ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Перинеальная железа взрослого самца обыкновенного крота –
Talpa europaea (окраска на жир суданом черным Б)

Параназальная железа взрослого самца нетопыря карлика – Pipistrellus pipistrellus (окраска гематоксисилин-эозином)

Железистое поле вентральной поверхности носа обыкновенной бурозубки – Sorex araneus (окраска на жир суданом III)

Сотрудниками лаборатории получены оригинальные данные и на этой основе разработаны крупные обобщения, многие из которых представлены в зоологии впервые, такие как единая концепция дифференциации и эволюции структур наружных покровов и ее использование в интересах таксономии и филогенетики; концепция параллельной эволюции перьевого и волосяного покровов (удостоена Премии им. А.Н. Северцова). По научному уровню, охвату объектов, применяем методам исследования и степени теоретических обобщений, проводимые исследования не уступают мировому.

Разработана концепция морфологической конвергенции в эволюционном развитии остевых волос млекопитающих и покровных перьев птиц, возникновение которых представляют собой ароморфозы — крупные эволюционные события, резко поднявшие уровень организации этих классов, обеспечив их теплоизоляцией и возможностью вытеснения пресмыкающихся в условиях похолодания климата. На основе полиморфизма волос (изучено более 300 видов) и перьев (39 видов) определено, что тонкое строение основных структур (кутикула, кора, сердцевина) волоса и пера сходно у этих филогенетически разобщенных классов. Конвергенция строения волоса и пера объяснима на функциональной основе — выполнение сходных функций (в данном случае теплоизоляционной) определило создание структур сходного дизайна в координации с другими органами и механическими ограничениями. Основное направление эволюции, как волоса, так и пера, обеспечивающее выполнение ими теплозащитной, состояло в образовании воздухоносных структур.

Показано, что различные типы симметрии и асимметрии характерны для таких свойств и структур кожи позвоночных как окраска, коллагеновая строма, чешуйный, перьевой и волосяной покровы и их структурно-функциональные единицы (чешуя, перо, волос, железы) в статическом состоянии и в динамике (на примере линьки), что делает целесообразным их использование в биосимметрике. Количественная сторона билатеральной симметрии определена с помощью коэффициентов симметрии и асимметрии, и по степени асимметрии графика нормального распределения (Кривая Гаусса), позволяющих оценить степень симметричности изучаемых объектов. У позвоночных, со свойственной им билатеральной симметрией строения тела, среди многочисленных и разнообразных кожных структур хорошо представлены не только билатерально симметричные и асимметричные по топографии и строению образования, но и построенные по законам других типов симметрии (переносной, радиальной, винтовой).

Установлено, что топография, строение и функции кожных желез млекопитающих, как дериватов наружных покровов отражают закономерности эволюции и адаптивной радиации таксонов, служа критериями таксономического статуса и приспособления видов и жизненных форм к условиям обитания. Решен принципиально важный для морфологии наружных покровов и зоологии в целом вопрос о существовании у млекопитающих четвертого самостоятельного типа кожных желез (помимо сальных, апокриновых потовых и эккриновых потовых) – гепатоидных желез, сведения о которых ошибочны или вообще отсутствуют в научной литературе последних 50 лет. Разработаны критерии их идентификации, экзокринный тип секреции, белковый или сально-белковый характер секрета, самостоятельность как типа желез, органоспецифичность и сигнальный характер запаха секрета. В результате ревизии ранних собственных исследований, критического анализа данных литературы и специального собственного изучения, гепатоидные железы обнаружены у 29 видов млекопитающих из разных таксонов. Полученные данные существенным образом меняют многие представления о железистом аппарате кожи, эго эволюции и химической коммуникации этих видов.

Впервые использованы различия в активности ферментов специфических кожных желез (СКЖ) в качестве дополнительного таксономического критерия у 25 видов полевок (подсемейство Arvicolinae). Поскольку активность кислой и щелочной фосфатаз, а также аденозинтрифосфатазы — основных ферментов, регулирующих секрецию железистых клеток СКЖ, различается у разных видов, то она может служить видоспецифическим маркером и свидетельствовать о степени эволюционной близости между видами. Полученные данные согласуются с общепринятой таксономией этих полевок. Установлено, что секреторная деятельность СКЖ направлена на синхронизацию активизации половых систем у обоих полов посредством обонятельной коммуникации.

Определены адаптивные особенности строения шерсти млекопитающих Арктики и Крайнего Севера, способствующие их выживанию в суровых природных условиях — рецентных видов (чукотских ездовых собак и тундрового волка), ископаемых обитателей голоценового периода (эскимосских собак, зайца-беляка, настоящих тюленей, северного оленя, белого медведя) и вымерших видов “Мамонтовой фауны” Ледникового периода (шерстистого мамонта, шерстистого носорога, древнего бизона, пещерного льва, древней лошади). Доказано тафономическое значение ископаемой шерсти.

Впервые в мировой зоологии планомерно, по единому плану изучено тонкое строение волос у представителей 18 отрядов класса млекопитающих (322 вида). Выявлены широкий полиморфизм и адаптивное значение строения волос, а также его диагностическое значение. Предложена концепция о параллельном формировании волос и вибрисс в филогенезе млекопитающих. Вибриссы значительно отличаются по строению от волос и, вероятно, произошли от механорецепторов предковых форм (котилозавров), развиваясь лишь в ветви, представленной рецентными видами сумчатых и плацентарных млекопитающих. У ветви, представленной рецентными видами однопроходных, они отсутствуют при сохранении электро-, и механорецепторов. Волосы возникли параллельно в обеих ветвях из ороговевающего эпидермиса. Их эволюция сопровождалась становлением теплокровности и шла независимо от эволюции вибрисс. Широкая и интенсивная адаптивная радиация привела к ярко выраженному полиморфизму волос, во многом сходному в разных таксонах (морфологический параллелизм). Иглы образовались в результате гетерохроний (временной разницы формирования) разных генераций волос.

Впервые в СЭМ показано, что структура сердцевины волос человека вполне сопоставима с таковой сердцевины волос шимпанзе (рис. 3), что неудивительно, если принимать доказанное многими методами их родство как представителей одного подсемейства Hominidae. Однако она отлична от волос вида из другого подсемейства Pongidae – орангутана, древние предки которого (по литературным данным молекулярно-генетического анализа) отделились от ветви предков ветви шимпанзе-человек раньше (6.2–8.4 млн лет назад), чем произошла дивергенция предков шимпанзе и человека (4.6–6.2 млн лет).

Выявлено, что степень редукции эмбрионального пуха птенцов указывает не на относительную древность происхождения таксонов, а на стабильность присутствия или прогресс утраты этого, очевидно атавистического, покрова у представителей разных таксономических групп. Обилие пуха не является, по-видимому, прямым приспособлением к условиям гнездования, так как голых и опушенных птенцов имеют представители открыто- и закрыто гнездящихся видов одних и тех же семейств, как обитателей тропиков, так и высоких широт. Сведения об эмбриональных нарядах птиц, кроме приложения в систематике, позволили составить представления о путях эволюции нарядов. Предложена гипотеза, в соответствии с которой, одной из причин эволюционных прорывов веерохвостых динозавров стало приобретение теплокровности, обеспеченной в том числе, термоизоляционными свойствами внешних покровов. При этом пуховидные структуры способствовали термоизоляции, а перовидные, главным образом, освоению воздушной и водной сред обитания. Морфологическое разнообразие и особенности развития перьевых структур в онтогенезе рецентных видов птиц до сих пор содержат приметы длительной эволюции кожных дериватов. Впервые в мировой зоологии создана сводка оригинальных и литературных данных о распределении пуховых птерилий на начальных стадиях постэмбрионального онтогенезе (эмбриональная птерилография) у птенцов 10 отрядов птиц в объеме мировой фауны, что позволяет идентифицировать птенцов разных видов птиц, в том числе относящихся к редким и исчезающим.

Морфо-функциональные модели скелетно-мышечного аппарата плечевого пояса и передней конечности у древесных бегающих, планирующих и летающих млекопитающих (тупай, шерстокрылов и рукокрылых) позволили понять, как в эволюции млекопитающих произошел переход от планирования к машущему полету. Разработана модель последовательного преобразования типичных парасагиттальных конечностей млекопитающих в крылья рукокрылых через эволюционную стадию, сочетающую в бег по толстым стволам деревьев с широко разведенными передними конечностями и планирующий полет.

Выявлены общие закономерности и особенности эмбрионального развития и строения камер желудка у филогенетически близких видов подсемейства Caprinae (Bovidae, Artiodactyla) на всех уровнях структурной организации в связи с их пищевой специализацией, в том числе, у видов, имеющих общий ареал обитания (сайгак, калмыцкая овца). Ультраструктура поверхности эпителия камер желудка служит показателем его использования симбионтами в качестве экологической ниши. Макро-, и микроструктура желудка отражает особенности питания и характер эндосимбиоценоза у каждого из исследованных видов (сайгак, архар, толсторог, овца, козел, тур). Степень доместикации ведет к ослаблению типа пищеварения (у домашних овец), а степень выраженности типа пищеварения у диких видов обусловлена спецификой их питания. Впервые на основе функциональной морфологии камер желудка представлена классификация по типам питания близкородственных видов Caprinae (высокоизбирательные, частично-избирательные, неизбирательные), позволяющая понять степень пищевой конкуренции между видами с перекрывающимися ареалами.

Установлены общие закономерности развития органа слуха и равновесия у млекопитающих в пре- и постнатальном онтогенезе. Дано сравнительно-эмбриологическое описание периферического отдела слуховой системы наземных, полуводных и водных млекопитающих с использованием уникальной коллекции по китообразным и ластоногим. Подробно изучена структурная организация этого отдела, определены этапы формирования наружного, среднего и внутреннего уха у филогенетически близких видов, но с разной экологической специализацией, и форм филогенетически далеких, но со сходной экологией. Показано, что главными в эволюции органа слуха являются морфофункциональные адаптации, направленные на оптимизацию слуховой чувствительности в разных средах обитания.

Выявлена морфологическая адаптация холоднокровных животных: при низких температурах они освобождаются от избытка ионов железа, появляющегося из погибших эритроцитов, путем превращения ионов клетками Купфера печени в пигмент меланин. В летний период у рыб и амфибий, как и у млекопитающих, этот процесс идет в клетках Купфера с образованием ферритина и гемосидерина.

Впервые выявлена эффективность прерывистого воздействия гипергравитации в качестве контрмеры, предотвращающей или уменьшающей развитие атрофических процессов, возникающих в мышцах задних конечностей животных в результате потери опорной нагрузки (в модельных опытах, имитирующих условия невесомости). Достоверное увеличение числа стволовых клеток в мышечных волокнах, а также уменьшение количества волокон с интенсивной дегенерацией миофибрилл происходит под предварительным воздействием гипергравитации.

Низко интенсивное лазерное излучение (НИЛИ) влияет на процессы вторичного гистогенеза скелетной мышечной ткани, протекающие в различных условиях воздействия ионизирующей радиации (локальное облучение мышц и общее облучение организма) — ускорение реакции воспаления и резорбции продуктов распада в ране, усиление пролиферативной активности мышечных элементов, нормализация процесса образования коллагена и снижение количества лучевых кожно-мышечных язв. С помощью НИЛИ можно влиять на жизнеспособность аллогенной мышечной ткани, как при гомотрансплантации целой мышцы, так и при имплантации измельченной гомомышцы в область травмы поврежденных скелетных мышц. Положительное влияние НИЛИ на адаптивные / восстановительные процессы в мышце определяется дозой и режимом воздействия.

Облучение скелетных мышц крыс инфракрасным и гелий-неоновым лазерами при некоторых дозах и режимах лазерного воздействия с последующей физической нагрузкой может снижать активность иммунной системы и усиливать цитогенетические нарушения в клетках тимуса и костного мозга. Полученные данные имеют приоритетный характер, указывают на необходимость тщательного мониторинга режима и дозы облучения и представляют интерес для спортивной медицины, так как лазерное облучение скелетных мышц применяется до и после тренировок спортсменов для ускорения восстановления мышц, снижения их утомляемости и повышения работоспособности.

Системное изучение мышечной ткани костных рыб, обитающих в акватории Волго-Каспийского бассейна, позволило установить различные пути развития деструктивных процессов в белых и красных скелетных мышцах рыб и дать этому явлению соответствующие объяснения. Впервые показано, что патология мышечной системы рыб включает также развитие дегенеративных изменений в соответствующих отделах их нервной системы, затрагивая как двигательную, так и чувствительную иннервацию мышц.

Проведен сравнительно-морфологический анализ висцерального аппарата донных и пелагических акул на примере катрана Squalus acanthias и семижаберника Heptranchias perlo. Выявлены основные отличия в строении мускулатуры, скелета и иннервации у этих хрящевых рыб, освоивших разные среды обитания: в толще воды и в придонном слое. Разрабатываются модели работы дыхательного аппарата, специализированного к пассивной вентиляции (при непрерывном токе воды через жабры у пелагических акул, постоянно находящихся в движении) и к активной вентиляции (при необходимости прогонять воду через жабры мышечным усилием самого жаберного аппарата у донных акул, которые длительное время остаются на месте).

Проведенные цитогенетические исследования популяций грача, обитающего в разных зонах Тульской области (Окско-Донского междуречья) показали, что ионизирующая радиация и химические поллютанты вносят существенный вклад в мутагенный процесс. У грачей в популяциях из районов с наибольшей степенью антропогенной нагрузки наблюдается повышенный уровень хромосомных повреждений в клетках роговицы глаза. В зоне с максимальной степенью загрязнения в клетках роговицы у грачей возникает в 81,6 раза больше мутаций, чем в незагрязненном районе.