Микроскопическая анатомия гигантской вестиментиферы riftia pachyptila jones, 1980 (annelida: vestimentifera).
На правах рукописи
РИМСКАЯ-КОРСАКОВА Надежда Николаевна
МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ АНАТОМИЯ ГИГАНТСКОЙ ВЕСТИМЕНТИФЕРЫ
RIFTIA PACHYPTILA JONES, 1980 (ANNELIDA: VESTIMENTIFERA).
Специальность 03.02.04 – зоология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата биологических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре зоологиии беспозвоночных Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Научный руководитель: чл.-кор. РАН, профессор Малахов Владимир Васильевич
Научный консультант: доктор биологических наук Галкин Сергей Владимирович Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
Официальные оппоненты: доктор биологических наук Бритаев Темир Аланович Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова Российской академии наук доктор биологических наук Жирков Игорь Александрович Кафедра гидробиологии Биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Ведущая организация: Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Зоологический институт Российской академии наук
Защита диссертации состоится 13 февраля 2012 года в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.20 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, ауд. М-1.
Факс: 8(495)939-17-46;
Е-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан 12 января 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор И.Р. Бёме
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Открытие уникальной фауны гидротермальных зон Мирового океана явилось одним из наиболее важных событий в биологии последних десятилетий. Вестиментиферы – это одна из самых характерных групп гидротермальных организмов, своего рода «визитная карточка» гидротермальных сообществ, вызывали и вызывают большой интерес биологов самых разных специальностей как организмы, лишенные пищеварительной системы и существующие исключительно за счет симбиоза с хемоавтотрофными бактериями.
Вестиментиферы принадлежат к числу видов-эдификаторов гидротермальных сообществ, особенно в рифтовых зонах Тихого океана. Они образуют поселения с большими биомассами, характеризуются быстрым ростом и высокой продукцией и играют важнейшую роль в экологии гидротермальных сообществ Тихого океана.
Riftia pachyptila – первая описанная из гидротермали вестиментифера – имеет исполинские размеры, достигая 2,5 м длины трубки и 1,5 м длины самого червя при толщине около 5 см. Это один из самых крупных представителей беспозвоночных животных, к тому же образующий поселения высокой плотности на глубинах в несколько тысяч метров, что привлекает к этому виду большое внимание исследователей. R. pachyptila и другие вестиментиферы интенсивно изучались в последние десятилетия физиологами, биохимиками, микробиологами, молекулярными биологами. На этом фоне исследования морфологии и анатомии вестиментифер заметно отстают от изучения их физиологии и биохимии. Морфология и анатомия R. pachyptila известны только по ранним работам, выполненным в первые годы после описания этого вида (см. Jones, 1980, 1985;
Gardiner, Jones, 1993).
Систематическое положение R. pachyptila и вестиментифер вообще вызывало многочисленные споры. За последние два с половиной десятилетия вестиментиферы проделали стремительную антикарьеру: их таксономический ранг упал с типа до подсемейства, хотя последняя точка зрения разделяется далеко не всеми исследователями. К сожалению, эти изменения в систематическом положении вестиментифер не сопровождаются переисследованиями их морфологии и анатомии, и это в полной мере относится и к гигантской вестиментифере. Все это делает актуальным полное переисследование микроскопической анатомии R. pachyptila с детальной реконструкцией строения всех систем органов этого животного.
Цели и задачи исследования. Целью нашей работы является полное описание морфологии и микроскопической анатомии вестиментиферы R. pachyptila. Для решения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) провести морфометрическое исследование червей R. pachyptila с тем, чтобы охарактеризовать рост и сравнить морфологию R. pachyptila, собранной на разных местообитаниях Восточно-Тихоокеанского поднятия;
2) описать микроскопическую анатомию покровов, нервной системы, мускулатуры, целома, выделительной системы, кровеносной системы, трофосомы и половой системы и выполнить детальные реконструкции организации систем органов;
3) провести сравнение полученных оригинальных данных по строению R.
pachyptila с тем, что было известно об организации этого червя, а также с данными по другим вестиментиферам и в отношении ряда систем органов, – с данными по погонофорам Frenulata и типичным полихетам.
Научная новизна. Впервые детально исследована морфология трубок R.
pachyptila разного размера и показано, что она меняется в зависимости от возраста червя. Выявлены отличия трубок R. pachyptila в разных местообитаниях. Сделаны дополнения к описаниям внешней морфологии мягкого тела, впервые исследованы закономерности аллометрического роста, показаны морфометрические отличия особей разных местообитаний. Переисследована морфология щупальцевого аппарата, обнаружены рудиментарные защитные структуры, выявлены сходства щупальцевого аппарата R. pachyptila с таковым вестиментифер группы Tevniida. Впервые для вестиментифер выполнены трехмерные реконструкции организации нервной системы, описаны детали внутреннего строения мозгового ганглия, проведено сравнение организации нервной системы вестиментифер и типичных аннелид.
Обнаружены новые группы мышц вестиментального отдела R. pachyptila. Показано, что рудименты пищеварительного тракта и околокишечный целом сохраняются у относительно крупных особей размером до 79, 8 мм. Исправлены и дополнены ранее опубликованные (см. Schulze, 2001b) сведения по анатомии выделительной системы R. pachyptila. Дополнены сведения по строению кровеносной системы, описаны новые органы кровоснабжения половой системы («rete mirabile»), впервые для вестиментифер выполнены трехмерные реконструкции организации сосудов щупальцевого аппарата и обнаружены ранее неизвестные базальные щупальцевые сосуды. Впервые показано, что трофосома R. pachyptila состоит из продольно ориентированных переплетающихся тяжей. Впервые дано полное детальное описание половой системы самцов и самок R. pachyptila.
Теоретическое и практическое значение. Полное описание морфологии и микроскопической анатомии R. pachyptila позволяют на новом уровне провести сравнение организации вестиментифер с таковой типичных аннелид и тем самым уточнить систематическое положение вестиментифер. Данные по сравнению R.
из разных местообитаний важно для понимания эволюции pachyptila гидротермальных организмов в пределах рифтовых систем. Наглядные реконструкции систем органов и данные по возрастной и географической изменчивости R. pachyptila могут быть использованы при разработке новых учебных курсов по зоологии беспозвоночных и морской биологии.
Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на 1ом и 2ом Международных конгрессах по морфологии беспозвоночных (Копенгаген, Дания, 2008, Бостон, США, 2011);
10-ой Международной конференции по полихетам (Лечче, Италия, 2010);
на семинаре «Siboglinidae: модельная группа для понимания эволюции, адаптивной радиации, микробиологического симбиоза и экологии экстремальных местообитаний» (Гонолулу, США, 2008);
на Международной конференции по проблемам эволюционной морфологии животных, посвященной 100 летию со дня рождения академика А.В.Иванова (Санкт-Петербург, 2006);
на Международной школе конференции по проблемам эволюционной морфологии животных, посвященной 105-летию со дня рождения академика А.В.Иванова (Санкт Петербург, 2011);
14-ой Международной пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2010), на семинаре кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ (Москва, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из них статьи в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК, и 8 тезисов конференций.
Структура и объем. Диссертация изложена на 271 странице печатного текста.
Текст работы состоит из следующих разделов: «Введение», «История изучения вестиментифер», «Материалы и методы», «Результаты и обсуждение», представленные 11-тью частями, «Заключение», «Выводы», «Благодарности» и «Список цитируемой литературы». Список цитированной литературы включает источника, из которых 38 – на русском языке и 254 – на иностранных языках.
Приложение содержит 78 рисунков и 2 таблицы.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю чл.-кор., профессору В.В. Малахову и научному консультанту д.б.н.
С.В. Галкину (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, далее ИО РАН) за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы;
д.б.н. А.В. Гебруку, к.б.н.
Л.И. Москалеву и всем сотрудникам лаборатории Донной фауны океана ИО РАН за помощь, ценные советы и предоставление возможности работы с бесценным материалом;
проф. А.Б. Цетлину за критические замечания к первому варианту рукописи;
д.б.н. Е.Н. Темеревой и к.б.н. Л.Ю. Русину за помощь в освоении методов трехмерной реконструкции;
к.б.н. С.В. Огурцову за консультации и помощь в проведении морфометрического анализа;
к.б.н. Г.П. Сальковой, О.И. Матюхиной, к.б.н. И.А. Косевичу, Н.П. Карасевой, всем сотрудникам и аспирантам кафедры зоологии беспозвоночных МГУ;
к.б.н. Е.В. Ворцепневой, А.И. Исаченко, к.б.н. Д.Н.
Кулагину (ИО РАН), к.б.н. П.Ю.Дгебуадзе (Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН) за помощь в оформлении работы. Автор благодарит друзей и родных за терпение, помощь и поддержку.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ В этой главе описана история открытия и изучения гидротермальных сообществ, история изучения систематики, морфологии и биологии вестиментифер.
Рассмотрены проблемы филогении Vestimentifera и Siboglinidae, взгляды на современное положение вида Riftia pachyptila.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Материал. В работе изучены экземпляры вестиментиферы Riftia pachyptila, собранные с трех гидротермальных районов Восточной части Тихого океана:
котловины Гуаймас в Калифорнийском заливе (27 с.ш. Восточно-Тихоокеанского поднятия (далее ВТП)), в районах «21 с.ш. ВТП» и «9 с.ш. ВТП» (Рис. 1).
Черви из бассейна Гуаймас собраны во время 12-го и 49-го рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш» (далее «АМК») при помощи глубоководных обитаемых аппаратов (ГОА) «Пайсис» и «Мир», соответственно. В районе «21 с.ш.
ВТП» вестиментиферы подняты при помощи ГОА «Мир» во время 22-го и 49-го рейсов «АМК», в районе «9 с.ш. ВТП» – во время 49-го рейса НИС «АМК». Всего измерено и обработано 263 особи R. pachyptila из коллекции Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
Рис. 1. Карта-схема сборов материала с указанием номеров станций.
Морфометрия. Экземпляры из 3-х местонахождений были измерены для проведения морфометрического исследования. Были измерены следующие параметры: диаметр устья и длина трубки, полная длина червя, полная длина каждого отдела тела, диаметр вестиментального отдела, количество сегментов опистосомы.
Длина каждого отдела измерялась по вентральной стороне червей. Граница между вестиментальным и туловищным отделами определялась по месту слияния парных нервных стволов. Были произведены подсчеты числа щупальцевых ламелл и сегментов опистосомы. Пол исследованных червей был определен по наличию или отсутствию генитальных бороздок.
Регрессионные кривые были построены с помощью программного обеспечения Curve Expert 1.3 (Copyright (c) 1995–2003 Daniel Hyams). Это обеспечение позволяет построить нелинейные регрессии с помощью метода Левенберга-Макарда («Levenberg-Marquardt Подробное описание метода приведено в method»).
руководстве к программе Curve Expert 1.3. Данные измерений были обработаны по методу линейных регрессий в той же программе Curve Expert 1.3. Были построены прямые трендов, позволяющие наглядно выявить различия выборок по сравниваемым параметрам. Были вычислены среднеквадратическая ошибка (S) и коэффициент корреляции (r), которые использовались как критерии качества (пригодности) регрессионных кривых. Были выбраны кривые с наименьшей среднеквадратической ошибкой и наибольшим коэффициентом корреляции.
Анатомия, гистология и микроскопическая анатомия. Для анатомического описания использован экземпляр с длиной тела 880 мм, зафиксированный в 4% формалине. Материалом для гистологических и микроанатомических исследований послужили 6 особей с длиной тела от 8,3 до 308 мм. Животные были зафиксированы в жидкости Буэна. До начала гистологической обработки животные хранились в 70% спирте. Фотографии внешнего вида сделаны с помощью фотокамеры бинокуляра Leica (МГУ), фотокамер Nikon (ИО РАН) и Canon Power Shot S90.
Для изучения строения была применена стандартная гистологическая методика (обезвоживание в спиртах, пропитка парафином/ парапластом/ гистоваксом и разложение на сагиттальные и поперечные срезы толщиной 5 и 7 мкм). Срезы изготовлены на ротационном микротоме RM2125 фирмы Leica, окрашены гематоксилином Караччи, зарисованы и сфотографированы с помощью камеры AxioCam HRm, установленной на микроскопе “AXIOPLAN-2-imaging” фирмы Zeiss.
Фотографии и графические рисунки обработаны при помощи программных обеспечений Adobe Photoshop 7.0 и Adobe Illustrator CS4 (Adobe Systems Incorporated).
Трехмерные реконструкции. Трехмерные реконструкции внутреннего строения вестиментиферы R. pachyptila сделаны на основе двумерных изображений поперечных срезов с помощью программного обеспечения 3D-DOCTOR 3.5. (Able Software Corporation of Lexington, США) на платформе Windows XP. Двумерные изображения срезов получены при помощи фотокамер, установленных на микроскопе «AXIOPLAN-2-imaging» (в случае строения мозга) и бинокуляре Leica (в остальных случаях). В программе 3D-DOCTOR на двумерных изображениях разными цветами очерчены границы объектов. На основе выделенных границ получены трехмерные модели поверхностей объектов (“Сomplex” и “Simple Surface Rendering”). В случае сложной (“Complex”) визуализации поверхности объектов применена функция разглаживания поверхности для более естественного восприятия объектов.
Посредством интерактивных возможностей программы изучены и описаны сложные и скрытые детали строения мозга. При получении более наглядного зрительного восприятия объектов применены фильтры прозрачности и цветовые и световые эффекты. Некоторым объектам придана сетчатая текстура. Трехмерные изображения объектов при подходящих ракурсах сохранены и обработаны в программном обеспечении Adobe Photoshop 7.0 (Adobe Systems Incorporated).
Исследование на сканирующем электронном микроскопе. После фиксации в жидкости Буена экземпляр R. pachyptila с длиной тела 10,5 мм обезвожен по стандартной методике с применением серии спиртов возрастающей концентрации и ацетона. После этого образец высушен методом перехода критической точки, монтирован на предметном столике и после напыления платино-палладиевым сплавом изучен на сканирующем микроскопе Jeol JSM-638OLA, принадлежащим Межкафедральной лаборатории электронной микроскопии МГУ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Трубки Изучены трубки 123 экземпляров Riftia pachyptila из трех местообитаний, указанных в разделе «Материалы и методы». Длина трубок колебалась от 3 мм до 1666 мм. Впервые показано, что трубки R. pachyptila меняются с возрастом.
Ювенильные трубки гибкие, гладкие и цилиндрической формы (рис. 2А, стадия 1).
Именно такое описание трубок R. pachyptila приводится в диагнозе рода и вида (Jones, 1985). У червей старшего возраста диаметр трубки меняется по ее длине:
наибольший диаметр – в средней части трубки, диаметр трубки уменьшается к переднему и заднему концам (рис. 2А, стадия 6). Наибольшая толщина и жесткость трубок наблюдается в средней части. Трубки имеют слоистое строение. Самое большое количество отмечено в средней и задней частях трубки, а наименьшее – на переднем конце. Наружный рельеф взрослых трубок представлен кольцевыми структурами, продольными ребрышками и наростами. В задней части трубки имеются поперечные перегородки.
А Б Рис. 2. А: последовательность стадий роста трубок R. pachyptila, подробности в тексте. Б:
трендовые прямые зависимости диаметра устья трубки от длины червя из разных местообитаний. n означает число червей, использованных для построения кривых.
Отсутствие остатков ювенильных трубок на заднем конце взрослых трубок, можно объяснить особым механизмом роста трубок в длину и ширину (рис. 2А).
Червь растет в длину и в ширину, занимая свободное пространство трубки (стадия 1).
Затем червь частично растворяя, растягивает стенки тесной трубки и одновременно откладывает материал нового слоя трубки (стадии 2 и 3). Далее цикл повторяется вновь.
Наши исследования показали, что трубки из разных R. pachyptila местообитаний отличаются по диаметру (рис. 2Б). Рост трубок в длину во всех изученных местообитаниях происходит с одинаковой скоростью, тогда как диаметр устья – с разной: черви из котловины Гуаймас имеют более тонкие и вытянутые трубки по сравнению с трубками с двух гидротермальных районов ВТП.
Внешняя морфология Тело (как и всех вестиментифер) подразделяется на R. pachyptila вестиментальный отдел, несущий щупальцевый аппарат, туловище и опистосому (рис. 3А). В процессе роста особей R. pachyptila показано, что щупальцевый, вестиментальный и туловищный отделы на первых порах растут изометрически, затем рост сменяется на аллометрический (рис. 3Б). Опистосома раньше остальных отделов перестает расти, что связано с тем, что она служит только для прикрепления червя внутри трубки. Туловищный отдел растет аллометрически с опережением, что связано с тем, что в этом отделе происходит мощное развитие трофосомы (органа симбиотрофного питания). Впервые проведено сравнение особей R. pachyptila с разных местообитаний. Показано, что черви из гидротерм котловины Гуаймас отличаются от червей с гидротерм открытого океана («9°с.ш. ВТП», «21°с.ш. ВТП») наличием более узкого вестиментального отдела и более вытянутым обтюракальным отделом, что связано с необычными условиями гидротермальных источников в бассейне Гуаймас.
А Б Рис. 3. А: изменение пропорций отделов тела с ростом R. pachyptila. В процентах указаны отношения каждого отдела тела от длины червя на примере самого мелкого и самого крупного из изученных целых червей с длинами тела 7,3 и 1007,5 мм. Черви изображены с брюшной стороны. Б:
зависимости размеров отделов тела от длины червя (выборка червей из бассейна Гуаймас).
У нескольких мелких экземпляров R. pachyptila задневентральный край вестиментума оказался рассечен на две лопасти. Состояние этого края обычно используется систематиками в такономических ревизиях. Наша находка говорит об изменчивости этого признака у группы Tevniidae, что необходимо учитывать при таксономических исследованиях.
Щупальцевый аппарат Необычное строение щупальцевого отдела R. pachyptila дало Джонсу (Jones, 1985a) основание выделить этот вид в отдельный таксон, противопоставив его всем остальным вестиментиферам (ламеллы рифтии расположены перпендикулярно оси тела, а остальных вестиментифер – параллельно). Работы молекулярных биологов предлагают включить R. pachyptila в состав таксона гидротермальных вестиментифер Tevniida (Halanych, 2005).
А Б Рис. 4. А: схема организации щупальцевого отдела R. pachyptila (слева) и всех остальных вестиментифер (справа) на фронтальных срезах. Б: кутикулярные лепестки на передних поверхностях обтюракул ювенильных R. pachyptila.
При переисследовании организации щупальцевого отдела гигантской вестиментиферы R. pachyptila оказалось, что щупальцевые ламеллы берут начало на уровне мозга и идут вперед параллельно оси тела червя, что совпадает с планом строения щупальцевого аппарата других вестиментифер (рис. 4А). Особенность организации щупальцевого аппарата состоит в наличии R. pachyptila вестиментальных выростов, в толще которых проходят афферентные и эфферентные сосуды. Таким образом, отличия в строении щупальцевого аппарата R. pachyptila от других представителей Tevniida (и Vestimentifera) меньше, чем предполагалось ранее.
Это позволяет сближать R. pachyptila с вестиментиферами из группы Tevniida.
Своеобразное строение щупальцевого отдела R. pachyptila является приспособлением, позволяющим увеличивать число щупалец.
У ювенильных особей обнаружены защитные кутикулярные образования на переднем конце обтюракулярных лопастей в виде стержня и серии лепестков (лепестки изображены на рис. 4Б). У взрослых R. pachyptila никогда не бывает защитных образований на обтюракулах. Возможно, наличие защитных образований у некоторых ювенильных особей следует рассматривать как рекапитуляцию предкового состояния – наличие стержней и лепестков на передних поверхностях обтюракул. В этой связи интересно отметить, что взрослые особи других видов (для которых наличие защитных образований – типичный признак) нередко утрачивают кутикулярные структуры (Andersen et al., 2004).
Обтюракулы рассматриваются как уникальные структуры для Vestimentifera.
Природа их неясна (Southward, 1988;
Иванов, 1989;
Jones, Gardiner, 1989). В нашей работе выявлены некоторые черты сходства обтюракул вестиментифер с дорзальными губами полихет, строение которых показано в работе Товар-Хернандес и Соса-Родригес (Tovar-Hernndez, Sosa-Rodrguez, 2006). И те, и другие появляются в развитии как парные выросты передней поверхности тела в центре круга, образованного двумя симметричными полукругами щупалец. В толще обтюракул вестиментифер и дорзальных губ полихет (заполненных соединительной тканью сходного гистологического строения) проходят целомические полости, содержащие слепозамкнутые кровеносные сосуды, отходящие от дорзального сосуда.
Покровы Строение покровов R. pachyptila отвечает общему типу характерному для остальных вестиментифер. Среди эпидермальных структур R. pachyptila выделяются кутикулярные папиллы, которые за счет своей мускулатуры обеспечивают скольжение червя внутри трубки (папиллы уникальны для группы «Siboglinidae»);
грушевидные железы, участвующие в формировании трубки (имеются у всех «Siboglinidae» и похожи на тубипарные железы полихет Sabellidae и Serpulidae, Мейер 1893);
вентральное ресничное поле (имеется у всех «Siboglinidae», может быть сопоставлено с невротрохом, характерным для ювенильных форм полихет и для мелких мейобентосных взрослых представителей этой группы).
Нервная система Переисследована нервная система R. pachyptila с использованием методов трехмерной реконструкции, что позволило выявить новые особенности ее строения (рис. 5). В пределах мозга выявлены структуры, которые можно трактовать как надглоточный и подглоточный ганглии (рис. 5А, 5Б). Таким образом мозг вестиментифер (рис. 5Г) представляет собой результат слияния над- и подглоточного ганглиев полихет. Внутри мозга выявлены продольные нервные тракты, дорзальная, над- и подкишечная комиссуры (рис. 5В), прослежены продольные и вертикальные пучки мозга, выявлены иннервация щупалец и обтюракул (рис. 5Д). В самом общем виде можно гомологизировать дорзальную и супраэнтеральную комиссуры мозга вестиментифер с дорзальной и вентральной парами комиссур надглоточного ганглия типичных аннелид (рис. 6). Продольные нервные тракты в мозге вестиментифер соответствуют окологлоточным коннективам полихет. Отмечено сходство иннервации щупалец R. pachyptila с таковой перистомиальных пальп полихет.
Иннервация обтюракул подтверждает предположение о том, что обтюракулы гомологичны парным выростам фронтальной поверхности переднего конца тела, развившимся независимо от щупалец.
Рис. 5. Трехмерные реконструкции мозга R. pachyptila. А: вид спереди. Б, В, Г: вид слева. Д:
вид сверху, слева. Ребро куба составляет 255 мкм.
Вентральный нервный ствол в вестиментуме в области вентрального ресничного поля разделяется на две составляющие, которые связаны многочисленными и неупорядоченными комиссурами. Обнаружены многочисленные боковые нервы, отходящие от вентрального нервного ствола в вестиментуме и туловище. В опистосоме в каждом сегменте от нервного ствола отходит по одной паре сегментарных нервов.
Отличия нервной системы вестиментифер и френулятных погонофор состоят в том, что у вестиментифер имеется более крупный и сложно дифференцированный мозг, что, несомненно, связано с развитием более сложного щупальцевого аппарата.
У вестиментифер гигантские аксоны доходят до границы туловища с опистосомой, а у френулят только до поясков. Это связано с тем, что вестиментиферы заякориваются с помощью щетинок опистосомы, а френуляты – щетинок поясков. У френулят наблюдается большая ганглионизация в опистосоме, что, объясняется большей подвижностью опистосомы, которая высовывается из заднего конца трубки и закапывается в грунте.
А Б В Рис. 6. Происхождение «мозга» вестиментифер. А: надглоточный и подглоточный ганглии полихет (по Orrhage, Mller, 2005). Б: гипотетическое переходное состояние. В: «мозг»
вестиментифер.
Организация туловищной нервной системы вестиментифер и погонофор сравнима с нервной системой аннелид, но не с наиболее распространенным вариантом (в виде типичной брюшной нервной цепочки), а с такой (возможно, более примитивной) организацией, которая свойственна, например, Oweniidae.
Мускулатура Общий план строения мышечной системы R. pachyptila соответствует таковому ранее изученных вестиментифер: в стенке тела вестиментума, туловища и опистосомы имеются слои кольцевой и продольной мускулатуры. Сильнее всего развита мускулатура в вестиментальном отделе, что необходимо для обеспечения активных движений переднего конца животного, несущего щупальцевую крону.
Ранее неизвестной чертой мышечной системы R. pachyptila является то, что в вестиментуме обнаружен внутренний слой кольцевой мускулатуры и мышцы дна вестиментальной полости (поперечные и радиальные), участвующие в движении вестиментальных крыльев. Продольная мускулатура туловищного отдела представлена перьевидными мышцами, что вызвано необходимостью увеличения мощности продольных мышц в этом отделе для втягивания тела внутрь трубки. По сравнению с крупными вестиментиферами у мелких и тонких френулятных погонофор мышечная система, несмотря на сходную общую организацию, выражена слабее, перьевидая мускулатура отсутствует.
Целом Расчленение целомов Riftia и других вестиментифер соответствует общему расчленению тела. Из интересных особенностей организации целомической системы R. pachyptila отметим, что у особей с длиной тела до 79,8 мм в вестиментальном отделе сохраняется околокишечный целом, пересеченнный клетками рыхлой соединительной ткани и вмещающий рудиментарную кишечную трубку. В настоящее время, погонофоры и вестиментиферы рассматриваются как одна из групп многощетинковых червей (Rouse, Fauchald, 1997;
Halanych, 2005), поэтому правомочно попытаться провести сравнение целомического аппарата вестиментифер с таковым полихет. Легче всего сравнивать с полихетами организацию опистосомы, которая состоит из большого числа укороченных сегментов. Каждый сегмент опистосомы отделен от соседних хорошо выраженными диссепиментами, также как это характерно для сегментов типичных кольчатых червей. Целом туловищного отдела представляет собой целом единственного удлиненного сегмента.
Относительно природы целомов вестиментального отдела можно рассматривать два варианта. Согласно первому, весь вестиментальный отдел – это вытянутый в длину перистомиум, передняя часть целома которого заходит в щупальца и обтюракулы. В пользу этого варианта свидетельствует то, что околокишечный целом тянется вдоль всего вестиментального отдела. Согласно второму варианту целом щупалец и обтюракул вместе с передней частью периваскулярного целома (до сердца) соответствует целому перистомиума, а задний периваскулярный целом (после сердца) соответствует целому второго сегмента. В последнем случае мышечная обкладка сердца отвечает диссепименту между целомами перистомиума и первого сегмента.
Выделительная система Результаты нашего исследования вносят существенные поправки в ранее опубликованные сведения о строении этой системы органов у R. pachyptila (см.
Schulze, 2001b). По нашим данным выделительная система R. pachyptila состоит из выделительного дерева, образующего длинный апикальный вырост, двух пар протоков и парных каналов, которые открываются наружу двумя отверстиями, расположенными впереди мозга (по данным Schulze, 2001b, – позади мозга). У Riftia, как у остальных гидротермальных вестиментифер, экскреторные поры расположены на папиллах. В отличие от остальных гидротермальных видов у Riftia нет крупных выделительных мешков (как описывает Schulze, 2001b), но есть небольшие слепые карманы, которые к тому же располагаются позади мозга и выделительного дерева.
Выделительное дерево представляет собой массу слепо замкнутых канальцев, плотно примыкающих к стенкам венозного синуса и обтюракальным целомам. Мы предполагаем, что у R. pachyptila (и у других вестиментифер) ультрафильтрация жидкости происходит из крови через экстраклеточный матрикс в просвет канальцев дерева, откуда она поступает в выделительный канал благодаря биению ресничек в канальцах и протоках. По нашим результатам, можно предполагать, что у вестиментифер (и френулятных погонофор) замкнутые канальцы дерева представляют собой либо протонефридии, либо дивертикулы целомодукта, который утратил типичную воронку в связи с тем, что полость тела содержит гемоглобин, и сохранение ресничных воронок, дренирующих полость тела, приводило бы к потере гемоглобина.
Кровеносная система В состав кровеносной системы R. pachyptila входят следующие компоненты:
дорзальный кровеносный сосуд, на котором располагается сердце и внутри которого тянется интраваскулярное тело, сосуды щупальцевого аппарата, слепые сосуды обтюракул, клапанный синус, вентральный кровеносный сосуд, сосуды вестиментального отдела, сосуды трофосомы, сосуды половой системы (у самок) и опистосомы.
А Б В Рис. 7. Трехмерные реконструкции кровеносной системы основания щупальцевого аппарата R. pachyptila. А: вид слева. Б: вид спереди. В: вид сзади, слева. Длина оси составляет 0,4 мм.
Использование метода трехмерной реконструкции позволило выявить ранее неизвестные черты строения кровеносной системы R. pachyptila (рис. 7). Считалось, что у всех вестиментифер общие щупальцевые сосуды ориентированы базально, кроме Riftia, у которой эти сосуды ориентированы аксиально (см. Jones, 1985). Как оказалось, в кроне Riftia совмещены обе системы сосудов, т.е. кровь идет в щупальца и по аксиальным сосудам, и по более слабо развитым базальным сосудам (рис. 7Б, 7В). Однако базальные сосуды развиты слабо, и само их наличие отражает исходное для вестиментифер предковое состояние. Наличие аксиальных сосудов связано с крупными размерами тела Riftia, для обеспечения которого кислородом и сероводородом необходимо большее количество щупалец.
В целом организация кровеносной системы у R. pachyptila имеет ряд особенностей, связанных с аномально крупными размерами этого животного. В вестиментальном отделе хорошо развита лакунарная система, в т.ч. вентральная лакуна, подстилающая брюшное ресничное поле, и слепозамкнутые синусы, дренирующие мозг. В туловищном отделе самок имеется разветвленная сеть сосудов, питающих гонады (так называемая «rete mirabile»). Для обеспечения кровотока по многочисленным сосудам развивается мощная мышечная обкладка мезентериального сосуда в туловищном отделе и дорзального сосуда в опистосоме. В туловищном отделе необычно сложное строение имеет брюшной кровеносный сосуд, снабженный специальной кровеносной обкладкой, через которую кровь из брюшного сосуда попадает в многочисленные приносящие сосуды трофосомы. На основе особенностей строения интраваскулярного тела высказана гипотеза о том, что оно сформировалось как впячивание и последующее разрастание участка стенки дорзального сосуда.
Трофосома Благодаря возможности анатомирования крупных R. pachyptila оказалось, что трофосома построена из переплетающихся продолговатых тяжей, ориентированных преимущественно вдоль оси тела и одетых общей мышечной обкладкой. Ранее этот орган описан только по поперечным срезам, на которых эти тяжи выглядят в виде отдельных долек. В центре каждой дольки проходит осевой кровеносный сосуд, принимающий радиальные сосуды, связанные с периферическим сосудистым плексусом (рис. 9А). Толща дольки образована клетками-бактериоцитами, представляющими собой клетки целотелия сети кровеносных сосудов. В пределах дольки клетки располагаются тремя ярусами: центральные базофильные (лишенные бактерий) клетки вокруг аксиального сосуда, средний ярус образованный бактериоцитами с бактериальным телами и периферический слой клеток (лишенный бактерий), одевающий дольку снаружи.
Половая система Ранее эта система не была как-либо описана для R. pachyptila. Парные половые целомы самок Riftia (выполняющие роль яичников), тянутся вдоль всего туловищного отдела. С внешней средой они сообщаются гонодуктами, которые открывается парными воронками в самых задних частях половых целомов.
А Б Рис. 8. А: Кровоснабжение трофосомы. Б: половая система R. pachyptila.
Гонодукты проходят по всей длине туловищного отдела и открываются в его передней части на дорзальной стороне тела. Как оказалось, правый половой целом Riftia короче левого, и таким образом, женская половая система обнаруживает диссиметрию, не отмеченную в исследованиях других авторов (Gardiner, Jones, 1993).
Герминативный эпителий в виде продольного тяжа пролегает на вентральной стенке полового целома. Питание ооцитов обеспечивается сетью кровеносных сосудов («rete mirabile»), развитой в задней части половых целомов.
Симметричные половые целомы самцов R. pachyptila тянутся вдоль всего туловищного отдела. Герминативный эпителий выстилает изнутри боковые поверхности половых целомов и семенные трубочки, представляющие собой разрастания половых целомов, прилегающие к долькам трофосомы. В передней трети половых целомов пролегают ресничные гребни, которые переходят в гонодукты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Оценивая организацию в сравнении с другими Riftia pachyptila вестиментиферами, можно заключить, что целый ряд особенностей в строении систем органов этого животного связан с его исполинскими размерами: это относится и к организации трубки, и к строению щупальцевого аппарата, его кровоснабжению, к наличию необычных черт строения кровеносной системы в теле (кровеносные лакуны, кровеносная обкладка вентрального сосуда), мощные мышечные обкладки сосудов, большое число перикарионов, дающих начало гигантским нервным волокнам, особое кровоснабжение растущих ооцитов, и другие особенности.
Детальное исследование микроскопической анатомии R. pachyptila позволило выявить некоторые не известные ранее особенности строения, сближающие вестиментифер и полихет. Это касается строения обтюракул (которые могут быть сравнены с дорзальными губами седентарных полихет), а также организации нервной системы вестиментифер, в которой выявлены гомологи надглоточного и подглоточного ганглиев и ряд внутримозговых структур, сходных с таковым типичных полихет.
ВЫВОДЫ 1. Морфология трубок и мягкого тела Riftia pachyptila существенно меняется с возрастом. Отмечено, что у части молодых особей R. pachyptila задневентральный край вестиментума разделен на две лопасти, что можно рассматривать как своеобразный атавизм (повторение предкового состояния, характерного для Lamellibrachia). Показано, что рост R. pachyptila на ранних этапах (до 200 мм) происходит изометрически, затем аллометрически. Опистосома раньше других отделов замедляет свой рост. Для туловищного отдела характерен опережающий рост, что связано с развитием в этом отделе тела половой системы и трофосомы.
Морфология трубок и пропорции тела R. pachyptila из разных районов Тихого океана существенно различаются.
2. У ювенильных особей R. pachyptila на переднем конце обтюракальных лопастей обнаружены ранее неизвестные защитные кутикулярные образования в виде стержня и серии лепестков. Как оказалось, отличия в строении щупальцевого аппарата R. pachyptila от других представителей Tevniida меньше, чем предполагалось ранее, в частности, щупальцевые ламеллы R. pachyptila берут начало на уровне мозга и идут вперед параллельно оси тела червя (как у других вестиментифер), становятся свободными и отгибаются на разных уровнях. Выявлены черты сходства микроскопической анатомии обтюракул вестиментифер с дорзальными губами полихет.
3. В нервной системе R. pachyptila выявлены гомологи надглоточного и подглоточного ганглиев и ряд внутримозговых структур, сходных с таковым типичных полихет (продольные нервные тракты – гомологи окологлоточных коннектив, дорзальная, над- и подкишечная комиссуры). Отмечено сходство иннервации щупалец R. pachyptila с таковой перистомиальных пальп полихет. В мозге мелких особей обнаружены 2 пары гигантских перикарионов (все другие вестиментиферы содержат 1 пару). В вестиментуме и туловищном отделе обнаружены многочисленные боковые нервы, отходящие от вентрального нервного ствола. Организация туловищной нервной системы вестиментифер сравнима с нервной системой аннелид, но не с ее наиболее распространенным вариантом (в виде типичной брюшной нервной цепочки), а с примитивной организацией полихет семейства Oweniidae.
4. У особей с длиной тела до 79,8 мм в вестиментальном отделе обнаружен околокишечный целом, вмещающий рудиментарную кишечную трубку. Расчленение целома Riftia и других вестиментифер соответствует общему расчленению тела, при этом целом туловищного отдела может рассматриваться как целом единственного удлиненного сегмента. Вестиментальный отдел может рассматриваться как вытянутый в длину перистомиум, либо объединение перистомиума и первого сегмента. В последнем случае мышечная обкладка сердца отвечает диссепименту между целомами перистомиума и целомом первого сегмента.
5. Выделительная система R. pachyptila состоит из выделительного дерева, парных протоков и парных каналов, которые открываются наружу двумя отверстиями, расположенными впереди мозга. Выделительное дерево располагается позади мозга и образует длинный апикальный вырост, проникающий в массу мозга. В отличие от остальных гидротермальных видов у Riftia нет крупных выделительных мешков.
6. Особенностью кровеносной системы R. pachyptila является наличие хорошо развитой вентральной кровеносной лакуны, подстилающей брюшное ресничное поле, и слепозамкнутых синусов, дренирующих мозг. В туловищном отделе обнаружена разветвленная сеть сосудов, питающих гонады (так называемая «rete mirabile»).
Брюшной кровеносный сосуд снабжен специальной кровеносной обкладкой, через которую кровь попадает в многочисленные приносящие сосуды трофосомы. В щупальцевой кроне R. pachyptila помимо ранее известных аксиальных сосудов обнаружены еще особые базальные сосуды, расположение которых отвечает плану строения щупальцевых сосудов других вестиментифер.
7. Впервые детально описана половая система самок и самцов R. pachyptila.
Парные половые целомы самок (выполняющие функции яичников), сообщаются с внешней средой гонодуктами, которые открываются парными воронками в самых задних частях половых целомов, при этом правый половой целом короче левого.
Половые целомы самцов R. pachyptila симметричны. Герминативный эпителий выстилает изнутри боковые поверхности половых целомов и семенных трубочек, представляющих собой разрастания половых целомов, прилегающих к долькам трофосомы. В передней трети половых целомов самца пролегают ресничные гребни, которые переходят в гонодукты.
8. Сравнение R. pachyptila с другими исследованными в анатомическом отношении вестиментиферами позволяет заключить, что целый ряд особенностей в строении систем органов этого вида связан с его исполинскими размерами.
СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Римская-Корсакова Н.Н., Малахов В.В. Организация щупальцевого отдела вестиментиферы Riftia pachyptila, Jones, 1981 (ANNELIDA, VESTIMENTIFERA) // Доклады Академии Наук, 2010. №433 (2). – С. 279–282.
2. Римская-Корсакова Н.Н., Малахов В.В., Галкин С.В. Строение щупальцевого отдела вестиментиферы Riftia pachyptila (Polychaeta, Vestimentifera) // Зоологический журнал, 2011. № 90 (3). – С. 259–271.
3. Римская-Корсакова Н.Н.Организация ювенильных особей вестиментиферы Riftia pachyptila Jones, 1981//Международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения акад. А.В. Иванова. Санкт-Петербург. 2006. – С. 101–102.
4. Римская-Корсакова Н.Н. Детали организации щупальцевого отдела гидротермальной вестиментиферы Riftia pachyptila Jones, 1981 (Vestimentifera, Annelida) // 14-ая Международная пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология – наука XXI века». Пущино, 19–23 апреля 2010 г. – С. 69.
5. Римская-Корсакова Н.Н., Малахов В.В., Галкин С.В. Мозг и брюшной нервный ствол Riftia pachyptila: сравнение с полихетами и френулятными погонофорами // Современные проблемы эволюционной морфологии животных.
Материалы школы для молодых специалистов и студентов к 105-летию со дня рождения академика А.В.Иванова. Санкт-Петербург, 20–22 октября 2011. – С. 125– 128.
6. Rimskaya-Korsakova N. Microscopic anatomy of hydrothermal vestimentiferan tubeworm Riftia pachyptila from 21°N EPR // 1st International Congress on morphology of invertebrate. Copenhagen, Denmark, August, 2008. P. 103.
7. Rimskaya-Korsakova N., Malakhov V. On the structure of the tentacular apparatus of vestimentiferan tubeworm Riftia pachyptila, 1981 (Annelida, Vestimentifera) // The Tenth International Polychaete Conference, Lecce, Italy, 20–26 of June 2010. Taxonomy. – P. 29.
8. Rimskaya-Korsakova N. Hydrothermal vestimentiferan tubeworm Riftia pachyptila: morphology of worms from different sites // Abstracts of workshop:
Siboglinidae: a model system for the understanding of evolution, adaptive radiation, microbial symbioses and ecology at extreme environments, Honolulu, USA, October 2008.
9. Rimskaya-Korsakova N.N., Karaseva N.P., Malakhov V.V., Galkin S.V. Brain And Nerve Cord Of Vestimentifera (Annelida): Comparison With Polychaetes // 2nd International congress on Invertebrate morphology, 20–23 June 2011. P. 207.
10. Karaseva N.P., Rimskaya-Korsakova N.N., Malakhov V.V., Galkin S.V. Blood System Of Vestimentiferan Tube-Worms // 2nd International congress on Invertebrate morphology, Boston, USA, 20–23 June 2011. P. 186.