Сравнительная морфология и оптические свойства глаз брюхоногих моллюсков Stylommatophora :Gastropoda, Pulmonata
Здесь временно размещён текст диссертации с сайта http://www.dissercat.com/content/sravnitelnaya-morfologiya-i-opticheskie-svoistva-glaz-bryukhonogikh-mollyuskov-stylommatopho
Сравнительная морфология и оптические свойства глаз брюхоногих моллюсков Stylommatophora :Gastropoda, Pulmonata
Год:
2007
Автор:
Шепелева, Ирина Павловна
Ученая cтепень:
кандидат биологических наук
Место защиты диссертации:
Москва
Код cпециальности ВАК:
03.00.08, 03.00.13
Специальность:
Зоология
Количество cтраниц:
147
Оглавление:
Введение.
Глава 1. Сравнительный очерк строения и оптики глаз беспозвоночных животных с акцентом на камерные глаза брюхоногих моллюсков.
1. Типы глаз беспозвоночных животных.
1.1. Простые глаза.
1.1.1. Светочувствительные глазки.
1.1.2. Пигментные бокалы.
1.1.3. Pinhole глаза.
1.1.4. Камерные глаза.
1.1.4.1. Водные животные.
1.1.4.2. Наземные животные.
1.1.5. Камерные глаза с отражательным слоем.
1.2. Эволюция простых глаз.
1.3. Сложные глаза.
1.3.1. Аппозиционные глаза.
1.3.2. Суперпозиционные глаза.
1.4. Эволюция сложных глаз.
2. Камерные глаза брюхоногих моллюсков.
2.1. Общее строение глаз.
2.2. Характеристика клеточных и неклеточных компонентов глаз.
2.2.1. Щупальцевый эпидермис.
2.2.2. Периоптический синус.
2.2.3. Глазная капсула.
2.2.4. Роговица.
2.2.5. Хрусталик.
2.2.6. Стекловидное тело.
2.2.7. Сетчатка.
2.2.8. Дополнительный фоторецепторный орган.
3. Пространственное разрешение и оптическая чувствительность камерного глаза.
3.1. Общие положения.
3.2. Факторы, влияющие на пространственное разрешение.
3.2.1. Количество поглощенных фотонов.
3.2.2. Сферическая аберрация.
3.2.3. Хроматическая аберрация.
3.2.4. Дифракция.
3.2.5. Структура сетчатки.
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. littorea (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:
1. Изучить общую морфологию глаз.
2. 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.
5. Установить степень соответствия структурных и оптических свойств глаз зрительной функции и определить адаптивные приспособления к зрению на уровне сенсорных органов.
6. 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.
1. Впервые изучены морфология и оптические свойства глаз наземных брюхоногих моллюсков Arion rufus, Perforatella incarnata, Helicigona lapicida, Arianta arbustorum и Cepaea hortensis.
2. Впервые выполнен сравнительный анализ структурных и оптических свойств глаз брюхоногих моллюсков с различными и сходными световыми предпочтениями.
3. У наземных брюхоногих моллюсков впервые показана доминирующая роль хрусталиков в фокусировании света.
4. У брюхоногих моллюсков впервые обнаружено четыре морфологически различных вида микровиллярных фоторецепторных клеток в сетчатке Я. lapicida: одного вида фоторецепторов первого типа и трех видов фоторецепторов второго типа. Высказано предположение, что такое разнообразие видов клеток может обеспечивать цветовое зрение моллюска.
5. Впервые показана зависимость между яркостью предпочитаемых мест обитания моллюсков и оптической чувствительностью фоторецепторов первого типа.
6. 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.