_ ОБОНЯТЕЛЬНАЯ _
СИСТЕМА
УДК 612.822
ОДОРАНТЗАВИСИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ КУТИКУЛЯРНЫХ ВЫДЕЛЕНИЙ НА АНТЕННЕ ТАРАКАНА PERIPLANETA AMERICANA
© 2011 г. М. И. Жуковская
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН 194223 Санкт-Петербург, Проспект Тореза, 44 E-mail: mzhukovskaya@yahoo.com
Поступила в редакцию 16.06.2010 г.
Временное разрешение - важнейшая характеристика обонятельного восприятия, позволяющая животному ориентироваться по отношению к источнику запаха, в значительной степени зависит от процессов инактивации стимула. До настоящего времени описывались лишь механизмы ферментативной деградации феромонов, необходимой для точной локализации источника запаха, т.е. полового партнера. В настоящей работе впервые описывается одорантзависимое выделение жидкости на поверхности антенны американского таракана в ответ на запахи растительного происхождения. В условиях, приближенных к естественным, значительное усиление антеннального груминга в присутствие одоранта, по-видимому, направлено на удаление с поверхности антенны излишней жидкости с растворенными в ней молекулами запаха. Описанный механизм деактивации обонятельного стимула является универсальным и не зависит от природы и биологического значения одоранта.
Ключевые слова: обоняние, насекомые, груминг, антенна.
ВВЕДЕНИЕ
Кутикулярные покровы насекомых являются сложным многофункциональным органом. Кутикула антенны и ее производные - наружные отделы сенсилл - участвуют в первичном обнаружении разнообразных сенсорных сигналов и вносят существенный вклад в специфичность рецептор-ных клеток, отвечающих на стимул (Синицына, Чайка, 2006; Steinbrecht, 1997; Keil, 1999). Молекулы пахучих веществ, прежде чем проникнуть в полость сенсиллы через поры в кутикуле, должны адсорбироваться на её поверхности. Предполагается, что нанорельеф сенсиллы и его липидный покров может "фокусировать" молекулы одоран-та по направлению к порам (Böröczky et al., 2008; Maitani et al., 2010). Однако, до настоящего времени, внимание исследователей было направлено в большей степени на изучение последовательности событий, приводящих к возникновению электрического ответа сенсорной клетки, в то время как другие физиологические процессы, обеспечи-
вающие функционирование антенны как сенсорного органа, часто игнорируются.
Временное разрешение рецепторных (Vickers, 2006) и центральных (Lei et al., 2009; Haupt et al., 2010) одорантчувствительных нейронов достаточно высоко, чтобы позволить насекомому ориентироваться в запаховом градиенте. В значительной степени это разрешение определяется скоростью процессов инактивации запахового стимула, запускающего трансдукцию сигнала рецепторной клеткой. Специфические ферменты, растворенные в сенсиллярной лимфе феромонных сенсилл, обнаруженные у многих видов насекомых, химически разрушают молекулы феромона (Vogt, Riddiford, 1981; Klein, 1987; Rybczynski et al., 1990). Нельзя, тем не менее, забывать, что липо-фильная эпикутикула антенны должна адсорбировать значительное количество одорантов на своей поверхности и в отсутствие специальных механизмов очистки ухудшать временное разрешение запахов насекомым. Присутствие феромон-де-градирующих ферментов-эстераз было обнаружено как внутри тканей антенн, ног и крыльев
Trichoplusia ni, так и на поверхности этих частей тела (Ferkovich et al., 1982). Сходная активность была показана для чешуек, покрывающих тело Antheraea polyphemus (Vogt, Riddiford, 1986). Согласно гипотезе авторов, разрушение феромона специфичным ферментом должно препятствовать вторичной эмиссии адсорбированного полового аттрактанта.
Понятно, что спектр воспринимаемых насекомым запахов не ограничивается феромонами, а включает большое разнообразие химических соединений, которые не могут быть дезактивированы специфическими ферментами. Чистка или груминг антенн - особая форма поведения, заключающаяся в механической очистке их поверхности, зачастую с использованием специальных "щеточек" на передних лапках или ротового аппарата. Описаны также случаи нанесения на антенны секрета, состоящего из специфической для колонии муравьев смеси кутикулярных углеводородов (Hefetz et al., 2001). Железы, выделяющие секрет на поверхность антенны, обнаружены у перепончатокрылых (Romani et al., 2003, Dahms, 1984; Bin, Vinson, 1986; Isidoro et al., 1996; Romani et al., 1999; Billen, 2000).
Секреция на поверхность кутикулы в отсутствие специализированных железистых структур является обычным явлением для насекомых: клетки гиподермы выделяют вещества, поддерживающие водонепроницаемость покровов, а именно липиды и углеводороды воскового слоя кутиту-лы, которые транспортируются наружу по многочисленным порам. Показано, что у тараканов и некоторых других насекомых кутикулярные углеводороды синтезируются клетками эктодермаль-ного происхождения - эноцитами, находящимися в брюшке, а затем транспортируются белками-ли-пофоринами через гемолимфу во все части тела (Kramer, Wigglesworth, 1950; Schal et al., 1998; Fan et al., 2003). Функции кутикулярных секретов многообразны. Углеводороды и липиды, выделяемые на поверхность тела, часто служат видовой или индивидуальной меткой (Singer et al., 1998). Жидкость, секретируемая тарзальными подушечками, не только обеспечивает адгезию, достаточную, чтобы удержать насекомое вверх ногами на горизонтальных поверхностях, но и способствует очистке этих подушечек от налипающей грязи (Clemente et al., 2010). Тараканы Periplaneta americana тщательно и регулярно чистят свои антенны захватывая флагеллум передней лапкой и протягивая его через ротовой аппарат. Сходным образам происходит чистка конечностей - с участием ротовых органов (Bobula Smith, Valentine,
1985). Частота груминга регулируется подглоточ-ным ганглием головного мозга (Libersat, 2003) областью, которая получает разномодальные сенсорные входы.
Проведенные ранее исследования (Zhukovs-kaya, 2008) показали, что предъявление гексанола и эвкалиптола не вызывает заметного увеличения локомоторной активности насекомых. Чувствительность тараканов к этим запахам доказана в поведенческих и электрофизиологических экспериментах.
В настоящей работе нами впервые предпринята попытка исследовать взаимосвязь между восприятием одорантов, состоянием поверхности антенны и частотой груминга у насекомых.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Молодых имаго самцов американского таракана отсаживали в экспериментальную установку за две недели до начала экспериментов и содержали при фотопериоде свет: темнота = 12 : 12. Температура светлой фазы составляла +28 оС, в течение темной - опускалась до комнатной. Доступ к пище не ограничивали.
Экспериментальная установка для наблюдения за поведением насекомых состояла из вольера (300 х 450 х 300 см3), в котором находилась вода и пища, и постоянно затемненного "гнезда", отделенного от вольера дверцей (Жуковская, 1991; Zhukovskaya, 1995).
В качестве одорантов использовали гексанол-1 и эвкалиптол (Fluka), которые растворяли в минеральном масле (oleum vaselini) в соотношении 1 : 10 по объему.
В ходе оптической регистрации состояния антенны 4 мкл раствора одоранта наносили на кружок фильтровальной бумаги и помещали в стимуляр. В течение эксперимента антенна непрерывно обдувалась потоком воздуха со скоростью 3.5 см/с. На время стимуляции этот поток переключали на прохождение через стимуляр (Ка-пицкий, Жуковская, 2000). В связи с относительно большими концентрациями предъявляемого вещества и с целью избежать загрязнения эвка-липтолом потока, обдувающего антенну, воздух забирали с улицы и нагревали до комнатной температуры, пропуская через теплообменную трубку длиной 6 м и увлажняли барботированием через воду. Стимуляции длительностю 1 с следовали с интервалом в 30 с.
Непосредственно перед экспериментом насекомое помещали в станок, голову фиксировали в естественном положении пластилином, при этом одна из антенн закреплялась в двух местах на столике. Подготовленный таким образом препарат помещали под микроскоп, оборудованный видеокамерой DCM 300 (ScopeTek, Китай) с разрешением в три мегапиксела. Изображение захватывалось и сохранялось программой ScopePhoto. Появление слоя жидкости на поверхности антенны оценивали по увеличению площади бликов. При обработке данных, на изображении, полученном перед началом стимуляций, вырезали участок, находящийся в фокусе, затем, ориентируясь по положению сенсилл, такой же участок вырезали на изображении, полученном после 1.5 ч стимуляций. Все изображения обрабатывали при помощи программы Adobe Photoshop следующим образом: максимально увеличивали контраст (на 100 единиц), одновременно уменьшая яркость до минимума (при этом блики превращались в бело-желтые пятна), затем при помощи инструмента "Гистограмма" подсчитывали площадь (S) желтых и белых (светлых) участков, выраженную в числе пикселей. Изменение площади светлых участков до и после 1.5 ч стимуляций рассчитывали как S15/S0. Выполнено девять экспериментов с предъявлением эвкалиптола и девять - контрольных.
При поведенческом тестировании 0.5 мл раствора одоранта наливали в открытые флаконы с внутренним диаметром 7 мм и высотой 15 мм, которые затем помещали в вольер. Визуальную регистрацию начинали через 10 мин после помещения образцов в вольер при красном свете. Эксперимент длился 2 ч, после чего образцы извлекали из садка. Эксперименты повторяли не ранее чем через двое суток. Различали два основных варианта груминга - чистка антенн и конечностей (лап). Отмечали тип и продолжительность чисток. Выполнено 11 экспериментов с предъявлением гексанола и 12 - контрольных.
Все полученные данные обрабатывали при помощи стандартных статистических методов и программы Microsoft Office Excel 2003.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оптическая регистрация состояния поверхности антенны позволила обнаружить одорантза-висимое накопление жидкости на поверхности антенны (рис. 1). К сожалению, слой жидкости, отчетливо наблюдаемый под бинокулярным мик-
Таблица 1. Изменение состояния поверхности антенны при периодической стимуляции в течение 1.5 ч
Площадь бликов,
№ эксперимента в % к исходному
Контроль Эвкалиптол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.