Организация щупальцевых аппаратов у "Lophophorata" - ключ к установлению статуса группыНИР

The organization of the tentacle apparatuses in "lophophorates" is the key to estblish the state of the group

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 марта 2017 г.-31 декабря 2017 г. Организация щупальцевых аппаратов у "Lophophorata" - ключ к установлению статуса группы
Результаты этапа: За отчетный период проведены прижизненные эксперименты по изучению механизма сортинга пищевых частиц у Coptothyris grayi и Hemithyris psittacea. В прижизненных экспериментах с частицами разного диаметра визуализирована работа ресничек лофофора, брахиальной складки и мантийных лепестков. Было обнаружено, что частицы диаметром 110 мкм попадают внутрь боковых и средней рук лофофора у Coptothyris grayi, однако, дальше - в пищевой желобок частицы этого диаметра не проникали, а скапливались внутри рук лофофора. При добавлении высокой концентрации частиц большого диаметра брахиальная складка плотно прижимается к основаниям щупалец и, таким образом, пищевой желобок и рот закрываются, процесс фильтрации и питания полностью приостанавливается, а лофофор приступает к удалению крупных несъедобных частиц. При добавлении небольшой концентрации частиц пищевой желобок остается открытым, таким образом, в областях свободных от несъедобных частиц щупальца продолжают фильтрационную активность, остальная часть лофофора приступает к очищению. Процесс очищения лофофора и мантийной полости можно условно подразделить на 3 последовательных этапа: (1) переход несъедобных частиц из внутренней части лофофора на его абфронтальную поверхность за счет реверсивного биения фронтальных ресничек; (2) крупные несъедобные частицы на абфронтальной стороне лофофора теряют связь со щупальцами и попадают в мантийную полость, где склеиваются слизью в более крупные комки и остаются приклеенными к абфронтальной стороне лофофора; (3) выведение частиц из мантийной полости за счет биения ресничек мантии. Методами сканирующей электронной микроскопии изучена цилиация щупалец внутреннего и наружного рядов у брахиопод Coptothyris grayi и Hemithyris psittacea. Показано, что в щупальцах наружного ряда, латеро-фронтальные клетки формируют крупные гребни, отграничивающие фронтальный желобок, тогда как в щупальцах внутреннего ряда фронтальная поверхность выпуклая, а латеро-фронтальные гребни сдвинуты в сторону щупалец внешнего ряда. Такое расположение ресничных зон позволяет сформировать особую фильтрационную решетку. С особой зональностью щупалец связаны и различия в иннервации щупалец внешнего и внутреннего рядов, которая впервые была детально исследована в ходе проекта методами иммуноцитохимии, лазерной конфокальной микроскопии и трансмиссионой электроной микроскопии у замковой брахиоподы Hemithyris psittacea. Так, в щупальцах внешнего ряда абфронтальная поверхность очень протяженная и подразделена на медио-абфронтальную и две латеро-абфронтальные зоны, которые иннервируются тремя нервными трактами. В щупальцах наружного ряда латеро-абфрональных зон нет и каждое щупальце иннервируется только фронтальным, абфронтальным и двумя латеро-фронтальными нервными трактами. Впервые доказана "нервная" природа особых перитонеальный отростков клеток, проходящих в щупальцах между базальной мембраной и клетками целомической выстилки. Эти отростки были ранее описаны в щупальцах форонид, брахиопод и мшанок и имеют сходную цитологическую структуру: характеризуются электронно-светлой цитоплазмой и наличием толстых продольных микротрубочек. "Нервная" природа перитонеальных отростков оспаривается в ряде работ. Наши результаты показали высокую иммунореакивность перитонеальных отростков Hemithyris psittacea к ацетилироанному тубулину, который имеется в нейротрубочках, что позволяет трактовать их как нейриты. Кроме того, методами трансмиссионной электронной микроскопии в цитоплазме перитонеальных нейритов Hemithyris psittacea были обнаружены отдельные синаптические пузырьки, что подтверждает нервную природу этих отростков. Впервые методами имуноцитохимии изучена иннервация лофофора у замковой брахиоподы Hemithyris psittacea. Показано, что вдоль каждой руки лофофора проходят 4 нерва: главный, добавочный, второй добавочный и нижний. Второй добавочный нерв описан у брахиопод впервые. По расположению он соответствует тому скоплению нервных элементов, которое впервые было описано для Lingula antina и располагается между щупальцами внешнего и внутреннего рядов. На основе сравнительного анализа организации нервной системы лофофора у разных представителей брахиопод, форонид и мшанок выдвинуто предположение о предковой для группы "Lophophorata" организации лофофора. Предположительно это был простой тип лофофора (например, зиголофного типа), но имеющий сложно организованную нервную систему, включающую большое число крупных нервных трактов и нервных центров. Этот вывод отчасти подтверждается новыми данными, полученными современными методами исследований на взрослых форонидах. Применение методов иммуноцитохимии позволило впервые визуализировать строение нервной системы лофофора у карликовой форониды Phoronis ovalis. Впервые показано, что в нервной системе Phoronis ovalis имеется два нервных центра (наружный и внутренний) и связанных с ними два нервных кольца. Выдвинуто предположение, что подобное строение нервной системы лофофора было характерно для протофоронидного предка, который дал начало двум группам Bilateria: Phoronida и Bryozoa. В линии форонид имеет место тенденция к редукции внутреннего нервного центра и связанного с ним внутреннего нервного кольца, тогда как у мшанок, наоборот, редукции подвергся внешний нервный центр и внешнее нервное кольцо. У двух видов брахиопод, принадлежащих группам замковых и беззамковых Hemithyris psittacea и Lingula anatina, методами трансмиссионной электронной микроскопии изучена ультраструктура целомической выстилки лофофора и щупалец. Выделено несколько типов организации целомической выстилки: (1) примитивный моноцилиарный миоэпителий; (2) выстилка, образованная чередующимися перитонельными и миоэпителиальными клетками; (3) псевдостратифицированный эпителий, сформированный чередующимися эпителиальными и мышечными клетками; (4) специализированный целотелий, развитый на поверхности мышечных клеток. Выдвинуто предположение о несостоятельности признака организации целомической выстилки для филогенетических построений. В то же время, однако, в сравнительном анализе имеет большое значение наличие у животного только миоэпителия или только специализированного целотелия.
2 1 января 2018 г.-15 декабря 2018 г. Организация щупальцевых аппаратов у "Lophophorata" - ключ к установлению статуса группы
Результаты этапа: 1) Изучена организация нервной системы круглоротой мшанки Crisia eburnea. Впервые методами ТЕМ исследовано строение церебрального ганглия. Обнаружена верхняя вогнутость и небольшая внутренняя полость церебрального ганглия. Выдвинуто предположение, что такое строение может представлять собой первый этап формирования церебрального ганглия в ходе погружения исходного нейроэпителия. Впервые показано, что организация нервной системы Crisia eburnea сочетает признаки покрыторотых и голоротых мшанок (Temereva, Kosevich, 2018). На основе полученных собственных результатов и новейших литературных данных проведен сравнительный анализ организации нервной системы лофофора у форонид, брахиопод и мшанок (Temereva, Kosevich, 2018a). Показано, что наличие внешнего нервного кольца, которое было описано ранее у ктеностоматных мшанок, а в этом году обнаружено у двух разных видов круглоротых мшанок, делает общую архитектуру нервной системы лофофора очень сходной в пределах лофофорат. Иннервация щупалец у всех лофофорат, осуществляется от нервных колец и демонстрирует весьма специфические черты (такие как наличие перитонеальных нервов), что так же подтверждает гомологию лофофора у лофофорат. 2) Впервые с применением комплекса методов (иммуноцитохимия, лазерная конфокальная сканирующая микроскопия, трансмиссионная электронная микроскопия) изучена организация нервной системы колониальных камптозоев Barentsia discreta. Впервые проведена детальная реконструкция нервных трактов, иннервирующих щупальца. От церебрального ганглия отходит 3 пары нервов. Нервы двух анальных пар (наиболее близко расположенных к анусу) подразделяются на 3 нерва, проникающих в щупальце. Одна пара оральных нервов подразделяется на 2 ветви. Каждый из щупальцевых нервов в основании щупальца распадается на 3 пучка нейритов: один аборальный и два латеро-фронтальных. Отсутствие у камптозой кольцевых нервов, связанных с иннервацией щупалец, а так же отсутствие межщупальцевых нервов делает общую архитектуру нервной системы щупальцевого аппарата капмтозой совершенно не похожей на таковую мшанок. Различие усугубляется положением ануса: внутри венчика щупалец - у камптозой и вне венчика щупалец - у мшанок. Все это не позволяет рассматривать щупальцевые аппараты камптозой и мшанок как гомологичный орган и противоречит единству Plyzoa как группе, включающей Ectoprocta (мшанки) и Entoprocta (камптозои). 3) На основе ранее полученных экспериментальных данных о работе сложно устроенного плектолофного лофофора и щупалец у Coptothyris graiy впервые показано, что удаление крупных несъедобных частиц из лофофора обеспечивается работой исключительно наружных щупалец (Kuzmina, Temereva, 2018). Впервые для брахиопод обнаружено реверсирование биения абфронтальных ресничек щупалец и мантии. Работа наружных щупалец заключается, в том числе, в выработке большого объема слизи, что способствует формированию комков псевдофекалий и облегчает их выход из мантийной полости. Исследование показало, что механизм сортировки частиц и очищения фильтрующего аппарата у брахиопод сходен с таковым у двустворчатых моллюсков и связан с обильным выделением слизи, склеиванием тех частиц, которые в силу своих крупных размеров не попали в пищевой желобок и выносом их из мантийной полости за счет выходящих потоков. Однако, имеется существенная разница в объеме фильтрационного аппарата: он очень крупный у двустворчатых моллюсков и имеет гораздо меньший объем у брахиопод. 4) При изучении организации полостей тела у беззамковой лингулиформной брахиоподы Pelagodiscus atlanticus обнаружены парные целомические компартменты туловища, функционирующие как семенники. Впервые для брахиопод детально описана ультраструктура мужских гамет на всех стадиях сперматогенеза, а так же реконструирована организация зрелого спермия (Temereva, Kuzmina, 2018). Проведен анализ организации спермиев в различных группах брахиопод и показано, что зрелый спермий Pelagodiscus atlanticus демонстрирует ряд примитивных черт организации и может рассматриваться как прототип исходного спермия предка брахиопод, который затем независимо эволюционировал и менялся в трех главных ствола Brachiopoda (Temereva, Kuzmina, 2018).Этот результат вносит вклад в понимание путей эволюции современных брахиопод. 5) Методами компьютерной микротомографии и гистологической техники изучено строение лофофора у глубоководной брахиоподы Pelagodiscus atlanticus. Метод компьютерной микротомографии впервые применен к беззамковым брахиоподам с фосфатной раковинкой. Этот метод позволил установить, что руки лофофора направлены назад и подняты в мантийную полость. Морфология лофофора сходна с зиголофом, руки которого развернуты назад, а не вперед, как в типичном зиголофе. Брахиальная ось каждой руки образует петлю, так что одна рука несет щупальца по внешнему и внутреннему краю. Гистологическое исследование показало, что в основании каждой руки проходят два больших и два малых канала целома лофофора. Большие каналы не сливаются друг с другом как это имеет место в типичном зиголофном лофофоре. Проведен сравнительный анализ организации лофофора у брахиопод и форонид. Выдвинуто предположение, что необычный лофофор (модифицированный зиголоф) Pelagodiscus atlanticus может рассматриваться как переходный этап между трохолофным лофофором предковых форм и модифицированным спиролофом современных дисцинид. На основе полученных данных видвинута гипотеза эволюции лофофора у Brachiozoa (Phoronida+Brachiopoda). Сделан вывод, что исходным типом явлется лофофор просто формы, в котором щупальца располагались в 1 ряд и формировали полукруг вокруг рта. 6) Применение методов 3D моделирования по сериям гистологических срезов позволило получить предварительные данные о строении полости тела у Novocrania anomala. У этого вида брахиопод впервые обнаружен чрезвычайно обширный переэзофагеальный синус, который связан с целомом малых и больших синусов лофофора. В туловищном целоме могут быть выделены обособленные целомические камеры, содержащие мышцы-аддукторы и имеющие собственную перитонеальную выстилку. Начатые работы будут продолжены в следующем году - методами ТЕМ необходимо установить природу (целомическая/не целомическая) обнаруженных дополнительных компартментов.
3 1 января 2019 г.-15 декабря 2019 г. Организация щупальцевых аппаратов у "Lophophorata" - ключ к установлению статуса группы
Результаты этапа: Проект представляет собой уникальную научную программу, в ходе которой ожидаемые научные результаты были не просто достигнуты, но превышены. При помощи комплекса методов световой микроскопии, сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии, компьютерной микротомографии, иммуноцитохимии и лазерной конфокальной микроскопии изучена морфология щупалец и щупальцевых аппаратов, их иннервация и организация мускулатуры и целомических компартментов у представителей четырех типов животного царства: Phoronida (Phoronis ovalis, Phoronis ijimai, Phoronis australis, Phoronopsis harmeri), Brachiopoda (Coptothyris grayi, Hemithyris psittacea, Lingula anationa, Novocrania anomala, Pelagodiscus atlanticus), Bryozoa (Crisia eburnea, Flustrella hispida, Alcyonidium mytili), Entoprocta (Pedicellina cernua, Loxosomella nordgaardi, Barentsia discreta). Впервые на современном уровне изучена нервная система и мускулатура лофофора форонид, выявлены существенные различия в строении нервной системы и мышц у Phoronis ovalis и других форонид. Выдвинуто предположение, что различия могут быть связаны с эволюционными преобразованиями лофофора форонид, в том числе с усложнением его морфологии. Впервые новыми методами описана организация нервной системы лофофора некоторых циклостоматных и ктеностоматных мшанок. У представителей обеих групп выявлено наружное нервное кольцо, вероятно, гомологичное щупальцевому нервному кольцу форонид и нижнему брахиальному нерву брахиопод. Предложен гипотетический путь эволюции церебрального ганглия мшанок от примитивного нейроэпителия к погруженному ганглию с вогнутостью и компактному ганглию с внутренней полостью и ганглию без внутренней полости. Интересно, что новые оригинальные данные по ультратонкой организации "ганглиев" брахиопод выявили их нейроэпидермальную природу. Проведен сравнительный анализ нейро- и миоанатомии лофофора форонид и мшанок, выявлены общие паттерны организации обеих систем органов в обеих группах. Выказана идея о гомологии лофофора у форонид и мшанок. У глубоководной брахиоподы Pelagodiscus atlanticus описан новый тип лофофора - модифицированный зиголоф. Предложена схема возможных путей эволюции лофофора у Brachiozoa (форониды + брахиоподы), в качестве анцестрального предложен простой тип лофофора с одним рядом щупалец и одной целомической полостью. Выявлены существенные различия в тонкой организации щупалец брахиопод, принадлежащих основным группам. Предположена связь выявленных различий и особенностей образа жизни и питания. Изучена иннервация лофофора и щупалец у Novocrania anomala с относительно просто устроенным спиролофофм и Coptothyris grayi со сложным плектолофом. На основе полученных данных выявлена тенденция уменьшения числа нервных трактов лофофора брахиопод с возрастанием его морфологической сложности. Впервые детально описана нервная система и иннервация щупалец к одиночных и колониальных Entoprocta. Показано, что общая архитектура нервной системы щупальцевого аппарата Entoprocta не имеет морфологического сходства с таковой Ectoprocta, что ставит под сомнение валидность клады Polyzoa, объединяющей мшанок и энтопрокт. Морфологическими методами исследований доказана гомология лофофора - особого щупальцевого органа - и выдвинуто предположение о монофилии Lophohporata, как группы, включающей три типа животного царства: Phoronida, Brachiopoda и Bryozoa. Показано, что организация щупальцевого аппарата камптозоев существенно отличается от таковой лофофора лофофорат и, следовательно, Entoprocta не может рассматриваться как группа, входящая в состав Lophophorata. Выдвинуто предположение о невалидности клады Polyzoa, объединяющей мшанок и внутрипорошицевых.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".