Биологический факультет Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Фундаментальные науки и практика" с материалами Третьей Международной Телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии" - Том 1 - №4. - Томск - 2010.
Двукрылые (отряд Diptera) – составляют одну из доминирующих групп насекомых. Широчайшее распространение двукрылых в самых разных экосистемах стало возможным благодаря морфофункциональной эволюции личинок, позволившей им приспособиться к обитанию в самых разных средах и субстратах [Кривошеина, Зайцев, 1989].
Целью настоящей работы является изучение хеморецепторных органов личинок представителя круглошовных двукрылых (Diptera Cyclorrhapha). Поскольку основная масса хеморецепторных органов обычно сконцентрирована на голове насекомых, большой интерес вызывает развитие хеморецепторной системы у личинок с редуцированной головной капсулой, которые имеют только головную лопасть. Имеющиеся электронно-микроскопические сведения по организации сенсорных систем личинок круглошовных двукрылых ограничены видами из семейств Muscidae [Chu, Axtell, 1971; Chu-Wang, Axtell, 1972] и Drosophilidae [Singh, Singh, 1984].
Материал и методы. Материалом для исследования служили личинки старшего возраста Sarcophaga sp. (Sarcophagidae). При подготовке материала для сканирующей электронной микроскопии личинок фиксировали в 70%-ном спирте, обезвоживали в 96- и 100 %-ном спиртах и ацетоне. После высушивания препараты напыляли золото-палладиевой смесью и изучали в сканирующем электронном микроскопе Hitachi 350A. Для изучения сенсилл в трансмиссионном электронном микроскопе насекомых фиксировали в 2,5-%-ном растворе глутарового альдегида, а затем в 2%-ном растворе четырехоксида осмия. Обезвоженный в серии спиртов материал заливали в смесь смол эпон. Ультратонкие срезы окрашивали по методу Рейнольдса и изучали в электронном микроскопе JEM-100B.
Результаты. На головном сегменте, как и у других короткоусых двукрылых, отчетливо выделяется антенно-максиллярный комплекс, на котором расположены основные сенсорные органы личинок (рис. 1а,б). В составе антенно-максиллярного комплекса выделяют дорсальный орган, соответствующий антеннам, и терминальный орган, соответствующий максиллам.
На вершине антенны расположен чувствующий конус высотой 18 мкм (рис. 1а). Максиллярный щупик диаметром около 55 мкм имеет куполообразный вид. Купол имеет мягкую кутикулу, что позволяет ему втягиваться. Апикальная площадка представлена ампуловидными сенсиллами. В центре площадки находятся три ампуловидные сенсиллы с кутикулярным кольцом. На высоте около 35 мкм от основания купола на дорсо-латеральной стороне расположена одна сенсилла диаметром 32 мкм.
Кутикулярный отдел дорсального органа имеет высоту 38 мкм и диаметр 55 мкм. По своему внешнему виду и внутреннему строению он подразделен на два отдела: центральный и периферический. Центральный отдел представлен кутикулярным куполом, а периферический отдел представляет собой более широкое цилиндрическое основание.
Кутикула купола толщиной 0,6 мкм четко подразделена на два слоя. Внешний слой соответствует эпикутикуле, и его толщина составляет 0,1 мкм. Внутренний с невысокой электронной плотностью слой кутикулы (прокутикула) имеет толщину порядка 0,5 мкм. Оба слоя кутикулы пронизаны порами, с которыми связаны поровые трубки, характерные для обонятельных рецепторов насекомых. На поверхности кутикулы отчетливо различаются поры, проходящие через слой эпикутикулы (рис. 1в). Поры располагаются достаточно регулярно на расстоянии 0,1 мкм одна от другой. В области прокутикулы от каждой поры отходят несколько поровых трубок, при этом на одном срезе насчитывается 6-7 трубок, связанных с одной порой. Длина поровых трубок может несколько превышать толщину прокутикулы, а их диаметр составляет 10-12 нм. Непосредственно с поровыми трубками связаны ветвящиеся периферические отростки рецепторных клеток.
Купол антеннального органа иннервируется рецепторными нейронами, собранными в семь групп по три нейрона в каждой группе (рис. 1г). Тела всех нейронов смещены в проксимальном направлении относительно антеннального органа. Рецепторные нейроны биполярные, их периферические отростки (дендриты) проходят в кутикулярный отдел сенсорного органа, а центральные отростки (аксоны) связаны с мозгом. В основании кутикулярного отдела триады дендритов, которые на этом уровне не ветвятся, располагаются по окружности. Обращает на себя внимание слабое развитие сколопоидных оболочек вокруг периферических отростков.
Следует особо отметить необычный характер ветвления дендритов. Кроме обычных тонких ветвей в полости сенсорного купола имеются многочисленные тончайшие ламеллы, представленные только элементарными клеточными мембранами без какого-либо цитоплазматического содержимого.
Вокруг основания антеннального сенсорного купола расположены 6 латеральных сенсилл. Поскольку кутикулярные отделы этих сенсилл подверглись редукции, их обнаружение возможно только на срезах. В частности, две из таких латеральных сенсилл иннервируются каждая двумя рецепторными клетками, а остальные четыре содержат только по одной рецепторной клетке. Можно предположить, что сенсиллы, иннервируемые двумя рецепторными клетками, периферические отростки которых не ветвятся, выполняют функцию контактных хеморецепторов. Сенсиллы, иннервируемые одной рецепторной клеткой, являются механорецепторами. Об этом свидетельствует наличие хорошо развитого трубчатого тела, которым заканчивается периферический отросток рецепторной клетки. Трубчатое тело состоит из большого числа плотно упакованных микротрубочек и обнаруживается только в дендритах механорецепторных клеток. Таким образом, антеннальный сенсорный орган иннервируется в совокупности 29-ю нейронами (3+3+3+3+3+3+3+2+2+1+1+1+1).
Второй, более сложно устроенной сенсорной структурой является терминальный орган, соответствующий максиллам (рис. 1д). Он расположен вентральней дорсального органа и состоит из сенсилл, формирующих две группы – дистальную и дорсолатеральную.
В дистальной группе сенсилл, расположенных на широком основании, удается выделить 8 сенсилл, относящихся к трем типам: три ампуловидные, две кнопковидные сенсиллы и три сенсорные ямки.
Ампуловидные сенсиллы иннервируются разным числом нейронов: двумя, тремя и пятью (рис. 1д,е). Все ампуловидные сенсиллы имеют строение контактных хеморецепторов, поскольку у них дендриты лишены трубчатого тела и проходят в кутикулярный отдел без ветвления и только один дендрит заканчивается у основания кутикулярного отдела характерным для механорецепторных нейронов трубчатым телом.
Рис. 1. Ультраструктура хеморецепторных органов личинки Sarcophaga sp.:
а – антенна, х 10 000; б – антенно-максиллярный комплекс, х 7000; в – поровая система сенсорного купола, х 80 000; г – группы дендритов рецепторных клеток, иннервирующих антеннальный орган, х 40 000; д – срез через максиллярный (терминальный) орган, х 8000; е – дендриты хеморецепторной сенсиллы, х 30 000. Обозначения: АК – антеннальный конус, АМК – антенно-максиллярный комплекс, Д – дендриты рецепторных клеток, ПК – поровые каналы, ПО – периферические отростки (дендриты), СО – сколопоидная оболочка.
Дендриты рецепторных клеток до их вхождения в кутикулярный отдел окружены хорошо развитой сколопоидной оболочкой, формируемой внутренней обкладочной клеткой (рис. 1е). Характерно, что в достаточно крупных дендритах наблюдается внедрение в них выростов сколопоидной оболочки. Каждая из двух кнопковидных сенсилл иннервируется одним нейроном, а сенсорные ямки – одним или двумя нейронами.
Сенсиллы дорсолатеральной группы также неоднородны по их иннервации и строению. Только ампуловидная сенсилла иннервируется тремя нейронами, а сенсиллы других типов, как следует из анализа ультратонких срезов, иннервируются одним нейроном, имеющим трубчатое тело. При просмотре поверхности дорсолатеральной группы сенсилл с помощью растрового электронного микроскопа не выявлены кутикулярные отделы этих сенсилл. Можно допустить, что нейроны иннервируют небольшие участки кутикулы, называемые «сенсорными пятнами» (spot sensillum). Наличие трубчатого тела в дендритах этих клеток свидетельствует об их принадлежности к механорецепторам.
Обсуждение результатов. Анализ наших и литературных данных свидетельствует о значительном разнообразии набора типов хеморецепторных сенсилл у личинок короткоусых круглошовных двукрылых [Nicastro et al., 1998; Синицина, Чайка, 2006]. Несмотря на глубочайшие преобразования головного отдела у личинок круглошовных двукрылых (разная степень редукции головной капсулы, втягивание головной лопасти в грудной отдел), сенсорный аппарат личинок не подвергся редукции. Напротив, только по наличию сенсорных органов можно судить о локализации несущих их придатков, которые практически редуцировались (например, антенны или максиллярные щупики в некоторых семействах).
Хеморецепторный аппарат личинок двукрылых имеет много общего с таковым личинок других исследованных Holometabola, например, Coleoptera или Hymenoptera. Их сближает небольшое число рецепторов, концентрация многих сенсилл на терминальных участках придатков головы, формирование сложных сенсорных комплексов [Чайка, Томкович, 1997; Синицина, Чайка, 2006].
В отличие от личинок Hemimetabola, у которых сенсорный аппарат сходен с таковым имаго, и отличается лишь количеством сенсилл, набор типов сенсилл личинок и имаго Holometabola существенно различается. Это связано как с разными средами обитания этих стадий насекомых, так и с глубоким преобразованием хода онтогенеза Holometabola.
Известно, что многие органы личинок Holometabola имеют “эмбриональный” характер: короткие антенны с небольшим числом члеников, отсутствие фасеточных глаз, наличие примитивных ног, ротовых частей и др. Все эти черты организации личинок Holometabola связаны с дезэмбрионизацией развития, при которой личинки Holometabola выходят из яйца на тех стадиях развития, которые личинки Hemimetabola проходят под защитой яйцевых оболочек, т.е. в период эмбриогенеза. Естественно, что в связи с процессом дезэмбрионизации мы должны ожидать более низкий уровень дифференциации и функциональной зрелости органов у личинок Holometabola. Возникает вопрос, как этот процесс отразился на развитии сенсорных органов личинок? С одной стороны, набор типов сенсилл и имеющиеся данные по их ультраструктуре свидетельствуют о достаточно высокой степени морфологической дифференцировки сенсорных органов. Данные по электрофизиологии и поведенческие опыты подтверждают наличие у личинок двукрылых достаточно совершенных в функциональном отношении сенсилл [Cobb, 1999]. С другой стороны, у личинок двукрылых, впрочем, как и у личинок многих других отрядов Holometabola, имеются сложные мультимодальные сенсорные комплексы, представленные, в частности, антеннальным конусом. Известно, что мультимодальность свойственна многим сенсиллам: трихоидная контактная хеморецепторная сенсилла имеет механорецепторную клетку, в состав многих обонятельных сенсилл входят гигро- и терморецепторные клетки. Однако во всех этих случаях речь идет о разной модальности рецепторных клеток в составе одной сенсиллы. Мультимодальность может возрасти в том случае, если в состав одного сенсорного органа вошли несколько сенсилл и сформировали сложный мультимодальный рецепторный орган.
Теоретически возможны два пути формирования мультимодальных сенсорных комплексов и, вероятно, они оба могли реализоваться в процессе морфологической эволюции членистоногих. Первый путь – это объединение первично независимых сенсилл в сложный орган, что связано или с условиями обитания или с общим ходом морфологических изменений личинок (малые размеры, обитание в субстратах и др.). Применительно к личинкам двукрылых этот путь развития сложных органов маловероятен. Ведь такие сложные органы имеются уже у личинок первого возраста. А отдельные сенсиллы, из которых могли бы сформироваться такие органы у личинок двукрылых, не выявлены.
Второй путь – это не доведенная до конца дифференцировка сенсилл в процессе эмбриогенеза. Это может свидетельствовать о выходе из яйца личинки еще до завершения полной дифференцировки органов эктодермального происхождения. Конечно, речь о преждевременном выходе из яйца может идти только применительно к предкам Holometabola. Такие представления соответствуют особенностям морфологического развития Holometabola, у которых имеется период роста с подавленной дифференциацией.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-04-00457-а).
Список литературы
1. Кривошеина Н.П., Зайцев А.И. Филогенез и эволюционная экология двукрылых насекомых // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Энтомол. 1989. Т. 9. 164 с.
2. Синицина Е.Е., Чайка С.Ю. Атлас электронно-микроскопической морфологии хеморецепторных органов насекомых. М.: МГУ, 2006. 344 с.
3. Чайка С.Ю., Томкович К.П. Сенсорные органы личинок жуков-долгоносиков // Энтомол. обозр. 1997. Т. 76. № 3. С. 508-520.
4. Chu I-W., Axtell R.C. Fine structure of dorsal organ of the house fly larva, Musca domestica L. // Z. Zellforsch. 1971. Bd 117. S. 17-34.
5. Chu-Wang I-W., Axtell R.C. Fine structure of the terminal organ of the house fly larva, Musca domestica L. // Z. Zellforsch. 1972. Bd 127. S. 287-305.
6. Cobb M. What and how do maggots smell? // Biol. Rev. 1999. Vol. 74. P. 425- 459.
7. Nicastro D., Melzer R.R., Hruschka H., Smola A. Evolution of small sense organs: Sensilla on the larval antennae traced back to the origin of the Diptera // Naturwissenschaften. 1998. Bd 85. S. 501-505.
8. Singh R.N., Singh K. Fine structure of the sensory organs of Drosophila melanogaster Meigen larva (Diptera: Drosophilidae) // Int. J. Insect Morphol. Embryol. 1984. Vol. 13. P. 255-273.
|
