Энтомология / Тыщенко В. П. Физиология насекомых

основе обучения пчелы превосходят рыб и даже крыс, приближаясь к собакам и обезьянам.

Образование условных рефлексов у насекомых протекает как и у позвоночных животных. Условный рефлекс вырабатывается при сочетании во времени действия того или иного индифферентного раздражителя с безусловным раздражителем. Обычно говорят о «подкреплении» индифферентного раздражителя безусловным. В результате нескольких таких подкреплений индифферентный раздражитель приобретает сигнальную

оборонительные условные рефлексы на зрительные и обонятельные стимулы обычно вырабатываются после 1—12 подкреплений. Пищевой условный рефлекс вырабатывается значительно быстрее на запахи цветов, обычно посещаемых пчелами, чем на запахи цветов, не посещаемых ими, или на искусственный запах бутилового спирта (рис 95).

У пчел особенно легко вырабатывается совпадающий условный рефлекс, при котором действие индифферентного раздражителя продолжается во время подкрепления, начинаясь за несколько секунд до него. При отставленном условном рефлексе, который вырабатывается с большим трудом, индифферентное раздражение прекращается до начала действия безусловного раздражителя. Запаздывающий условный рефлекс характеризуется обратным следованием раздражителей: безусловный раздражитель предшествует индифферентному. Он вырабатывается очень медленно и оказывается нестойким. Для образования условных рефлексов на цепь индифферентных раздражителей необходимо от 40 до 100 пищевых подкреплений. Отдельные компоненты цепи (например, цветовые раздражители — зеленый, красный и фиолетовый) воспринимаются пчелами как единый сложный сигнал.

171

При нарушении первоначальной комбинации этих компонентов условнорефлекторный ответ не возникает.

Ввысшей нервной деятельности насекомых большую роль играют процессы торможения условных рефлексов, сходные с теми процессами, которые разыгрываются в коре головного мозга у позвоночных животных.

Внешнее торможение можно наблюдать при воздействии на животных каких-либо посторонних раздражителей. Оно не требует постепенной выработки и наступает внезапно. В основе этого торможения лежит механизм одновременной индукции: возбуждение одних участков нервной системы вызывает заторможенное состояние в других ее участках.

Внутреннее торможение в отличие от внешнего вырабатывается в течение индивидуальной жизни животного. Простейший случай этого торможения составляет угасание условно-рефлекторной реакции, не подкрепляемой безусловным раздражителем. Как показали исследования И. П. Павлова, во время угасания условный рефлекс не исчезает, а попадает под действие внутреннего угасательного торможения. В опытах с пчелами этот вывод подтвердили А. К. Воскресенская и Н. Г. Лопатина (1952).

Образующиеся условные рефлексы вначале носят обобщенный характер. Если пчелам одновременно или последовательно предъявляются два зрительных стимула, но пищевое подкрепление следует только за одним из них, то первоначально положительную реакцию вызывают оба стимула. Это явление генерализации условных рефлексов связано с иррадиацией импульсов по нейронным сетям (см. с. 157).

Вдальнейшем происходит уточнение условно-рефлекторных связей и положительная реакция на подкрепляемый стимул исчезает, попадая под действие внутреннего дифференцированного торможения.

Водном из опытов Н. Г. Лопатиной (1971) была доказана способность пчел к выработке условно-рефлекторного торможения. В этом опыте запах амилового спирта использовали в качестве условного раздражителя, вызывающего положительную пищевую реакцию. После закрепления рефлекса на запаховый стимул действие амилового спирта сочетали с красным цветом в отсутствие пищевого подкрепления. В результате 10—15 таких сочетаний красный цвет приобрел значение условного тормоза, противодействующего проявлению пищевой реакции Уже при первом предъявлении пчелам он вызывал торможение реакции на действие другого условного раздражителя — запаха бутилового спирта.

Все виды внутреннего торможения (угасательное, дифференцировочное и условное) обеспечивают большую гибкость условно-рефлекторной деятельности насекомых. Когда какой-либо ранее выработанный рефлекс становится бесполезным, он затормаживается, а вместо него в нервной системе формируются новые условно-рефлекторные связи. Так процессы внутреннего торможе-

179

ния в их взаимодействии с очагами возбуждения формируют стереотип поведения, складывающийся на основе генетически заданной программы и индивидуального жизненного опыта.

Глава седьмая

НЕРВНО-МЫШЕЧНЫЙ АППАРАТ И ОРГАНЫ СВЕЧЕНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН

Как скелетная, так и висцеральная мускулатура насекомых построены из поперечно-полосатых мышечных волокон. Каждое мышечное волокно окружено тонкой эластичной оболочкой — сарколеммой, содержит саркоплазму и многочисленные ядра. В саркоплазме находятся митохондрии, богатые окислительными ферментами. Кислород, который используется митохондриями при окислительном фосфорилировании, доставляется к мышечным волокнам по системе трахей и трахеол. Последние или лежат на поверхности мышечного волокна, или проникают внутрь его. Наличие внутриклеточных трахеол отличает крыловую мускулатуру от некрыловой. Среди других структур, свойственных мышечным волокнам, заслуживает упоминания эндоплазматический ретикулум, который служит местом активного поглощения и выделения ионов кальция, играющего важную роль в активировании сократительных мышечных белков.

Сократительная часть мышечных волокон представлена длинными миофибриллами, которые проходят внутри каждого волокна от одного его конца до другого. Обычно миофибриллы очень тонки (их диаметр составляет 1—2 мкм) и отграничены друг от друга узкими полосками саркоплазмы, содержащей крупные митохондрии (рис. 96). В крыловых мышцах двукрылых и перепончатокрылых, приспособленных к частым ритмическим сокращениям, обнаруживаются более крупные миофибриллы, называемые саркостилями. В некоторых висцеральных мышцах насекомых наблюдается не продольное, а сетчатое расположение миофибрилл.

Поперечная исчерченность миофибрилл возникает в результате чередования светлых и темных дисков. Светлые I-диски называются изотропными и характеризуются слабым двойным лучепреломлением. Темные A-диски называются анизотропными и обладают ярко выраженной способностью к двойному лучепреломлению.

В мышцах насекомых изотропные области значительно меньше анизотропных (рис. 96).

173

Посередине светлых I-дисков, проходят темные Z-линии. Область, заключенная между двумя такими линиями, составляет

Рис. 96. Ультраструктурные особенности миофибрилл, выявляемые на продольном срезе через мышечное волокно насекомого:

1 — митохондрии, 2 — миофибриллы, 3 — саркомер. A, I, Н, М, Z —элементы саркомера

174

миофибрилл. Эта гипотеза в основном соответствует морфологическим картинам, наблюдаемым в электронном микроскопе на срезах сокращенных и растянутых мышц насекомых.

Протофибриллы служат основным местом сосредоточения сократительных мышечных белков: тонкие нити состоят из актина, а толстые

— из миозина. В результате соединения актина и миозина воз-

Рис. 98. Изменение содержания АТФ, АДФ и аргининфосфата в крыловых мышцах мухи Phormia regina в течение 1 ч непрерывного полета (пo Sacktor, Hirlbut, 1966)

никает белковый комплекс, называемый актомиозином. Выделенные из мышц насекомых актомиозиновые нити сокращаются в присутствии АТФ. Механохимическая активность этих нитей связана со способностью миозина расщеплять молекулы АТФ и использовать запасаемую в них энергию.

Исходные энергетические субстраты, используемые насекомыми во время полета, имеют разную природу. У большинства двукрылых крыловые мышцы могут перерабатывать только углеводы, у бабочек — только жиры, а у саранчовых и тлей — как жиры, так и углеводы. Энергия, освобождаемая в ходе окисления жиров и углеводов, аккумулируется в макроэргических связях АТФ и аргининфосфата. Сокращения крыловых мышц сопровождаются гидролизом этих соединений с освобождением фосфорной кислоты:

АТФ → АДФ + Н3РO4,

аргининфосфат → аргинин + Н3РO4.

В начале полета содержание АТФ и аргининфосфата в крыловых мышцах несколько снижается, но в дальнейшем оно поддерживается на постоянном уровне за счет синтеза макроэргических соединений на основе продуктов, транспортируемых гемолимфой. У мухи Phormia regina концентрация АТФ и аргининфосфата па-

175

дает лишь в первые секунды полета, а затем устанавливается стационарное состояние, которое может сохраняться в течение нескольких часов (рис. 98).

ИННЕРВАЦИЯ МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН

У всех членистоногих мышечные волокна снабжаются нервными окончаниями по принципу мультитерминальной иннервации. В соответствии с этим принципом мышечное волокно насекомого снабжено большим количеством нервно-мышечных синапсов, расположенных на расстоянии от 30

голени (рис. 100, Б, 2), создающим эффект прыжка. Перерезка I-аксона лишает саранчу способности прыгать, но ходильные движения сохраняются и после такой операции. Даже одиночное раздражение F-аксона вызывает тетаническое сокращение и расслабление мышцы, а при частых раздражениях эти сокращения сливаются, давая вначале зубчатый, а затем гладкий тетанус (рис. 101, A). В метаторакальном разгибателе голени у саранчовых все мышечные волокна обслуживаются F-аксоном

При раздражении S-аксона в мышечных волокнах регистрируется градуальный внутриклеточный потенциал, который имеет незначительную амплитуду, но обнаруживает способность к суммации: при двух последовательных раздражениях амплитуда второго ответа выше, чем первого (см. рис. 100, В, Г) Появление потенциала, вызванного раздражением S-аксона, сопровождается тониче-

176

ским сокращением мышцы (рис. 101, Б). При одиночных раздражениях это сокращение вообще не регистрируется. Оно появляется только при частоте раздражения выше 10 в 1 с и увеличивается при дальнейшем возрастании частоты раздражении до 150 в 1 с. Расслабление мышцы при тонусе происходит гораздо медленнее, чем

Рис. 100. Тройная иннервация мышцы-разгибателя голени последней пары ног у саранчи

Locusta migratona (пo Hoyle, 1955):

A — гистологический срез через нерв, обслуживающий разгибатель голени, Б — внутриклеточный потенциал (1) и механограмма разгибания голени (2) при одиночном раздражении F аксона (стрелкой отмечено максимальное значение синаптического потенциала), В — внутриклеточный мышечный потенциал при одиночном раздражении S-аксона, Г — эффект облегчения при двух последовательных раздражениях S аксона, F — быстрый аксон, S — медленный, I — тормозной

при тетанусе. В метаторакальном разгибателе голени у саранчовых только 30% мышечных волокон обслуживается S-аксоном.

Таким образом, оба рассмотренных аксона (F, S) являются пусковыми и обусловливают разные электрические и механические ответы мышцы Раздражение I-аксона вызывает изменение мембранного потенциала в мышечных волокнах, но не сопровождается сокращениями. При одновременном раздражении S- и I-аксонов обычно понижается амплитуда тонического сокращения (рис. 101, В). Хотя подобные аксоны принято называть тормозными, их влияние на функции мышцы может быть двояким — не только тормозящим (как на рис. 101), но и стимулирующим. Поэтому тормозные аксоны насекомых относят к категории не пусковых, а регулирующих аксонов. В метаторакальном разгибателе голени у саранчовых I-аксон обслуживает только те мышечные волокна, которые иннервируются S- аксоном. Следовательно, в нервно-мышечных единицах разгибателя голени возможны 3 варианта иннервации: F+S, F +

177

+S+I и только F, но никогда не встречаются такие варианты: только S, только

I, S+I или F+I.

Тормозные аксоны первоначально были обнаружены и детально изучены у ракообразных. У насекомых они найдены сравнительно недавно. Мышечные

А— тетанические сокращения; Б — иннервации выдерживается во всей

скелетной мускулатуре насекомых, однако в зависимости от конкретной функции нервно-мышечного прибора доминирующее значение приобретает тот или иной тип аксонов. Почти все

мышечные волокна скелетной мускулатуры получают быструю иннервацию, а 30—50% волокон дополнительно иннервируются и медленными аксонами, В нерве, обслуживающем коксальные мышцы таракана Periplaneta americana насчитывается 5 аксонов: один толстый F-аксон, более тонкий S-аксон и 3 очень тонких I-аксона. Крыловая мускулатура тоже обслуживается быстрыми, медленными и тормозными аксонами.

ПОТЕНЦИАЛЫ МЫШЕЧНЫХ КЛЕТОК

Для регистрации электрической активности мышечных волокон используют внеклеточные и внутриклеточные электроды. Регистрация внеклеточных потенциалов позволяет следить за работой мышечных волокон и целых мышц при различных поведенческих реакциях насекомых, например во время полета (рис. 102). Внутриклеточные электроды дают возможность наблюдать за изменениями мембранного потенциала и анализировать условия возникновения потенциалов действия.

Мембранный потенциал (МП) в мышечных волокнах насекомых составляет от – 40 до –70 мВ. У прямокрылых, палочников и тараканов экспериментально найденные значения МП почти точно совпадают с расчетными значениями калиевого потенциала (табл. 12), а при помещении мышц в растворы с разной концентрацией калия изменения МП полностью соответствуют изменениям равновесного потенциала К+ (рис. 103, A). Следовательно у прямокрылых, тараканов и палочников, как и у других животных, не относящих-

178

ся к классу насекомых, ионы К+ играют основную роль в генерации МП мышечных волокон. Однако это утверждение нельзя счи-

Рис. 102. Электрическая активность трех мышечных волокон (а, б, в) продольной крыловой мускулатуры во время полета клопа Oncopeltus fasciatus (пo Mulloney, 1970):

отметка времени 100 мс

Таблица 12. Содержание ионов К+ в мышцах и гемолимфе у разных видов насекомых

в сопоставлении с величиной мембранного потенциала

(по данным Wood, 1965; Huddart, 1966)

179

тать справедливым для всех отрядов крылатых насекомых. Например, у чешуекрылых МП мышечных волокон не совпадает с равновесным калиевым потенциалом (табл. 12), и в растворах с разной концентрацией калия изменения МП не соответствуют изменениям равновесного потенциала (рис.

103, Б).

Приведенные факты свидетельствуют о том, что у прямокрылых, тараканов и палочников мембрана мышечных волокон обла-

Рис. 103. Влияние наружной концентрации калия на мембранный потенциал мышечных волокон саранчи Schistocerca gregaria (A) и бражника Sphinx ligustri (Б) (по Hoyle, 1953; Huddart, 1966):

1 — мембранный потенциал, 2 — равновесный потенциал калия

дает высокой проницаемостью для ионов калия, а у чешуекрылых она мало проницаема для этих ионов. По данным Белтона и Грундфеста (Belton, Grundfest, 1962) у личинок жука Tenebrio molitor МП мышечных волокон вообще не реагирует на изменения концентрации ионов калия в широких пределах. Очевидно, МП мышечных волокон у чешуекрылых и жесткокрылых определяется не калием, а какими-то другими ионами.

Потенциал действия (ПД), возникающий в мышечном волокне при раздражении быстрого аксона, имеет сложную природу. Он слагается из двух деполяризационных потенциалов, один из которых называется синaптическим потенциалом, а другой — активным ответом мембраны (рис. 104, A).

Синаптический потенциал зарождается в области нервно-мышечного синапса и является местным электрическим ответом мышечной мембраны на возбуждение аксона. Когда синаптический потенциал достигает критического уровня, на его вершине появляется активный ответ, захватывающий всю мембрану мышечного волокна, а не только ее синаптические участки.

Активные ответы, регистрируемые в мышечных волокнах насекомых, по своей форме напоминают спайки нервных волокон

180