Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1. Характеристика пищевого поведения брюхоногих моллюсков 12
1.2. Химические стимулы пищи как сигнальный экологический фактор, влияющий на выбор корма растительноядными брюхоногими моллюсками 18
1.3. Углеводы и аминокислоты как сигналы пищи для водных брюхоногих моллюсков 23
1.4. Источники и содержание свободных углеводов и аминокислот в пресных водоемах 31
1.5. Свободные углеводы и аминокислоты в тканях пресноводных растений 35
Глава 2. Объекты и методы исследования 41
f2.1. Объекты исследования 41
2.2. Условия содержания животных 41
2.3. Методическая основа исследования 42
2.4. Методика изучения времени формирования и сохранения памяти у моллюсков на химические вещества растительных кормов 47
2.5. Методика исследования возможности изменения сигнального значения для моллюсков отдельных веществ пищи (сахарозы и ксилозы) 49
2.6. Методика изучения влияния продолжительности голодания и присутствия в окружающей среде химических веществ непотребляемого растительного
корма на время формирования памяти у моллюсков на химические вещества этого корма с началом его потребления 50
2.7. Методика изучения влияния растворов отдельных Сахаров, сахарных спиртов и аминокислот на разные фазы пищевого поведения моллюсков 51
2.8. Методика подтверждения влияния отдельных химических стимулов (мальтозы и аргинина) на поисковую фазу пищевого поведения прудовика обыкновенного в природном водоеме 56
Глава 3. Результаты исследования 58
3.1. Влияние экологических условий питания на формирование и изменение сигнального значения химических веществ кормов в пищевом поведении прудовика обыкновенного и катушки роговой 58
3.1.1. Влияние продолжительности питания тем или иным растительным кормом и времени, прошедшего после исключения его из рациона, на формирование и сохранение памяти у прудовика обыкновенного на экстракт этого корма 58
3.1.2. Влияние пищевого опыта на изменение сигнального значения отдельных веществ пищи (сахарозы и ксилозы) у прудовика обыкновенного и катушки роговой 60
3.1.3. Влияние голодания и присутствия в окружающей среде химических веществ непотребляемого растительного корма на время формирования памяти у катушки роговой на химические вещества этого корма с началом его потребления 63
3.2. Особенности пищевого поведения прудовика обыкновенного и катушки роговой, стимулируемого отдельными веществами пищи 66
3.2.1. Влияние растворов Сахаров и сахарных спиртов на разные фазы пищевого поведения прудовика обыкновенного и катушки роговой 66
3.2.2. Влияние растворов аминокислот на разные фазы пищевого поведения прудовика обыкновенного и катушки роговой 76
3.2.3. Подтверждение влияния растворов мальтозы и аргинина на поисковую фазу пищевого поведения прудовика обыкновенного в природном водоеме 87
Глава 4. Обсуждение результатов 89
4.1. Влияние экологических условий питания (продолжительности потребления того или иного корма, смены объекта питания и продолжительности голодания) на формирование и изменение сигнального значения химических веществ кормов в пищевом поведении прудовика обыкновенного и катушки роговой 89
4.2. Экологические особенности пищевого поведения прудовика обыкновенного и
катушки роговой, стимулируемого отдельными сахарами, сахарными спиртами и аминокислотами 93
Выводы 104
Библиографический список использованной литературы 105
Приложение 1. Содержание свободных аминокислот в воде стоячего водоема .118
- Характеристика пищевого поведения брюхоногих моллюсков
- Методическая основа исследования
- Влияние продолжительности питания тем или иным растительным кормом и времени, прошедшего после исключения его из рациона, на формирование и сохранение памяти у прудовика обыкновенного на экстракт этого корма
Введение к работе
Актуальность исследования. Рядом исследователей показано, что для брюхоногих моллюсков, как и для многих других водных животных (например, ракообразных, рыб и земноводных), сигналами пищи могут служить не только сложные по составу экстракты растений и животных (Сагг, 1967; Bovbjerg, 1968; Bousfield, 1979; Бондаренко, 1999 и др.), но и отдельные химические вещества, такие как свободные аминокислоты и углеводы (Uhazy et al., 1978; Carefoot, 1982; The chemical ecology ..., 1986; Thomas, 1986; Amino acids ..., 1992). Однако в
t* научной литературе нет ответа на вопрос, одинаковыми или разными
аминокислотами и углеводами стимулируются разные фазы пищевого поведения этих животных, то есть не установлена в полной мере экологическая значимость этих веществ в питании моллюсков.
Полученные исследователями ряды аминокислот и углеводов, ранжированных по эффективности стимуляции пищевого поведения, для разных видов водных моллюсков оказались различными. Причинами этих различий,
^ наряду с наследственно обусловленными особенностями химического
анализатора, по нашему мнению, могут быть экологические особенности питания у разных видов моллюсков, например преобладание в рационе животных того или иного корма и продолжительность питания этим кормом. Вместе с тем, в научной литературе пока имеется недостаточно сведений о влиянии на формирование сигнального значения химических веществ того или иного корма в пищевом поведении водных брюхоногих моллюсков продолжительности его потребления,
и, а также о том, как изменяется сигнальное значение химических веществ прежней
пищи, если привычный ранее объект питания стал для животного недоступным. Остается не выясненным, как влияет на формирование сигнального значения химических веществ новой пищи в пищевом поведении моллюсков дефицит доступных кормовых ресурсов.
Установлено, что химические сигналы пищи воспринимаются не только рецепторами, расположенными на щупальцах и губах пресноводных легочных моллюсков, но и хеморецепторами других зон поверхности тела этих животных
^ (Bovbjerg, 1968; Townsend, 1974а). Возможно, это связано с обитанием этой
группы медленно передвигающихся животных преимущественно в водоемах со стоячей водой, где вектор «запахового» градиента может располагаться в различных направлениях, а не только против течения. Вместе с тем, нет информации о том, насколько сходны между собой различные зоны поверхности тела, стимуляция которых вызывает ориентировочные реакции, в отношении чувствительности к отдельным химическим сигналам пищи.
(* Наконец, недостаточно изучены сравнительные особенности экологии
пищевого поведения у легочных моллюсков из семейств Lymnaeidae и Bulinidae, «тяготеющих» к разным типам трофических цепей в пресноводных биоценозах.
Цель и задачи исследования, С учетом вышеизложенного, целью исследования было изучение влияния химических сигналов кормов на пищевое поведение брюхоногих легочных моллюсков прудовика обыкновенного (Lymnaeidae) и катушки роговой (Bulinidae). Для достижения этой цели были
^ поставлены следующие задачи:
Изучить влияние продолжительности питания тем или иным кормом, смены корма и продолжительности голодания на формирование и изменение сигнального значения химических веществ пищи в пищевом поведении моллюсков.
Изучить влияние на ориентировочную, поисковую и завершающую фазы пищевого поведения моллюсков отдельных Сахаров, сахарных спиртов и
/^ аминокислот.
3. Сравнить изученные экологические особенности пищевого поведения у
прудовика обыкновенного и катушки роговой.
Научная новизна исследования. Впервые для прудовика обыкновенного и катушки роговой установлены некоторые экологические особенности пищевого поведения, вызванного химическими сигналами пищи.
Во-первых, определены время формирования памяти, то есть
поведенческого предпочтения химических веществ потребляемой растительной
^ пищи, у прудовика обыкновенного и время ее сохранения после перехода
животных на питание другим растительным кормом.
Во-вторых, впервые для легочных моллюсков на примере катушки роговой изучено влияние продолжительности голодания на время формирования памяти у этих животных на химические вещества новой растительной пищи, то есть время приобретения моллюсками новых пищевых предпочтений.
В-третьих, показано, что количество влияющих на пищевое поведение этих видов моллюсков углеводов и аминокислот в ряду ориентировочной, поисковой и
8
(*' завершающей фаз пищевого поведения последовательно уменьшается, а видовая
специфичность пищевого сигнального значения этих веществ для моллюсков в этом же ряду увеличивается.
Впервые экспериментально продемонстрировано, что эффективность
отдельных Сахаров как сигналов пищи для пресноводных легочных моллюсков
может зависеть от их пищевого опыта. Некоторые сахара, а именно мальтоза,
сахароза и ксилоза, как наиболее характерные химические сигналы растительной
у пищи, способны вызывать у этих животных все три фазы пищевого поведения.
И, наконец, установлено, что разные участки поверхности тела прудовика обыкновенного и катушки роговой сходны по своей чувствительности к отдельным сахарам, сахарным спиртам и аминокислотам. Защищаемые положения.
1. Питание пресноводных легочных моллюсков тем или иным видом
растительного корма приводит к формированию памяти на химические
(р. вещества новой пищи и снижению сигнального значения химических веществ
прежнего корма.
Увеличение продолжительности голодания сокращает у пресноводных легочных моллюсков время формирования памяти на химические сигналы растительной пищи, то есть время приобретения животными новых пищевых предпочтений.
Количество влияющих на пищевое поведение прудовика обыкновенного и катушки роговой углеводов и аминокислот в ряду ориентировочной, поисковой и завершающей фаз пищевого поведения последовательно уменьшается, а видовая специфичность пищевого сигнального значения этих веществ для моллюсков в этом же ряду увеличивается.
Эффективность отдельных Сахаров как сигналов пищи для пресноводных легочных моллюсков может зависеть от их пищевого опыта. Мальтоза, сахароза и ксилоза, как наиболее характерные химические сигналы растительной пищи, способны вызывать у этих животных всю последователь-
9 ность пищевых поведенческих реакций: от ориентировочной и поисковой фаз пищевого поведения до завершающей.
Теоретическая значимость исследования. Исследование действия абиотических факторов, а именно химических сигналов пищи, на брюхоногих моллюсков в ходе питания позволяет лучше понять функционирование механизма избирательности в пищевом поведении этих животных. Полученные результаты дают новые сведения о химических пищевых сигналах, влияющих на пищевое поведение этих животных, и, возможно, определяющих распределение брюхоногих моллюсков в водных биоценозах.
Практическая значимость исследования. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при чтении таких учебных курсов, как «экология популяций и сообществ», «организм и среда», «экологическая физиология», «поведение животных». Новые методики и модифицированные нами методики других авторов, примененные в работе, могут быть использованы студентами и аспирантами для проведения самостоятельных научных исследований по экологии брюхоногих моллюсков.
Апробация результатов исследования. Результаты исследований были представлены на V Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей (СПбГУ, 2002), докладывались на II международных чтениях, посвященных памяти и 85-летию со дня рождения С.С. Шульмана (КГТУ, 2003) и обсуждались на заседании кафедры общей и экологической физиологии человека и животных РГУ им. И. Канта (2005).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи в центральной печати. Еще одна статья принята к опубликованию.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, выводов, библиографического списка использованной литературы и пяти приложений. Список литературы включает 119 источников, из них 69 на иностранных языках. Материал изложен на 131 странице, включая 23 рисунка и 41 таблицу.
10 Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность за постоянное внимание, консультации и помощь в подготовке публикаций своему научному руководителю к.б.н., доценту В.Ф. Бондаренко, а также признательность д.б.н., профессору СМ. Никитиной за рекомендации по содержанию рукописи диссертационной работы. Отдельное спасибо всем коллегам, принявшим участие в обсуждении результатов исследований.
Характеристика пищевого поведения брюхоногих моллюсков
По классификации Зайцевой (1980, 1982, 1998) у брюхоногих моллюсков к хеморецепторам относят рецепторные клетки I и II типов с подвижными ресничками, а также рецепторы IV типа с микроворсинками на конце периферического отростка. Клетки II типа рассматривают в качестве дистантных хеморецепторов, а клетки I и IV типов - в качестве контактных (Zaitseva, Bocharova, 1981; Зайцева, 1992). Рецепторы этих трех видов преобладают у прудовика обыкновенного, катушки роговой и виноградной улитки в щупальцах, губах и около рта. Они значительно реже встречаются в кожных покровах других частей тела (Zaitseva, Bocharova, 1981; Зайцева, 1992, 1998). Не до конца решен вопрос о функциональной специализации рецепторов VI типа, имеющих вид свободных нервных окончаний. Каждое волокно, подходя к эпителию, образует ответвления, оплетающие значительные (до нескольких миллиметров) по площади области. Предполагают, что сами волокна принадлежат ( первичночувствующим рецепторным клеткам, обнаруженным в ЦНС моллюсков. Возможно, часть из них являются рецепторами неспецифической химической чувствительности (Зайцева, 1980; Зайцева, 1982). Поскольку все типы хеморецепторов встречаются в коже всей поверхности тела брюхоногих моллюсков, то вся она чувствительна к химическим раздражениям (Bovbjerg, 1968; Зайцева, 1980, Emery, 1992; Зайцева, 1998). Есть предположение, что главное отличие хемосенсорных органов, таких как щупальца, губы и область рта, от неспециализированных рецепторных участков кожной поверхности заключается не в качественном различии рецепторов, а в их большем количестве, особом соотношении разных типов рецепторных клеток и их взаимоотношениями между собой и с другими нервными элементами в пределах самих сенсорных органов и на уровне центральных отделов нервной системы (Зайцева, 1982). Сведений о том, насколько сходны между собой различные участки поверхности тела моллюсков в отношении чувствительности к отдельным химическим сигналам пищи, в научной литературе найти не удалось.
Брюхоногие моллюски используют несколько способов поиска корма по химическим сигналам. Изучение ориентировочно-поисковых реакций пресноводного легочного моллюска Biomphalaria glabrata (Planorbidae) на источник растительного экстракта в среде без течения показало, что животные находят приманку, перемещаясь сначала петлеобразно, а затем прямо к источнику пищевых стимулов, совершая маятникообразные движения головой из стороны в сторону (Townsend, 1973а). Удаление одного из билатерально расположенных головных щупалец вызывало незначительную тенденцию к поворотам головы, а затем и всего животного в направлении оставшегося щупальца. Это позволило сделать вывод, что для определения концентрации химических сигналов пищи моллюски используют рецепторы обоих головных щупалец одновременно, а изменение направления движения интактного животного происходит в направлении того щупальца, чьи хеморецепторы стимулируются интенсивнее (Townsend, 1974а; Chase, 1982). Такой способ ориентировки брюхоногих моллюсков на источник химических сигналов называют тропотаксисом (Townsend, 1974а; Хайнд, 1975).
При удалении обоих щупалец тропотаксисы не наблюдались, но биомфалярия все еще находила корм, хотя и менее эффективно, совершая маятникообразные движения головой. При таком способе ориентировки моллюск последовательно сравнивает интенсивность химических стимулов, воздействующих на рецепторные зоны головы в области оснований щупалец при поворотах головы из стороны в сторону. Повороты продолжаются до тех пор, пока стимуляция с обеих сторон не станет одинаковой. Этот способ ориентировки носит название клинотаксиса и применяется моллюсками чаще на небольшом расстоянии от корма и в условиях перемешивания воды в водоеме, то есть при некрутом градиенте концентрации химических стимулов в воде, поскольку дает возможность сравнивать концентрации веществ между более широко расставленными участками пространства, чем тропотаксис (промежуток между участками сравнения равен расстоянию между щупальцами) (Townsend, 1974а; Croll, 1983).
Ориентирование брюхоногих моллюсков на источники химических веществ пищи с помощью таксисов было экспериментально продемонстрировано и у других водных и сухопутных видов, например, у Lymnaea stagnalis, Achatinafulica (подкласс Легочные), Aplysia californica и Plenrobranchaea californica (подкласс Заднежаберные) (Bovbjerg, 1968;Audesirk, 1975; ВеІІДоЬіп, 1982; Chase, Croll, 1981).
Методическая основа исследования
Пищевое поведение пресноводных легочных моллюсков можно разделить на три фазы: 1) ориентировочную - повороты головы, необходимые для обнаружения и оценки биологического значения химических раздражителей; 2) поисковую - передвижение моллюска в сторону уже выбранного источника химических сигналов корма; 3) завершающую - потребление пищи (скребковые движения радулой). В основу исследования положены модифицированные нами методики стимуляции этих трех фаз пищевого поведения брюхоногих моллюсков, предложенные в работах Townsend (1974а), Thomas, Assefa (1979) и Jager (1971).
Впервые для стимуляции ориентировочной фазы пищевого поведения прудовика и катушки был использован целый ряд разнообразных веществ: 8 Сахаров, 3 сахарных спирта и 19 аминокислот. Стимул подавали на разные участки поверхности тела моллюска с помощью шприца. Для этого была выбрана наибольшая из встречающихся в прудах и озерах и заведомо надпороговая в вызове ориентировочной реакции у моллюсков концентрация этих веществ -10" моль/л. Есть также данные, что электрофизиологический порог реакции губного нерва и нейронов ЦНС легочных моллюсков на раздражение хеморецепторов губ растворами аминокислот находится в диапазоне концентраций 10" -10" моль/л (Зайцева, 2000).
Для изучения эффективности стимуляции химическими веществами поисковой фазы ПП моллюсков применяли видоизмененную нами камеру, использованную в исследованиях Thomas и сотрудников (1979, 1980, 1986), в которой в результате диффузии устанавливался градиент концентрации химического стимула. Дадим сравнительное описание камеры Thomas et al. (1980), называемой исследователями ольфактометром, и нашей.
Схема ольфактометра Thomas и сотрудников для оценки локомоторных реакций пресноводного моллюска В. glabrata в присутствии градиента химических стимулов в воде была приведена ранее в главе 1 на рис. 1.2 (с. 24). Он состоит из центральной камеры размером 5 3 2 см, заполненной аквариумной водой, а также двух вращающихся цилиндрических концевых камер диаметром 3 см и высотой 2 см каждая, с отверстиями для диффузии химических стимулов. В одну концевую камеру помещали бумажный диск, смоченный в растворе химического вещества, а в другую - контрольный бумажный диск, смоченный в аквариумной воде. Когда в центральной камере устанавливался градиент концентрации химического стимула от 10"5 до 5x10"4 моль/л, моллюска помещали посередине камеры и регистрировали его положение в том или ином ее участке через равные промежутки времени (Behavioural responses ..., 1980).
Наша камера для определения эффективности химических веществ (сахаров, сахарных спиртов и аминокислот) в стимуляции поисковой фазы пищевого поведения моллюсков отличается от ольфактометра Thomas и его коллег тем, что не имеет вращающихся частей, а представляет собой прямоугольную пластмассовую коробку длиной 17 см, шириной и высотой по 5 см. Пунктирная линия на дне коробки разделяет ее пополам. Каждая половина разделена еще на две равные части. Их обозначили цифрами «1» и «2» со знаком «минус» в контрольной половине камеры и знаком «плюс» - в экспериментальной. Среднюю линию приняли за «О» .
Влияние продолжительности питания тем или иным растительным кормом и времени, прошедшего после исключения его из рациона, на формирование и сохранение памяти у прудовика обыкновенного на экстракт этого корма
В естественных условиях обитания изученные нами виды моллюсков потребляют те или иные корма в зависимости от их доступности (Цихон-Луканина, 1987). Можно предположить, что сигнальное значение химических веществ пищи должно изменяться с переходом животных с одних объектов питания на другие. Проведенные нами исследования показали, что кормление прудовика обыкновенного тем или иным видом нового корма приводило в первые же дни к возрастанию эффективности водного экстракта этого корма. Эффективность экстракта корма, отсутствующего в рационе, снижалась, и на 7 день добавление его в воду уже не стимулировало пищевое поведение животных. Моллюски настолько дифференцировали подкрепляемый и не подкрепляемый пищей условные раздражители, что добавление экстракта корма, отсутствующего в рационе, даже несколько тормозило фоновую пищевую активность, наблюдаемую в аквариумной воде. Однако при используемых объемах выборок эффект торможения не был статистически достоверен (рис. 3.2 и 3.3). Присутствие в рационе моллюсков сразу двух видов растительного корма делало их водные экстракты в равной степени эффективными. На протяжении всего времени эксперимента они стимулировали пищевое поведение животных (рис. 3.1).
Основные закономерности изменений величины поведенческих ответов прудовика обыкновенного на водные экстракты растительной пищи в зависимости от длительности ее потребления, а также в зависимости от времени, прошедшего после исключения этой пищи из рациона, несколько отличались от закономерностей, установленных ранее для катушки роговой (Бондаренко, 1999).
Так, формирование памяти на химические сигналы растительной пищи, то есть статистически достоверное предпочтение водного экстракта одного из ранее незнакомых кормов (капусты или моркови), у обыкновенного прудовика наблюдалось уже на 5-7 сутки потребления соответствующего корма, а у катушки роговой - на 3 сутки. После смены кормов на 6-7 сутки питания новым кормом эффективности прежнего и нового кормов в экспериментальных группах прудовика не отличались, что все еще позволяет говорить о сохранении памяти на химические сигналы прежнего корма у этих животных. У катушки роговой в подобном эксперименте сохранение памяти наблюдалось в одной группе в течение 3, а в другой — в течение 9 суток. Есть вероятность, что наблюдаемые у прудовика и катушки различия во времени формирования и сохранения памяти на химические вещества растительных кормов связаны со свойственной последнему виду более высокой частотой скребковых движений радулой. Возможно, это позволило раньше обнаружить предпочтение катушкой химических стимулов нового корма и дольше проследить сохранение памяти на них после перехода животных на другой корм. Вместе с тем, различия во времени сохранения памяти на химические вещества растительных кормов в двух группах катушки роговой могут объясняться свойствами этих кормов.
Изученные нами виды брюхоногих легочных моллюсков имеют достаточно широкий спектр потенциальных пищевых объектов. По-видимому, сигнальное значение химических веществ у этих животных в каждый момент времени преимущественно определяется потребляемым кормом. Подобная пластичность в изменении сигнального значения химических веществ пищи была продемонстрирована для виноградной улитки Н. pomatia (Teyke, 1995) и для африканской улитки A, fulica (Croll, Chase, 1980). В этих экспериментах реакции животных на запах корма оценивались по поисковой, а не по консумматорной (завершающей) фазе пищевого поведения, как в нашем эксперименте. Эти наземные моллюски ориентировались при поиске пищи главным образом на запах того корма (моркови, картофеля или огурца), которым в это время питались. А способность виноградной улитки находить определенный корм по его запаху сохранялась в течение 11 суток после однократного кормления этим кормом. Правда, при условии, что животных в это время не кормили другой пищей. Однако необходимо заметить, что у некоторых других видов брюхоногих моллюсков исследователи отмечали исключительно стойкое предпочтение определенных пищевых объектов. Так, морской моллюск Thais sp. даже после девяти недель кормления мидиями Mytilus californica продолжал отдавать предпочтение мидиям М. edulis (Murdock, 1969). Можно предположить, что консервативность пищевых пристрастий, по-видимому, свойственна хищным видам, а для травоядных видов-эврифагов более характерно наличие широкой пищевой пластичности.
