Зрительная сенсорная система

где Е – относительное поглощение света;  — поверхностная плотность молекул зрительного пигмента в мембране микровиллы (число молекул на единицу площади поверхности мембраны мпкровиллы); r – радиус микровиллы; l — длина микровиллы; е — единичный вектор напряжен­ности электрического поля, имеющий составляющие по трем осям коор­динат, соответственно еx, еy и ez (в расчетах Муди и Паррисса считалось, что ось микровиллы совпадает по направлению с осью z).

Если свет распространяется вдоль оси у, которая параллельна опти­ческой оси омматидия, то он имеет две составляющие электрического век­тора — еx и ez . Дихроизм поглощения определяется отношением относитель­ных поглощений для двух составляющих еx и ez , а в случае опытов с пово­ротом плоскости поляризации света для двух положений вектора е, т. е. когда он параллелен оси z, (или, что то же самое, оси микровиллы) – Е|| и когда он перпендикулярен ей – Е.

Очевидно, что для е, параллельного ocи z, получается |e| = ez = 1, и равенство (1) дает

Соответственно для е, перпендикулярного оси z (т. е. для е, параллель­ного оси х), имеем

|e| = ex = 1, а  ez = 0;

тогда

Коэффициент дихроичности поглощения (который по определению больше единицы) определяется отношением большего относительного поглощения (Е||) к меньшему (Е), т. е. равен:

что и было получено Муди и Парриссом.

Однако значение коэффициента дихроичностп поглощения, получен­ное Лангером и Тореллом (Langer a. Thorell, 1966), меньше 2, а именно 4/3. Возможно, что причина этого заключается в том, что не все молекулы зрительного пигмента лежат в плоскости мембраны, что, как по­казали Уолд, Браун и Джиббонс, имеет место для мембран дисков на­ружных сегментов позвоночных (Wald, Brown a. Gibbons, 1963). В этом случае в расчеты Муди и Паррисса Грибакин (1969) предлагает внести поправку. Согласно этой поправке, следует считать, что дипольные моменты части молекул зрительного пигмента ориентированы перпендику­лярно поверхности мембраны. Обозначим поверхностную плотность мо­лекул с дипольными моментами, лежащими в плоскости мембраны, через s, а поверхностную плотность молекул с дипольными моментами, ориенти­рованными перпендикулярно поверхности мембраны, через r (будем называть их радиальными дипольными моментами, так как эти моменты направлены по радиусам микровилл). Очевидно, что общая поверхностная плотность молекул зрительного пигмента равна  = s + r . При этом раз­личным положениям плоскости поляризации световой волны (т. е. различ­ным ориентациям вектора е, который перпендикулярен плоскости поля­ризации и лежит в так называемой плоскости колебаний электромагнит­ной волны) соответствуют и различные относительные поглощения молекул, входящих в s , и молекул, входящих в r. Так, для е, параллельного оси z, получим

              Es = srl,               Er|| = 0

(Еr || равна нулю, так как е параллельно оси z и, следовательно, перпендикулярно плоскости ХОУ, параллельно которой лежат радиально направ­ленные моменты).

Для е, перпендикулярного оси z, получим

так как для s справедливы расчеты Муди и Паррисса. Кроме того,

Er = rrl,

что также нетрудно получить, ознакомившись с методом расчета Муди и Паррисса.

Коэффициент дихроичности поглощения определится как

Если доля молекул, имеющих радиально направленные дипольные моменты, равна n,
где п < 1, то

Тогда

и, выражая (7) через (6), получим

Отсюда                 

подставив сюда значение для  = 4/3, даваемое Лангером и Тореллом для Calliphora, получим, что n =0.2, т. е. что у Calliphora 20 % молекул пигмента ориентировано перпендикулярно поверхности мемб­раны. Распространять эти выводы на какие-либо другие виды животных с рабдомерным типом сетчатки глаза, конечно, нельзя, поскольку вели­чина коэффициента дихроичности для них неизвестна. Более того, Буркхардт и Вендлер (Burkhardt u. Wendler, 1960) получили на той же мухе Calliphora, что при повороте плоскости поляризации на 90° электрический ответ одиночной ретинулярной клетки изменяется на 15%. Такое же изме­нение величины ответа клетки они получили при двукратном изменении ин­тенсивности света. Отсюда следует, что дихроизм рабдомера такой клетки должен иметь значение порядка 2, если считать, что величина электри­ческого ответа клетки зависит только от числа квантов, поглощенных зри­тельным пигментом рабдомера.

Сходный результат получили Кувабара и Нака (Kuwabara a. Naka, 1959) на мухе Lucilia caesar. Они показали, что поворот плоскости поляри­зации света на 90° вызывает уменьшение электрического ответа клетки на величину около 20%. К сожалению, эти авторы не измерили изменение интенсивности света, вызывающее такое же уменьшение ответа, подобно тому как это сделали Буркхардт и Вендлер. Тем не менее даже на осно­вании величины уменьшения ответа (20% у Кувабара п Нака по сравне­нию с 15% у Буркхардта и Вендлера) можно говорить о том, что дихроизм рабдомеров мухи Lucilia, видимо, невелик. Недавние опыты Шоу на саранче (Shaw, 1966) показали, что поворот плоскости поляризации света на 90° вызывает уменьшение ответа ретинулярной клетки на 0.1—0.7 лога­рифмической единицы, т. е. в 1.25—5 раз. Среднее значение, даваемое Шоу для саранчи, равно 0.37 лог. ед., или примерно 2.3 раза. Такое большое изменение величины ответа клетки может говорить о более сильном дих­роизме рабдомеров саранчи но сравнению с рабдомерами двукрылых, т.е. о том, что у саранчи дипольные моменты молекул зрительного пигмента в какой-то степени ориентированы вдоль осей микровилл. По-видимому, очень сильным дихроизмом обладают микровиллы рабдома глаза краба Carcinus maenas, у которого при повороте плоскости поляризации света на 90° ответ ретинулярной клетки изменялся на 0.89 лог ед., или в 7.7 раза (Shaw, 1966).

Дихроизм рабдомеров следует также из опытов Джулио (Giulio, 1963), который освещал продольные срезы сложного глаза различных мух (Са1liphora erythrocephala, Calliphora vomitoria, Musca domestica) плоскополяризованным светом, падающим перпендикулярно оптическим осям омматидиев. При этом Джулио регистрировал суммарную электрорети-нограмму и получил ЭРГ различной амплитуды при различных положениях плоскости поляризации. Однако количественную оценку результатов его опытов дать трудно из-за недостаточного количества данных.

Интересное соответствие ультраструктурной организации рабдома с величиной электрического ответа клетки получил недавно Шоу (Shaw, 1967). Ему удалось ввести два микроэлектрода в различные ретинулярные клетки одной и той же ретинулы саранчи. При этом оказалось, что при вра­щении плоскости поляризации света максимальные ответы клеток сдви­нуты на 60° по отношению друг к другу. Это полностью соответствует электронномикроскопическим данным Хорриджа и Барнарда (Horridge a. Barnard, 1965), согласно которым микровиллы в рабдоме саранчи ориен­тированы по трем направлениям, углы между которыми составляют 120°.

Безусловно, дальнейшие опыты по изучению различения насекомыми (и вообще членистоногими) плоскости поляризации света имеют важное значение не только для изучения этого явления, интересного самого по себе, но и для понимания тех молекулярных механизмов, которые стоят у исто­ков возбуждения зрительной клетки вообще.

Рис. 7. Схема возникновения дихроизма при свертывании фоторецепторной мембраны в трубку микровиллы.

При хаотичной ориентации молекулы зрительного пигмента в плоскости фоторецепторной мембраны суммы проекций дипольных моментов молекул на оси координат bx и by равны и дихроизм отсутвует, т.е. дихроичное отношение равно 1. При свертывании мембраны в трубку компонент by остается прежним, а половина компонента (сумма вертикальных составляющих) не участвует в поглощении из-за перпендикулярности по отношению к электрическому вектору, т.е. дихроичное отношение равно 2.

Очень важно с этой точки зрения было бы знать, каким изменениям подвергается ультраструктура рабдома и самих ретинулярных клеток при воздействии света. Однако экспериментального материала в этом направлении получено пока еще мало. Так, Хорридж и Барнард (Horridge a. Barnard, 1965) показали, что после освещения ультраструктура рети­нулы саранчи претерпевает некоторые изменения («движение палисада»), хотя рабдом при этом не изменяется. Эгучи и Уотерман (Eguchi a. Water­man, 1967) показали, что при освещении в зрительных клетках глаза краба Libinia увеличивается число пластинчатых телец, усиливается процесс пиноцитоза в области клетки, прилежащей к рабдому, изменяется кон­фигурация мембран эндоплазматпческой сети, увеличивается количество рибосом, п т. д. Статистическая обработка большого числа электронномикроскопических фотографий позволила Эгучи и Уотерману выдвинуть надеж­ные критерии для обнаружения клеток, в неодинаковой степени адапти­рованных к свету. В частности, таким путем им удалось показать, что клетки с различно ориентированными микровиллами действительно нео­динаково возбуждаются поляризованным светом, что можно рассматри­вать как четкое подтверждение гипотезы Аутрума и Штумпфа (Autrum a. Stumpf, 1950). Наиболее важная структура зрительной клетки — рабдом— в процессе адаптации к свету не обнаружила никаких изменений. Однако, согласно данным, полученным в нашей лаборатории, при освещении слож­ного глаза рабочей пчелы в рабдоме могут все же наблюдаться существенные изменения, которые, как мы увидим ниже, дают возможность су­дить о работе ретинулярных клеток в достаточной степени опре­деленно.

В заключение интересно сравнить некоторые черты сложного глаза насекомых с глазом позвоночных. Как тот, так и другой тип глаза исполь­зуют для увеличения вероятности поглощения световых квантов сильно разветвленную поверхность фоторецепторной мембраны, хотя для созда­ния такой поверхности используются различные пути — диски в одном случае и микровиллы — в другом. Как у позвоночных, так, по-видимому, и у насекомых зрительный пигмент является структурным элементом фо­торецепторной мембраны, а в качестве хромофорной группы этого пигмента столь различные в филогенетическом отношении животные используют одно и то же вещество — альдегид витамина А, или ретиналь. Оба типа глаза могут обладать способностью к цветоразличению, хотя эта способность реализуется не всегда. Наиболее существенный недостаток сложного глаза — «близорукость» (т. е. малая разрешающая способность по углу), по-видимому, вполне компенсируется его быстродействием, способностью разли­чать плоскость поляризации света и расширением диапазона восприни­маемого светового излучения в ультрафиолетовую область. Судя по тому, что в основе зрения и позвоночных, и насекомых (а также членистоногих вообще и головоногнх моллюсков) лежит витамин А, можно думать, что молекулярные механизмы зрения у всех этих животных более или менее одинаковы, тогда как особенности физиологии зрения в каждом случае объясняются в основном различной ультраструктурной организацией их фоторецепторных клеток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблемы пространственной ориентации живых организмов имеют большое значение как для науки, так и для большего понимания законов природной среды и поведенческих мотивов различных живых организмов. Одной из давних проблем (интересов) для ученых была и есть проблема пространственной ориентации насекомых (и некоторых других видов) с помощью поляризованного света. В данном реферате изложен краткий обзор исследований в данной области наук.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Винников Я. А. Эволюция рецепторов. Цитологический, мембранный и молекулярный уровни. – Л.: Наука, 1979 –140с.: ил.

2. Винников Я. А. Цитологические и молекулярные основы рецепции. Эволюция органов чувств. – Л.: Наука, 1971 –372с.: ил.

3. Гапонов С.П., Простаков Н.И. Введение в этологию. – Воронеж: Изд-во Воронежского государственного университета, 1998 –143с.: ил.

4. Мак-Ферланд Д. Поведение животных: психобиология, этология и эволюция: Пер. с англ.
–М.: Мир, 1988. –520с.: ил.

5. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение: Пер. с англ. –М.: Мир, 1990. –239с.: ил.

6. Физиология и биофизика сенсорных систем. Выпуск 29 –Нервная система. Сборник статей.
–Л.: Изд-во ЛГУ –1990.: 204с.: ил.

18