Введение к работе
Актуальность исследования
Одно из важнейших направлений современной нейробиологии связано с изучением «простых нервных систем» (ПНС), при выделении которых, «во-первых, подразумевают, что речь идет об относительно примитивных представителях разных зоологических групп, организация нервной системы которых близка к исходной, и, во-вторых, имеют в виду простоту как таковую – малое число нейронов, относительно простой поведенческий репертуар и т.п.” (Сахаров, 1985). Анализ морфологических особенностей ПНС представителей Acoela, Plathelminthes и Rotifera должен дать неоценимые материалы для формирования представлений о становлении и путях эволюции нервной системы, однако до сих пор, не смотря на ряд обстоятельных исследований (Беклемишев, 1964; Мамкаев, 1966,1987 и др.) детального сравнительного рассмотрения нервной системы примитивных билатерий не проведено.
В последние годы филогения низших Bilateria существенно пересмотрена по результатам молекулярно-филогенетических исследований. Базовое положение Acoela (бескишечных турбеллярий) среди Bilateria признавалось выдающимися зоологами, в частности моим учителем, академиком А.В. Ивановым. Однако до недавнего времени эту группу относили к Plathelminthes (плоским червям), и таким образом вся группа плоских червей оказывалась в основании древа Bilateria. Современная молекулярная филогения свидетельствует о том, что Acoela являются самой древней ветвью древа Bilateria не зависимой от Plathelminthes (Ruiz-Trillo et al.,1999,2002; Jondelius et al., 2002). Plathelminthes ныне относятся к группе Lophotrochozoa, объединяющей животных с трохофоро-подобными личинками (аннелид, моллюсков и др.) или лофофором (Aguinaldo et al., 1997). Плоские черви в настоящее время подразделяются на две группы: Catenulida и Rhabditophora (Ehlers, 1985). Последняя группа включает основную массу свободноживущих и всех паразитических плоских червей. Четких синапоморфий, объединяющих эти две группы, пока не найдено. Все Rhabditophora, кроме макростомид, составляют группу Trepaxonemata, имеющую определенный тип аксонем спермиев – со спиральным центральным цилиндром (Smith et al., 1986), что характеризует ее как монофилетическую группу.
Для более глубокого анализа нервной системы Plathelminthes как базовой группы Spiralia следовало включить в данное исследование представителей другой группы Lophotrochozoa. В качестве их были выбраны коловратки, ибо среди первичнополостных червей именно они отнесены к Spiralia, а, точнее, к Spiraloblastica (Малахов, 1986).
По результатам молекулярно-филогенетических исследований, основанных на анализе 18S рДНК, коловратки оказались в группе Lophotrochozoa (Adoutte et al., 2000; Welch, 2001). В комплексном филогенетическом анализе 18S рДНК и 28S рДНК были взяты 2 вида коловраток, что позволило поставить Rotifera рядом с Plathelminthes, но без включения в Lophotrochozoa (Wallberg et al., 2007). Несмотря на эти различия, даже если коловратки стоят рядом с Plathelminthes и не объединены с ними в одну группу, их общее спиральное дробление позволяет им остаться в группе Spiralia.
В настоящее время возникла необходимость более глубокого осмысления архитектонической специфики нервной системы в пределах Spiralia. Мои более чем 30-летние сравнительно-анатомические исследования нервного аппарата представителей этой группы беспозвоночных проводились именно под таким углом зрения. Дополненные результатами иммуноцитохимических (ICC) исследований они станут полезными для понимания эволюционных преобразований в этой базовой группе Bilateria.
Признанная всеми исследователями первичность диффузного нервного плексуса и описанные В.Н.Беклемишевым (1964) для начальных стадий эволюции три процесса (погружение элементов плексуса вглубь тела, формирование мозга, концентрация и централизация нервных элементов) послужили основанием для сравнительно-анатомического изучения ЦНС и плексусов, сформированных на этом этапе преобразований в группе Spiralia.
На основе большого оригинального сравнительного материала возникла необходимость рассмотреть данную проблему, подойти к ее решению с учетом морфологических особенностей нервной системы и сопоставить их с выводами молекулярно-филогенетических исследований, что актуально на современном этапе развития морфологии.
Цель работы – дать сравнительную характеристику ЦНС и нервных плексусов Acoela, свободноживущих и паразитических турбеллярий, паразитических платод (цестодарий, цестод, моногеней, трематод) и коловраток.
Задачи исследования:
1) описать архитектонику холинергической (Х-ергической) части нервной системы Acoela, свободноживущих турбеллярий и паразитичских платод;
2) изучить развитие Х-ергической нервной системы: в онтогенезе у турбеллярий отряда Polycladida; на всех стадиях жизненного цикла цестод отряда Pseudophyllidea; на всех фазах жизненного цикла трематод: личиночных (мирацидии и церкарии) и партеногенетических (спороцисты и редии);
3) исследовать распределение катехоламинергических (КА-ергических) элементов в нервной системе свободноживуших турбеллярий и коловраток;
4) изучить пространственное расположение и клеточный состав нейроактивных субстанций 5-HT и FMRFамида в ЦНС и нервных плексусах у Acoela – Plathelminthes – Rotifera;
5) выделить последовательные ступени становления нервной системы от стволовой к ортогональной и обозначить пути эволюционных преобразований в ряду Acoela – Plathelminthes – Rotifera.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Сформулирована концепция эволюционных преобразований нервной системы в ряду Acoela, Plathelminthes и Rotifera. Показано, что в далеко отстоящих друг от друга филогенетических ветвях происходит параллельное и независимое формирование одного типа ортогона. Выделены три ступени усовершенствования ЦНС: плексусная, стволовая и ортогональная. Предложена оригенальная схема 8 типов ортогонов при максимальном развитии элементов вентральной стороны тела.
2. На основании результатов сравнительно-морфологического анализа строения нервной системы беспозвоночных, изученных автором, и данных молекулярно-филогенетических исследований (Ruiz-Trillo et al., 1999; Jondelius et al., 2002) установлено, что Acoela четко обособлены от Plathelminthes и Rotifera.
3. Путем сравнительного анализа становления Х-ергических элементов нервной системы турбеллярий и паразитических плоских червей на начальных стадиях их развития выявлено наличие регулярного редкого ортогона, который встречается и у половозрелых турбеллярий, моногеней и трематод, что свидетельствует о малых степенях свободы в базовой группе Bilateria и дает представление о нервной системе анцестральных форм.
4. Изучена нейрохимическая организация нервной системы Acoela, Plathelminthes и Rotifera включает ацетилхолин (АХ), катехоламины (КА), 5-HT и FMRFамид. Колокализации разных медиаторов в одном нейроне не обнаружено. Мозг и продольные стволы исследованных беспозвоночных не отличаются по составу нейротрансмиттеров, тогда как комиссуры демонстрируют отличия в химизме составляющих их элементов.
5. В результате сравнительного анализа нервной системы коловраток подтвержден единый план ее строения при максимальной концентрации элементов. Установлены три различных типа геометрии расположения мозговых нейронов, которые встречаются у представителей разных филогенетических ветвей, что свидетельствует об их параллельном возникновении.
Научная новизна
Работа представляет собой первое монографическое обобщение, касающееся эволюционных преобразований нервной системы Bilateria в ряду Acoela – Plathelminthes-Catenulida – Plathelminthes-Rhabditophora - Rotifera.
К числу впервые изученных и обсуждаемых аспектов исследуемой проблемы следует отнести:
1) анатомо-топографическую реконструкцию нервной системы 52 видов ресничных червей, принадлежащих 7 отрядам и 5 подотрядам;
2) иследование топографии проводящих Х-ергических путей ЦНС 47 видов паразитических плоских червей, принадлежащих к 4 классам и 13 отрядам: Monogenea, Cestodaria, Cestoda и Trematoda;
3) изучение развития Х-ергической нервной системы в онтогенезе у мюллеровской личинки и взрослой поликлады Cycloporus japonicus Kato,1994, у 2 видов цестод отряда Pseudophillidea: Triaenophorus nodulosus (Pallas,1781) и Eubothrium salvelini (Schrank, 1790), на всех фазах жизненного цикла различных видов трематод, включающих несколько онтогенезов;
4) разработку классификации 8 типов ортогонов плоских червей. Показано, что возникновение каждого типа напрямую связано с морфологическими особенностями строения, размерами и формой тела, а у паразитических форм со строением и расположением органов прикрепления;
5) описание распределения ХЭ, КА, 5-HT и FMRFамида в нервной системе наиболее высокоорганизованных турбеллярий отряда Rhabdocoela;
6) изучение ЦНС 13 видов коловраток, принадлежащих 2 классам ( Archeorotatoria и Eurotatoria) и выявление распределения в ней КА, 5-HT и FMRFамида.
7) сравнение морфологических особенностей строения нервной системы бескишечных турбеллярий Acoela с данными молекулярной биологии, позволяющими выделить их из состава Plathelminthes;
8) на основании оригинальных результатов выделение трех последовательных ступеней усложнения нервной системы в ряду Acoela – Plathelminthes – Rotifera.
Теоретическая и практическая значимость
Для исследования нервной системы 112 видов Acoela, Plathelminthes и Rotifera привлечены современные методики. Комплексное изучение Х - КА-ергической, 5-HT- и FMRFамид иммунореактивных (IR) частей нервной системы, проведенное при помощи флуоресцентного и конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CLSM), значительно расширило наши представления об анатомо-топографических особенностях ЦНС. Проведен анализ выявленных плексусов, описана их локализация и определен их химизм. Особую теоретическую ценность представляет выделение трехступенчатых эволюционных преобразований первично примитивной плексусной эктодермальной нервной сети, которые и приводят к образованию мозга и стволовой, а затем и ортогональной нервных систем.
Прослежены этапы возникновения мозга, который впервые появляется у низших Bilateria в виде парных ганглиозных сгущений, не отделенных от паренхимы. Усложнение мозга связано с появлением центрального волокнистого нейропиля, вокруг которого располагаются нейроны. Затем мозг отделяется от паренхимы соединительнотканной оболочкой, что для изучаемой группы служит верхней ступенью эволюционных преобразований. Концентрация элементов первичной плексусной нервной системы приводит к возникновению продольных стволов и поперечных комиссур, что заканчивается образованием ортогона. Морфологический анализ позволил выделить 8 типов ортогонов.
Материал, изложенный в диссертации целесообразно использовать в учебниках и при чтении лекций по зоологии и сравнительной анатомии беспозвоночных животных. Наличие различных нейротрансмиттеров в нервной системе паразитических червей необходимо учитывать при разработке антигельминтиков, что крайне важно в борьбе с формами, патогенными для различных животных, включая человека. Картирование четырех нейротрансмиттеров (АХ, КА, 5-HT и FMRFамида) с указанием мест их локализации в ЦНС низших Bilateria, несомненно, будет интересно медикам, особенно нейрологам, которые лечат людей с тяжелыми заболеваниями нервной системы.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Всесоюзном симпозиуме по биохимии, физиологии и антигенной структуре гельминтов (Москва, 1969); Научной конференции паразитологов (Киев, 1975); Всесоюзном совещании “Значение процессов полимеризации и олигомеризации организмов”, посвященном 95-летию со дня рождения профессора, член-корр. АН СССР В.А.Догеля (Ленинград, 1977); Болгарской паразитологической конференции (Албена, 1977); 10-й конференции УРНОП (Киев, 1986); Всесоюзных и международных (ISIN) конференциях “Простые нервные системы” (Казань,1985,1988,2006; Минск, 1991; Пущино, 1991; Москва, 1997; Калининград, 2003); 38-ом чтении памяти профессора, член-корр. АН СССР В.А.Догеля (Санкт-Петербург, 1993); VII и IX Международных симпозиумах по Биологии турбеллярий (ISBT) (Финляндия, Турку, 1993; Испания, Барселона, 2000); Совещании “Экологические исследования беломорских организмов” (Санкт-Петербург, 1997); Международной конференции “Методологические проблемы развития зоологии”, посвященной 275-летию РАН (Санкт-Петербург, 1999); III и IV Международных конференциях по функциональной нейроморфологии “Колосовские чтения” (Санкт-Петербург, 1997, 2002); VII, VIII и X Международных симпозиумах по биологии коловраток (Польша, Миколайки, 1994; США, Колледжвил, 1997; Австрия, Иллмитс, 2003); конференции, посвященной памяти д.б.н., профессора Б.И.Купермана (Борок, 2003); IV Международной конференции по коловраткам (Борок, 2005); Международной конференции посвященной 100-летию со дня рождения академика РАН А.В.Иванова (Санкт-Петербург, 2006); отчетных сессиях ЗИН РАН (1970, 1976, 1998, 2008); семинарах кафедры зоологии беспозвоночных СПбГУ; семинарах лаборатории эволюционной морфологии ЗИН РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 80 работ, среди них из списка, рекомендованного ВАК опубликована 41 работа.
Структура и объем работы. Текст диссертации изложен на страницах, включает введение, 8 глав, выводы, список литературы (357 названий, из них 243 - на иностранных языках) и приложение, содержащее 62 иллюстрации (рисунки, микрофотографии и файлы, полученные с помощью CLSM).
Финансовая поддержка работы была получена от Российского фонда фундаментальный исследований (проекты №93-04-21226; №96-04-48384; №02-04-48583; №06-04-48053 и от ЗАО “Кинекс Санкт-Петербург”, оплатившего поездки на международные симпозиумы в Испанию (2000 г.) и Австрию (2003 г.), где были представлены и обсуждены диссертационные материалы.
Благодарности. Благодарю сотрудников кафедры зоологии беспозвоночных Ленинградского (теперь - Санкт-Петербургского) университета: Ю.И.Полянского, Р.Е.Шульман, М.М.Белопольскую, расширивших мой кругозор и прививших навыки научных исследований. Самая искренняя сердечная благодарность руководителям моего диплома: Т.А.Гинецинской и Л.Г.Магазанику, поддержавшим мое желание изучения нервной системы низших билатерия. Эта тематика стала основной в моей научной деятельности, продолженной в стенах ЗИН РАН под руководством А.В.Иванова и Ю.В.Мамкаева, которых я считаю моими основными учителями. Обладая энцеклопедическими знаниями, они многому научили меня, а при обсуждении полученных результатов проводили глубокий анализ, что стимулировало дальнейшую работу. Моим соавторам (Б.И.Куперману, О.И.Райковой, М.Ройтер, М.Густафссон, Ю.В.Мамкаеву, Б.И.Иоффе, М.А.Тимофеевой, Г.К.Резник, И.В.Руновской, О.А.Тимошкину, Р.В.Селивановой) искренняя благодарность за совместную творческую работу. За неоценимую помощь в определении материала благодарю А.А.Добровольского, В.Е.Заику, Г.И.Маркевича, Л.А.Кутикову, Е.М.Коргину, Ю.В.Мамкаева. Моих коллег и соавторов М.Ройтер и М.Густафсон (Або Академия, Финляндия) благодарю за тесное научное общение и предоставленную возможность работать на CLSM , что позволило применять новейшие ICC методы, результаты которых описаны в диссертации. Моим друзьям и коллегам Е.И.Матей, О.И.Райковой, А.Г.Кирейчуку и Б.И.Иоффе особая благодарность за помощь в переводе статей на английский язык. Выражаю искреннюю благодарность сотрудникам биологических станций “ Картеш”, “Рыбачий”, “Восток”, “Радуга” и институтам ИБВВ РАН, ИнБЮМ, ИБМ ДВО РАН, ММБИ РАН за предоставленную возможность работать в их лабораториях. Особую благодарность приношу отрудникам лаборатории эволюционной морфологии М.А.Гуреевой, О.И.Райковой, В.Н.Романову, Т.Г.Маркосовой, И.М.Дробышевой, О.В.Зайцевой, А.А.Петрову, Р.В.Селивановой, Н.А.Лебедевой.
