Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Материал и методы исследования 4
1.1. Морфологические исследования 4
1.1.1 Методы морфометрии 4
1.1.2 Методы гистологии 5
1.1.3 Методы мечения нейронов путём аксонального ионофореза с хлоридом кобальта 6
1.1.4 Методы электронной микроскопии 7
1.2. Онтогенетические исследования 10
1.3. Электрофизиологические исследования 10
1.3.1 Методы регистрации электрокардиограммы 11
1.3.2 Методы регистрации электрической активности в нервных ствола и нервных центрах 11
ГЛАВА 2. Морфо-экологические корреляты сенсорной специализации видов 13
2.1. Обзор литературы 13
2.2. Сравнительное морфометрическое исследование сенсорных систем у видов различной экологической специализации и систематического положения 17
2.2.1 Пресноводные виды средних широт 17
2.2.2 Морские виды высоких широт 19
2.2.3 Заключение 24
ГЛАВА 3. Обонятельная система 26
3.1 Морфология обонятельного эпителия 26
3.1.1 Обзор литературы 26
3.1.2 Сравнительно-морфологическое исследование обонятельного эпителия рыб в связи с их систематическим положением и особенностями экологии 30
3.1.3 Заключение 36
3.2. Структурная организация первичного обонятельного центра рыб 40
3.2.1 Данные литературы 40
3.2.2 Результаты исследования особенностей цитоархитектоники обонятельных луковиц у рыб с различным уровнем развития обонятельной системы 42
3.3. Функциональная организация обонятельной системы рыб 47
3.3.1 Данные литературы 47
3.3.2 Результаты изучения физиологических свойств и функциональных характеристик обонятельной системы рыб... 48
3.3.2.1 Спектры воспринимаемых химических стимулов различными видами морских и пресноводных рыб 48
3.3.2.2 Функциональные характеристики обонятельной системы беломорской трески 53
3.3.2.3 Функциональные свойства обонятельного анализатора пресноводных рыб макросматов и микросматов 57
3.3. Развитие обонятельной системы на ранних этапах онтогенеза рыб 65
3.4. Заключение 69
ГЛАВА 4. Система тройничного нерва рыб 72
4.1. Особенности морфологической организации .системы тройничного нерва рыб 72
4.2. Особенности функциональной организации системы тройничного нерва рыб 77
4.3. Формирование системы тройничного нерва рыб в раннем онтогенезе 79
4.4. Сенсорные функции системы тройничного нерва 81
4.5. Заключение 83
ГЛАВА 5. Вкусовая система рыб 86
5.7. Обзор литературы 86
5.2. Исследование морфологии вкусового рецепторного аппарата рыб 89
5.3. Анализ морфологии центрального отдела вкусовой системы рыб 95
5.4. Динамика развития вкусовой системы рыб в раннем онтогенезе 99
5.5. Заключение 109
ГЛАВА 6. Морфофункциональные основы взаимодействия Хемосенсорных систем у рыб 111
6.1. Тригемино-фациальные взаимодействия 112
6.2. Тригемино-ольфакторные взаимодействия 113
6.2.1 Тригеминальная иннервация обонятельных органов 113
6.2.2 Тригемино-ольфакторные взаимодействия на уровне обонятельной луковицы 116
6.3. Ольфакто-фациальные взаимодействия 119
6.4. Заключение 130
Список цитированной литературы 138
- Онтогенетические исследования
- Морские виды высоких широт
- Структурная организация первичного обонятельного центра рыб
- Развитие обонятельной системы на ранних этапах онтогенеза рыб
Введение к работе
Химическая рецепция является древнейшей формой рецепции живых организмов. Специфика водной среды создаёт особые условия для развития хеморецепции (Мантейфель, 1987). У рыб, как первично водных позвоночных, она достигла особенно высокого уровня развития. Для рыб хеморецепция служит сенсорным каналом, обеспечивающим формирование различных межвидовых и внутривидовых отношений. У многих видов рыб хеморецепция играет ведущую роль в нерестовом, миграционном, пищевом, оборонительном, социальном и других формах поведения (Hasler, 1960; Флёров, 1962; Bardach, et al.,1967; Bardach, Atema, 1971; Atema, 1971; Hara, 1975; 1994; Малюкина и др., 1980; 1990; Павлов, Касумян, 1990; Касумян, 1993 и другие). Рыбы обладают целым комплексом различных форм хеморецепторных структур, которые представляют две специализированные хемосенсорные системы - вкусовую и обонятельную, а также систему общего химического чувства. Последняя до настоящего времени не исследована на системном уровне. (Parker, 1912; Kleerekoper, 1969; Минор, 1972; Кассиль, 1972; Finger, 1983; (Caprio, 1984; Kasumyan et al., 1999; Zaccone, et al., 1999). Разнообразие условий жизни в водной среде привело к значительным различиям в развитии органов чувств, в частности органов хеморецепции, у разных видов. Исследования анатомии хеморецепторных органов и их центральных отделов у рыб, проведенные ещё в начале XX века, стали классическими, это работы Херрика (Herrick,1906), Шелдона (Sheldon,1912), Капперса (Kappers, et all.,1936), Третьякова (1916), Заварзина (1941), Павловского и Курепной (1946), Световидова (1953), Сеппа (1957) и других. Большинство более поздних исследований продолжали классические традиции, набирая фактический материал по морфологическому разнообразию органов хеморецепции у рыб (Винников, Титова, 1957; Богомолова, 1970; Бронштейн, 1977; Дорошенко, 1981; Певзнер,1978; Yamamoto, 1982; Reutter, 1973; Jakubowski, Whitear, 1990 и другие ). Поведенческие исследования в большинстве своём были нацелены на выявление участия хеморецепции в формировании различных поведенческих реакций ( Todd, 1971; Малюкина и др., 1977; Флёров, 1962; Нага, 1975; Hasler, 1960 и др.). Однако, до последнего времени оставались не исследованными многие вопросы сенсорной физиологии рыб, в частности такие как особенности функциональной организации различных хемосенсорных систем рыб в сравнении с наземными позвоночными, физиологические характеристики обонятельной и вкусовой систем, связанные с морфологическим разнообразием рецепторных аппаратов и первичных мозговых центров. Предполагалось, что хеморецепция в условиях водной среды основана на иных физиологических механизмах по сравнению рецепцией в воздушной среде, которые обеспечивают возможность хемосенсорной ориентации в и восприятия химических сигналов. Высокая информационная значимость химических
2 сигналов для рыб была доказана многими поведенческими работами. Вместе с тем, была обнаружена и высокая видовая специфичность химических сигналов. (Kleerekoper, 1969; Мантейфель и др., 1965; Finger, 1983; Касумян, Пащенко 1985; Касумян Марусов, 2002; Павлов, Касумян, 1990; Малюкина и др., 1980; 1990).
В физиологическом отношении хеморецепция рыб остаётся мало изученным направлением до настоящего времени, что связано с целым рядом объективных трудностей в проведении подобных исследований (Мантейфель, 1987 ). Физиологические эксперименты на обонятельной и вкусовой системах рыб проводили обычно в лабораторных условиях на примере одного - двух модельных видов, а результаты экстраполировали на класс рыб в целом, что могло приводить к ошибочным заключениям. Система общей химической чувствительности, которая предположительно обеспечивается сенсорными окончаниями тройничного, лицевого, языкоглоточного, блуждающего и спинномозговых нервов (Parker, 1912), остаётся вовсе не изученной. Вместе с тем, одиночные хеморецепторы многочисленны в наружных покровах рыб (Gomahr A., Palzenberger М., Kotrschal К., 1997; Whitear, 1986) и, очевидно, играют важную роль в их поведении. Система тройничного нерва, хорошо развитая у наземных позвоночных, у рыб имеет крупный ганглий и мощные нервные стволы (Гуртовой и др., 1976; Demski, Northcutt, 1983). Однако, сведения о зонах иннервации тройничного нерва рыб и его функциональных свойствах также малочисленны.
В настоящей работе мы изучали структурную и функциональную организацию сенсорной системы тройничного нерва рыб, обонятельной системы и вкусовой системы, а также механизмы и характер их взаимодействия, что является естественной и необходимой основой системной регуляции поведенческих реакций. Растворённые в воде вещества воздействуют на все хеморецепторы рыб. Спектры стимулов, воспринимаемых разными хеморецепторами в значительной степени перекрываются (Caprio, 1988; Belousova et al., 1983), что позволяет разным системам реагировать одновременно на один сигнал. Однако, обонятельная и вкусовая системы различаются избирательностью и специфичностью реагирования на биологически значимые химические сигналы. В различных формах поведения рыб каждая из этих систем обеспечивает мотивацию определённых поведенческих реакций (Мантейфель, 1980; Павлов, Касумян, 1990). Сложные формы поведения у рыб, также как и у других позвоночных, формируются на полисенсорной основе. Необходимым условием для этого является не только взаимодействие участвующих в этом процессе сенсорных систем, но и интеграция поступающих в центральную нервную систему сигналов (Айрапетянц, Батуев, 1969; Адрианов, 1980). Однако, механизмы межсистемных взаимодействий у рыб, представляющих низший эволюционный уровень развития ЦНС, не исследованы и многие аспекты морфофункциональной организации хемосенсорных систем рыб, их экологической специализации до последнего времени остаются слабо разработанным направлением эволюционной физиологии.
Сравнительное изучение закономерностей структурной и функциональной организации основных хемосенсорных систем у рыб различной экологической специализации и таксономических рангов предполагает выполнение ряда конкретных исследований: 1. Изучить морфологическую организацию обонятельной системы у рыб, её рецепторного и мозгового отделов в связи с различиями таксономического положения и экологической специализации видов. 2. Исследовать физиологические параметры обонятельного анализатора рыб, связанные с формированием у них микро- и макросматии. 3. Исследовать систему тройничного нерва - анатомию, сенсорные функции и физиологические характеристики у рыб. 4. Провести сравнительное изучение вкусовой системы у рыб экологически различных видов. 5. Исследовать морфогенез различных хемосенсорных систем на ранних этапах индивидуального развития различных видов рыб с различной экологической специализацией. 6. Выявить наличие и определить характер межсистемных сенсорных взаимодействий; провести морфологические и физиологические исследования особенностей взаимного влияния отдельных хемосенсорных систем у рыб разных видов.
Таким образом, настоящая работа нацелена на изучение актуальных проблем сравнительной физиологии - проблемы межвидовой вариабельности и адаптивной изменчивости функциональных параметров сенсорных систем у морских и пресноводных рыб, а также проблем нейроэтологии и, в частности, корреляции морфофункциональных параметров хемосенсорных систем с видоспецифичными особенностями проявления поведенческих реакций. Значительное внимание уделено в данной работе проблеме системной организации хеморецепции, изучению возможности и характера проявления межсистемных взаимодействий в ЦНС рыб. Наряду с этим, большое внимание уделено процессам морфологического и функционального становления хемосенсорных систем на ранних этапах индивидуального развития у рыб разных видов в связи с их таксономическими, эволюционными и экологическими различиями.
Онтогенетические исследования
Формирование различных хемосенсорных систем на ранних этапах онтогенеза изучали на примере 10 видов рыб. Всего исследовано особей -севрюга-40, сибирский осётр-35, белуга-30, куринский осётр-45, шип-40, русский осётр- 40-, веслонос-10, колюшка-25, пинагор-25, щука-35- в возрасте от момента оплодотворения до 30 суток после вылупления.. Материал собирали на базе Беломорской биологической станции МГУ, на Куринском производственно-экспериментальном рыбоводном заводе республики Азербайджан, на экспериментальном рыбоводном заводе "Горячий ключ" Краснодарского края, на Рогожкинском рыбоводном заводе Ростовского раыбопромышленного производственного объединения, на базе Всесоюзного НИИ ирригационного рыбоводства (г. Храпуново Московской области), на рыбоводном заводе г. Конаково Московской области.
Объектами исследования являлись эмбрионы, личинки и мальки трёхиглой колюшки, пинагора, обыкновенной щуки, севрюги, сибирского осетра, русского осетра, куринского осетра, шипа, белуги, веслоноса (Табл.1 и 2). В эмбриональном периоде развития материал фиксировали через каждые 2 часа; в течение личиночного периода пробы материала брали с интервалами в 6 часов. Перед фиксацией эмбриона извлекали из икринки. Согласно методу, описанному нами ранее (Девицина, Радищева, 1989; Девицина, 1990), фиксированные 4% нейтральным формалином или смесью Буэна эмбрионы и личинки обезвоживали в ряду бутанол - глицерин и заливали в парафин для изготовления гистологических препаратов, которые окрашивали гематоксилином или смесью Маллори. Материал, фиксированный 2,5% глютаровым альдегидом, обрабатывали для электронной сканирующей микроскопии в соответствии с методами, описанными нами ранее (Девицина, Кажлаев, 1992; Девицина, Гаджиева, 1996).
Применение электрофизиологических методов необходимо для сравнительного изучения физиологических особенностей и функциональных характеристик различных хемосенсорных систем у разных видов рыб. Условия физиологического эксперимента не вполне адекватны для проявления естественных реакций ЦНС и сенсорных реакций. В связи с этим учитывалось, что сравниваемые виды находились в одинаковых условиях опыта, а каждый эксперимент предварялся регистрацией фоновой активности и реакций на контрольный стимул. В большинстве опытов контроль за физиологическим состоянием подопытной рыбы проводили по частоте ритма сердечных сокращений (ЭКГ).
При исследовании химической чувствительности пресноводных и морских рыб применяли метод Мак-Клири и Бернштейна (McCleary, Bernstein, 1959), в нашей модификации (Малюкина, Девицина, Марусов, 1974-а; 1985), основанный на регистрации изменений сердечного ритма при различных внешних воздействиях. Регистрацию ЭКГ производили у рыб, с разной формой тела и характером двигательной активности (треска, навага, керчак, 3 вида камбал, сом, карп, линь, форель севанская, храмуля). Регистрировали ЭКГ через парные тонкие игольчатые стальные электроды, которые вводили в тело рыбы позади жаберных крышек или грудных плавников в направлении сердечной сумки. Методы регистрации ЭКГ описаны нами ранее (Девицина, Белоусова, 1978; Малюкина и др., 1985; Девицина, 1990). Весь электрод и его контакты, за исключением кончика (0,5 мм), покрывали жидким лаком. Электроды соединялись мягким проводом со входом электрокардиографа ЭКПСЧ-2 или "Малыш", чувствительность которых была повышена дополнительным каскадом усиления. Регистрацию ЭКГ производили как у рыб, закреплённых в специальном станке с проточной водой, так и у свободно плавающих рыб. У плавающей рыбы проксимальные концы электродов фиксировали на коже рыбы с помощью специального клея "Циакрин"; мягкие проводки от электродов фиксировали на спинном плавнике или на голове рыбы и крепили к легкому поплавку. Результаты по изменению сердечного ритма обрабатывали статистически с использованием t-критерия Сьюдента. Всего проведено 570 опытов на разных видах рыб.
Регистрацию электрической активности в обонятельных трактах , обонятельных нервах, обонятельных луковицах, в различных ветвях тройничного и лицевого нервов, в лицевой доле продолговатого мозга проводили у рыб разных видов (треска, навага, карп, налим, сом, линь, щука) in vivo и на препарате головы in vitro (угорь).
Живых рыб перед опытом обездвиживали внуримышечной инъекцией листенона или тубокурарина (1мг на 1 кг веса) или наркотизировали хлоралозой (10 мг на 1 кг веса) и закрепляли в станке с протоком чистой воды через ротовую и жаберную полость при постоянной температуре 12-15. Обонятельные мешки были погружены в воду при изучении обонятельной рецепции и подняты над поверхностью воды при стимуляции вкусовых рецепторов.
Стимуляцию обонятельного эпителия осуществляли через специальную канюлю, с постоянным током той же чистой воды с естественной скоростью - 5мл/мин. При необходимости стимуляции кожных хеморецепторов канюлю подводили к нужной точке. Через специальное окно в канюле к рецепторам подавались химические стимулы одного объёма с помощью мерной пипетки (0,5; 1,0 или 2,0 мл). Химическими стимулами служили растворы чистых химических веществ (органические кислоты, альдегиды, кетоны, многоатомные спирты, нециклические соединения, фенольные производные, сложные ароматические соединения, эфирные масла, различные соли и др.) и естественные биологически значимые стимулы (водные экстракты пищевых объектов, вода из аквариумов, в которых отсаживали определённое число особей рыб того или иного вида на определённый промежуток времени). Стандартный пищевой экстракт готовили из расчёта 2 г на 100 мл, который разводили кратно 10. Электрическое раздражение нервов осуществляли через стимулятор ЭСЛ-2 и парные платиновые электроды диаметром 0,5 мм.
Для регистрации суммарной электрической активности в нервных стволах и трактах отпрепаровывали участок нужного нервного ствола, под контролем бинокулярной лупы снимали с него соединительнотканные оболочки, подводили под него парные серебряные электроды. Электроды предварительно хорошо зачищали или хлорировали. Нерв на электродах хорошо подсушивали и покрывали вазелиновым маслом. Метода регистрации описан нами ранее (Девицина, Малюкина, 1977; Девицина, Белоусова, 1978; Belousova et al., 1983).
Электрическую активность в мозговых сенсорных центрах (обонятельные луковицы, продолговатый мозг) регистрировали экстраклеточно через униполярные погружные константановые электроды (диаметр кончика 0,1 мм) или специальные стеклянные электроды, заполненные сплавом Вуда с платиновой "шапочкой" по ранее описанной методике (Кожечкин, 1975; Девицина, 1990). Все регистрируемые ответы подавались на вход усилителя переменного тока УБП-1-02 и записывались на магнитной ленте, на плёнке шлейфного осциллографа МПО-2 или регистратора ФОР-2 с экрана осциллографа С1-18. Для последующей количественной обработки импульсной активности на выход усилителя подключали интегратор - ИЦ-1 оригинальной конструкции (постоянная времени 0,1 с), позволяющий записывать огибающую интегрированную кривую. Параллельно на выход усилителя подключали цифровой пересчётный прибор ППЦ-2, который позволял суммировать частоту импульсов за каждые 8 с. Во всех опытах регистрировались, одновременно с нейрограммой, отметка времени, отметка раздражения и ЭКГ рыбы.
Морские виды высоких широт
Экологические ниши северных широт значительно отличаются от средних нестабильностью и большим размахом колебаний физических и биологических факторов (Никольский и др., 1976; Лапин, 1981). В связи с этим особый интерес представляет изучение специфики сенсорных адаптации у высокоширотных видов систематически далёких, но объединённых общностью территории и климатических условий в пределах одного из водоёмов арктического бассейна. Нами проведено сравнительное изучение размерных характеристик головного мозга, а также органов обоняния и зрения у 8 видов рыб, населяющих Кандалакшский залив Белого моря - керчак размером 102-343 мм (78 шт.), камбала ершоватка 155-270 мм (94 шт), треска 145-495 мм (140 шт.), сельдь 20-35 мм (54 шт.), корюшка 15-25 мм (40 шт.), навага 142-322 мм (120 шт.), колюшка трёхиглая 59-79 мм (68 шт), пинагор 167-302 мм (60 шт.).
Все исследуемы виды мы условно разделили на 3 группы, различающиеся отношением к такому фактору среды как дно - 1) донные (камбала, керчак, пинагор), 2) придонно-пелагические (треска, навага) и 3) пелагические (сельдь, корюшка, колюшка). Для всех видов вычисляли экологические коэффициенты Тейхмана (ЭК), относительные размеры головного мозга и его отделов и составляли вариационные ряды по этим показателям (Филипченко, 1978). В размерном ряду каждого вида вычисляли коэффициенты корреляции размеров обонятельного и зрительного рецепторного аппарата с размерами их центральных проекций (обонятельных луковиц, переднего мозга и тектума) (Девицина, 1985).
Наблюдения показали значительные межвидовые различия по размерам площади обонятельного эпителия (Табл.6). Размеры рецепторных площадей у всех видов имеют положительную корреляцию с размерами тела (Табл.7). У всех видов размеры зрительного рецептора преобладают над обонятельным (Девицына, 1983). Наиболее это выражено (низкий ЭК) у сельди, колюшки и наваги (Рис.2). Самый высокий ЭК имеют донные камбалы, пинагор и пелагическая корюшка (Табл. 6). Однако, расхождение экологических коэффициентов у беломорских видов относительно не велико (от 63 до 13). Если сравнить эти величины с ЭК пресноводных видов средней полосы или с ЭК морских видов Японского моря (Teichmann, 1954; Девицина, 1977; Дорошенко, 1978), то очевидно, что почти все беломорские виды попадают в одну группу медиосматов (Дорошенко, 1981; 2002), т.е. обладают сравнительно хорошо развитым как обонянием, так и зрением и в своём поведении руководствуются полисенсорной ориентацией (Девицына, 1983). ЭК, как мы уже отмечали, даёт сравнительную оценку относительного развития обоняния и зрения, но является не вполне показательным критерием для оценки уровня развития каждой сенсорной системы, поскольку форма и размеры рецепторных органов, непосредственно контактирующих с внешней средой, не редко являются морфологической адаптацией к абиотическим факторам, не отражая истинного развития сенсорной функции. Степень развития сенсорной системы отражается на центральных структурах в области её первичных проекций.
Статистическая обработка морфометрических показателей головного мозга рыб разного возраста показала, что соотношение массы каждого из отделов мозга и массы всего мозга видоспецифично и в основном устанавливается к моменту полового созревания. Так, обонятельные луковицы (ОЛ) (Bulbi olfactorii) наиболее крупных размеров (6-8%) достигают у трески и камбалы (Рис.3). При этом для камбал характерен значительный индивидуальный разброс в средних размерах луковиц и достоверное различие в размерах правой и левой луковиц - правая (зрячая) обычно крупнее. Анализ вариационного распределения относительных размеров обонятельных луковиц показал, что у разных видов эти показатели сходны и межвидовые различия почти не выражены. Для этих рядов характерна тенденция к правосторонней асимметрии, т.е. в сторону укрупнения, что указывает на прогрессивное развитие данной структуры (ОЛ). Так, у керчака самые мелкие ОЛ (1.5-2.0%), вариационное распределение которых отличается значительным положительным эксцессом (Ех=5.77) и достоверной правосторонней асимметрией (А=1.46) (Девицына, 1985). Гистологический анализ структуры ОЛ (см. далее гл. 3) показал, что наиболее высокий уровень развития обонятельного центра проявляется у камбалы и трески, что соответствует и его морфометрическим показателям.Для относительных размеров переднего мозга (Telencephalon), в котором присутствуют обонятельные и зрительные проекции (Sheldon, 1912; Nieuwenhuys, 1967; Малюкина, Флёрова, 1960; Никоноров,1982), свойственен значительный размах внутривидовой изменчивости, также как и для обонятельных луковиц (Рис. 3). Нужно отметить, что наибольших размеров передний мозг достигает у трески и колюшки, а наименьших - у камбалы и пинагора. Анализ корреляционных отношений в обонятельном анализаторе позволил установить, что между площадью обонятельной выстилки и относительными размерами обонятельных луковиц существует достоверная положительная корреляция у всех исследованных видов (Табл.7). Между тем, корреляция массы обонятельных луковиц с массой переднего мозга выражена очень слабо. Последнее очевидно указывает на то, что обонятельная функция не является ведущей в формировании структур такого полимодального отдела, как передний мозг (Nieuwenhuys, 1967; Обухов, 1999). Кроме того, оказалось, что характерной чертой обонятельных центров мозга рыб является отсутствие корреляции относительной величины их массы с массой всего головного мозга и длиной тела половозрелых рыб (Табл.7).
Зрение развито хорошо у всех исследованных видов морских рыб. Первичный центр зрительной рецепции (Tecti optici) (ЗТ) наибольшей величины достигает у сельди, керчака и колюшки, а наименее он развит у трески и наваги (Рис. 3). Вариационные кривые для ЗТ донных видов камбалы и пинагора отличаются достоверной левосторонней асимметрией (АКам= -0,95, АПин= -0,93), т.е. есть тенденция к уменьшению размеров (Девицына, 1985). Вариационное распределение этого показателя у остальных видов имеет правостороннюю асимметрию (АНав = 1.05, Атр =1,41), т.е. тенденцию к увеличению размеров ЗТ. Можно полагать, что у беломорских видов развивается тенденция к формированию некоторого усреднённого и, вероятно, оптимального уровня развития зрительной системы, подобно тому, как это имеет место в обонятельной. Отсутствие достоверной корреляции размеров глаз (ГЯ) и ЗТ (Табл.7) подтверждает полифункциональность последних и развитие их функции как интегративного центра у рыб ( Гусельников, Логинов 1976; Nieuwenhuys, 1982).
Наиболее чётко межвидовые различия выражены в распределении относительных размеров тела мозжечка (ТМ) (Corpus cerebelli), являющегося центром координации двигательной активности и имеющим обширные связи со зрительной и сейсмосенсорной системами (Карамян, 1956). Самый крупный мозжечок у сельди и тресковых видов, а мелкий - у керчака и пинагора (Рис. 3). Мозжечок керчака имеет при этом высокий коэффициент эксцессивности (Ех=3,5, р 0,99), т.е. высокую стабильность его относительных размеров. Таким образом межвидовые различия беломорских рыб наиболее чётко проявляются в характере двигательной активности и степени развития зрительной системы. Такие особенности центральной нервной системы могут составлять сенсорную основу экологического расхождения видов.
Структурная организация первичного обонятельного центра рыб
У всех позвоночных животных, в том числе и у рыб, обонятельные луковицы имеют сходный план строения (Ariens Kappers et al., 1936). Построены они по типу корковых центров со сложным распределением элементов, выделяясь из палеокортикальных областей мозга, как особая часть (Сепп, 1957). Со времён классических исследований Кахаля (Ramon у Cajal, 1911) в обонятельных луковицах позвоночных выделяют 6 концентрических слоев, расположенных в следующем порядке: 1-наружный слой волокон обонятельного нерва, 2-слой клубочков (гломерулярный слой), 3-наружный плексиформный слой, 4- слой тел митральных клеток, 5-внутренний плексиформный слой и 6- зернистый слой. У рыб обычно третий слой отсутствует, а шестой сгруппирован в центре луковицы как переднее обонятельное ядро (nucleus olfactorius anterior) (Holmgren, 1922; Andres, 1970; Halasz, 1990). Волокна обонятельного нерва, составленного аксонами рецепторныъх нейронов, оплетая поверхность обонятельной луковицы, ветвятся в направлении к центру и формируют синаптические контакты с также ветвящимися дендритами митральных клеток, образуя гломерулу, которая одета глиальной капсулой (Allison, 1953; Винников и Титова, 1957). Гломерулы -структуры наиболее характерные для обонятельных луковиц. Средний диаметр гломерул у млекопитающих варьирует от 100 до 200 мкм, а у рыб - от 60 до 450 мкм (Reese, Brightman, 1970; Nieuwenchuys, 1982; 1987). В одной гломеруле млекопитающих может сходиться до 26 000 рецепторов, при этом каждый аксон ветвится только в одной гломеруле (Allison, 1953; Oka, 1983). У рыб один рецепторный аксон может быть связан с несколькими клубочками. Количественное соотношение между рецепторными и митральными нейронами в одном клубочке налима может составлять 100:1 (Doving,
Gemne, 1963; Kleerekoper, 1969; Kosaka, Hama, 1982). Через зернистые клетки осуществляется связь между митральными нейронами; через них же передаются и центрифугальные влияния на митральные нейроны. (Allison, 1953; Andres, 1970; Гусельникова, Гусельников, 1975; Флёрова, 1970; 1977). Такая структурная организация приводит к значительной пространственной суммации и интеграции сенсорных входов, что обеспечивает высокую чувствительность и способность к различению запахов. Вторичные обонятельные нейроны - митральные клетки - самые крупные нейроны обонятельных луковиц, распределение и морфология которых у рыб сходны с амфибиями, но отличается от млекопитающих (Sheldon, 1912; Andres, 1970; Кавтарадзе, 1974). Среди них вторичных нейронов рыб выделяют 3 типа, различающиеся характером ветвления дендритов (Kosaka, Наша, 1982). На дендритах, теле и аксоне митральных клеток обнаружены многочисленные синапсы. Митральные клетки могут и непосредственно контактировать друг с другом (Ока, 1983; Гусельникова, Гусельников, 1975; Крацкий, 1987; Halasz, 1990)
Зернистые клетки внутреннего плексиформного слоя - многочисленные мелкие нейроны, которые осуществляют внутрибульбарные связи нервных элементов и передают нисходящие эфферентные влияния на митральные нейроны. В центральной части луковицы находится переднее обонятельное ядро, через многочисленные полиморфные нейроны которого осуществляются разнообразные контакты с вышележащими центрами мозга (Sheldon, 1912; Bartheld, Meyer, 1986.). Аксоны митральных клеток покидают обонятельную луковицу в составе латерального пучка обонятельного тракта; медиальный пучок тракта содержит различные нервные волокна. Через волокна медиального пучка осуществляются билатеральные связи двух обонятельных луковиц (Bass, 1981; Halasz, 1990). Латеральный и медиальный пучки обонятельного тракта имеют различную локализацию центральных проекционных зон (Ariens Kappers, et al., 1936; Nieuwenhuys, 1967; Satou, et al., 1983). Большое значение в организации функционирования всей системы элементов обонятельной луковицы имеют центробежные влияния, поступающие из различных отделов мозга. Многие исследователи рассматривают первичный обонятельный центр рыб как примитивный и морфологически однородный в пределах класса (Рис.12), что отражает примитивный уровень организации всей обонятельной системы (Holmgren, 1922; Гусельников, 1965; Heimer, 1969; Andres, 1970).
В классе рыб известно, как отмечалось выше, значительное морфоункциональное разнообразие обонятельного рецепторного аппарата, что предполагает и наличиесущественных межвидовых различий в организации первичного обонятельного центра. Мы провели сравнительное исследование структурных особенностей первичного обонят ельного центра (обонятельных луковиц) у тех же видов рыб, у которых изучали морфологию рецепторов в связи с уровнем развития их обонятельной системы и особенностями экологии.
Морфометрические индексы обонятельных луковиц у рыб, как было показано нами ранее, прямо связаны с уровнем развития обонятельной рецепции и её значимостью в биологии вида (глава 2). Цитоархитектоника обонятельных луковиц всех исследованных видов, при сравнении с высшими позвоночными, отличается отсутствием чётко выраженной слоистости. Особенно это относится к слою митральных нейронов, которые у рыб максимально приближены к слою гломерулярному. Однако, исследованные виды мы можем разделить на несколько групп по уровню морфогистологической дифференцировки первичного обонятельного центра в соответствии с физиологическим уровнем развития системы в целом (Девицина, 1977). Так, характер распределения митральных нейронов у разных видов различается по степени слияния с гломеруляным слоем. У щуки, типичного микросмата, практически отсутствует наружный плекиформный слой, поскольку немногочисленные митральные нейроны лежат вперемежку с гломерулами, заходя далеко в ростральную часть гломеруляной зоны. У карповых рыб, относящихся к медиосматам, локализация митральных нейронов разнообразна - часть их лежит меду гломерулами, а часть часть -каудальнее гломерулярной зоны образует участки клеточных скоплений. (Рис.13.). У сома, налима, угря, севрюги и осетра, типичных макросматов, численность митральных нейронов в 10-15 раз выше, чем у миросматов (Табл.10). Они формируют клеточный слой на расстоянии от гломеруляного, что позволяет выделить у них наружный сетчатый слой и внутренний сетчатый слой (Девицина, 1977). Однако, последний у макросматов, в отличие от щуки и некоторых карповых, содержит множество зернистых клеток, что сглаживает границы переднего обонятельного ядра (Рис.13) и сокращает ширину внутреннего плексиформного слоя (Табл.11). Эти данные расширяют представления об особенностях цитоархитектоники первичного обонятельного центра рыб (Рис.12), сложившиеся в классической морфологии (Allison, 1953; Andres, 1970; Halasz, 1990).Многие авторы полагают, что существенную роль в интеграции сенсорных входов в луковице играет организация гломерул и численность перигломерулярных нейронов
Развитие обонятельной системы на ранних этапах онтогенеза рыб
Работы по морфогенезу обонятельной системы рыб единичны. Исследования по этому вопросу начали активно развиваться лишь в последнее время и обычно посвящены дифференцировке одного из участков обонятельной системы, в большинстве своём преобразованию обонятельных плакод (Винников и Титова, 1957; Шмальгаузен, 1962; Breucker, et al., 1979; Нага, Zielinski, 1989; Honkanen, Ekstrom, 1991; Hansen, Zeiske, 1993; Zeiske, et al., 2003 и др.). При этом, данные разных авторов, например о происхождении обонятельных рецепторных клеток, о процессе образования обонятельной ямки, бывают противоречивы. Нам удалось проследить формирование обонятельных органов и обонятельной луковицы на примере трёхиглой колюшки (12 групп по 20 икринок, 84 личинки и 23 малька), пинагора (16 групп по 10 икринок и 14 мальков), обыкновенной щуки ( 14 групп по 30 икринок и 65 групп личинок по 10-50 особей), сибирского осетра (4 порции по 20 икринок, 57 поздних личинок и 11 мальков) и севрюги (6 порций по 25 икринок, 47 личинок и 35 мальков), с ранних этапов эмбрионального периода и до начала малькового периода. Стадии развития этих видов мы определяли по литературным данным (Swamp, 1958; Соин, Микулин, 1974; Шамардина, 1957; Гинзбург, Детлаф, 1969; Сытина, 1970; Сытина, Тимофеев, 1973).
На основании анализа собственного морфологического материала и данных других авторов, полученных на разных видах, мы можем выделить в динамике развития обонятельной системы рыб несколько этапов. На протяжении каждого этапа наблюдается количественный и размерный рост структурных элементов, а переход на следующий этап связан с появлением новых процессов и черт в структурно-функциональной организации системы. Наблюдения показали (Девицына, Радищева, 1989; Девицына, Кажлаев, 1992; 1993; Девицина,1998), что последовательность выделяемых этапов развития системы сходна у всех исследованных нами видов и видов рыб, описанных другими авторами, поскольку каждый этап привязан к определённому физиологическому возрасту. На первом этапе формирования обонятельной системы происходит образование и рост парных обонятельных эпидермальных плакод, расположенных ростральнее глазных пузырей. Это соответствует началу IV этапа эмбрионального периода колюшки, пинагора и щуки, у которых обонятельные плакоды располагаются на вентральной поверхности головы, и 26-27 стадии у сибирского осетра и севрюги, у которых плакоды появляются на дорзальной поверхности головы. У всех исследованных видов появление обонятельных плакод совпадает с этапом начала пульсациисердца. На этом этапе происходит закладка плакод и других сенсорных органов (Смирнов, 1985; Бабурина, 1972; Дислер, 1967; Шамардина, 1957). В конце этого этапа пролиферация клеток плакоды приводит к образованию парных закрытых обонятельных камер. На дне каждой камеры видно компактное уплотнение эпителиальных клеток, представляющих зачаток обонятельного эпителия. В зачатке эпителия можно выделить два слоя наружный, образованный веретеновидными клетками, которые ориентированы перпендикулярно к поверхности и тонкий базальный слой, состоящий из округлённых и уплощенных клеток. В конце первого этапа происходит отделение слоя покровных клеток с образованием в плакоде небольшой закрытой камеры (Рис. 22 б). Начало второго этапа развития обонятельной системы соответствует V этапу эмбрионального периода для колюшки и пинагора. На этом этапе в обонятельной плакоде происходит формирование рецепторного эпителиального слоя. Этот процесс начинается с того, что плакоды приближаются, почти вплотную, к границе первого мозгового пузыря. Многочисленные митозы свидетельствуют об активной пролиферации клеток в нервной трубке и в плакоде. В ростро-медиальной части Prosencephalon выделяется активная популяция клеток, которые первыми начинают дифференцировку, превращаясь в вытянутые нейробласты с двумя полярными отростками, и перемещаются в латеральном направлении (Рис. 20 а, б; 22 б). В местах скопления нейробластов поверхностная мембрана Prosencephalon исчезает и происходит миграция первичных нейробластов из Prosencephalon в обонятельную плакоду. Завершение этого процесса совпадает с началом отдаления плакоды от границы мозга в ростро-латеральном направлении в процессе роста головы эмбриона. При этом сохраняется связь обонятельной плакоды с мозгом посредством волокнистого прозрачного тяжа. Активная пролиферация клеток эпителиального пласта в обонятельных камерах приводит к открытию обонятельных ямок (Рис. 22 в, г). Открытие происходит в конце 5-го - начале 6-го этапов эмбрионального развития колюшки или 27-28 стадии эмбрионального развития осетра и севрюги. У эмбрионов всех видов открытие обонятельных ямок происходит на этапе, соответствующем началу движения клеток крови по сосудам. На поверхности эпителия открывшихся обонятельных ямок эмбриона видны растущие вершины жгутиковых рецепторных клеток (Рис. 21). Описанная нами миграция нейробластов первого мозгового пузыря в обонятельную плакоду позволяет предполагать, что клетки мигранты в дальнейшем становятся предшественниками рецепторных обонятельных нейронов. Взаимосвязь обонятельной плакоды с мозгом описана и в развитии форели (Salmo irideus) (Marcelle, Clairambault, 1975).
Дифференцированные вершины обонятельных рецепторных нейронов микровиллярного и жгутикового типа появляются в эпителии плакоды перед вылуплением эмбриона из оболочки (6-й этап для колюшки и пинагора или 30-я стадия для осетровых рыб). Булавовидные вершины их дендритных отростков хорошо видны при сканировании поверхности эпителия эмбрионов севрюги и осетра (Рис. 21). Отметим, что другие сенсорные системы у свободных эмбрионов ещё не имеют рецепторных структур. Таким образом, в онтогенезе рыб первыми среди сенсорных структур, в конце эмбрионального периода, дифференцируются обонятельные рецепторы эволюционно молодой сенсорной системы. Раннее появление в эмбриогенезе обонятельных рецепторов, при отсутствии дифференцированных центров, отмечено и у других классов позвоночных, однако биологический смысл этого явления пока не известен. Опыты с регистрацией двигательной активности личинок морских рыб показали, что они способны реагировать на присутствие химических пищевых стимулов, т.е. хеморецепция уже может функционировать (Doving, Knutsen, 1993; Kasumyan, et al., 1998). Этап третий в развитии обонятельной системы связан с дальнейшим ростом рецепторного эпителия, с дифференцировкой обонятельных луковиц, образованием синаптических контактов между первичными и вторичными нейронами и развитием их связей с мозгом. На 3-м этапе происходит рост размеров обонятельной ямки, увеличивается поверхность обонятельного эпителия, густо покрытого мерцательными клетками. На дне ямки появляется первая складка и формируется носовая перегородка. Обонятельная ямка превращается в обонятельный мешок, на дне которого растут складки, покрытые сенсорным эпителием. Отметим, что морфологически дифференцированное сенсорное поле в обонятельном органе рыб длительное время существует при отсутствии зрелых центральных проекционных зон обонятельной системы. Начало образования первичных обонятельных центров у русского осетра приходится лишь на 3-4 сутки, а у сибирского -на 4-5 сутки после вылупления, т.е. с началом перехода на экзогенное питание (Рустамов, 1982). Формирование обонятельных луковиц начинает процессы дифференцировки всего переднего мозга. Дифференцировка слоев обонятельной луковицы у осетровых рыб происходит в возрасте 35-70 суток после вылупления (Рустамов, Обухов, 1986). К началу малькового периода обонятельные органы морфологически сформированы; обонятельная система начиначала функционировать у осетра и севрюги (Касумян, Кажлаев, 1989; 1993), что завершает 3-й этап формирования обонятельной системы. В мальковом периоде начинается четвёртый этап становления обонятельной системы, который связан с размерным ростом рецепторного и мозгового отделов и с половым созреванием рыб. В это время формируются связи обонятельной системы с гипоталамусом и с основными интегративными зонами мозга (Рустамов, 1982: Nieuwenhuys, 1982; Demski, 1984; Bartheld, Meyer, 1986; Devitsina, 1993; Devitsina, Gadjieva, 1997).
