Зрительная сенсорная система

В последнее время показано (Грибакин, 1967), что ретинула аппозиционного (или фотопического) глаза пчелы Apis mellifera включает в себя клетки трех типов, отличающиеся площадью поперечного сечения рабдомеров,. диаметром микровилл, а также глубиной расположения ядра. Эти типы клеток воспринимают разную длину излучения, т. е. обусловливают цветовое зрение пчелы. Однако даже электронный микроскоп не позволяет пока увидеть пути синтеза зрительного пигмента в клетке, изучить его локализацию. Более того, изучение зрительных пигментов насекомых сильно осложнено по меньшей мере двумя причинами. Во-первых, структуры, содержащие зрительный пигмент, находятся в центре (точнее, в глубине) каждой ретинулы, что затрудняет получение фракций рабдомеров с помощью методов, которые обычно применяются биохимиками для получения фракций наружных сегментов сетчатки позвоночных. Во-вторых, изучение изолированных препаратов глаза осложняется наличием в каждом омматидии плотного пигментного чехла и оптической «пробки», закрывающих проксимальный конец рабдома.

И все же в последнее время в отношении  зрительных пигментов насекомых получено много интересных данных. Так, стало известно, что зрительный пигмент насекомых имеет значительно меньший молекулярный вес (3000-4000), чем молекулярный вес зрительных пигментов позвоночных (27 000-28 000) (Heller, 1969), а следовательно, и диаметр молекулы зрительного пигмента насекомых значительно меньше – около 5 А против 40 – 50 А у позвоночных. Получены доказательства того, что в основе зрения многих насекомых (по-видимому, это справедливо для всех насекомых) лежит ретиналь, который был найден у пчелы, домашней мухи, некоторых прямокрылых, стрекоз, жуков, бабочек (Goldsmith, 1958; Wolken, Bowness a. Scheer, 1960; Briggs, 1961). При этом интересно, что Голдсмиту (Goldsmith, 1958) удалось извлечь зрительный пигмент из сложного глаза пчелы не детергентамп, а простым фосфатным буфером; после освещения раствор зрительного пигмента обесцвечивался, освобождая ретиналь. В 1964 г. Голдсмит и Уорнер (Goldsmith a. Warner, 1964) четко доказали, что зрительная система рабочей пчелы строится на основе витамина А (ретинола); в темноте витамин А окисляется до ретиналя, а на свету ретиналь переходит в витамин А. Голдсмит и Уорнер обнаружили также, что у пчелы витамин А содержится только в голове, точнее в глазах. По их мнению, никаких метаболических резервов витамина А или ретиналя ни в голове, ни в теле пчелы нет.

Вопрос о  характере локализации и ориентации молекул зрительного пигмента (точнее дипольных моментов этих молекул) в  рабдомерах сложного глаза насекомых пока во многом неясен. Более того, до самого последнего времени вообще не было прямых доказательств того, что рабдомер является структурой, воспринимающей свет (т.е. что именно в нем содержится зрительный пигмент).

Только в  самое последнее время благодаря  работам Лангера и Торелла  (Langer, 1960, 1965; Langer a. Thorell, 1966) стало ясно, что рабдомеры содержат зрительный пигмент. Исследуя с помощью микроспектрофотометра отдельные рабдомеры сложного глаза белоглазого мутанта мухи Calliphora (использование белоглазого мутанта позволило избавиться от мешающего влияния экранирующего пигмента), Лангер и Торелл показали, что:

чехла и оптической «пробки», закрывающих проксимальный  конец рабдома.

И все же в последнее время в отношении  зрительных пигментов насекомых получено много интересных данных. Так, стало известно, что зрительный пигмент насекомых имеет значительно меньший молекулярный вес (3000-4000), чем молекулярный вес зрительных пигментов позвоночных (27 000-28 000) (Heller, 1969), а следовательно, и диаметр молекулы зрительного пигмента насекомых значительно меньше – около 5 А против 40 – 50 А у позвоночных. Получены доказательства того, что в основе зрения многих насекомых (по-видимому, это справедливо для всех насекомых) лежит ретиналь, который был найден у пчелы, домашней мухи, некоторых прямокрылых, стрекоз, жуков, бабочек (Goldsmith, 1958; Wolken, Bowness a. Scheer, 1960; Briggs, 1961). При этом интересно, что Голдсмиту (Goldsmith, 1958) удалось извлечь зрительный пигмент из сложного глаза пчелы не детергентамп, а простым фосфатным буфером; после освещения раствор зрительного пигмента обесцвечивался, освобождая ретиналь. В 1964 г. Голдсмит и Уорнер (Goldsmith a. Warner, 1964) четко доказали, что зрительная система рабочей пчелы строится на основе витамина А (ретинола); в темноте витамин А окисляется до ретиналя, а на свету ретиналь переходит в витамин А. Голдсмит и Уорнер обнаружили также, что у пчелы витамин А содержится только в голове, точнее в глазах. По их мнению, никаких метаболических резервов витамина А или ретиналя ни в голове, ни в теле пчелы нет.

Вопрос о  характере локализации и ориентации молекул зрительного пигмента (точнее дипольных моментов этих молекул) в рабдомерах сложного глаза насекомых пока во многом неясен. Более того, до самого последнего времени вообще не было прямых доказательств того, что рабдомер является структурой, воспринимающей свет (т.е. что именно в нем содержится зрительный пигмент).

Только в  самое последнее время благодаря  работам Лангера и Торелла  (Langer, 1960, 1965; Langer a. Thorell, 1966) стало ясно, что рабдомеры содержат зрительный пигмент. Исследуя с помощью микроспектрофотометра отдельные рабдомеры сложного глаза белоглазого мутанта мухи Calliphora (использование белоглазого мутанта позволило избавиться от мешающего влияния экранирующего пигмента), Лангер и Торелл показали, что:

1) спектр поглощения отдельного рабдомера хорошо совпадает: а) с известной кривой Дартнелла (Dartnall, 1953), б) со спектром поглощения родопсина быка и кальмара, в) с кривой спектральной чувствительности, измеренной по электроретинограмме, г) с кривой спектральной чувствительности, полученной при внутриклеточном отведении потенциалов;

2) спектры  поглощения рабдомеров неодинаковы:  так, шесть рабдомеров одной  и той же ретинулы имеют  максимум поглощения при 500 нм, а один — центральный —  при 460 нм, что, вероятно, соответствует «синечувствительным» и «зеленочувствительным» рецепторам Буркхарда (Burkhardt, 1962);

3) после длительного  засвета величина максимума поглощения  при 500 нм уменьшается; вероятно, это является результатом частичного  обесцвечивания зрительного пигмента, подобно тому как это имеет место у позвоночных;

4) рабдомерам  свойственно дихроичное поглощение  света, причем коэффициент дихроичности  поглощения равен для Calliphora 4/3, т. е. 1.33.

Последний факт представляет, пожалуй, наибольший интерес, поскольку он позволяет вплотную приблизиться к вопросу об ориентации молекул зрительного пигмента в микровиллах рабдомеров и заслуживает более подробного рассмотрения.

где Е  – относительное поглощение света; s — 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 е_x, е_y и e_z (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 — е_x и e_z . Дихроизм поглощения определяется отношением относительных поглощений для двух составляющих е_x и e_z , 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| = e_z = 1, и равенство (1) дает

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

|e| = e_x = 1, а  e_z = 0;

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

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_s, а поверхностную плотность молекул с дипольными моментами, ориентированными перпендикулярно поверхности мембраны, через s_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 = s_s + 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_s , и молекул, входящих в s_r. Так, для е, параллельного оси z, получим

E_s^ = ps_srl,  E_r|| = 0

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