Морфологические и оптические особенности хрусталика гидробионтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.18, доктор биологических наук Бородин, Алексей Леонидович

• Бородин, Алексей Леонидович
• доктор биологических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор биологических наук Бородин, Алексей Леонидович

Введение.

Глава 1. Хрусталик гидробионтов: структура и функция.

1.1 Морфология хрусталика низших позвоночных животных.

1.2 Эмбриогенез хрусталика.

1.3 Некоторые аспекты биохимии хрусталика.

1.4 Изменения, происходящие в хрусталике при катарактах различной этиологии.

1.5 Оптические свойства хрусталика.

Глава 2. Объекты и методы исследований.

2.1. Приготовление плоскостных препаратов эпителия хрусталика.

2.2. Подсчет митотического индекса эпителия хрусталика.

2.3. Электронно-микроскопическое исследование хрусталика гидробионтов.

2.4. Исследование влияния токсикантов на пролиферационную активность эпителия хрусталика

2.5. Изучение влияния травмы на пролиферационную активность эпителия хрусталика рыб и амфибий.

2.6. Изучение воздействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения на пролиферационную активность эпителия хрусталика рыб и амфибий.

2.7. Исследования воздействия рентгеновского излучения на пролиферационную активность хрусталика рыб.

2.8. Количественное определение степени помутнения хрусталика гидробионтов.

2.9. Изучение помутнений различной этиологии хрусталика гидробионтов.

2.10. Исследования рефракционных характеристик хрусталика рыб.

2.11. Исследования пространственного распределения показателя преломления хрусталика рыб.

2.12. Исследования химического состава хрусталика гидробионтов.

2.13. Модельные эксперименты.

2.14. Статистическая обработка экспериментального материала.

Глава 3. Некоторые особенности морфологии хрусталика гидробионтов.

Глава 4. Процессы клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб и рост хрусталика.

4.1. Статистические характеристики процессов клеточной пролиферации эпителия хрусталика рыб.

4.1.1. Митотическая активность эпителия.

4.1.2. Численность клеток эпителия.

4.1.3. Митотическая активность и митотический индекс.

4.2. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под влиянием различных факторов.

4.2.1. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под воздействием токсикантов.

4.2.2. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика под воздействием травмы и некоторых видов излучений.

4.2.3. Изменение митотического индекса эпителия хрусталика при совместном воздействии травмы и некоторых факторов.

4.3. Рост хрусталика рыб.

Глава 5. Оптические характеристики хрусталика гидробионтов.

5.1. Изменения прозрачности хрусталика под влиянием различных факторов.

5.1.1. Интактный хрусталик.

5.1.2. Воздействие лазерного излучения на хрусталик амфибий.

5.1.3. Изменение прозрачности хрусталика рыб и амфибий при травматизации.

5.2. Рефракционные свойства хрусталика гидробионтов.

5.2.1. Сферическая аберрация хрусталика рыб.

5.2.2. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб.

Глава 6. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике гидробионтов.

Глава 7. Моделирование оптических характеристик хрусталика гидробионтов.

7.1. Простейшие модели хрусталика гидробионтов.

7.2. Модель концентрических оболочек.

7.3. Модель трехмерных асферических оболочек.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Морфологические и оптические особенности хрусталика гидробионтов»

Зрительной системе гидробионтов принадлежит значительная, а у многих видов - ведущая роль в осуществлении важнейших поведенческих реакций. У большинства видов рыб и головоногих моллюсков зрение является одним из основных дистантных рецепторов. Оптомоторная реакция - врожденная, зрительно-обусловленная форма поведения отчетливо выражена у многих видов рыб (Павлов, 1970; 1979). Уже на самых ранних этапах онтогенеза зрение играет существенную роль в общей ориентации в окружающей среде, являясь доминирующим каналом (Бабурина, 1955; 1961; 1972; Крыжановский, 1959; Протасов, 1957; 19586; 1960; Дислер, 1960; Протасов и др., 1966; Гирса, 1966; 1969; 1981; Павлов и др., 1981; Лукьянов и др., 1984; Павлов, Касумян, 1987).

В водной среде, в силу незначительных различий показателя преломления воды и основных сред глаза рыб, роль линзы, образованной роговицей и влагой передней камеры в значительной мере девальвирована по сравнению с таковой у наземных позвоночных. В силу этого хрусталик гидробионтов играет ведущую роль в формировании изображения на сетчатке глаза (Seltner et al., 1989; Kirschfeld, 1993; Schaeffel et al., 1999). От рефракционных характеристик хрусталика в значительной мере зависит функционирование всей зрительной системы гидробионтов в целом.

Несмотря на значительное количество работ по физиологической оптике, оптические свойства хрусталика гидробионтов исследуются сравнительно редко. Анализ анатомического строения глаза водных животных показывает, что глаз как оптическая система, имеет большое входное отверстие зрачка, что в условиях малой освещенности необходимо для обеспечения прохождения максимального светового потока к сетчатке глаза. Сферический хрусталик ряда рыб и головоногих моллюсков имеет относительно низкую, а в ряде случаев почти исправленную сферическую аберрацию (Gislen, Kroeger, 2002; Gislen, 2004). Как известно (Матвеев,

1985; Ландсберг, 2003), оптически однородные однокомпонентные оптические системы с достаточно простой геометрией не могут обладать подобными высокими оптическими характеристиками в случае, когда диаметр входного зрачка сопоставим с диаметром линзы. В связи с этим значительный интерес представляет установление закономерностей морфологического строения и оптических свойств хрусталика гидробионтов, обуславливающих его высокие оптические характеристики.

Понимание особенностей функционирования оптической системы глаза гидробионтов необходимо для анализа закономерностей в поведении рыб -стайном, защитном, пищевом, иерархическом, миграционном и других типах поведения (Протасов, 1958а; 1962; 1968; Загорулько, 1960; Протасов, Сбикин, 1970; Радаков, 1972; Сбикин, 1974; 1975; Рощупкин, Потапенко, 1977; Легкий, Попова, 1984). Учет этих закономерностей позволит повысить эффективность многих рыбохозяйственных и рыбопромысловых мероприятий. Выявление взаимосвязей между морфологией и оптическими свойствами хрусталика гидробионтов позволило бы найти решение ряда общебиологических проблем, связанных в частности с эволюцией органа зрения, а также некоторых прикладных вопросов водной экологии.

Заключение диссертации по теме «Гидробиология», Бородин, Алексей Леонидович

Основные выводы

1. Деление клеток в эпителии хрусталика костистых рыб, как в стационарном, так и в нестационарном случаях адекватно описываются пуассоновским потоком событий, параметром которого является митотическая активность. Для больших клеточных популяций, пролиферационная активность которых носит характер пуассоновского стационарного потока событий применимы формулы Квастлера.

2. В общем случае митотический индекс не являются однозначной характеристикой митотичеекой активности клеточной популяции. Для того чтобы митотический индекс и митотическая активность находились в прямой линейной зависимости необходимо, чтобы среднее время пребывания клеток в ана-телофазе не зависело от воздействия внешних факторов.

3. Митотический индекс эпителия хрусталика исследованных видов рыб адекватно характеризует митотическую активность для широкого спектра воздействий.

4. Необходимым условием поддержания хрусталиком рыб сферической формы является следующее: скорость радиального роста хрусталика, зависящая от митотичеекой активности эпителия хрусталика должна быть много меньше скорости линейного роста волокон хрусталика.

5. Распределение показателя преломления в хрусталике костистых рыб пространственно неоднородно. Существует градиент показателя преломления в хрусталике: показатель преломления возрастает от периферии к центру хрусталика. Данная закономерность не является видоспецифичной для костистых рыб. Более существенными являются возрастные различия в характере распределения показателя преломления, обусловленные изменениями в хрусталике в процессе онтогенеза.

6. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб находится в тесной зависимости от пространственного распределения химических элементов. Наиболее высокая степень положительной корреляции выявлена для пространственного распределения показателя преломления и распределения серы в хрусталике костистых рыб.

7. Локальные неоднородности распределения показателя преломления имеют периодический характер и обусловлены особенностями морфологии хрусталика. Локальные неоднородности распределения показателя преломления в целом незначительно ухудшают рефракционные свойства хрусталика.

8. Рефракционные свойства хрусталика карпа и радужной форели наиболее адекватно описывает модельное распределение показателя преломления Аугустена-Гарнера. Нарушения внутренней геометрии хрусталика рыб, заключающиеся в сдвиге ядра к переднему полюсу хрусталика исправляют положительную, а при сдвиге к заднему полюсу - отрицательную продольную сферическую аберрацию. Однако при этом существенно ухудшается качество изображения точечных источников света, лежащих вне главной оптической оси хрусталика. В целом нарушение внутренней геометрии хрусталика приводит к ухудшению его оптических характеристик.

9. Существует принципиальная возможность создания однокомпонентной короткофокусной оптической системы на основе сферической линзы с неоднородным показателем преломления, с большим отверстием входного зрачка, с низкой продольной сферической аберрацией.

10.Асферические хрусталики брюхоногих моллюсков и амфибий при соответствующем пространственном распределении показателя преломления обладают малой продольной сферической аберрацией во всем диапазоне значений входного зрачка. При этом продольно вытянутый хрусталик брюхоногих является сверхкороткофокусной оптической системой, с вполне удовлетворительными оптическими характеристиками.

11 .Модель рефракционных свойств хрусталика гидробионтов адекватно описывает полученные экспериментальные результаты. Данная модель позволяет исследовать широкий круг вопросов, связанных с рефракционными характеристиками сферического и эллиптического хрусталика гидробионтов, нарушениями внутренней геометрии хрусталика, сферической и хроматической аберрацией, аккомодацией, влиянием мультифокальности хрусталика на качество формируемого изображения. Объектно-ориентированный подход, использованный при создании модели позволяет интегрировать ее в более общую модель глаза гидробионтов и всесторонне исследовать проблему формирования изображения на сетчатке.

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Бородин, Алексей Леонидович, 2005 год

1. Абросимова А.Н., Шафиркин А.В., Федоренко Б.С. Вероятность развития помутнений хрусталика и образования зрелых катаракт при действии излучений с различными значениями ЛПЭ. // Авиакосм, и экол. мед., 2000, т. 3, С. 33-41.

2. Аверкина Р.Ф. Специфические антигены в тканевых зачатках глаза куриных эмбрионов. // Бюлл. экспер. биол. и мед., 1964, т. 58, вып. 11, С. 111-115.

3. Аветисов Э.С. Близорукость. М.: Медицина, 1986, 239 с.

4. Аветисов Э.С. Патология оптических сред глаза. // Моск. НИИ глазных болезней им. Гельмгольца. М.: М. Б., 1989, 20 с.

5. Азнабаев М.Т., Авхадеева С.Р., Азнабаев Р.А., Суркова В.К. Некоторые аспекты изучения наследственных врожденных катаракт. // Новые технологии в офтальмологии., 2000, С. 87-90.

6. Аникин А.В. Морфологическое обоснование индукции хрусталика глазной чашей. // Труды 6-го Всесоюз. Съезда анатомов, гистологов и эмбриологов. Харьков, 1961, т. 1, С. 511-513.

7. Архангельский В.Н. Практическое руководство по патологи отологической технике для офтальмологов. М.: Медгиз, 1957, 110 с.

8. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд. МГУ, 1998, 655 с.

9. Бабурина Е.А. Особенности строения и функции глаз у рыб. // Тр. Совещ. по вопр. повед. и разведки рыб. М.: Изд. АН СССР, 1955, С. 45-49.

10. Бабурина Е.А. Развитие глаз и их функции у литофильных карповых рыб. // Тр. Ин-та морфол. животных АН СССР., 1961, вып. 33, С. 111-150.

11. Бабурина Е.А. Развитие глаз у круглоротых и рыб в связи с экологией. -М.: Наука, 1972, 145 с.

12. Балдин Д., Реффи Д. Динамика разрушения в стеклах, вызванного действием лазерного излучения. М.: Мир, 1968, С. 383-387.

13. Барнс Р., Кдейлоу П., Олив П., Голдинг Д. Беспозвоночные. Новый обобщенный подход. М.: Мир, 1992, 573 с.

14. Бауэр О.Н., Мусселиус В.А., Стрелков Ю.А. Болезни прудовых рыб. -2-е изд., переработ, и доп. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981,320 с.

15. Бигел А.К. Действие высоковольтного излучения бетатрона на глаза (экспериментальные данные). // В сб. Лучевые катаракты. М.: Медгиз, 1959, С. 55-56.

16. Бодемер Ч. Современная эмбриология. М.: Мир, 1971, 446 с.

17. Божкова В.П. Современное состояние проблемы щелевых контактов и представление об их роли в развитии. Сборник тезисов II Съезда биофизиков России, Москва, 23-27 августа., 1999, С. 226-227.

18. Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере. СПб.: Питер, 2003, 688 с.

19. Бородин A.JI. Воздействие лазерного излучения на хрусталик гидробионтов. // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. М.: МГТА, 2001, вып. 1, С. 56-59.

20. Бородин A.JI. Модель оптически однородного сферического хрусталика. // Сб. трудов молодых ученых ВЗИПП. М.: ВЗИПП, 1989, С. 31-32.

21. Бородин A.JI., Горбунов А.В. Особенности формирования хрусталика в процессе индукции у гидробионтов, относящихся к низшим позвоночным. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 2003, вып. 18, С. 16-18.

22. Бородин A.JI., Никифоров-Никишин A.JI. Изменения в хрусталике гидробионтов под воздействием когерентного излучения. // Сб. научных трудов молодых ученых МГТА. М.: МГТА, 2002а, вып. II, С. 68-72.

23. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. К вопросу о соотношении митотической активности и митотического индекса эпителия хрусталика рыб. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 20026, вып. 17, С. 9-25.

24. Бородин А. Л., Никифоров-Никишин А.Л. Методы рыбохозяйственных исследований. М.: МГУТУ., 2004в, 348 с.

25. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Модель роста хрусталика рыб. // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология". М.: МГУТУ, 20056, вып. 5, С. 39-48.

26. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Морфология и оптические характеристики хрусталика гидробионтов. М.: ВСХИЗО, 2005в, 138 с.

27. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Морфология хрусталика низших позвоночных животных (на примере рыб). // II Международная научно-практическая конференция "Проблемы воспроизводства аборигенных видов рыб". Киев, 2005а, С. 59-65.

28. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Особенности оптического строения хрусталика рыб. // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. М.: ВНИРО, 2001а, С. 24-27.

29. Бородин A.JI., Никифоров-Никишин А.Л. Построение таблиц многофакторного дисперсионного анализа. // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология". М.: МГУТУ, 20046, вып. 1, С. 38-52.

30. Бородин А. Л., Никифоров-Никишин А.Л. Пространственное распределение показателя преломления в хрусталике рыб и головоногих моллюсков. // Сб. трудов молодых ученых МГЗИ1II1. -М.: МГЗИПП, 1997, С. 14-19.

31. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Пространственное распределение некоторых химических элементов в хрусталике кальмара. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 2003в, вып. 18, С. 46-52.

32. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Рефракционные свойства хрусталика брюхоногих моллюсков. // Всероссийская научная конференция "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов". Москва, 2000 г. М.: ВНИРО, 20016, С. 27-30.

33. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Системная экология. М.: МГТА, 2004а, 372 с.

34. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л. Статистические закономерности митотической активности эпителия хрусталика рыб. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 20036, вып. 18, С. 19-32.

35. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Горбунов А.В. Изменение элементного состава хрусталика радужной форели под влиянием тяжелых металлов. // Научн.-техн. бюлл. каф. "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА. М.: МГТА, 2002, вып. 17, С. 26-34.

36. Бородин А.Л., Никифоров-Никишин А.Л., Симаков Ю.Г. Моделирование оптических характеристик хрусталика гидробионтов. // Вестник Московского Государственного Университета Технологий и Управления, Сер. "Биология". М.: МГУТУ, 2005а, вып. 5, С. 7-16.

37. Бородин A.JI., Симаков Ю.Г. Морфогенез клеток эпителия хрусталика в норме и при травматизации. // VI Международная научно-практическая конференция "Пищ. пром. на рубеже третьего тысячелетия". Москва, 18-19 апреля 2000 г. М.: МГТА, 2000, С. 223-224.

38. Бородин A.JL, Симаков Ю.Г. Оптические характеристики хрусталика гидробионтов. // Сб. трудов молодых ученых ВЗИПП. М.: ВЗИПП, 1993, С. 25-26.

39. Бузунов В.А., Федирко П.А., Прикащикова Е.Е. Особенности структуры и распространенность офтамопатологии у эвакуированных из зоны отчуждения ЧАЭС в различном возрасте. // Офтальмол. ж., 1999, т. 2, С. 65-69.

40. Бяков В.М., Степанов С.В. О механизме первичного радиобиологического действия. // Радиац. биол. Радиоэкол., 1997, С. 469-474.

41. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей. М.: Наука, 1973, 368 с.

42. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Высш. шк., 2000, 383 с.

43. Вишневский Н.А., Абдулаимов В.М., Иванова Е.А., Котова Э.С., Кротова Н.С., Стиксова В.Н. К критической оценке значения "начальных признаков" лучевой катаракты. // Мед. радиология., 1960, т. 5(11), С. 77-81.

44. Войнар А.О. Биологическая роль микроэлементов в жизни человека и животных. М.: Советская наука, 1960, 494 с.

45. Втюрин Б.В., Пальцын А.А. Современные методы и приемы электронно-микроскопических исследований биологических объектов (электронно-микроскопическая радиоавтография и растровая электронная микроскопия). М.: Радио и связь, 1985, 48 с.

46. Гексли Дж., де Бер Р. Основы экспериментальной эмбриологии. М.-JL: Биомедгиз, 1936, 467 с.

47. Гинецецинская Т.А. Трематоды, их жизненные циклы, биология и эволюция. Л.: Наука, 1968, 406 с.

48. Гирберт С. Биология развития. М.: Мир, 1993, 228 с.

49. Гирса И.И. Освещенность и поведение рыб. М.: Наука, 1981, 164 с.

50. Гирса И.И. Поведение некоторых рыб в условиях фотоградиента. // Вопросы ихтиологии., 1966, т. 6, вып. 1, С. 127-139.

51. Гирса И.И. Фотореакция некоторых пресноводных рыб в онтогенезе и в разном физиологическом состоянии. // Вопросы ихтиологии., 1969, т. 9, вып. 1,С. 171-183.

52. Головина Н.А., Стрелков Ю.А., Воронин В.Н., Головин П.П., Евдокимова Е.Б., Юхименко Л.Н. Ихтиопатология. М.: Мир, 2003, 448 с.57