Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сравнительный очерк строения и оптики глаз беспозвоночных животных с акцентом на камерные глаза брюхоногих моллюсков 12
1. Типы глаз беспозвоночных животных 12
1.1. Простые глаза 12
1.1.1. Светочувствительные глазки 12
1.1.2. Пигментные бокалы 12
1.1.3. Pinhole глаза 13
1.1.4. Камерные глаза 15
1.1.4.1. Водные животные 15
1.1.4.2. Наземные животные 19
1.1.5. Камерные глаза с отражательным слоем 23
1.2. Эволюция простых глаз 26
1.3. Сложные глаза 28
1.3.1. Аппозиционные глаза 30
1.3.2. Суперпозиционные глаза 33
1.4. Эволюция сложных глаз 36
2. Камерные глаза брюхоногих моллюсков 41
2.1. Общее строение глаз 42
2.2. Характеристика клеточных и неклеточных компонентов глаз 41
2.2.1. Щупальцевый эпидермис 41
2.2.2. Периоптический синус 42
2.2.3. Глазная капсула 42
2.2.4. Роговица 43
2.2.5. Хрусталик 43
2.2.6. Стекловидное тело 46
2.2.7. Сетчатка 46
2.2.8. Дополнительный фоторецепторный орган 51
3. Пространственное разрешение и оптическая чувствительность камерного глаза 53
3.1. Общие положения 53
3.2. Факторы, влияющие на пространственное разрешение 54
3.2.1. Количество поглощенных фотонов 54
3.2.2. Сферическая аберрация 55
3.2.3. Хроматическая аберрация 56
3.2.4. Дифракция 58
3.2.5. Структура сетчатки 60
Заключение 62
Глава 2. Материалы и методы 64
2.1. Моллюски 64
2.2. Гистология и микроскопия 68
2.3. Оптические исследования 69
2.4. Морфометрия 71
2.5. Измерения яркости света 71
2.6. Вычисления 71
Глава 3. Результаты 74
3.1. Общая морфология глаз 74
3.2. Диоптрический аппарат глаз 74
3.3. Светочувствительный и светоизолирующий аппарат глаз 80
Глава 4. Обсуждение 105
4.1. Положение фокуса 105
4.2. Пространственное разрешение и оптическая чувствительность глаз... 107 4.2.1. Сравнение пространственного разрешения и оптической чувствительности глаз моллюсков с различными световыми предпочтениями 109
4.2.2. Сравнение пространственного разрешения и оптической чувствительности глаз моллюсков со сходными световыми предпочтениями 111
4.2.3. F-число глаз 113
4.2.4. Основные тенденции изменения пространственного разрешения и оптической чувствительности глаз 114
4.3. Ограничения пространственного разрешения глаз 115
4.4. Возможное значение глаз 117
4.4.1. Возможности глаз моллюсков с различными световыми предпочтениями 117
4.4.2. Возможности глаз моллюсков со сходными световыми предпочтениями 119
4.4.3. Адаптивные приспособления к зрению 120
Заключение 127
Выводы 130
Список литературы
- Светочувствительные глазки
- Характеристика клеточных и неклеточных компонентов глаз
- Оптические исследования
- Диоптрический аппарат глаз
Введение к работе
Примерно 570 млн. лет назад в истории животного мира произошло одно из наиболее эффектных событий: в течение всего лишь нескольких миллионов лет - миг по геологическим меркам - на Земле появилось большинство животных, известных и в наши дни. 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. У беспозвоночных животных их насчитывают не менее девяти (Warrant, 2003).
Тип Mollusca - монофилетическая линия беспозвоночных животных (Cook, 2001), которые успешно проникли во многие биотопы океанов, морей, пресных водоемов и суши (Пастернак, 1988). Разнообразие устройств глаз моллюсков охватывает диапазон от наиболее простого пигментного бокала у блюдечка (Patella sp.) до камерных глаз с хрусталиками, похожими на хрусталики рыб, у осьминогов (Octopus sp.) (Land, 1981), ay двустворчатых моллюсков рода Area и Pectunculus имеются даже сложные глаза, напоминающие аппозиционные глаза насекомых (Land, 1984).
Самым богатым по количеству видов (свыше 30 тыс.) классом типа Mollusca является класс брюхоногие моллюски - Gastropoda. Изначально Gastropoda - морские животные, но в ходе филогенетического развития несколько групп моллюсков этого класса адаптировались к наземной жизни. Таким образом, брюхоногие моллюски стали единственной группой моллюсков, которые заселили сушу (Fechter, Falkner, 1990). Традиционно, согласно классификации Мессенжера (Messenger, 1981), у моллюсков класса Gastropoda выделяют три типа глаз: 1) пигментный бокал (морское блюдечко Patella sp.); 2) пигментный бокал, заполненный гелеобразным веществом (морское ушко Haliotis sp.); 3) камерный глаз (морской переднежаберный моллюск Strombus sp.). Доминирующими у этих моллюсков являются
камерные глаза с роговицей и хрусталиком, отделенным от сетчатки слоем стекловидного тела.
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. Морские переднежаберные моллюски Littorina punctata (Evans, 1961), L. irrorata, Tectarius muricatus, Turbo castanea (Hamilton, 1977; Hamilton, Winter, 1982, 1984), пресноводные легочные Planorbarius corneus (Жуков и др., 2002), Lymnaea stagnalis (Andrew, Savage, 2000) и наземные легочные Achatina fulica (Жуков, Байкова, 2001), Otala lactea (Hermann, 1968), Helix aspersa (Hamilton, Winter, 1984) используют зрительную информацию для ориентации в окружающей среде.
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. Анализ литературы показал, что 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. Наибольшее количество экспериментов приходится на период с 1965 по 1979 гг. В 80-е и 90-е годы наблюдается ощутимый спад в количестве опубликованных работ, а в период с 2000 по 2006 гг. в печати появилось лишь несколько статей. На данный момент для подавляющего большинства исследованных брюхоногих моллюсков имеются данные только об общей и тонкой структуре глаз (Henchman, 1897; Prince, 1955; Clark, 1963; Tonosaki, 1967; Stensaas et al., 1969; Hughes, 1970; Jacklet et al., 1972; Mayes, Hermans, 1973; Eakin, Brandenburger, 1975; Kataoka, 1975, 1977; Zunke, 1979; Eakin et al., 1980; Katagiri, 1984, 1986; Tamamaki, Kawai, 1983; Tamamaki, 1989; Katagiri et al., 1995; Blumer, 1998 и т.д.). Одновременному изучению морфологии и оптики камерных глаз посвящены лишь единичные работы: L. httorea (Newell, 1965; Seyer, 1992), Agriolimax reticulatus (Newell, Newell, 1968), Strombus luhuanus (Gillary, Gillary, 1979), Pterotrachea sp. (Land, 1981), L irrorata (Hamilton et al., 1983), S. raninus (Seyer, 1994), Ampularia sp. (Seyer et al., 1998), L. stagnalis, PI. corneus, Radix peregra, Physa fontinalis, Trichia hispida, Cepaea nemoralis (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 и исчерпываются L. irrorata (Hamilton, 1977; Hamilton, Winter, 1982), L. stagnalis (Andrew, Savage, 2000) и PI. corneus (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 функциональное значение этой системы 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 работы - 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.
Экспериментальные задачи исследования:
Изучить общую морфологию глаз.
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.
Установить степень соответствия структурных и оптических свойств глаз зрительной функции и определить адаптивные приспособления к зрению на уровне сенсорных органов.
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.
Впервые изучены морфология и оптические свойства глаз наземных брюхоногих моллюсков Arion rufus, Perforatella incarnata, Helicigona lapicida, Arianta arbustorum и Cepaea hortensis.
Впервые выполнен сравнительный анализ структурных и оптических свойств глаз брюхоногих моллюсков с различными и сходными световыми предпочтениями.
У наземных брюхоногих моллюсков впервые показана доминирующая роль хрусталиков в фокусировании света.
У брюхоногих моллюсков впервые обнаружено четыре морфологически различных вида микровиллярных фоторецепторных клеток в сетчатке Н. lapicida: одного вида фоторецепторов первого типа и трех видов фоторецепторов второго типа. Высказано предположение, что такое разнообразие видов клеток может обеспечивать цветовое зрение моллюска.
Впервые показана зависимость между яркостью предпочитаемых мест обитания моллюсков и оптической чувствительностью фоторецепторов первого типа.
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 с помощью 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, Н.
lapicida, A. arbustorum и С. hortensis, очевидно, обладают градиентом
показателя преломления. Хрусталик P. incarnata, по-видимому, является
оптически гомогенным.
2. У A. rufus, P. incarnata и Н. lapicida, имеющих различные световые
предпочтения, выявлена обратная зависимость между яркостью
предпочитаемых мест обитания и оптической чувствительностью
фоторецепторов первого типа. У A. arbustorum и С. 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 Н. 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.
Светочувствительные глазки
Некоторые медузы (Cnidana), ресничные (Turbellaria) и круглые (Nematoda) черви, многие кольчатые черви {Annelida), некоторые моллюски {Mollusca), пиявки {Hirudinea) и иглокожие {Echinodermata) имеют простые глаза в виде пигментных бокалов, заключающих в себе небольшое количество сенсорных клеток (от нескольких единиц до нескольких сотен). Форма глаз может быть различной: сферической, овальной, V- или U-образной (Рис. 1 Б). Большинство пигментных бокалов имеет диаметр менее 100 мкм, однако у некоторых видов морских брюхоногих моллюсков {Trochus sp., Turbo sp., Nerita sp., Murex sp.) их диаметр превышает 1 мм (Land, 1981). Эти чашеобразные глазки уже обладают дирекционной чувствительностью и способны определять местоположение источника света (Ноздрачев и др., 2001).
Для того чтобы глаз мог обеспечивать истинное зрение, он должен обладать способностью формировать изображение (Шепперд, 1987). Простейший способ формирования изображения на сетчатке основан на принципе камеры с маленьким отверстием, открывающимся во внешнюю среду. По такому принципу устроен глаз головоногого моллюска Nautilus sp. (Cephalopoda) (Рис. 1 В). Из-за малой величины отверстия такой глаз может эффективно работать только при ярком свете (Ноздрачев и др., 2001).
Глаза Nautilus sp. не имеют хрусталика и роговицы, они довольно большие (1 см) и сравнимы по размеру с глазами осьминога (Octopus sp.). Диаметр зрачка может изменяться от 0,4 мм до 2,8 мм в зависимости от уровня освещенности (Hurley et al., 1978). Рецепторные клетки узкие (5 - 10 мкм) и длинные (500 мкм), и их число в сетчатке достигает 4x106 (Barber, Write, 1969). Глаза снабжены мышцами, которые стабилизируют их при плавании. Такой стабилизирующий рефлекс обнаружен только у животных (например, других головоногих моллюсков) с доказанной способностью определять форму или движение. У Nautilus sp. пока известна только оптмоторная реакция: его можно заставить вращаться или плыть в круглом прозрачном бассейне, вращая вокруг него полосатый цилиндр. Значение этого поведения заключается в том, чтобы предохранить глаза или тело от вращения при наличии неподвижного фона (Land, Nilsson, 2002).
Главный недостаток глаза Nautilus sp. - отсутствие фокусирующих элементов. Без них разрешение и чувствительность глаза должны быть низкими. Следовательно, удачным решением для увеличения этих параметров будет добавление линз и развитие камерных глаз (Land, Nilsson, 2002).
Типы простых глаз. А. Светочувствительный глазок личинки сосальщика Multicotyle purvisi (Land, Nilsson, 2002): 1 - рецепторная клетка, 2 - пигментная клетка. Б. Пигментный бокал ресничного червя Bdellocephala Ъгиппеа (Land, Nilsson, 2002): 1 - пигментный бокал, 2 - светочувствительная часть рецепторной клетки, 3 - нервные волокна, образующие зрительный нерв. В. Pinhole глаз Nautilus sp. (Land, 1981): 1 - церебральная коннектива, 2
- оптическая доля, 3 - оптический нерв, 4 - глазные мышцы, 5 - зрачок, 6 -сетчатка, 7 - обонятельная ямка, 8 - обонятельный ганглий. Масштаб 4 мм.
Согласно классификации Мессенжера (Messenger, 1981), камерный глаз представляет собой закрытую чашу, содержащую роговицу и хрусталик. В глазах водных животных преломляющее действие роговицы нейтрализовано, т.к. ее показатель преломления почти идентичен показателю преломления воды (Fernald, 1988). Поэтому основным компонентом оптики глаза, формирующим изображение на рецепторном слое, является хрусталик (Sivak, 1988). Появление хрусталика в глазах водных животных является очевидным усовершенствованием по сравнению с пигментным бокалом и pinhole устройством, поскольку хрусталик направляет весь свет из данной области окружающего пространства на маленькую область сетчатки, значительно повышая чувствительность и разрешение глаз. Лучшая форма для хрусталика - сферическая, поскольку она дает кратчайшее фокусное расстояние. Большинство водных животных действительно имеют сферические хрусталики. Исключение составляют лишь глаза некоторых видов веслоногих ракообразных с двояковыпуклыми хрусталиками (Copepoda: Copilia sp., Corycaues sp., Sapphirina sp.). Однако сферический хрусталик с однородным показателем преломления имеет два серьезных недостатка: сферическую аберрацию и все еще длинное фокусное расстояние. Фокусное расстояние гомогенного сферического хрусталика рассчитывается по формуле (Land, 1981): 2 пг-щ где г - радиус хрусталика, п2 и щ - показатель преломления хрусталика и окружающей его среды, соответственно. При nf=l,55 (максимально возможный показатель преломления большинства биологических материалов хрусталиков) и «/=1,33, получаем /=3,8г.
Обе эти проблемы - сферическая аберрация и длинное фокусное расстояние - могут быть решены за счет градиента показателя преломления вещества хрусталика. Впервые такой градиент был обнаружен Меттиссеном (Matthiessen, 1880, 1886). Меттиссен показал, что хрусталики исследованных им водных животных были негомогенными сферами (показатель преломления постепенно уменьшался от центра к периферии) и имели величину отношения фокусного расстояния к радиусу (f/r) около 2,5 (отношение Меттиссена). Подобное свойство хрусталиков означает, что они имеют короткое фокусное расстояние по сравнению с оптически гомогенным сферическим хрусталиком и корректируют сферическую аберрацию. К настоящему времени среди водных беспозвоночных животных хрусталики с градиентом показателя преломления обнаружены у кубомедуз (Piatigorsky et al., 1989), одного семейства многощетинковых червей (Hermans, Eakin, 1974), переднежаберных (Hamilton et al., 1983; Hamilton, 1991; Seyer, 1992, 1994), заднежаберных (Hamilton, 1991) и легочных (Жуков, 1993; Gal et al., 2004) брюхоногих моллюсков, головоногих моллюсков (Sivak, 1982) и у одного вида веслоногих ракообразных (Land, 1976).
Глаза водных животных содержат целый спектр хрусталиков: от гелевидных, заполняющих глазную полость, до твердых, отвечающих отношению Меттиссена и отделенных от сетчатки слоем стекловидного тела. Если хрусталик заполняет всю полость глаза, то формирование хорошего изображения становится невозможным. Для того чтобы сформировать изображение на рецепторном слое при таком взаимном расположении хрусталика и сетчатки, хрусталик должен иметь показатель преломления 2,66 (если гомогенный) или 1,89 (если негомогенный) (Fletcher et al., 1954). Для биологических линз оба эти значения нереальны. Поэтому для создания четкого изображения хрусталик и сетчатка должны находится друг от друга на расстоянии не менее 1,5г хрусталика (г - радиус хрусталика) (Land, 1981).
Характеристика клеточных и неклеточных компонентов глаз
В отличие от эпидермиса тела, эпидермис, покрывающий глаза, -прозрачнее и тоньше. Он образован кубическим или столбчатым эпителием, который подстилается базальной мембраной. Под ней находится дерма, содержащая, главным образом, соединительную ткань и продольные мышцы (Newell, 1965; Hamilton et al., 1983; Seyer, 1992, 1994; Seyer et al., 1998; Katagiri, Katagiri, 1998; Bobkova et al., 2004). Эпидермальный слой выполняет защитную функцию, предохраняя глаза от механического повреждения и потери влаги (у амфибийных и наземных моллюсков) (Bobkova et al., 2004). Помимо этого, щупальцевый эпидермис, имея искривленную поверхность, становится компонентом диоптрического аппарата глаза.
В 1892 г. Виллєм (Willem, 1892) описал лакуну вокруг глаза L stagnalis, назвав ее «преоптическим синусом». Позже Столл (Stoll, 1973) подтвердил наблюдения Виллема на L. stagnalis, а Ньювелл (Newell, 1965) и Гамильтон (Hamilton et al., 1983) - на L. httorea и L irrorata соответственно. Но Ньювелл предложил другое название, которое и закрепилось за данной структурой -«периоптический синус». Периоптический синус располагается под дермой и обнаружен только у водных моллюсков. Анатомически он изолирован от гемоцели. Пространство синуса заполнено прозрачным содержимым, которое по составу очень похоже на гемолимфу. Размер синуса может меняться вследствие сокращения мышц, прикрепленных к глазной капсуле. Результатом таких изменений является расположение глаза либо непосредственно под щупальцевым эпидермисом, либо на некотором расстоянии от него. Вероятно, периоптический синус необходим, чтобы зафиксировать глаза в определенном положении по отношению к телу животного и уменьшить риск возможного механического давления при втягивании головы в раковину (Bobkova et al., 2004).
Глазная капсула граничит с окружающей сетчатку интерстициальной соединительной тканью, сходя на нет в области роговицы. Основной структурной единицей межклеточного вещества капсулы являются волокна коллагена, вплетенные в аморфный матрикс. Внутри капсулы, параллельно периметру глазного бокала, располагается прослойка мышц (Бобкова, 1996; Henchman, 1897; Newell, Newell, 1968; Mortensen, Eakin, 1974; Hamilton et al., 1983).
Роговичная линза представляет собой однослойную или многослойную структуру, состоящую из прозрачных непигментированных эпителиальных столбчатых или уплощенных клеток. Эти клетки на своих вершинах, обращенных в стекловидное тело, имеют короткие выросты цитоплазматической мембраны - микровиллы. Толщина роговицы неодинакова у водных и наземных моллюсков: у наземных моллюсков она больше. По-видимому, это связано с потребностью в защите глаз от потери влаги в воздушной среде (Ваколюк, Жуков, 1999; Жуков и др., 2002; Newell, 1965; Newell, Newell, 1968; Kataoka, 1975, 1977; Hamilton et al., 1983; Seyer, 1992, 1994; Seyer et al., 1998; Blumer, 1996, 1999; Katagiri, Katagiri, 1998; Bobkova et al., 2004). У разных видов моллюсков поверхность роговицы, также как и поверхность щупальцевого эпидермиса, имеет различную степень выпуклости, а значит и радиус кривизны, что отражается на значении фокусного расстояния оптической системы глаз.
Брюхоногие моллюски имеют неклеточные хрусталики (Никифоров-Никишин, 2001; Salvini-Plawen, Mayr, 1977; Katagiri, Katagiri, 1998). Вещества, образующие хрусталик, секретируются в виде мелких капелек роговичными клетками и опорными клетками сетчатки, как, например, у морского переднежаберного моллюска Aporrhais pespelecani (Blumer, 1996) и наземного легочного моллюска Я aspersa (Eakin, Brandenburger, 1967). У морского переднежаберного моллюска llyanassa obsoleta (Gibson, 1984) в формирование хрусталика вовлечены только роговичные клетки, а у наземного слизня Limax flavus - только опорные клетки сетчатки (Kataoka, 1977). Секреторный материал транспортируется к поверхности хрусталика посредством микровилл роговичных клеток и ресничек или отростков опорных клеток (Demain, Yousif, 1975; Blumer, 1994, 1995, 1996, 1999). На поверхности растущего хрусталика капельки сливаются (Eakin, Brandenburger, 1967). К зрелому хрусталику может добавляться лишь очень ограниченное количество секреторного материала (Katagiri, Katagiri, 1998).
Сформировавшиеся хрусталики имеют различную форму: от сферической до эллипсоидной (Hamilton, 1991). У некоторых представителей класса Gastropoda обнаружены хрусталики уникальной формы. Например, морской заднежаберный моллюск Navanax inermis обладает двудольчатым хрусталиком (Eskin, Harcombe, 1977), а в глазах морского переднежаберного моллюска Т. castanea часть хрусталика выдается наружу через апертуру, тогда как основная часть локализована внутри глазной полости (Hamilton, 1991).
Хрусталики брюхоногих моллюсков также значительно варьируют по твердости, которая коррелирует с показателем преломления, - физическим свойством, напрямую связанным со зрением (Hamilton, 1991). Твердые хрусталики имеют водные моллюски, а мягкие хрусталики - наземные моллюски (Land, Nilsson, 2002).
Оптические исследования
Изготовление препарата изолированного хрусталика проводили под бинокулярным микроскопом МБС-9 или Carl Zeiss с использованием 0,6%-го раствора хлористого натрия. Исследования хрусталиков выполняли в специальной камере, конструкцию которой заимствовали из работы Сейера (Seyer, 1992) (Рис. 17). Камера состояла из предметного стекла толщиной 1 мм, на котором парафином фиксировали пластмассовое кольцо. В центре кольца закрепляли непрозрачную пленку с отверстием 3 мм в диаметре. Это отверстие служило микробассейном для хрусталика. На втором предметном стекле, прикрепленном снизу к стеклу камеры, помещали тестовый объект -медную сетку для электронного микроскопа с длиной стороны ячейки 88 мкм таким образом, чтобы он находился под отверстием пленки. Камеру с хрусталиком размещали на предметном столике микроскопа, объектив которого погружали в раствор микробассейна для наблюдения изображения, сформированного хрусталиком.
Фокусное расстояние хрусталиков всех видов моллюсков, за исключением A. rufus, оценивали по размерам создаваемых изображений с использованием формулы (5). Фокусное расстояние хрусталика A. rufus измеряли путем постепенного фокусирования света от плоскости экваториального сечения вдоль короткой оси хрусталика при помощи микроскопа МБИ-15 (объектив 30x0,90 ВИ). Изолированные хрусталики и создаваемые ими изображения изучали при помощи светового микроскопа Zeiss Axiophot (объектив 25x0,80 ВИ). Цифровые изображения получали при помощи цифровой камеры Olympus DP 50.
В целом исследовано 108 хрусталиков.
Для измерения яркости света в предпочитаемых местах обитания моллюсков во время периодов их активности использовали Pentax Spotmeter V (Kodak).
Вычисления Расчет фокусного расстояния хрусталиков (fx, мкм) выполняли по формуле (Nilsson et al., 1988): / ". (5) где I - длина стороны ячейки видимого изображения медной сетки, О -длина стороны ячейки медной сетки (88 мкм), U - расстояние между хрусталиком и медной сеткой (1000 мкм). Для расчета основных параметров глаз использовали следующие формулы. Для диаметра конуса света на дистальной поверхности микровиллярного слоя (В, мкм) (Gal et al., 2004):
B = Ax, (6) где A - диаметр апертуры, b - расстояние между внутренней поверхностью хрусталика и фокальной точкой, х - расстояние между внутренней поверхностью хрусталика и дном микровиллярного слоя, / длина фоторецептора и/- фокусное расстояние оптической системы.
Для плотности расположения фоторецепторов [р, мкм") (Gal et al., 2004): V3xp где р - анатомическое расстояние между центрами соседних фоторецепторов. Для количества рецепторов, задействованных конусом света (N) (Gal et al., 2004): N = -xB2xp, (8) где В - диаметр конуса света и р - плотность расположения фоторецепторов. Для расстояния от глаза до ближайшей объектной плоскости в фокусе (U, мкм) (Land, 1981): U = -, (9) 2р где/- фокусное расстояние оптической системы, А - диаметр апертуры и р - анатомическое расстояние между центрами соседних фоторецепторов.
Для разрешения глаза (R, рад"1) при гексагональном расположении фоторецепторов (Land, 1981): л/ЗхД где А р = — (град) - угловое расстояние между центрами соседних фоторецепторов относительно задней узловой точки оптической системы, р -анатомическое расстояние между центрами соседних фоторецепторов и / -фокусное расстояние оптической системы.
Для оптической чувствительности глаза к белому свету (S , мкм -ср") (Warrant, Nilsson, 1998): 5,=ф2хЛ2х( х-А-, (11) 4 / (2,3 + kl) где Л - диаметр апертуры, d - диаметр фоторецептора,/- фокусное у ракообразных in situ, равный 0,0067 мкм"1 (Bruno et al., 1977) и / - длина фоторецептора, соответствующая толщине микровиллярного слоя. Для F-числа (Land, 1981): А где / - фокусное расстояние оптической системы и А - диаметр апертуры.
Для диаметра диска Эйри ( э, мкм) (Land, 1981), образуемого на сетчатке точечным источником света при А,=500 нм (значение, близкое к максимумам чувствительности фоторецепторных клеток у большинства исследованных видов брюхоногих моллюсков: Жуков, Грибакин, 1990; Черноризов и др., 1992; Dennis, 1967; (Hilary, Wolbarsht, 1967; Hughes, 1970; von Berg, Schneider, 1972; Suzuki et al., 1979; Katagiri et al., 1985): Я (13) D3=2,44x/x где / - фокусное расстояние оптической системы и А - диаметр апертуры. Для всех расчетов брали средние значения полученных данных. В таблицах эти значения приведены со стандартным отклонением (Лакин, 1990).
Диоптрический аппарат глаз
Щупальцевый эпидермис. Эпидермис, покрывающий глаза, -прозрачный непигментированный столбчатый эпителий. Его клетки лежат на базальной мембране, которая отделяет их от подлежащей дермы.
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.
Хрусталик. У всех видов моллюсков обнаружены неклеточные хрусталики относительно мягкой консистенции и эллипсоидной формы, которые практически соприкасаются с микровиллярным слоем сетчатки (Рис. 20). У P. incarnata и Я lapicida длинная ось хрусталиков перпендикулярна оптической оси глаз, а у A. rufus, A. arbustorum и С. hortensis - параллельна оптической оси. У A rufus хрусталик отделен от роговицы достаточно толстым слоем стекловидного тела, а у P. incarnata, Я lapicida, A. arbustorum и С. 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 Я. lapicida имеет центральную и периферическую зоны, а хрусталики A. rufus, P. incarnata, A. arbustorum и С. 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 5x7 мкм у Я. lapicida, 6x8 мкм у A. arbustorum и С. hortensis и 8x9 мкм у P. incarnata. У Я. lapicida на фоне основного вещества хрусталиков везикулы выглядят темными. У P. incarnata, A. arbustorum и С 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), Я. lapicida, А. arbustorum и С. hortensis (Рис. 21).
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 и II. Фоторецепторы типа I идентифицируются по длинным тонким микровиллам, которые отходят от апикальной поверхности клеток. Эта поверхность слабовыпуклая у A. rufus, P. incarnata, A. arbustorum и С. hortensis и сильновыпуклая у Я. lapicida. Волнообразные микровиллы расходятся радиально, покрывая апикальную поверхность соседних фоторецепторов типа II и пигментных клеток, и достигают хрусталика. Для фоторецепторов типа II характерны короткие и менее тонкие микровиллы. Дистальная поверхность этих клеток вогнутая у A. rufus, Я. lapicida и А. arbustorum и плоская у P. incarnata и С. hortensis. У Я. lapicida клетки, распознаваемые как фоторецепторы типа II, представлены тремя видами. Различие между этими видами заключается в диаметре дистальной части тела клетки, степени ее вогнутости и длине микровилл. Первый вид характеризуется самой широкой и лишь слегка вогнутой апикальной поверхностью, а также самыми длинными микровиллами. У второго вида отмечается более узкая и вогнутая верхняя часть тела клетки с микровиллами меньшей длины. Для третьего вида характерна еще более узкая и вогнутая апикальная поверхность с микровиллами немного большей длины. Толщина микровилл фоторецепторов типа II у всех видов моллюсков немного больше толщины микровилл фоторецепторов типа I (Рис. 22 - 26).
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, Я. lapicida, A. arbustorum, С. hortensis.
Фоторецепторы типа II у всех видов моллюсков также содержат пигментные гранулы. Фоторецепторы типа 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. 27). У P. incarnata, Н. lapicida, A. arbustorum и С. 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 только 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. Характеристика клеток сетчаток дана в табл. 8 - 13 и рассчитанные зрительные параметры глаз приведены в табл. 14-18.
