УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 3, с. 3-20
УДК 591.1, 612
ПОВЕДЕНЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ СЕРОТОНИНА И ОКТОПАМИНА: НЕКОТОРЫЕ ПАРАДОКСЫ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ
© 2007 г. В. Е. Дьяконова
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Москва
Обзор посвящен явлению, которое становится все более очевидным по мере накопления сравнительных данных: в разных крупных таксонах сходное управление поведением опосредуется разными сигнальными молекулами. Конкретно, речь пойдет об октопамине насекомых и серотонине га-стропод. У этих животных два регуляторных амина как бы меняются функциями. Почему? Обсуждение причин, лежащих в основе этой "рокировки", неминуемо затрагивает коренные вопросы общей физиологии.
Хорошо известно, что функции сигнальной молекулы могут быть сходны у представителей разных таксономических групп животных. В этих случаях говорят о функциональной консервативности молекулы. Известно также, что функции сигнальной молекулы могут меняться в ходе эволюции. Эта работа посвящена новому феномену, проявившемуся неожиданно при накоплении сравнительно-физиологических данных, - управлению сходным набором функций разными молекулами в двух разных группах беспозвоночных животных.
Моноамины октопамин и серотонин синтезируются из разных предшественников: тирозина и триптофана, узнаются разными специфическими рецепторами, в их метаболизме задействован разный набор ферментов. Структурно молекула окто-памина имеет больше сходства с катехоламинами, чем с серотонином (рисунок), а октопаминовые рецепторы хорошо отвечают на катехоламинергиче-ские (норадренергические) лиганды и практически не связывают серотонин.
Ранняя история изучения обоих моноаминов была связана с моллюсками: октопамин впервые найден у осьминога (Octopus), благодаря которому и получил свое название [56], а трансмиттер-ная роль серотонина впервые показана на сердце виноградной улитки [117]. Однако впоследствии исследование функций этих молекул имело разную судьбу. Поведенческие эффекты октопами-на изучались в основном на членистоногих, больше половины всех исследований за 35 лет (19702005) связано именно с этой группой беспозвоночных (около 90 работ на членистоногих и 60 на всех остальных животных, включая позвоночных. К 90-м годам октопамин даже рассматривали как сигнальную молекулу, специфичную для членистоногих). Только в конце 90-х появились исследования, в которых было описано участие октопаминергических нейронов в организации
пищевого ритма у моллюска (большой прудовик). Обзор этих данных имел характерное для сложившейся ситуации название: "Октопамин не только для членистоногих?" [54]. Исследование функций серотонина, напротив, сохранило и "старую" связь с моллюсками (в 1970-2005 гг. около 1500 работ на моллюсках, из них 180 по регуляции поведения) и быстро распространилось практически на все типы животных, включая одноклеточных и позвоночных .
Серотониновая система хорошо описана и у членистоногих. Но у этой группы эффекты серотонина оказались в большинстве случаев противоположны тем, что известны для моллюсков. Зато возбуждающие, активирующие, "араузаль-ные" эффекты октопамина очень напоминали то, что делает серотонин у беспозвоночных других групп, прежде всего у моллюсков, изученных наиболее полно. Многие исследователи обращали
HO
\ /
OH I
CH-CH2—NH
2
Октопамин
12—NH2
Дофамин
Структура октопамина, серотонина и дофамина.
внимание на это сходство, однако до сих пор полного и детального сравнения проведено не было. Между тем такой анализ необходим для ответа на основные вопросы, связанные с функциональной эволюцией сигнальных молекул. Сравнению поведенческих функций, регулируемых этими моноаминами у насекомых и гастропод, наиболее подробно исследованных групп беспозвоночных, посвящен этот обзор.
Материал будет сгруппирован по типам поведения, контролируемым октопамином у насекомых и серотонином у моллюсков. Отдельно будут рассмотрены перекрестные эффекты, т.е. серо-тонина у насекомых и октопамина у моллюсков.
Ранее, сопоставив поведенческие эффекты се-ротонина у плоских червей, аннелид и моллюсков, Сахаров [17, 119] предложил гипотезу, согласно которой анцестральная протофункция этой регуляторной молекулы могла сводиться к обеспечению координированного ответа разных эффекторных систем на сигнал о голоде (арау-зальная реакция, feeding arousal). Действительно, сходство эффектов серотонина и голода показано у животных, использующих совершенно разные стратегии пищедобывательного поведения.
На основе этой логики мы начнем параллельное рассмотрение поведенческих эффектов октопамина у насекомых и серотонина у гастропод с их роли в регуляции пищевого поведения.
ПИЩЕВОЕ (КОНСУММАТОРНОЕ) ПОВЕДЕНИЕ
Серотонин/моллюски. У прудовика Lymnaea stagnalis голод увеличивает содержание серотонина в буккальных и педальных ганглиях, ответственных за пищевое поведение и локомоцию [70], повышает электрическую активность серо-тониновых нейронов, участвующих в управлении пищевым поведением и локомоцией [70, 27].
Метаболический предшественник серотонина 5-гидрокситриптофан (5-ГТФ) увеличивает потребление пищи у этого моллюска [3, 5]. Ритмическая активность центрального генератора моторики радулы, т.е. пищевой моторики, сходно управляется одним и тем же (строго говоря, гомологичным) серотониновым нейроном у разных улиток и слизней - хищных и травоядных, водных и наземных, в частности у Lymnaea [101, 102, 146148], Aplysia [86], Achatina [149], Helix [36], Pleuro-branchaea [63, 105, 135], Limax [143]. Выброс серотонина в буккальных ганглиях аксональными проекциями этого нейрона (чаще всего его обозначают как С1) является необходимым условием для запуска центральной моторной программы пищевого аппарата. Серотонин активирует бук-кальные интер- и мотонейроны, участвующие в генерации пищевой программы, а также оказыва-
ет облегчающее влияние на буккальную мускулатуру и сенсорные клетки.
Октопамин/насекомые. Голод повышает содержание октопамина в гемолимфе у саранчи [48]. Октопамин и его агонисты усиливают рефлекторный ответ на стимуляцию вкусовых рецепторов сахарозой и увеличивают потребление пищи у пчел и мух [28, 37, 95, 96, 104, 123]. У личинок таракана Rhyparobia madera агонисты октопамина также увеличивают потребление пищи, антагонист фентоламин вызывает выраженное подавление пищевой активности [45].
Октопамин-иммунореактивные нейроны выявляются в подглоточном ганглии, управляющем пищевой моторикой, у всех исследованных насекомых [134]: саранчи [82], сверчков [130], пчел [85]. У пчелы найден октопаминергический нейрон, который отвечает мощным разрядом на стимуляцию сахарозой вкусовых рецепторов [66]. В препарате изолированного подглоточного ганглия бабочки Manduca sexta аппликация октопамина учащает ритм открытия и закрытия мандибул [40]. У мухи Phormia regina длительное комбинирование сахарозы с пищевым или репеллентным запахом приводило соответственно к последующему повышению или снижению пищевого ответа на саму сахарозу. При этом в мозге мух, получавших сахарозу в сочетании с неприятным запахом, снижалось содержание октопамина, а также его метаболического предшественника тирамина по сравнению с контролем, получавшим сахарозу без запаха. Напротив, у мух, получавших сахарозу в сочетании с приятным запахом, содержание октопамина и его предшественника оказалось выше, чем в контроле. По содержанию других исследованных моноаминов (дофамина и серотонина) достоверных различий между опытными и контрольными животными не было. Инъекция тирамина в этой модели усиливала пищевой ответ на сахарозу (снижала порог пищевого рефлекса вытягивания хоботка) [108].
Таким образом, при голодании в пищевом центре улитки заметно повышается содержание серотонина, а в пищевом центре насекомого - октопамина. Октопамин усиливает реакции на пищевые стимулы и повышает потребление пищи у насекомых, а серотонин у моллюсков. Прямые эффекты соответствующего регуляторного амина на центральные нейрональные генераторы консумматорных программ показаны как у насекомых, так и у моллюсков.
ПИЩЕДОБЫВАТЕЛЬНОЕ, ПОИСКОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ
Серотонин/моллюски. Роль серотонина в инициации и координации голодного пищедобывательного поведения у моллюсков детально про-
анализирована в упомянутых работах Сахарова [17, 119]. У каждого исследованного вида серото-нин, так же как и голод, активировал свою видо-специфическую программу поиска пищи. Например, у фильтратора беззубки (из двустворок) это проявляется сначала в ускорении движений раковины, обеспечивающих закачку воды в фильтрующую систему, а затем в инициации локомоторной активности, предположительно направленной на поиски более обеспеченного пищей участка дна.
У хищного морского ангела (из крылоногих) серотонин запускает специфическую комплексную программу охотничьего поведения. При этом моллюск переходит к особому "интенсивному" плаванию, сопровождаемому периодическими выбросами ловчих головных придатков [16]. В природе такое поведение наблюдается в присутствии жертвы. Имеется большая литература, посвященная клеточным коррелятам этих поведенческих эффектов серотонина у морского ангела, в частности прямым эффектам серотонина на индивидуальные нейроны и нейрональные сети [110].
На пресноводном моллюске Lymnaea stagnalis мы нашли, что активация синтеза серотонина его метаболическим предшественником 5-ГТФ, так же как и голод, вызывает активацию ориентировочного и исследовательского поведения и подавление защитного. Такие прудовики в ответ на внезапное предъявление незнакомого объекта подползали к нему и исследовали, касаясь губами и радулой (95% случаев против 45-50% в контроле) [6]. Голод или повышение синтеза серотонина приводили также к тому, что в ответ на тактильное раздражение щупальца улитка не втягивала его, как это делают контрольные особи, а поворачивала голову в сторону раздражителя [3, 6]. Сходный ответ описан у голодной аплизии [87].
Октопамин/насекомые. Значимость октопа-мина для активации пищедобывательного и поискового поведения наиболее отчетливо проявилась у социальных насекомых - пчел. Это выражается, в частности, в том, что
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.