БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 164-168
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 576.322.3:594.381.5
ОЦЕНКА МОЩНОСТИ P ЕСНИЧКИ НА ПОДОШВЕ ПPЕСНОВОДНОЙ УЛИТКИ Lymnaea stagnalis
© 2015 г. Г.А. Павлова
НИИ физико-xимической биологии им. А .Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. 119992, Москва, Ленинские горы, дом 1, стр. 40 E-mail: рау1оуат@уакоо.сот Поступила в p едакцию 21.10.14 г.
В работе оценена мощность работы ресничек на подошве прудовой улитки Lymnaea stagnalis среднего размера, скользящей вверх в анаэробной среде. Установлено, что на подошве находится порядка 1,3-109 ресничек, их общая мощность составляет 1,47-Ш-6 Вт, мощность одной реснички - 1,1-10-15 Вт и одного ресничного биения - 1,1-10-16 Вт.
Ключевые слова: ресничный эпителий, мощность реснички, локомоторный аппарат, пресноводная улитка, Lymnaea stagnalis.
Ресничные эпителии широко распространены у беспозвоночных и позвоночных, включая человека. И сследуются паттерны ресничных биений [1-3], нервная регуляция ресничной активности [4-6], цилиогенез [7], ресничная дис-кинезия [8]. Работа ресничных эпителиев описывается математическими моделями [9].
Однако оценка мощности ресничек затр уд-нена, так как ресничные эпителии встречаются преимущественно во внутренних ор ганах: бр он-хах, трахеях, фаллопиевых трубах, семявыно-сящих канатиках, желудочках головного мозга и центральном канале спинного мозга.
Брюхоногая прудовая улитка Ьушиава stag-иаШ (Оа811гороёа, Ри1шопа1а, Ба8ошша1орЬога) является уникальным модельным объектом, позволяющим исследовать ресничный эпителий подошвы ноги в естественных условиях без нарушения целостности ткани. Целью данной работы было оценить мощность реснички на подошве прудовика.
Прудовик (рис. 1) прикрепляется к опоре подошвой ноги благодаря слизи, продуцируемой подошвой [10], и скользит по опоре. Реснички, покрывающие подошву (рис. 2), бьются в слое слизи [10], работают по принципу «все или ничего» и обеспечивают медленное скольжение улитки [11]. По ресничкам подошвы ра с-пространяются метахрональные волны [10]. Цикл ресничного биения (рис. 3) представлен двумя фазами: эффективным ударом и реверсией [12]. Скоро сть скольжения прудовика может быть значительно увеличена активацией гладкомышечных клеток, подстилающих ресничный эпителий [11]. Было показано, что ос-
новным поставщиком энергии для ресничных клеток подошвы прудовика является гликолиз, а для мышечных - клеточное дыхание [11].
В данном исследовании удалось оценить, с точностью до пор ядка, количество ресничек на подошве прудовика, мощность всех ресничек, одной реснички, одного ресничного биения и мышц подошвы, участвующих в скольжении улитки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе приведены данные, полученные на улитках массой 2,7-3,3 г (в среднем 3,0 г), выловленных летом в подмосковных прудах. Улиток содержали в лабораторном аквариуме при комнатной температур е и естественном о с-вещении, кормили листьями салата.
Оценка количества ресничек на подошве прудовика. Для оценки количества ресничек N на подошве прудовика были измерены площадь подошвы S п и площадь, занимаемая одной ресничкой, S р Здесь, как и в пр едыдущем исследовании [13], для определения Sп у скользящего прудовика фотографировали проекцию подошвы на вертикальную стенку аквариума (рис. 4). Далее контур подошвы переносили на миллиметровую бумагу, и S п подсчитывали как сумму квадратных миллиметров, очерченных периметром подошвы.
П ри расчете количества ресничек исходили из того, что плотно расположенные реснички [12] равномерно покрывают подошву прудовика [14]. Так как на подошве имеются также про -токи бокаловидных клеток, ворсинчатые и вста-
Опора Подошва в слое слизи
Рис. 1. Ползущий прудовик (схема, вид сбоку). Направление движения улитки показано стрелкой.
Рис. 4. Улитка, прикрепившаяся подошвой (5п) к передней стенке аквариума, равномерно скользит вверх (показано стрелкой); р - раковина.
Рис. 2. П родольный срез фрагмента подошвы прудовика (схема). Стрелкой показано направление распространения метахрональной ресничной волны и движения улитки.
Рис. 3. Цикл ресничного биения (схема, вид сбоку). Направление эффективного удара показано пунктирными стрелками и отмечено четырьмя (1-4) последовательными позициями реснички. Реверсия -последовательное возвращение реснички в исходную позицию - показана сплошными стрелками и совпадает с направлением движения прудовика.
вочные клетки [7,14], мы полагали, что площадь подошвы, покрытая ресничками, 5 п = 90% 5 п.
Оценку 5 р пр оводили с помощью электр он-ной микроскопии. Фрагмент ресничного эпителия вырезали из ростральной части подошвы и фиксировали сначала глутаровым альдегидом (5%-й раствор на 0,1 М фосфатном буфере, рН 7,4), а затем четырехокисью осмия [12]. Далее ткани обезвоживали в спиртах и заливали в эпон-812. На ультрамикротоме ЬКБ-Ш изготавливали срезы, которые просматривали в
Рис. 5. Гипотетическая проекция ресничек на поверхность подошвы. Девять ресничек проецируются на вершины восьми равносторонних треугольников, показанных пунктиром, со стороной I (расстояние между центральными микротрубочками (цм) соседних ресничек). Жирные сплошные линии ограничивают площадь 5р, занимаемую ресничкой и равную площади двух равносторонних треугольников.
электронных микроскопах Hitachi HU-11 и Hi-tachi-12.
П ри оценках S р исходили из того, что для обеспечения максимальной плотности ресничек на подошве проекции со седних р есничек должны образовывать равностор онний тр еугольник (рис. 5). По определению площадь такого тр е-угольника
S р =
N3
4 ,
где I - расстояние между центральными микротрубочками соседних ресничек.
Мощность реснички. Чтобы оценить мощность р еснички, сначала подсчитывали работу всех ресничек подошвы А, совершаемую ими
166
ПАВЛОВА
Рис. 6. Определение массы улитки в воде. Нить прикреплена кусочком скотча к верхушке раковины (р), другой конец петлей перекинут через рычажок торсионных весов (подробнее в тексте); п - подошва.
при равномерном скольжении и смещении улитки вертикально вверх на расстояние h. Чтобы заблокировать мышечную активность, скольжение исследовали в анаэробной среде [11]. Для приготовления такой среды отстоявшуюся воду, нагретую до 100°C, заливали в пластиковый культуральный флакон, высотой 195 мм, до самого верха, плотно закупоривая флакон пробкой. В этот флакон с остывшей до комнатной температуры водой быстро опускали прудовика и снова закупоривали флакон так, чтобы под пробкой не образовывался воздушный пузырь. Перед погружением в воду из дыхательных путей улитки убирали воздух, надавливая тупой стороной иголки на подошву. Благодаря отрицательной плавучести, прудовик опускался на дно. Анаэробная среда стимулировала скольжение, направленное вверх [11]. Улитка доползала до пробки, и флакон переворачивали вверх дном. За время наблюдения, превышающее 2 ч, флакон был перевернут несколько раз. Время (t), за которое самая ро стр альная точка подошвы улитки смещалась вверх на 10 см (h выбрано произвольно), измеряли многократно с помощью секундомера, скорость скольжения оценивали как V = h/t.
Работу всех ресничек подошвы A оценивали как сумму работы по перемещению улитки вверх A' плюс р аботу по преодолению вязкости слизи Aв. По определению A' = mgh, где m -масса улитки, g - ускорение свободного падения 9,8 мс-2, h (здесь 10 см), а Aв = Fh, где F -сила, необходимая для преодоления сопротивления слизи. И спользуя основной закон вязкого течения (И. Ньютон, 1687 г.), получаем F =
где п - вязкость слизи, V — скорость скольжения прудовика, S = Sп - площадь подошвы. Таким образом, А = А' + Ав = mgh +
Для определения значения т к верхушке раковины кусочком скотча прикрепляли нить, другой конец которой петлей перекидывали через рычаг торсионных весов (рис. 6). Перед полным погружением в воду из дыхательных путей улитки убирали воздух (см. выше). После взвешивания улитки отдельно взвешивали нить с опущенным в воду кусочком скотча, крепившимся ранее к раковине. Из веса улитки с нитью вычитали вес нити.
Подсчитывали мощность всех ресничек подошвы Wрп = А Л, где t - время (с), за которое произведена работа, мощность одной реснички как Wp = Wрп^ и одного ресничного биения как Wpб = Wрп//, где / - частота ресничных биений, равная 10 Гц и измеренная с помощью стробоскопа [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Количество ресничек на подошве прудовика.
Во время скольжения прудовика площадь его подошвы Sп произвольно менялась от 200 до 300 мм2. Это минимальное значение Sп было выбрано для расчета количества ресничек, так как необходимая при гистологических исследованиях изоляция ноги вызывала значительное сокращение площади подошвы. Таким образом, площадь подошвы, покрытая ресничками, S п = 0,95п (см. выше) = 180 мм2.
С помощью электронной микроскопии было показано, что ра сстояние между центральными микротрубочками соседних ресничек (I) равно 0,4 мкм (рис. 7). Графически определили, что площадь, занимаемая одной ресничкой, 5 р, равна сумме двух равносторонних треугольников (рис. 5). Таким образом, площадь, занимаемая ресничкой на подошве, составляет
0,42д/3
5 р = — = 0,136 мкм2, а количество ресничек
на подошве N = 5 р = 1,3-109.
Р абота и мощность ресничек подошвы. Масса улитки в воде составляла в среднем 300 мг. Работа по подъему улитки вверх А' = 0,0003 кг -9,8 м-с-2 - 0,1 м = 2,94-10-4 кг-м2-с-2 (Дж). Скорость скольжения улитки незначительно менялась, но как в большинстве измерений, так и в среднем составляла 0,5 мм-с-1. Вязкость слизи на подошве прудовика не измеряли, для подсчетов было использовано значение вязкости слизи на подошве сухопутного брюхоногого
Рис. 7. Реснички на подошве прудовика. Электронная микроскопия сагиттального среза подошвы (фотография Л .Е. Бакеевой). Поверхность подошвы (пп), центральные микротрубочки (цм), корешок реснички (кр), базальное тело (бт).
моллюска Ariolimax columbianus, равное 5 Па-с [15]. Отсюда следует, что при скоро сти скольжения прудовика V = 0,5 мм -с-1 с площадью подошвы 5 п = 300 м2 и смещении на расстояние h = 10 см работа ресничек по преодолению вязкости
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.