ОНТОГЕНЕЗ, 2014, том 45, № б, с. 380-391
БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ ПОЗВОНОЧНЫХ
УДК 591.393
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ УРОВНЯ ТИРЕОИДНЫХ ГОРМОНОВ НА ОНТОГЕНЕЗ ВЕБЕРОВА АППАРАТА КАРПОВЫХ РЫБ (CYPRINIDAE; TELEOSTEI)
© 2014 г. Д. В. Капитанова*, **, Ф. Н. Шкиль*, **
*Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН 119334, Москва, ул. Вавилова, 26 **Институт проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН 119071, Москва, Ленинский проспект, 33 E-mail: daryakapitanova@gmail.com Поступила в редакцию 22.01.2014 г. Окончательный вариант получен 29.05.2014 г.
Экспериментальными методами изучено влияние изменений уровня тиреоидных гормонов (ТГ) на развитие и дефинитивную морфологию Веберова аппарата (ВА), морфофункционального комплекса, обеспечивающего передачу звукового сигнала от плавательного пузыря к лабиринту внутреннего уха, карповых рыб: Labeobarbus intermedius и Danio rerio. Обнаружены различия в ТГ-реактивности скелетных структур, входящих в состав ВА. Показано, что изменения уровня ТГ вызывают гетерохронии в развитии ВА, т.е. приводят к изменению сроков и темпов онтогенетических событий, что отражается на дефинитивной морфологии как отдельных структур, так и ВА в целом. Обнаружены различия в ТГ-реактивности скелетных структур, входящих в состав ВА. Кроме того, обнаружена внутри- и межвидовая изменчивость ТГ-реактивности.
Ключевые слова: Веберов аппарат, тиреоидные гормоны, карповые рыбы, гетерохронии.
DOI: 10.7868/S0475145014060056
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим отличительным анатомическим признаком рыб надотряда Otophysi (Ostariophysi; Teleostei) является наличие Веберова аппарата (ВА) — сложного морфофункционального комплекса, обеспечивающего передачу звукового сигнала от плавательного пузыря к лабиринту внутреннего уха и позволяющего значительно расширить диапазон воспринимаемых частот (Bird, Hernandez, 2007). Типичный ВА карповых рыб (Cyprinidae; Cypriniformes), строение которого признается многими авторами наиболее близким к предковому состоянию (Rosen, Greenwood, 1970; Chardon, Vandewalle, 1996), включает в себя первые четыре позвонка и их модифицированные элементы. Функционально ВА можно разделить на две части: pars auditum и pars sustentaculum. Первая часть представляет собой функциональный канал, соединяющий переднюю камеру плавательного пузыря с лабиринтом внутреннего уха и обеспечивающий передачу звуковых колебаний. Вторая часть осуществляет поддержку и защиту первой. В состав pars auditum входят scaphium, claustrum, intercalarium и tripus. К pars sustentaculum относятся тела позвонков, боковые отростки пер-
вого и второго позвонков, невральные дуги третьего и четвертого позвонков, ребра четвертого позвонка, os suspensorium, и невральный комплекс (НК) (Bird, Hernandez, 2007) (рис. 1). Особенности строения и онтогенеза ВА являются объектами пристального внимания многих исследователей и широко используются в систематике и филогении Otophysi (Watson, 1939; Ra-maswami, 1955; Rosen, Greenwood, 1970; Fink, Fink, 1981; Богуцкая, 1991; Coburn, Futey, 1996; Sanger, McCune, 2002; Bird, Mabee, 2003; Grande, de Pinna, 2004; Grande, Young, 2004; Hoffmann, 2006; Hoffmann, Britz, 2006; Bird, Hernandes, 2007; Diogo, 2009).
Число и степень развития многих сериальных скелетных элементов рыб, к которым можно отнести и структуры ВА, зависят от темпов и сроков их онтогенеза (Воскобойникова, 2001; Shkil et al., 2012), в значительной степени определяемых эндокринной системой. Даже небольшие изменения активности эндокринных осей могут вызывать значительные изменения хода онтогенеза и приводить к серьезным морфологическим последствиям. При этом важнейшая роль в регуляции онтогенеза рыб отводится гипоталамо-гипо-
Рис. 1. Морфология Веберова аппарата карповых рыб (Cyprinidae) и его элементов (из Bird, Hernandez, 2007, с изменениями).
дорзальныи
физарно-тиреоидной оси (ГГТО) (Janz, 2000). Было установлено, что изменения уровня тирео-идных гормонов (ТГ) на ранних этапах развития рыб влияют на темпы и сроки многих онтогенетических процессов, в том числе, на развитие скелета. Временные характеристики развития многих скелетных структур (кости черепа, чешуйный покров, глоточные зубы и т.д.) находятся под контролем ГГТО (Смирнов и др., 2006; Shkil et al., 2010; Лёвин, 2011; Shkil et al., 2012). Однако влияние изменений активности ГГТО на ход развития элементов ВА не изучалось. В связи с этим, целью настоящей работы является изучение влияния изменений уровня ТГ на развитие ВА карповых рыб.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследования были использованы представители двух подсемейств карповых рыб (Cyprinidae): крупный африканский усач, Labeobarbus (=Barbus) intermediussensu Banister, 1973 (Barbinae), и полосатый данио, Danio rerio (Danioninae).
Оплодотворенная икра усачей была получена от диких производителей, выловленных во время нереста в притоках оз. Тана (Эфиопия) в 2007— 2011 гг. Более подробно методы получения и последующей инкубации икры, а также общие условия содержания личинок и молоди усачей изложены в предыдущих работах (Шкиль и др., 2010;
Smirnov et al., 2012). Получение и выращивание потомства D. rerio проводилось согласно общепринятым для данного вида методикам, Zebrafish Protocol (http://www.zfin.org).
Для оценки влияния изменения уровня ТГ на развитие ВА икру, а затем личинок и молодь обоих видов содержали в нескольких гормональных режимах: 1) контроль (чистая вода); 2) повышенный уровень ТГ, достигаемый за счет добавления в воду щелочного раствора 3,5,3'-трийодтирони-на, Т3 (Sigma, USA), до концентрации 1 нг/мл; 3) пониженный уровень ТГ, достигаемый добавлением в воду гойтрогена — тиомочевины (NH2CSNH2, ГОСТ 6344-73) до концентрации 0.02%. Концентрации активных веществ были подобраны опытным путем (Shkil et al., 2012). Остальные условия содержания рыб были одинаковыми.
Ежедневно из каждой экспериментальной группы фиксировалось 5 и более особей в 10% водном растворе формалина. Скелетные структуры зафиксированных рыб окрашивали бескислотным методом, после чего препараты просветляли (Walker, Kimmel, 2007). Просветленные тотальные препараты рыб обрабатывали и фотографировали с помощью стереомикроскопов Leica MS5 и Olympus SZX 7 с присоединенной цифровой фотокамерой Canon 7D.
Во всех экспериментальных группах определялись сроки и последовательность онтогенетиче-
ДПО
базидорзалии 3 базидорзалии 4 окостенение тел позвонков базидорзалии 1 базидорзалии 2 базивентралии 3 базивентралии 4 невральные дуги 3 невральные дУги 4 сУпраневралия 2 дуги scaphium intercalarium супраневралия 3 concha scaphii tripus os suspensorium боковые отростки 2 ребра 4 хрящевой claustrum боковые отростки 1 костный claustrum супрадорзалии 3 супрадорзалии 4 окостенение супрадорзалии 4 окостенение супрадорзалии 3 дорзальное окостенение супраневралии 3 дорзальное окостенение супраневралии 2 окостенение дорзального отростка НК вентральное окостенение супраневралии 2 вентральное окостенение супраневралии 3
норма
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
повышенный уровень ТГ
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
пониженный уровень ТГ
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27...30..
Рис. 2. Последовательности онтогенетических событий в формировании Веберова аппарата Ь. ШвгшвМш в различных гормональных режимах.
ских событий в развитии ВА. Под онтогенетическим событием в настоящей работе понимается: появление хряща — окрашивание ткани альциа-ном синим (Alcian Blue, Sigma, USA); появление кости (оссификация) — окрашивание ткани ализарином красным (Alizarin Red, Sigma, USA) (Walker, Kimmel, 2007). Временем появления скелетной структуры считается момент, с которого она присутствует у всех рыб в исследуемой экспериментальной группе. Учитывая, что фиксация препаратов осуществлялась ежедневно, для сравнения сроков и темпов онтогенеза ВА в разных гормональных режимах используется число дней, прошедших с момента оплодотворения (дпо). В тексте употребляются обозначения элементов ВА и их частей, принятые в статьях Hoffmann, Britz (2006) и Bird, Hernandez (2007). Под термином "покровное окостенение" подразумевается любое окостенение, не имеющее хрящевого предшественника.
Сравнение частот встречаемости отклонений от нормального развития ВА в экспериментальных группах проводилось с использованием критерия Z, применяемого для анализа различий между долями в крупных выборках (Гланц, 1999). Всего было обработано более 1500 особей L. intermedins, полученных в результате пяти скрещиваний, и около 800 особей D. rerio, полученных в результате шести скрещиваний.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Реакция структур, входящих в состав pars anditnm, на изменение уровня ТГ
Scaphium является комплексной структурой, состоящей из модифицированной невральной дуги первого позвонка и покровного окостенения — раковины скафиума (concha scaphii). Развитие
scaphium в нормальных условиях у D. rerio происходит по сценарию, ранее подробно описанному (Bird, Mabee, 2003; Grande, Young, 2004). Наши наблюдения в целом совпадают с этими описаниями (рис. 3). Последовательность онтогенетических событий в развитии scaphium у L. intermedius сходна с таковой у D. rerio (рис. 2, 3).
При выращивании усачей в различных гормональных режимах не было обнаружено значимых изменений сроков онтогенетических событий и темпов развития scaphium и его дефинитивной морфологии. У данио отличия от нормального развития scaphium были обнаружены лишь под действием повышенного уровня ТГ. Наблюдалось преждевременное окостенение элементов scaphium (рис. 3) и в ряде случаев недоразвитие concha scaphii.
Claustrum, так же как и scaphium, является комплексной структурой. Развитие claustrum начинается с появления небольшого хряща, расположенного антеровентральнее хрящей НК. Затем перед хрящевым claustrum возникает покровное окостенение — костный claustrum, во взрослом состоянии частично располагающийся под верхней частью concha scaphii. Гомология и происхождение частей claustrum остаются дискуссионным вопросом (Grande, Young, 2004; Hoffmann, 2006; Diogo, 2009).
У L. intermedius при
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.