Розрізняють чи наземні легеневі молюски площину
поляризації світла?
І.А. Ваколюк, В.В. Жуков
На
основі фототаксис проведені дослідження поляризаційною чутливості
чотирьох видів наземних черевоногих молюсків: Cepaea nemoralis, Trichia hispida,
Arion rufus, Deroceras agrestе. Лише для D. agrestе експериментально отримані
підстави припускати здатність тварини розрізняти положення площини
поляризації світла.
Вступ
Дослідження
фоточутливості тварин не можуть бути повними без оцінки їх здатності
сприймати поляризований світло. Поляризаційна чутливість зустрічається
більш ніж у ста видів тварин у трьох великих типах вищих багатоклітинних, у
тому числі у молюсків класу Cephalopoda [3, 12]. Робіт з вивчення цього виду
рецепції у представників класу Gastropoda вкрай мало, і в основному вони
виконані на літторальних або морських видах [5 - 9].
Використання
наземними молюсками положення е-вектора для орієнтації в природному середовищі,
як здається, було б їм вигідно, оскільки в результаті первинного розсіювання
і вибіркового відображення в атмосфері неполярізованний спрямований сонячний
світло (а також світло місяця, зірок, біолюмінесценція) стає частково лінійно
поляризованим [10, 12]. Крім того, у ряду видів наземних черевоногих
виявлені додаткові структури ока, значення яких до кінця не з'ясовано
[11]. Не виключено, що ці додаткові очі, не пристосовані до виконання
зорової функції, служать для оцінки інших, ніж освітленість, параметрів
світлового потоку, наприклад положення площини поляризації. У зв'язку з цим
вивчення поляризаційною чутливості у легеневих молюсків, особливо
наземних, представляє безперечний інтерес в галузі екологічної та сенсорної
фізіології.
Матеріал і методи дослідження
Тварини.
В експериментах досліджено дорослі особи чотирьох видів наземних черевоногих
молюсків: Cepaea nemoralis, Trichia hispida, Arion rufus, Deroceras agrestе.
Тварин відловлювали в садово-парковій зоні міста c травня по вересень у період з
1999 по 2001 р. Для проведення дослідів відбирали групи тварин однакового
розміру. У лабораторних умовах наземних равликів і слимаків містили в
тераріумах з вологим грунтом, на якому розташовувалися укриття, при температурі
в діапазоні 20 - 25 ° C; зміну грунту проводили один раз на тиждень. Годували всіх
тварин щодня листям кульбаби, періодично додаючи в раціон
моркву.
Експериментальна
камера представляла собою скляний циліндр з нанесеною на зовнішній стороні
дна координатної сіткою. Діаметр (D) і висоту (h) циліндра підбирали в
відповідно до середньої величиною видів молюсків, що використовуються в
експериментах: D = 31 см, h = 30 см - для С. nemoralis і A. rufus, D = 18 см, h
= 20 см - для D. agreste, D = 9 см, h = 2 см - для T. hispida. Бічні стінки
циліндра покривали зовні чорним папером. Циліндр поміщали на білу
поверхня основи установки і екрановані з усіх боків
світлонепроникних коробом. В усіх експериментах використовували одне джерело
світлової стимуляції (лампа розжарювання 100 Вт, 220 В або 25 Вт, 220 В), світло
від якого поступав в камеру зверху через проріз в екрануючої коробці.
Джерело світла в ході експерименту мали у своєму розпорядженні на незмінній висоті, яку
підбирали для кожного виду молюсків, і контролювали його положення, оцінюючи
рівень освітленості за допомогою люксметри. Між джерелом світла і
експериментальною установкою поміщали теплової та розсіює фільтри. У
прорізи екрануючого короба горизонтально встановлювали поляризатор.
Умови
проведення та хід експерименту. Формували експериментальні групи з десяти
інтактних молюсків. Перед дослідами тварини піддавалися темнової адаптації в
протягом однієї години. Спостереження за поведінкою проводили при температурі в
діапазоні 20 - 23 °.
Після кожного досвіду з робочих поверхонь камери ретельно видаляли сліди
слизу, щоб знизити до мінімуму вплив хімічного сліду, залишеного
попередніми тваринами.
Досліди
виконували за наступною схемою: одного молюска експериментальної групи поміщали
в центрі камери. Камеру закривали екранують коробом, потім включали джерело
світла. Положення тваринного періодично контролювали через бічний отвір
в екрані. Після досягнення тваринам стінки циліндричної камери спостереження
припиняли і фіксували координати.
В
ході експерименту було проведено по чотири серії дослідів для експериментальної
групи кожного виду. Положення площини поляризації світла в кожній наступній
серії дослідів змінювали щодо попереднього поворотом поляризатора на 90 ° за
годинниковою стрілкою. При необхідності серії дослідів повторювали.
Оцінка
результатів. Вплив положення площини поляризації світла на орієнтацію
молюсків оцінювали по розподілу векторів переміщення молюсків на основі
тесту просторового розподілу (Rao `s spacing test [4]) і визначення
довжини середнього вектора (Rayleigh test [4]). Вектор переміщення тварини
визначали як відрізок прямої, що з'єднує центр дна і точку бічної стінки
циліндра, якої воно сягало. Довжину середнього вектора визначали як скаляр
усередненої суми векторів переміщення кожної тварини експериментальної
групи.
Результати дослідження
За
координатами векторів переміщення молюсків експериментальної групи для кожної
серії дослідів був розрахований критерій U (тест просторового розподілу).
Значення критерію U, отримані в ході статистичної обробки
експериментальних даних у всіх серіях дослідів виявилися нижчими за табличних, навіть
для ймовірності помилкової оцінки р = 0,05 (табл. 1). Цей факт не дозволяє
відкинути нульову гіпотезу про випадкове виборі молюсками напрямку руху,
незалежно від положення поляризатора (а значить, і площини поляризації).
Значення
критерію U, отримані за результатами спостережень за розподілом по площині
камери слимаків виду A. rufus, також виявилися нижчими, ніж табличні. На іншому
вигляді слимаків - D. agreste - у чотирьох з восьми серій дослідів були отримані
значення критерію U, що перевищують табличні (див. табл. 1), що дозволяє
припустити детерміноване розподіл молюсків в просторі при
стимуляції їх поляризованим світлом. У зв'язку з цим в якості контролю були
проведені додаткові серії дослідів на тварин цього самого виду, але з
вилученими очима, а також з інтактним особинами цього ж виду за відсутності
поляризатора. Ці досліди продемонстрували з високим ступенем статистичної
значущості випадковість розподілу по робочій поверхні камери як
інтактних тварин у відсутність поляризатора (U = 135), так і безоких слимаків --
при різних положеннях поляризатора (наприклад, U0 ° = 100, U90 ° = 110).
Таблиця
1
Значення
критерію U в експериментах з визначення поляризаційною чутливості молюсків
в циліндричної камері
Види
Експериментальні значення
Табличні значення
0 °
90 °
180 °
270 °
p = 0,01
p = 0,05
Trichia hispida
135
(n = 9)
81
(n = 10)
121
(n = 10)
114
(n = 10)
Cepaea nemoralis
137
(n = 10)
165
(n = 10)
139
(n = 10)
141
(n = 10)
195,1
(n = 9)
173,5
(n = 9)
Arion rufus
155
(n = 10)
137
(n = 10)
166
(n = 10)
162
(n = 10)
Deroceras agreste
145
(n = 9)
46
(n = 10)
198
(n = 9)
192
(n = 9)
192,2
(n = 10)
172,1
(n = 10)
122
(n = 10)
201
(n = 10)
154
(n = 10)
172
(n = 10)
Примітка:
в дужках вказано кількість проб у кожній серії дослідів; сірим кольором виділені
статистично підтверджувані значення критерію U; для Deroceras agreste в
першому рядку значення дані отримані за результатами експериментів, проведених
на інтактних тварин влітку 2000 року, у другий - влітку 2001.
що виникли
сумніви щодо поляризаційною чутливості Deroceras agreste допомогло
дозволити використання більш чутливого методу статистичної обробки
аксіальні даних (Rayleigh test). Певні нами результуючі вектора
переміщення та їх скалярні величини дозволили оцінити середнє напрямок і
характер розподілу молюсків при кожному положенні поляризатора в кожному
варіанті експерименту.
Таблиця
2
Скаляр
результуючих векторів в дослідах по визначенню поляризаційною
чутливості Deroceras agreste в циліндричної камері
Варіант експерименту
Кути результуючих векторів
0 °
90 °
180 °
270 °
інтактні тварини,
літо 2000
r = 0,134
p> 0,846
r = 0,442
p = 0,145
r = 0,506
p> 0,085
r = 0,256
p = 0,558
інтактні тварини,
літо 2001
r = 0,482
p = 0,098
r = 0,302
p = 0,417
r = 0,198
p = 0,709
r = 0,293
p> 0,417
інтактні тварини,
літо 2000, без поляризатора
r = 0,415
p> 0,12
Засліплені тварини,
літо 2000
r = 0,184
p = 0,733
r = 0,006
p> 0,900
r = 0,161
p = 0,783
r = 0,106
p> 0,897
Примітка:
в кожній клітинці таблиці вказані довжина результуючого вектора (r) і
відповідний йому критичний рівень (p).
Як
видно з таблиці 2, критичні рівні ймовірності помилкової оцінки виявилися
значно вище прийнятих в біологічній статистикою, що не дозволяє
відкинути нульову гіпотезу про відсутність детермінованою реакції Deroceras
agreste на плоскополярізованний світло.
Обговорення
Здатність
до розрізнення положення площини поляризації світла виявлена у тварин,
мешкають як у водному, так і в повітряному середовищі і що володіють очима різної
ступеня складності. Проте всі види, щодо яких поляризаційна
чутливість доведена, мають особливо влаштовані фоторецептори: їх
световоспрінімающіе елементи - мікровілли - організовані як рабдоміом. При цьому
виникає переважне розташування дипольного моменту молекул зорового
пігменту, що, ймовірно, і створює морфологічну основу для поляризаційною
чутливості [1 - 3, 10, 12]. Крім того, розрізнення положення площини
поляризації світла оптичною системою може, в принципі, забезпечуватися і
лінзою-аналізатором, наприклад кришталиком, хоча в цьому випадку орієнтаційні
реакції пов'язані оцінкою фоторецептора розподілу освітленості в
просторі.
Досліджені
нами наземні види черевоногих молюсків, як з'ясувалося в ході морфологічних
досліджень (Бобкова М., ПП), мають цефаліческімі
очима камерного типу, сітківка яких не містить фоторецепторів з
впорядкованим розташуванням мікровілл, що утворюють структури типу рабдоміом
комах або головоногих. У зв'язку з цим відсутність поляризаційною
чутливості у більшості цих видів черевоногих здається зрозумілим. Виключення
складає D. agreste. У цього виду слимаків поруч з основним оком є
додатковий - містить не лише додаткову сітківку, а й власний
кришталик, і саме цей вид в половині наших експериментів показав невипадкове
розподіл у просторі під дією поляризованого світла.
Опції
цього додаткового освіти точно не встановлені. Додаткова сітківка НЕ
містить пігментних клітин, а додатковий кришталик займає практично
весь обсяг внутрішньоочної порожнини (власні спостереження). Такі особливості
структури роблять неможливим виконання додатковим оком функції органу
зору. При цьому на ультратонких зрізах можна бачити, що мікровілли
фоторецепторів додаткової ретина розташовані щільно і впорядковано, утворюючи
геометрично правильну гексагональну структуру (Бобкова М.В., персональне
повідомлення). Цей факт наводить на думку про можливу роль додаткового очі
слимаків даного виду як аналізатора поляризованого світла. Хоча молюск
Littorina littoralis, здатний орієнтуватися в просторі з використанням
поляризованого світла [7, 8], взагалі не має додаткових оптичних
структур.
З
іншого боку, D. agreste - не єдиний вид наземних черевоногих, у
якого є додаткова сітківка. Слимаки спорідненого виду D.
reticulatum також мають додаткову сітківку, але у них відсутня
додатковий кришталик. Проведене нами тестування тварин цього виду в
циліндричної камері при чотирьох положеннях поляризатора (0 ° - вихідне положення,
90 °, 180 °, 270 °) показало випадковість розподілу молюсків в камері в кожному
випадку, що свідчить про відсутність у D. reticulatum поляризаційною
чутливості. Гіпотетично участь в аналізі положення е-вектора може
приймати і додатковий кришталик. Ми розглядали кришталики D. agreste,
витягнуті з порожнини додаткового очного келиха, що проходить в
поляризованому світлі. Однак нам не вдалося виявити анізотропію речовини
кришталика при зміні положення площини поляризації світлового потоку.
В
Насамкінець зазначимо наступне. Наземні брюхоногие молюски досліджених нами
видів, швидше за все, не використовують плоско поляризований світло для орієнтації в
просторі. Однак відсутність у тварини орієнтаційний реакції на стимул
ще не означає відсутності здатності його сприйняття. До того ж згадані
вище особливості будови сітківки додаткового очі D. agreste, так само як
і результати спостережень його поведінки, не дозволяють повністю відкинути думку
про наявність у цього слимака поляризаційною чутливості. З'ясування відповіді на
це питання, безсумнівно, вимагає додаткових досліджень.
Робота
виконана за фінансової підтримки гранту РФФМ № 00-04-48556.
Список літератури
1.
Винников Я.А. Еволюція рецепторів. Цитологічний, мембранний і молекулярний
рівні. Л.: Наука, 1979.
2.
Грібакін Ф.Г. Механізми фоторецепції комах. Л.: Наука, 1981.
3.
Грібакін Ф.Г., Шуколюков С.А. Механізми фоторецепції безхребетних//
Фізіологія зору/Под ред. А.Л. Бизов. М.: Наука, 1992. С. 59 - 109.
4. Batschelet E. Circular statistics
in Biology (Mathematics in biology). L.; New-York: Acad. Press, 1981.
5. Baylor E.R. The responses of
snails to polarized light// J. Exp. Biol. 1959. Vol. 36. № 2. P. 369 - 376.
6. Burdon-Jones C., Charles G.H.
Light reactions of littoral gastropods// Nature. 1958. № 4602. P. 129 - 131.
7. Charles G.H. The orientation of
Littorina species to polarized light// J. Exp. Biol. 1961. Vol. 38. P. 189 --
202.
8. Idem. The mechanism of
orientation of freely moving Littorina littoralis (L.) to polarized light// J.
Exp. Biol. 1961. Vol. 38. P. 203 - 212.
9. Idem. Orientational movements of
the foot of Littorina species in relation to the plane of vibration of
polarized light// J. Exp. Biol. 1961. Vol. 38. P. 213 - 224.
10. Cronin T.W., Shashar N. The
linearly polarized light field in clear, tropical marine waters: spatial and
temporal variation of light intensity, degree of polarization and e-vector
angle// J. Exp. Biol. 2001. Vol. 204. P. 2461 - 2467.
11. Tamamaki N., Kawai K.
Ultrastructure of the accessory eye of the giant snail, Achatina fulica
(Gastropoda, Pulmonata)// Zoomorfology. 1983. Vol. 102. P. 205 - 213.
12. Waterman T.H. Polarization
sensitivity// Handbook of Sensory Physiology/Ed. H. Autrum. Berlin;
Heidelberg; New-York: Springer-Verlag, 1981. Vol. VII/6B. P. 281 - 469.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elib.albertina.ru
