. Затем материал обезвоживали в серии этилового спирта возрастающей концентрации, переносили в смесь эпон-ацетон и заливали эпоном-812. Полутонкие и ультратонкие срезы нарезали стеклянными ножами при помощи ультрамикротома LEICA ULTRACUT R или V LKB 2088. Для световой микроскопии полутонкие срезы (1,5 мкм для A. rufus и 2 мкм для P. incarnata, H.
lapicida, A. arbustorum, C. hortensis) окрашивали 0,5%-ным раствором толуидинового синего с добавлением 1%-го карбоната натрия. Срезы просматривали при помощи светового микроскопа Carl Zeiss Axioplan 2 или Zeiss Axiophot. Цифровые изображения получали при помощи цифровой камеры AxioCam HR или Olympus DP 50. Для электронной микроскопии ультратонкие срезы (70 нм) последовательно контрастировали 2%-ным раствором уранилацетата и 0,1%-ным раствором цитрата свинца и изучали при помощи трансмиссионного электронного микроскопа Zeiss EM 10/A или JEM-1230. Исследовано изолированных глаз моллюсков. Нарезано 83 глаза, из которых получено полутонких и 72 ультратонких среза.
2.3. Оптические исследования. Препарат изолированного хрусталика готовили под бинокулярным микроскопом МБС-9 или Carl Zeiss с использованием 0,6%-го раствора хлористого натрия. Фокусное расстояние хрусталиков всех видов моллюсков, за исключением A. rufus, оценивали по размерам создаваемых изображений в соответствии с методами, описанными Нильссоном (Nilsson et al., 1988) и Сейером (Seyer, 1992). Фокусное расстояние хрусталика A. rufus измеряли путем постепенного фокусирования света от плоскости экваториального сечения вдоль короткой оси хрусталика при помощи микроскопа МБИ-15 (объектив 300,90 ВИ). Изолированные хрусталики и создаваемые ими изображения изучали при помощи светового микроскопа Zeiss Axiophot (объектив 250,80 ВИ).
Цифровые изображения получали при помощи цифровой камеры Olympus DP 50. В целом исследовано 108 хрусталиков.
2.4. Морфометрия. Измерения параметров выполняли на цифровых изображениях при помощи компьютерной программы CorelDraw 10.
2.5. Измерения яркости света. Для измерения яркости света в предпочитаемых местах обитания моллюсков во время периодов их активности использовали Pentax Spotmeter V (Kodak).
2.6. Вычисления. Для каждого вида моллюсков рассчитаны следующие заключительные параметры: 1) фокусное расстояние оптической системы глаза (fобщ, мкм) (Сивухин, 1980);
2) диаметр конуса света на микровиллярном слое сетчатки (В, мкм) (Gal et al., 2004);
3) плотность расположения фоторецепторов (, мкм-2) (Gal et al., 2004);
4) количество рецепторов, задействованных конусом света (N) (Gal et al., 2004);
5) расстояние от глаза до ближайшей объектной плоскости в фокусе (U, мкм) (Land, 1981);
6) разрешаемое угловое расстояние (, град) (Land, 1981);
7) пространственное разрешение (R, рад-1) (Land, 1981);
8) оптическая чувствительность (SБ, мкм2·ср-1) (Warrant, Nilsson, 1998);
9) F-число (Land, 1981);
10) относительная апертура (A/f) (Land, 1981);
11) диаметр диска Эйри (DЭ, мкм) (Land, 1981). Для всех расчетов брали средние значения полученных данных, которые в таблицах приведены со стандартным отклонением (Лакин, 1990).
3. Результаты исследования 3.1. Общая морфология глаз. Глаза у всех исследованных видов моллюсков расположены на вершинах задних щупалец - омматофоров под щупальцевым эпидермисом и окружены глазной капсулой. Форма глазного бокала эллипсоидная:
у P. incarnata и H. lapicida - перпендикулярно оптической оси, а у A. rufus, A.
arbustorum и C. hortensis - параллельно оптической оси. Глаза построены по типу камерного глаза с фиксированной оптикой - с роговицей, хрусталиком, стекловидным телом и неинвертированной сетчаткой (Рис. 1).
3.2. Диоптрический аппарат глаз.
3.2.1. Щупальцевый эпидермис. Эпидермис, покрывающий глаза, прозрачный непигментированный столбчатый эпителий. Его клетки лежат на базальной мембране, которая отделяет их от подлежащей дермы.
3.2.2. Роговица. Роговицы занимают переднюю часть глазных бокалов и имеют полусферические профили. In vivo роговицы выглядят прозрачными и лишенными пигмента. На полутонких срезах глаз однослойные роговицы состоят из столбчатых клеток.
3.2.3. Хрусталик. У всех видов моллюсков обнаружены неклеточные хрусталики относительно мягкой консистенции и эллипсоидной формы, которые практически соприкасаются с микровиллярным слоем сетчатки (Рис. 2). У P.
incarnata и H. lapicida длинная ось хрусталиков перпендикулярна оптической оси глаз, а у A. rufus, A. arbustorum и C. hortensis - параллельна оптической оси. У A.
rufus хрусталик отделен от роговицы достаточно толстым слоем стекловидного тела, а у P. incarnata, H. lapicida, A. arbustorum и C. hortensis - почти соприкасается с ней.
Все хрусталики прозрачны. При микроскопировании в проходящем и падающем свете отчетливо видна зональная структура хрусталиков вдоль их короткой оси. Хрусталик H. lapicida имеет центральную и периферическую зоны, а хрусталики A. rufus, P. incarnata, A. arbustorum и C. hortensis - центральную, промежуточную и периферическую. У всех видов моллюсков, кроме A. rufus, в центральной зоне наблюдаются немногочисленные рассеянные везикулы или множество плотно расположенных везикул эллипсоидной формы. Содержимое везикул гомогенно, размер варьирует от менее 1 мкм до 89 мкм. У H. lapicida на фоне основного вещества хрусталиков везикулы выглядят темными. У P. incarnata, A. arbustorum и C. hortensis в одном хрусталике темные везикулы присутствуют наряду со светлыми. Промежуточная и периферическая зоны хрусталиков однородны.
Хрусталик наземного слизня A. rufus обладает некоторыми особенностями по сравнению с хрусталиками остальных исследованных в этой работе видов моллюсков. Сразу после выделения из глаза хрусталик выглядит совершенно прозрачным. В течение минуты, находящийся в физиологическом растворе (Проссер, 1971) хрусталик мутнеет. Подобным образом хрусталик ведет себя в физиологических растворах с рН=7,0-8,0, а также в 0,6%-ном растворе NaCl. После переноса в воздушную среду хрусталик обретает первоначальную прозрачность за такой же промежуток времени. В водной среде отмеченные обратимые изменения наблюдаются в направлении от периферии к центру, а в воздушной среде - в обратном направлении. В проходящем и падающем свете прозрачный хрусталик выглядит гомогенным. В матовом хрусталике отчетливо различимы три зоны:
центральная, промежуточная и периферическая.
Качество изображений, формируемых изолированными хрусталиками P.
incarnata немного уступает качеству изображений, наблюдаемых через хрусталики A. rufus (пока они остаются прозрачными), H. lapicida, A. arbustorum и C. hortensis (Рис. 3).
в р щэ а б г д щэ р р х щэ х С р С х х х С р щэ С С щэ Рис. 1. Цифровые изображения продольных полутонких срезов глаз моллюсков. а Arion rufus;
б - Perforatella incarnata;
в - Helicigona lapicida;
г - Arianta arbustorum;
д - Cepaea hortensis. Щэ - щупальцевый эпидермис, Р - роговица, Х - хрусталик, С сетчатка. Масштаб 100 мкм (а) и 50 мкм (б, в, г, д).
а б г д в Рис. 2. Цифровые изображения изолированных хрусталиков моллюсков. а - Arion rufus;
б - Perforatella incarnata;
в - Helicigona lapicida;
г - Arianta arbustorum;
д Cepaea hortensis. Масштаб 12 мкм (а), 50 мкм (б) и 25 мкм (в, г, д).
а б в г д Рис. 3. Цифровые изображения изображений тестового объекта, сформированных изолированными хрусталиками моллюсков. а - Perforatella incarnata;
б - Arianta arbustorum;
в - Cepaea hortensis;
г - Helicigona lapicida;
д - тестовый объект - медная сетка. Масштаб 25 мкм (а) и 50 мкм (б, в, г, д).
3.3. Светочувствительный и светоизолирующий аппарат глаз. С помощью трансмиссионного электронного микроскопа в сетчатке всех исследованных видов моллюсков можно выделить две основные разновидности клеток: фоторецепторные и пигментные.
Светочувствительный аппарат глаз моллюсков состоит из двух морфологически различных типов микровиллярных фоторецепторов: типа I (Фр I) и II (Фр II). Фр I идентифицируются по длинным тонким микровиллам, которые отходят от апикальной поверхности клеток. Эта поверхность слабовыпуклая у A.
rufus, P. incarnata, A. arbustorum и C. hortensis и сильновыпуклая у H. lapicida.
Волнообразные микровиллы расходятся радиально, покрывая апикальную поверхность соседних Фр II и пигментных клеток, и достигают хрусталика. Для Фр II характерны короткие и менее тонкие микровиллы. Дистальная поверхность этих клеток вогнутая у A. rufus, H. lapicida и A. arbustorum и плоская у P. incarnata и C.
hortensis. У H. lapicida клетки, распознаваемые как Фр II, представлены тремя видами. Различие между этими видами заключается в диаметре дистальной части тела клетки, степени ее вогнутости и длине микровилл. Первый вид (Фр II-1) характеризуется самой широкой и лишь слегка вогнутой апикальной поверхностью, а также самыми длинными микровиллами. У второго вида (Фр II-2) отмечается более узкая и вогнутая верхняя часть тела клетки с микровиллами меньшей длины. Для третьего вида (Фр II-3) характерна еще более узкая и вогнутая апикальная поверхность с микровиллами немного большей длины. Толщина микровилл Фр II у всех видов моллюсков немного больше толщины микровилл Фр I (Рис. 4-6).
Светоизолирующий аппарат образуют пигментные клетки с короткими толстыми цитоплазматическими отростками. Эти клетки содержат многочисленные гранулы экранирующего пигмента: темно-коричневого - у A. rufus и черного - у P. incarnata, H. lapicida, A. arbustorum, C. hortensis. Фр II у всех видов моллюсков также содержат пигментные гранулы. Фр I не имеют таких гранул, но в их тело проникают отростки соседних пигментных клеток.
У A. rufus пигментные гранулы по их содержимому согласно классификации Катагири и соавторов (Katagiri et al., 1995) можно разделить на три типа: 1) гранулы с электронно-плотным гомогенным веществом;
2) гранулы с зернистым веществом меньшей электронной плотности;
3) гранулы с зернистым веществом меньшей электронной плотности и с одним или несколькими электронно плотными ядрышками различного размера (Рис. 7). У P. incarnata, H. lapicida, A.
arbustorum и C. hortensis встречаются только пигментные гранулы с электронно плотным гомогенным веществом. Гранулы всех типов у всех исследованных видов моллюсков варьируют по размеру.
Пигментные клетки изолируют рецепторные клетки друг от друга на уровне клеточных тел. Микровиллы оптически не изолированы. В совокупности они образуют микровиллярный или светочувствительный слой сетчатки. Толщина микровиллярного слоя неодинакова и варьирует от наибольшей в центральной области сетчатки до наименьшей в периферической (около зрачка). Та часть сетчатки, которая образует зрачок, состоит только из пигментных клеток.
Рассчитанные зрительные параметры глаз приведены в табл. 2-3.
а б в г Пк Мв I Фр I Мв II Мв I Мв II Фр II Мв I Фр II Пк Фр I Рис. 4. Цифровые изображения продольных ультратонких срезов центральной области сетчатки глаз моллюсков. а и б - Arion rufus;
в и г - Perforatella incarnata.
Фр I и Фр II - фоторецептор первого и второго типа соответственно, Мв I и Мв II микровиллы фоторецептора первого и второго типа соответственно, Пк пигментная клетка. Масштаб 1 мкм (а, б, в, г).
в б а Мв I Мв I Мв I Мв I Фр I Мв II Пг Фр II Мв II Фр I Фр II Пк Рис. 5. Цифровые изображения продольных ультратонких срезов центральной области сетчатки глаз моллюсков. а и б - Arianta arbustorum;
в - Cepaea hortensis.
Фр I и Фр II - фоторецептор первого и второго типа соответственно, Мв I и Мв II микровиллы фоторецептора первого и второго типа соответственно, Пк пигментная клетка, Пг - пигментная гранула. Масштаб 1 мкм (а, б) и 2 мкм (в).
в г а б Мв I Мв I Мв II- Мв II- Фр I Мв II- Фр II- Фр II- Фр II- Рис. 6. Цифровые изображения продольных ультратонких срезов центральной области сетчатки глаза Helicigona lapicida. а - фоторецептор первого типа;
б фоторецептор второго типа первого вида;
в - фоторецептор второго типа второго вида;
г - фоторецептор второго типа третьего вида. Фр I - фоторецептор первого типа, Фр II-1, Фр II-2 и Фр II-3 - фоторецептор второго типа первого вида, второго вида и третьего вида соответственно, Мв I - микровиллы фоторецептора первого типа, Мв II-1, Мв II-2 и Мв II-3 - микровиллы фоторецептора второго типа первого вида, второго вида и третьего вида соответственно. Масштаб 0,5 мкм (а, б, в, г).
б а Пг Пг Пг Рис. 7. Цифровые изображения пигментных гранул клеток сетчатки Arion rufus. а пигментные гранулы первого и третьего типа;
б - пигментная гранула второго типа.
Пг1, Пг2 и Пг3 - пигментная гранула первого, второго и третьего типа соответственно. Масштаб 0,5 мкм (а, б).
Таблица Основные зрительные параметры глаз Arion rufus, Perforatella incarnata, Arianta arbustorum и Cepaea hortensis Параметр Arion Perforatella Arianta Cepaea rufus incarnata arbustorum hortensis 422 ± 13 193 ± 8,0 273 ± 7,0 295 ± 7, fх (мкм) (n=28) (n=10) (n=10) (n=10) fр+э (мкм) 846 538 527 fобщ (мкм) 357 158 226 SБ (мкм2·ср-1) Фр I 4,0 2,9 0,73 0, Фр II 0,01 0,07 0,002 0, Фр I 2,2 4,7 2,4 2, (град) Фр II 0,8 2,2 0,9 1, R (рад-1) Фр I 15 7,1 13,6 12, Фр II 41 15 36 1,6 1,1 1,8 2, F-число DЭ (мкм) 2,0 1,3 2,2 2, Таблица Основные зрительные параметры глаза Helicigona lapicida Параметр Helicigona lapicida 205 ± 4,0 (n=10) fх (мкм) fр+э (мкм) fобщ (мкм) SБ (мкм2·ср-1) Фр I 0, Фр II-1 0, Фр II Фр II-2 0, Фр II-3 0, Фр I 3, (град) Фр II-1 3, Фр II Фр II-2 4, Фр II-3 2, R (рад-1) Фр I 8, Фр II-1 9, Фр II Фр II-2 7, Фр II-3 15, 1, F-число DЭ (мкм) 2, fх - фокусное расстояние хрусталика, fр+э - фокусное расстояние линзы, образованной роговицей и эпителием, fобщ - фокусное расстояние оптической системы глаза, SБ - оптическая чувствительность фоторецепторов в центральной сетчатке, - межрецепторный угол в центральной сетчатке, R - пространственное разрешение фоторецепторов в центральной сетчатке, DЭ - диаметр диска Эйри.
4. Обсуждение Традиционно наличие глаз связывают не только с восприятием света, но и с предметным зрением. Для того чтобы определить, насколько структура и оптические свойства глаза того или иного моллюска соответствуют зрительной функции, прежде всего, целесообразно выяснить, устанавливает ли оптика глаза фокус в пределах световоспринимающего слоя сетчатки.
4.1. Положение фокуса. Моллюски, являющиеся объектом настоящего исследования, также как и большинство изученных брюхоногих моллюсков, имеют камерные глаза. У наземных моллюсков глаза расположены непосредственно под щупальцевым эпидермисом, который имеет искривленную поверхность. Как известно, искривленная поверхность между двумя средами с разным показателем преломления - простой и эффективный способ создания линзы (Nilsson, 1990).
Поэтому щупальцевый эпидермис становится первой структурой диоптрического аппарата, через которую свет проникает в глаз. Щупальцевый эпидермис и лежащая под ним роговица - две тонкие выпукло-вогнутые линзы. Наружный радиус кривизны роговицы равен внутреннему радиусу кривизны эпителия.
Показатели преломления этих линз идентичны (n1,4) (Newell, 1965;
Newell, Newell, 1968;
Hamilton et al., 1983;
Gal et al., 2004). Поэтому роговица и щупальцевый эпидермис рассматривались как одна линза, а оптическая система глаз моллюсков - как состоящая из двух линз: комбинации щупальцевый эпидермис/роговица и хрусталика.
Благодаря существенному различию между показателем преломления воздуха и тканью первой линзы, ее принято считать основным компонентом оптики глаза, преломляющим световые лучи на границе сред и формирующим изображение в области сетчатки. Хрусталику при этом отводится вспомогательная роль. Наши предыдущие исследования (Gal et al., 2004) показали, что у наземных легочных улиток Trichia hispida и Cepaea nemoralis оптическая сила хрусталика превосходит таковую комплекса эпителий/роговица. У A. rufus, P. incarnata, H.
lapicida, A. arbustorum и C. hortensis ситуация аналогичная: преломляющая сила первой линзы (эпителий/роговица) в несколько раз (в 2,0;
2,8;
2,6;
1,9 и 1,8 раза соответственно) меньше преломляющей силы второй линзы (хрусталика). Как мы предположили ранее (Gal et al., 2004), наземные легочные моллюски унаследовали это свойство от морских переднежаберных предков, также как хрусталик человека унаследовал неоднородную структуру от своих рыбных предков (Land, Nilsson, 2002). Таким образом, глаза некоторых современных наземных брюхоногих моллюсков изменились незначительно и комплекс эпителий/роговица менее эффективен в фокусировании света, чем хрусталик.
Итак, зная фокусное расстояние оптической системы и анатомические параметры глаза, можно определить положение фокуса. Фокусное расстояние диоптрического аппарата было найдено на основании применения законов геометрической оптики (Сивухин, 1980). В соответствии с данными литературы (Newell, 1965;
Newell, Newell, 1968;
Hamilton et al., 1983;
Nilsson, Pelger, 1994;
Gal et al., 2004) показатель преломления линзы, образованной роговицей и эпителием, был принят равным 1,4, а стекловидного тела - 1,35. Приблизительный рассчитанный показатель преломления хрусталиков (Land, 1981) составляет 1, для A. rufus, 1,59 для P. incarnata и C. hortensis, 1,53 для H. lapicida и 1,62 для A.
arbustorum.
Для того чтобы описать качество изображения, определяемое положением фокуса, была использована классификация Гала (Gal et al., 2004). У всех исследованных видов моллюсков оптическая система глаз проецирует изображение проксимально к основанию микровиллярного слоя сетчатки. При этом формирование отчетливого изображения на микровиллярном слое обоих типов фоторецепторов возможно лишь у P. incarnata. У H. lapicida только фоторецепторы типа I, II-1 и II-2 могут получать резкое изображение. У A. rufus слегка расфокусированное изображение попадает на светочувствительный слой фоторецепторов типа I, а фоторецепторам типа II, также как и фоторецепторам типа II-3 у H. lapicida и фоторецепторам типа I и II у A. arbustorum и C. hortensis достается сильно размытое изображение.
Согласно Лэнду (Land, 1981), точечный объект на некотором определенном расстоянии от глаза находится в фокусе, когда диаметр его изображения на сетчатке не превышает двух межрецепторных расстояний. По этому критерию, ближайшая плоскость объекта, которая будет в фокусе, находится от глаз А. rufus (для Фр I), P. incarnata (для Фр I и II) и H. lapicida (для Фр I, II-1 и II-2) на расстоянии нескольких сотен или тысяч микрон.
4.2. Пространственное разрешение и оптическая чувствительность глаз.
Неинвертированные сетчатки камерных глаз A. rufus, P. incarnata, H. lapicida, A.
arbustorum и C. hortensis повторяют форму хрусталиков, поэтому они тоже эллипсоидные. Какие-либо углубления в них, как, например, у вторично-водных легочных моллюсков Lymnaea stagnalis, Radix peregra, Physa fontinalis, Planorbarius corneus, отсутствуют. Эти моллюски - амфибии, и ямки им необходимы для зрения в воздушной и водной среде (Gal et al., 2004). С такой позиции отсутствие похожих углублений в сетчатках A. rufus, P. incarnata, H. lapicida, A. arbustorum и C.
hortensis вполне объяснимо: глаза этих моллюсков функционирует только в наземной среде.
Брюхоногие моллюски могут иметь в сетчатке один или два морфологически различных типа фоторецепторных клеток: Фр I или Фр I и II (Messenger, 1981).
Сузуки и коллеги (Suzuki et al., 1979) с помощью электрофизиологических опытов показали, что Фр I и II в сетчатке наземного слизня Limax flavus различаются не только морфологически, но и функционально: первые более чувствительные, чем вторые. Таким образом, эти два типа клеток представляют собой двойную систему, которую можно считать эквивалентной скотопической и фотопической системам глаз позвоночных животных. Также, наличие в сетчатке разных типов фоторецепторов, содержащих различные светочувствительные пигменты и обладающих различной спектральной чувствительностью, обуславливает цветовое зрение. Например, у человека три типа цветовых рецепторов (колбочек) обуславливают трихроматическое цветовое зрение (Ноздрачев и др., 2001). У A.
rufus, P. incarnata, A. arbustorum и C. hortensis, также как и у многих других брюхоногих моллюсков, сетчатки образованы двумя типами клеток. Сетчатка H.
lapicida не совсем обычная, потому что помимо стандартных Фр I и II (II-1) содержит еще две разновидности Фр II (II-2 и II-3). Таким образом, сенсорный аппарат этого моллюска образован четырьмя видами микровиллярных фоторецепторных клеток, а не одним или двумя, как у всех изученных до сих пор видов брюхоногих моллюсков. Расчеты показали, что у A. rufus, P. incarnata, H.
lapicida, A. arbustorum и C. hortensis Фр I имеют более высокую чувствительность к свету и более низкую разрешающую способность по сравнению с Фр II (за исключением Фр II-2 у H. lapicida). Поэтому можно полагать, что более чувствительные Фр I работают при низком уровне освещенности, а Фр II - при более ярком освещении. Присутствие в сетчатке H. lapicida трех видов Фр II позволяет предположить возможность наличия цветового зрения у этого моллюска.
Для того чтобы проверить это предположение необходимо провести специальные исследования при помощи микроспектрофотометрических или электрофизиологических методов.
4.2.1. Сравнение пространственного разрешения и оптической чувствительности глаз моллюсков с различными световыми предпочтениями.
Потенциальное разрешение Фр I и II у A. rufus больше, чем у P. incarnata и H.
lapicida, несмотря на то, что анатомическое расстояние между центрами соседних фоторецепторов обоих типов почти равно таковому у этих двух видов моллюсков.
Значит, увеличение разрешения обеспечивается значительным удлинением фокусного расстояния оптики глаза A. rufus по сравнению с P. incarnata и H.
lapicida (в 2,3 и 2,2 раза соответственно). Среди этих трех видов моллюсков H.
lapicida занимает промежуточное положение по значению разрешения Фр I и II-3, а P. incarnata - по значению разрешения Фр II. Самое низкое разрешение имеют Фр I у P. incarnata и Фр II-1 и II-2 у H. lapicida. Анализ значений разрешения фоторецепторов у каждого вида моллюсков показывает, что Фр II разрешают лучше, чем Фр I (за исключением Фр II-2 у H. lapicida), поскольку образуют меньший межрецепторный угол. В целом, разрешаемое угловое расстояние, обеспечиваемое Фр I и II, у A. rufus (2,2° и 0,8°), P. incarnata (4,7° и 2,2°) и H.
lapicida (3,9° и 3,5°, 4,6°, 2,1°) сравнимо, например, с угловым расстоянием фоторецепторов дневной пчелы Apis sp. (0,95°), дневного мотылька Phalaenoides tristifica (2,0°), сумеречного жука Onitis alexis (2,5°) (Warrant, McIntyre, 1990), сумеречно-ночного мотылька Ephestia tristifica (2,7°) и дневной мухи Drosophila sp.
(5,0°) (Land, Nilsson, 2002).
A. rufus, P. incarnata и H. lapicida, различающиеся световым режимом мест обитания, обладают и заметно отличающимися значениями оптической чувствительности. Чувствительность Фр I у этих трех видов моллюсков находится в обратной зависимости от яркости мест обитания. Такие величины чувствительности Фр I у P. incarnata и A. rufus достигаются за счет большего размера рецепторов и диаметра апертур. Однако диаметр поперечного сечения фоторецепторов у P. incarnata увеличен по сравнению с H. lapicida всего лишь на мкм или в 1,25 раза. Значит, увеличение чувствительности к свету Фр I у P.
incarnata достигается, главным образом, за счет удлинения световоспринимающих частей фоторецепторов в 1,8 раза и увеличения диаметра апертуры в 1,4 раза. Что касается A. rufus, то среди исследованных до сих пор видов брюхоногих моллюсков его сетчатка содержит пятые по длине Фр I (43 мкм), а апертура является третьей по размеру (223 мкм), что делает глаза этого моллюска одними из самых чувствительных к свету. Наблюдаемое изменение чувствительности Фр II у всех видов моллюсков происходит, в основном, за счет изменения диаметра апертур и самих клеток и не имеет какой-либо тенденции. Помимо этого, у A. rufus, P.
incarnata и H. lapicida чувствительность Фр I в 400, 41 и 13, 63, 83 раза соответственно больше чувствительности Фр II. Чувствительность Фр I и II у A.
rufus (4,0 и 0,01 мкм2·ср-1), P. incarnata (2,9 и 0,07 мкм2·ср-1) и H. lapicida (0,5 и 0,04;
0,008;
0,006 мкм2·ср-1) близка к чувствительности фоторецепторов живущих при невысоких интенсивностях света двустворчатого моллюска Pecten sp. (4, мкм2·ср-1) (Land, Nilsson, 2002) и наземного легочного моллюска T. hispida (4, мкм2·ср-1) (Gal et al., 2004), а также дневного берегового краба Leptograpsus sp. (0, мкм2·ср-1) (Land, Nilsson, 2002), активного днем у поверхности воды морского переднежаберного моллюска Littorina littorea (0,4 мкм2·ср-1) (Warrant, Nilsson, 1998), дневного прыгающего паука Phidippus johnsoni (0,04 мкм2·ср-1) и человека (0,01 мкм2·ср-1) (Land, Nilsson, 2002). Полученные значения чувствительности фоторецепторов A. rufus, P. incarnata и H. lapicida говорят о приспособленности глаз моллюсков к световым условиям предпочитаемых мест обитания.
4.2.2. Сравнение пространственного разрешения и оптической чувствительности глаз моллюсков со сходными световыми предпочтениями.
Потенциальное разрешение Фр I у A. arbustorum и C. hortensis практически одинаковое из-за близости межрецепторных и фокусных расстояний. Разрешение Фр II у A. arbustorum в 1,8 раза больше, чем у C. hortensis из-за более высокой плотности расположения этих клеток. Если рассматривать глаза каждого вида моллюсков отдельно, то видно, что Фр II в несколько раз разрешают лучше, чем Фр I. В целом, разрешаемое угловое расстояние, обеспечиваемое Фр I и II, у A.
arbustorum (2,4° и 0,9°) и C. hortensis (2,6° и 1,4°) сравнимо, например, с угловым расстоянием фоторецепторов дневной пчелы Apis sp. (0,95°) (Land, 1981), дневного берегового краба Leptograpsus sp. (1,5°) (Land, Nilsson, 2002), ночных хищных пауков Dinopis subrufus (1,5°) (Blest, Land, 1977) и Lycosa sp. (1,8°) (Land, Nilsson, 2002), а также активных днем у поверхности воды морских переднежаберных моллюсков L. irrorata (1,7°) (Hamilton et al., 1983), L. littorea (1,8°) (Land, Nilsson, 2002) и пресноводного легочного моллюска L. stagnalis (2,7°) (Gal et al., 2004).
A. arbustorum и C. hortensis, предпочитающие одинаковые световые условия, обладают и схожими значениями чувствительности Фр I, что объясняется почти одинаковым размером рецепторных клеток и диаметром апертур глаз. Что касается Фр II, то у C. hortensis их чувствительность в 10 раз выше чувствительности у A.
arbustorum, что связано со значительным различием в диаметре и длине этих клеток. Чувствительность Фр I у A. arbustorum и C. hortensis в 365 и 32,5 раза соответственно больше чувствительности Фр II. Чувствительность Фр I и II у A.
arbustorum (0,73 и 0,002 мкм2·ср-1) и C. hortensis (0,65 и 0,02 мкм2·ср-1) близка к чувствительности фоторецепторов активного днем у поверхности воды пресноводного легочного моллюска L. stagnalis (0,8 и 0,04 мкм2·ср-1) (Gal et al., 2004), дневного берегового краба Leptograpsus sp. (0,5 мкм2·ср-1) и дневного прыгающего паука Ph. johnsoni (0,04 мкм2·ср-1) (Land, Nilsson, 2002).
Таким образом, сравнительный анализ значений оптической чувствительности и пространственного разрешения глаз A. arbustorum и C.
hortensis показал, что чувствительность глаз обоих видов моллюсков адекватна яркости предпочитаемых мест обитания, а потенциальное разрешение сравнимо с таковым некоторых сложных и простых глаз с хорошими зрительными возможностями.
4.2.3. F-число глаз. Дополнительным параметром, характеризующим чувствительность глаза к свету, является F-число (f/A, f - фокусное расстояние и A - диаметр апертуры глаза). По определению, чем ниже F-число, тем больше света попадает на сетчатку, тем более яркое изображение формируется на ней и тем выше чувствительность глаза (Warrant, McIntyre, 1991). Низкое F-число глаза P.
incarnata (1,1) указывает на его высокую светособирающую способность. Из всех брюхоногих моллюсков, для которых в литературе можно было найти значение F числа (Hamilton et al., 1983;
Seyer, 1992, 1994;
Seyer et al., 1998;
Gal et al., 2004), только морской переднежаберный моллюск Strombus raninus (Seyer, 1994) является обладателем глаза с таким же низким значением этого параметра. Как правило, глаза животных, активных при низких интенсивностях света, имеют F-число около 0,5 (Land, 1981). Например, простые постеро-медиальные глаза ночного паука Dinopis sp. имеют F-число=0,6 (Blest, Land, 1977). Значение F-числа P. incarnata показывает очевидную адаптацию глаза к невысокой яркости мест обитания моллюска и подтверждает предположение о повышении чувствительности к свету за счет увеличения диаметра апертуры. Яркость мест обитания H. lapicida, A.
arbustorum и C. hortensis превышает яркость мест обитания P. incarnata, поэтому F числа их глаз увеличены и составляют 1,6;
1,8 и 2,0 соответственно. Однако глаза A. rufus - моллюска, активного при менее ярких световых условиях по сравнению с P. incarnata, имеют более высокое F-число (1,6), но при этом являются более чувствительными. Этот факт указывает на необходимость поддержания сравнительно высокой остроты зрения глаза A. rufus и на использование альтернативного способа достижения адекватной чувствительности к свету удлинение микровиллярного слоя сетчатки.
4.2.4. Основные тенденции изменения пространственного разрешения и оптической чувствительности глаз. Сопоставление значений разрешения и чувствительности фоторецепторов глаз моллюсков друг с другом с учетом яркости мест обитания, а также разрешения и чувствительности фоторецепторов глаза у каждого вида моллюсков, позволило сделать следующие выводы. У A. rufus, P.
incarnata и H. lapicida выявлена обратная зависимость между уровнем яркости предпочитаемых мест обитания и чувствительностью к свету Фр I. Среди трех видов моллюсков с различными световыми предпочтениями только у A. rufus оптическая чувствительность Фр I увеличена по сравнению с P. incarnata и H.
lapicida в соответствии с яркостью мест обитания без ущерба для пространственного разрешения. У P. incarnata и H. lapicida по сравнению друг с другом увеличение и снижение чувствительности Фр I в соответствии с яркостью мест обитания сопровождается соответственно снижением и увеличением их разрешения. Схожесть световых условий мест обитания A. arbustorum и C.
hortensis определила и схожесть значений чувствительности к свету, по крайней мере, для Фр I. У всех исследованных видов моллюсков между чувствительностью к свету Фр II и яркостью мест обитания никакой связи не прослеживается. В пределах глаза каждого вида моллюсков заметны следующие соотношения:
высокая оптическая чувствительность Фр I/низкая оптическая чувствительность Фр II и низкое пространственное разрешение Фр I/высокое пространственное разрешение Фр II (за исключением Фр II-2 у H. lapicida). Вероятно, Фр I являются рецепторами тусклого света, а Фр II - рецепторами яркого света.
4.3. Ограничения пространственного разрешения глаз. Как известно, качество сформированного на сетчатке изображения ухудшается в присутствии таких оптических дефектов как дифракция, сферическая и хроматическая аберрация. Структура сетчатки также важна (Land, 1981).
Дифракция света на апертуре глаз у A. rufus, P. incarnata, H. lapicida, A.
arbustorum и C. hortensis не ограничивает их разрешающую способность, поскольку диаметр дисков Эйри, создаваемых на сетчатках точечным источником света, меньше самых маленьких межрецепторных расстояний.
Сферическая аберрация сильнее всего выражена в глазах с низким F-числом, т.е. таких, у которых апертуры больше или почти такого же размера, что и фокусное расстояние глаз (Warrant, McIntyre, 1990). Рассчитанные параметры глаз моллюсков (F-число) и результаты оптических экспериментов позволяют полагать, что сферическая аберрация присутствует у P. incarnata (F-число=1,1) и не влияет на качество изображения у A. rufus (1,6), H. lapicida (1,6), A. arbustorum (1,8) и C.
hortensis (2,0).
Хроматическая аберрация вряд ли проявляется в глазах A. rufus, P. incarnata, H. lapicida, A. arbustorum и C. hortensis из-за небольшого диаметра абсолютных апертур. К тому же, все исследованные к настоящему времени брюхоногие моллюски являются монохроматами (Жуков, Грибакин, 1990;
Черноризов и др., 1992;
Dennis, 1967;
Gillary, Wolbarsht, 1967;
Hughes, 1970;
von Berg, Schneider, 1972;
Suzuki et al., 1979;
Katagiri et al., 1985).
Фактором, ограничивающим пространственное разрешение глаз моллюсков, является латеральное рассеивание света между микровиллами соседних фоторецепторных клеток из-за отсутствия между ними экранирующего пигмента.
Однако эффект этого рассеивания не существенен из-за небольшой толщины микровиллярного слоя обоих типов фоторецепторов у всех видов моллюсков.
4.4. Возможное значение глаз. Данные анатомо-оптического изучения глаз и рассчитанные зрительные параметры, а также сведения о световых предпочтениях и поведении моллюсков в естественных и лабораторных условиях позволяют высказать предположения о возможном предназначении глаз.
4.4.1. Возможности глаз моллюсков с различными световыми предпочтениями. Оптическая система глаз как таковая может помещать отчетливое изображение на микровиллярном слое обоих типов фоторецепторов у P. incarnata и Фр I, II-1 и II-2 у H. lapicida. Также более или менее четкое изображение попадает на светочувствительный слой Фр I у A. rufus. Сравнительно высокое потенциальное разрешение всех перечисленных типов рецепторных клеток немного снижается вследствие сферической аберрации у P. incarnata и латерального рассеивания света между микровиллами соседних клеток у A. rufus, P. incarnata и H. lapicida. Потенциальное разрешение Фр II у A. rufus и Фр II-3 у H.
lapicida не достигается, поскольку оптика глаз проецирует сильно размытое изображение на микровиллярный слой этих клеток. Поэтому данным рецепторам можно отвести роль детектора освещенности. Оптическая чувствительность Фр I и II у A. rufus, P. incarnata и H. lapicida адекватна световым условиям предпочитаемых мест обитания моллюсков. Таким образом, наиболее приспособленным к зрению среди этих трех видов моллюсков является глаз H.
lapicida.
Элементарные наблюдения за реакцией моллюсков на приближающиеся объекты (например, палец, карандаш) с различных сторон и под разными углами показали, что моллюски осуществляют форму защитного поведения - рефлекс втягивания в раковину (P. incarnata и H. lapicida) или резкое сокращение щупалец и тела (A. rufus), если объект находится от них на расстоянии от 15 см и менее.
Моллюски также уверенно направляются друг к другу, находясь на такой же дистанции. Очевидно, что в их поведении присутствует зрительная перцепция.
Результаты проведенного сравнительного исследования показывают, что возможности структуры и оптики глаз A. rufus, P. incarnata и H. lapicida позволяют функционировать им в качестве органов зрения. Моллюски могут использовать зрительную функцию для реализации основных форм поведения: защитного и пищевого (например, для поиска подходящих стебельчатых растений), а также для обнаружения конспецифических особей. Чувствительность глаз A. rufus и P.
incarnata позволит выполнять им эти зрительные задачи в дневное и сумеречное время, а H. lapicida - только в дневное время.
4.4.2. Возможности глаз моллюсков со сходными световыми предпочтениями. Исследованные моллюски A. arbustorum и C. hortensis из семейства Helicidae предпочитают одни и те же места обитания, соседствуя друг с другом, и ведут совершенно одинаковый образ жизни. Полученные данные и результаты работы показывают почти полную идентичность как анатомических и зрительных параметров глаз, так и морфологических и оптических свойств их компонентов. Единственное существенное различие между глазами моллюсков заключается в диаметре Фр II, что выражается в различной чувствительности и разрешении этих клеток. Таким образом, напрашивается вывод о главенствующей роли световых условий мест обитания и поведения моллюсков в формировании их глаз. Нельзя не отметить тот факт, что разрешение обоих типов фоторецепторов у A. arbustorum и C. hortensis - потенциально высокое и не имеет серьезных ограничений. Но оно не может быть реализовано, поскольку фокус у обоих видов моллюсков располагается далеко за сетчаткой. Строение глаза конкретного животного определяется не только его зрительными потребностями, но и строением глаз его предков (Warrant, McIntyre, 1993). Поэтому можно считать, что потенциально высокая острота зрения A. arbustorum и C. hortensis сохранилась от предковых видов и не используется исследованными моллюсками. Также наблюдения в естественных и лабораторных условиях показали, что моллюски совершенно не реагируют на приближающиеся объекты независимо от их размера и не прячутся в раковины. Возникающие перед ними предметы они ощупывают глазными щупальцами. Такие глаза как у A. arbustorum и C. hortensis не предназначены для выполнения каких-либо сложных зрительных задач. Они могут обеспечивать только реакцию фототаксиса, которая позволит моллюскам находить места обитания с оптимальными для жизнедеятельности световыми условиями.
4.4.3. Адаптивные приспособления к зрению. На примере исследованных в настоящей работе наземных брюхоногих моллюсков A. rufus, P. incarnata и H.
lapicida адаптивные приспособления к зрению прослеживаются по двум направлениям: одни из них ориентированы на достижение сравнительно высокой остроты зрения, другие - на достижение адекватной чувствительности к доступному свету. В первом случае адаптации выражаются в удлинении фокусного расстояния оптической системы глаза (у A. rufus по сравнению с P. incarnata и H.
lapicida и у H. lapicida по сравнению с P. incarnata) и в увеличении плотности расположения фоторецепторных клеток (Фр II у A. rufus по сравнению с Фр II у P.
incarnata и фоторецепторами всех видов у H. lapicida;
Фр I у H. lapicida по сравнению с Фр I у P. incarnata;
Фр II у P. incarnata по сравнению с Фр II-1 и Фр II 2 у H. lapicida). Во втором случае адаптации проявляются в увеличении диаметра апертуры и размера (диаметра и длины) световоспринимающих частей Фр I в соответствии c яркостью предпочитаемых мест обитания моллюсков.
Заключение В ходе эволюции определенные группы моллюсков класса Gastropoda адаптировались к наземной жизни (Cook, 2001). Из моря на сушу улитки могли попасть различными путями. Во-первых, через эстуарии - широкие устья рек, доступные для приливов, - в пресные водоемы, такие как озера и реки, а оттуда - на сушу. Во-вторых, через мангры - древесно-кустарниковые растительные сообщества, развитые на периодически затопляемых участках морских побережий и устьев рек (Fechter, Falkner, 1990). Освоение новой среды обитания вызвало необходимость в модификации существующих систем органов, в том числе и зрительной сенсорной системы. Наиболее ярким отличием большинства наземных моллюсков (Stylommatophora) от моллюсков, живущих в воде (Basommatophora), является расположение глаз на верхушках дополнительной (верхней) пары щупалец, что позволило значительно расширить их зрительное поле (Брем, 1948;
Cook, 2001). Некоторые другие специальные черты, перечисленные ниже, также адаптируют периферический отдел зрительной системы к функционированию на суше.
Хрусталики у всех исследованных в этой работе видов моллюсков неклеточные, т.е. формируются секреторным материалом. Они находятся в окружении только роговичных клеток и клеток сетчатки. Поэтому можно считать, что, также как и у других брюхоногих моллюсков, источником строительного материала для хрусталиков A. rufus, P. incarnata, H. lapicida, A. arbustorum и C.
hortensis являются именно клетки роговицы и/или опорные клетки сетчатки.
Сформировавшиеся хрусталики имеют эллипсоидную форму и относительно мягкую консистенцию, также как и хрусталики многих других представителей класса Gastropoda, обитающих в наземной среде, например, улиток C. nemoralis и T. hispida (Шепелева, 2005). Эти линзы полностью занимают глазную полость, оставляя для стекловидного тела пространство лишь в несколько микрон.
Хрусталики подавляющего большинства изученных водных (морских и пресноводных) брюхоногих моллюсков имеют прямо противоположные характеристики: сферическую или близкую к сфере форму, твердую консистенцию, градиент показателя преломления и промежуток между хрусталиком и микровиллярным слоем сетчатки, равный нескольким десяткам или сотням микрон. У этих животных комплекс эпителий/роговица укорачивает фокусное расстояние хрусталика всего лишь на 1-3 мкм. Поэтому хрусталик становится не просто основным, но и фактически единственным преломляющим компонентом оптики глаза и, следовательно, должен быть мощным. В связи с этим возникает необходимость в его сферической форме, твердой консистенции и градиенте показателя преломления, которые дают кратчайшее фокусное расстояние. А чтобы изображение попало на сетчатку, она должна быть отделена от хрусталика, т.к.
фокусное расстояние исчисляется от его центра. У изученных нами наземных моллюсков хрусталик, хотя и остается доминирующим оптическим элементом, комбинация эпителий/роговица вносит существенный вклад в создание изображения на рецепторном слое сетчатки, сокращая фокусное расстояние хрусталика на 40-70 мкм. Фокусное расстояние откладывается от задней главной плоскости оптической системы, которая не совпадает с центром хрусталика.
Поэтому у наземных моллюсков нет необходимости в сохранении таких же свойств диоптрического аппарата и такого же принципа расположения его компонентов.
Тем не менее, градиент показателя преломления вещества хрусталиков, очевидно, присутствует у четырех из пяти исследованных видов моллюсков. Следует также отметить, что толщина роговиц у изученных нами наземных моллюсков в несколько раз превышает толщину роговиц водных видов, что, вероятно, отражает необходимость в защите глаз от потери влаги в воздушной среде. Что касается щупальцевого эпидермиса, то никакой тенденции в изменении его толщины у наземных моллюсков по сравнению с водными моллюсками не наблюдается.
Таким образом, из всего выше сказанного очевидно, что изменения, произошедшие с диоптрическим аппаратом глаз моллюсков, перешедших в филогенетическом развитии от водного к наземному образу жизни, представляют собой адаптации к функционированию в новой - наземной среде обитания. Основные изменения прослеживаются в направлении утолщения роговицы, приобретения более мягкой консистенции и эллипсоидной формы хрусталиков, а также сокращения расстояния между хрусталиком и сетчаткой до минимально возможного. По-видимому, от переднежаберных предков моллюски унаследовали не только доминантную роль хрусталиков в фокусировании света, но и градиент показателя преломления вещества этих линз.
Выводы 1. Глаза исследованных видов моллюсков Arion rufus, Perforatella incarnata, Helicigona lapicida, Arianta arbustorum и Cepaea hortensis построены по типу камерного глаза с фиксированной оптикой.
2. Диоптрический аппарат состоит из двух линз: хрусталика и линзы, образованной щупальцевым эпидермисом и роговицей. У всех исследованных видов моллюсков хрусталики являются доминирующими оптическими компонентами. Хрусталики A. rufus, H. lapicida, A. arbustorum и C. hortensis, очевидно, обладают градиентом показателя преломления. Хрусталик P. incarnata, по-видимому, является оптически гомогенным.
3. Светочувствительный аппарат состоит из двух морфологически различных типов микровиллярных фоторецепторов. У H. lapicida фоторецепторы второго типа представлены тремя видами, что, возможно, означает наличие цветового зрения у этого моллюска. Светоизолирующий аппарат образуют пигментные клетки, которые экранируют рецепторные клетки друг от друга на уровне клеточных тел. Микровиллы оптически не изолированы.
4. У A. rufus, P. incarnata и H. lapicida, имеющих различные световые предпочтения, выявлена обратная зависимость между яркостью предпочитаемых мест обитания и оптической чувствительностью фоторецепторов первого типа. У A. arbustorum и C. hortensis, живущих при одинаковых световых условиях, обнаружены сходные значения оптической чувствительности фоторецепторов первого типа. У всех исследованных видов моллюсков между чувствительностью к свету фоторецепторов второго типа и яркостью мест обитания никакой связи не прослеживается. В пределах глаза каждого вида моллюсков заметны следующие соотношения: высокая оптическая чувствительность фоторецепторов первого типа/низкая оптическая чувствительность фоторецепторов второго типа и низкое пространственное разрешение фоторецепторов первого типа/высокое пространственное разрешение фоторецепторов второго типа (за исключением фоторецепторов второго типа второго вида у H. lapicida). Вероятно, более чувствительные фоторецепторы первого типа работают при низком уровне освещенности, а фоторецепторы второго типа - при более ярком освещении.
5. Возможности структуры и оптики глаз A. rufus, P. incarnata и H. lapicida позволяют функционировать им в качестве органов зрения. Моллюски могут использовать зрительную функцию для реализации основных форм поведения:
защитного и пищевого, а также для обнаружения конспецифических особей.
Чувствительность глаз A. rufus и P. incarnata позволит выполнять им эти зрительные задачи в дневное и сумеречное время, а H. lapicida - только в дневное время. Адаптивные приспособления к видению в окружающей среде прослеживаются по двум направлениям: одни из них ориентированы на достижение сравнительно высокой остроты зрения, другие - на достижение адекватной чувствительности к доступному свету. В первом случае адаптации выражаются в удлинении фокусного расстояния оптической системы глаза и/или увеличении плотности расположения фоторецепторных клеток. Во втором случае адаптации проявляются в увеличении диаметра апертуры и размера (диаметра и длины) световоспринимающих частей фоторецепторных клеток первого типа в соответствии c яркостью предпочитаемых мест обитания моллюсков. Глаза A.
arbustorum и C. hortensis могут функционировать в качестве детекторов освещенности и обеспечивать возможность нахождения мест обитания с оптимальными для жизнедеятельности световыми условиями.
6. Основные изменения в структуре глаз, вызванные переходом моллюсков в филогенетическом развитии из водной в наземную среду обитания, прослеживаются в направлении утолщения роговицы, приобретения более мягкой консистенции и эллипсоидной формы хрусталиков, а также сокращения расстояния между хрусталиком и сетчаткой до минимально возможного. По-видимому, от переднежаберных предков моллюски унаследовали доминантную роль хрусталиков в фокусировании света и градиент показателя преломления вещества этих линз.
7. В формировании глаз моллюсков играют роль несколько факторов: среда обитания, световые условия мест обитания, образ жизни и эволюционная история.
Благодарности Работа выполнена при поддержке грантов от немецкого фонда Marga und Kurt Moellgaard-Stiftung (T 130/2370/2512/12659/03) и от университета г. Лунда (Швеция). Автор благодарит профессора В.Б. Майер-Рохова и к.б.н. М.В. Бобкову за организацию и помощь в проведении исследований в Международном университете г. Бремена (Германия). Особую благодарность автор выражает профессору Э.Дж. Ворранту за предоставленную возможность проведения исследований на кафедре биологии клетки и организма университета г. Лунда (Швеция), благодарность заведующей лабораторией кафедры Р. Валлен за помощь в изготовлении ультратонких срезов глаза H. lapicida и сотруднику кафедры зоологии М. Соренссону за указание мест обитания моллюсков и за доставку H.
lapicida с острова Эланд. Автор благодарен научному руководителю, заведующему кафедрой зоологии беспозвоночных МГУ им. М.В. Ломоносова, профессору В.В.
Малахову за содействие в организации защиты диссертации.
Список публикаций по теме диссертации 1. Шепелева И.П. Сравнительное изучение анатомии и оптических свойств органов зрения некоторых брюхоногих моллюсков // Тезисы докладов V Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье». Санкт-Петербург, 2002. С. 270.
2. Bobkova M., Gal J., Zhukov V., Shepeleva I., Meyer-Rochow V.B. Optics and retinal designs in pulmonate snails // Abstracts of the 7th East European Conference of International Society for Invertebrate neurobiology «Simpler nervous systems».
Kaliningrad-Svetlogorsk-Otradnoe, 2003. P. 31.
3. Шепелева И.П. Двигательное поведение наземного слизня Arion rufus (L.) в условиях световой стимуляции // Тезисы докладов VII Всероссийской медико биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье».
Санкт-Петербург, 2004. С. 335-336.
4. Bobkova M.V., Gal J., Zhukov V.V., Shepeleva I.P., Meyer-Rochow V.B.
Variations in the retinal design of pulmonate snails (Mollusca, Gastropoda): squaring phylogenetic background and ecophysiological needs (I) // Invert. Biol. 2004. V. 123.
No. 2. P. 101-115.
5. Gal J., Bobkova M.V., Zhukov V.V., Shepeleva I.P., Meyer-Rochow V.B.
Fixed focal-length optics in pulmonate snails (Mollusca, Gastropoda): squaring phylogenetic background and ecophysiological needs (II) // Invert. Biol. 2004. V. 123.
No. 2. P. 116-127.
6. Шепелева И.П. Морфология и оптическая физиология глаза наземного слизня Arion rufus (L.) (Mollusca: Gastropoda) // Рос. физиол. журн. им. И.М.
Сеченова. 2004. Т. 90. № 8. Ч. 1. С. 356.
7. Шепелева И.П. Экологические адаптации в структуре глаза наземного слизня Arion rufus (L.) к повышению световой чувствительности // Тезисы докладов Международной научной конференции «Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных». Саранск, 2005. С. 266.
8. Шепелева И.П. Сравнительное исследование морфологии и оптических свойств хрусталиков глаз некоторых брюхоногих моллюсков // Вестник молодых ученых. Физиология и медицина. 2005. С. 138.
9. Шепелева И.П. Фоторецепторный аппарат камерного глаза наземного слизня Arion rufus (L.) (Mollusca: Gastropoda) // Вестник молодых ученых.
Физиология и медицина. 2005. С. 138.
10. Шепелева И.П. Морфология и оптическая физиология глаза наземного слизня Arion rufus (L.) (Mollusca: Gastropoda) // Сенсорные системы. 2005. Т. 19. № 2. С. 166-171.
11. Шепелева И.П. Сравнительное исследование морфологии и оптических свойств хрусталиков глаз некоторых брюхоногих моллюсков // Сенсорные системы. 2005. Т. 19. № 2. С. 172-176.
12. Шепелева И.П. Сравнительное изучение морфологии и оптики глаз наземных брюхоногих моллюсков Cochlodina laminata и Perforatella incarnata (Pulmonata: Stylommatophora) с различными световыми предпочтениями // Сенсорные системы. 2006. Т. 20. №. 1. С. 40-51.
13. Шепелева И.П. Глаз наземного брюхоногого моллюска Helicigona lapicida (Pulmonata: Stylommatophora) // Сенсорные системы. 2006. Т. 20. №. 1. С.
52-58.
14. Шепелева И.П. Сравнительное изучение морфологии и оптики глаз наземных брюхоногих моллюсков Arianta arbustorum и Cepaea hortensis (Pulmonata: Stylommatophora) со сходными световыми предпочтениями // Сенсорные системы. 2006. Т. 20. №. 1. С. 59-67.
15. Шепелева И.П. Адаптивные приспособления к зрению у наземных брюхоногих моллюсков Cochlodina laminata и Perforatella incarnata (Pulmonata:
Stylommatophora) // Тезисы докладов XIII международного совещания и VI школы по эволюционной физиологии, посвященных памяти академика Л.А. Орбели и 50 летию Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН.
Санкт-Петербург, 2006. С. 246.
16. Шепелева И.П. Глаз наземного брюхоногого моллюска Helicigona lapicida (Pulmonata: Stylommatophora) // Тезисы докладов XIII международного совещания и VI школы по эволюционной физиологии, посвященных памяти академика Л.А. Орбели и 50-летию Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН. Санкт-Петербург, 2006. С. 246-247.
17. Шепелева И.П. Роль светового фактора в формировании глаз наземных брюхоногих моллюсков Arianta arbustorum и Cepaea hortensis (Pulmonata:
Stylommatophora) // Тезисы докладов XIII международного совещания и VI школы по эволюционной физиологии, посвященных памяти академика Л.А. Орбели и 50 летию Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН.
Санкт-Петербург, 2006. С. 247-248.
18. Shepeleva I.P. Comparative morphology and optics of gastropod eyes (Gastropoda: Pulmonata: Stylommatophora) // Abstracts of the 29th European Conference on Visual Perception. St. Petersburg, 2006. P. 139.