Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение механизмов восприятия обонятельных стимулов на уровне периферического (рецепторного) отдела обонятельной сенсорной системы является актуальной проблемой современной физиологии и биофизики, имеет важное значение для медицины, парфюмерии, сельского хозяйства, экологии и бионики. Знание особенностей структуры и функционирования обонятельных клеток необходимо для активного вмешательства при некоторых патологических состояниях органов обоняния, в частности, при аносмиях, регуляции эмоционального состояния и управления поведением животных и человека. Биофизические механизмы узнавания запахов могут быть основой для создания искусственных обонятельных сенсоров при конструировании приборов химического анализа.
Кодирование количественных и качественных параметров обонятельных стимулов обеспечивается различными комбинациями рецепторных клеток обонятельного эпителия, контактирующих с внешней средой посредством подвижных жгутиков (Buck, Axel, 1991). Литературных данных, касающихся исследования подвижности обонятельных жгутиков, крайне мало. Изучению этой проблемы посвящены работы Бронштейна А.А. в 1970-е годы, Mair et al. (1982), Трущенкова В.Г. (1995), Бигдай Е.В. (2004, 2005, 2006), Самойлова В.О. и сотр. (1999 - 2009).
Полагают, что двигательная активность обонятельных жгутиков обеспечивает активный поиск и обнаружение молекул пахучих веществ (Винников, 1965), способствует контакту с молекулами одорантов, вовлечена в процессы десорбции этих молекул из участков их связывания на мембране жгутиков (Бронштейн, 1966). Одни авторы считают подвижность обонятельных жгутиков универсальной для всех позвоночных (Бронштейн, 1977; Бигдай, Самойлов, 2004, 2006), по мнению других, -они неподвижны (Ronnett, Moon, 2002; Satir, 2007), третьи полагают, что подвижность присуща только жгутикам амфибий, а у млекопитающих они неподвижны (Могап, 1983; Schild, Restrepo, 1998). Таким образом, мнения о самом факте подвижности обонятельных жгутиков разноречивы, и ясности в этом вопросе нет.
Прижизненная микроскопия высокого качества свидетельствует об упорядочении двигательной активности обонятельных жгутиков под действием различных пахучих веществ (Бигдай, 2004; Бигдай, Самойлов, 2006; Руденко, 2007).
Эти изменения не в достаточной степени охарактеризованы количественно и имеют преимущественно описательный характер.
Таким образом, вопросы о наличии подвижности обонятельных жгутиков у млекопитающих, включая человека, и об изменении характера двигательной активности жгутиков под действием одорантов остаются открытыми.
Существует предположение, что подвижность обонятельных жгутиков играет важную роль в обеспечении необычайно высокой чувствительности обонятельного анализатора. Вклад изменений двигательной активности обонятельных жгутиков в нарушения обоняния не исследован. Остаются неизвестными причины аносмии при диабете (Dennis et al., 2005), синдроме Дауна (Chen et al., 2006), болезнях Паркинсона и Альцгеймера (Hawkes, 2003), паросмии и гипосмии при химиотерапии (Muller et al., 2006), вследствие приема некоторых лекарственных препаратов (Doty et al., 2004), депрессиях (Lombion-Pouther et al., 2005). Мы полагаем, что изучение подвижности обонятельных жгутиков в исследованиях патологии обоняния остается без внимания потому, что обонятельные жгутики млекопитающих животных, а также человека считаются неподвижными.
Для изучения роли двигательной активности обонятельных жгутиков в рецепции одорантов необходимо, прежде всего, выяснить, обладают ли жгутики обонятельных клеток различных позвоночных, включая человека, подвижностью и исследовать изменения их двигательной активности под действием пахучих веществ.
Цель исследования: изучить характер двигательной активности обонятельных жгутиков представителей земноводных (лягушки) и млекопитающих (крысы, кролика) животных, а также человека.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить характер двигательной активности обонятельных жгутиков
земноводных (лягушки) и млекопитающих (крысы, кролика) животных, а также
человека вне действия одорантов.
2. Исследовать характер двигательной активности обонятельных жгутиков
земноводных (лягушки) и млекопитающих (крысы, кролика) животных под
действием одорантов.
3. Проанализировать различия в подвижности обонятельных жгутиков вне
действия одорантов и под их влиянием при помощи разработанной нами методики
компьютерного анализа двигательной активности.
4. Изучить участие аденилатциклазы в движениях обонятельных жгутиков вне
действия и под действием амилового спирта.
Научная новизна. Впервые с помощью прижизненной телевизионной микроскопии зарегистрирована двигательная активность жгутиков обонятельных клеток млекопитающих животных (крысы и кролика), а также человека. Установлено, что обонятельные жгутики и лягушки, и млекопитающих (крысы, кролика, человека) вне действия одорантов совершают неупорядоченные движения в режиме рыскания.
Разработана новая методика компьютерного анализа двигательной активности отдельных обонятельных жгутиков, с помощью которой удалось объективно оценить упорядочение их двигательной активности в ответной реакции на одоранты у представителей земноводных (лягушки) и млекопитающих (крысы). Впервые проведена количественная оценка изменения частоты движений обонятельных жгутиков под действием одорантов.
При изучении реакций на амиловый спирт с использованием 3'5'-дидеоксиаденозина, специфического ингибитора аденилатциклазы, впервые выявлено участие аденилатциклазы в двигательной активности обонятельных жгутиков лягушки только вне действия одорантов.
Теоретическая и практическая значимость. Работа имеет теоретическое значение для развития физиологии и биофизики обонятельной сенсорной системы, так как углубляет и расширяет представление о роли подвижности жгутиков обонятельных клеток в реакциях на одоранты.
Данные о неупорядоченной двигательной активности обонятельных жгутиков земноводных (лягушки) и млекопитающих (крысы, кролика, человека) вне действия обонятельных стимулов и об упорядочении их движений под влиянием одорантов свидетельствуют о единообразии биомеханических процессов в обонятельных клетках представителей разных классов позвоночных животных, а также человека.
Теоретические положения и выводы из работы могут быть использованы в учебном процессе на кафедрах физиологии и биофизики в высших учебных заведениях медицинского и биологического профилей, а также в разработке новых
моделей высокочувствительных искусственных сенсоров и преподавании этих вопросов в технических вузах.
Исследование роли двигательной активности обонятельных жгутиков в обонятельной рецепции позволит глубже вникнуть в патогенез различных форм патологии обоняния, 90% которых, как известно (Овчинников, 1999), связаны с нарушением функционирования рецепторного аппарата обонятельного анализатора.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Рабочем совещании «Биомеханика-2005» (Санкт-Петербург, 2005), XIX Всероссийском научном совещании «Актуальные проблемы учения о тканях» (Санкт-Петербург, 2006), Международной конференции «МЕТРОМЕД 2007» (Санкт-Петербург, 2007), Международном симпозиуме «Biological motility» (Пущино, 2008), VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008), XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2009), VII Всероссийской конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2009).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методик и результатов исследования, обсуждения, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста, в число которых входят 8 таблиц и 40 рисунков. Список литературы включает 261 источник: 48 - на русском и 213 - на иностранных языках.
