Действие прямоугольных электрических импульсов низкой частоты на трихоплакса (тип Placozoa)
Effects of low frequency rectangular electric pulses on Trichoplax (Placozoa)
Effects of low frequency rectangular electric pulses on Trichoplax (Placozoa)
Дата
2020
Авторы (alternative)
Название журнала
Номер ISSN
Название тома
Издатель
Аннотация
Влияние низкочастотного электромагнитного излучения (НЭМИ) на растения и животных, включая человека, достаточно спорно. Мало известно и о воздействии НЭМИ на гидробионтов. Мы изучили действие прямоугольных импульсов напряжения различной амплитуды, длительности и скважности, пропущенных через морскую воду, на трихоплакса (тип Placozoa) как на возможную тестовую лабораторную модель. В опытах использовали три штамма Placozoa, Trichoplax adhaerens (H1), Trichoplax sp. (H2) и Hoilungia hongkongensis (H13), отобранных на стационарной стадии роста культуры. Для генерации последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности и скважности с частотой до 2 кГц применяли аппаратную платформу Arduino Uno. Среднее значение напряжения до 500 мВ регулировали с помощью схемы делителя напряжения. Для доказательства специфичности действия электрических импульсов на потенциалзависимые кальциевые каналы трихоплакса использовали ингибитор активности кальциевых каналов амлодипин. Животных стимулировали электрическим током под стереомикроскопом. Электроды располагали в непосредственной близости от животного. Исследовали сопутствующие изменения поведения и морфологии пластинки трихоплакса. Выделяли стимулирующие и подавляющие воздействия. Наблюдения документировали с помощью фото- и видеосъёмки. Отслеживали траектории движения отдельных особей. Увеличение напряжения на электродах при фиксированной частоте 20 Гц приводило к тому, что животные штамма H2 покидали «зону электродов» в течение нескольких минут при 25 мВ, однако теряли подвижность пропорционально росту напряжения и обездвиживались при 500 мВ. Именно поэтому в дальнейших опытах применяли напряжение 50 мВ. В экспериментах с двумя электродами, находящимися с одной стороны трихоплакса, у животного было больше возможностей перемещаться в разных направлениях, чем в случае расположения электродов по обеим сторонам пластинки. Направление движения использовали как характеристический признак. Отмечено, что трихоплаксы мигрируют в области с низкой плотностью линий электрического поля, которые расположены вдали или за электродами. Животные из старой культуры отличались меньшей чувствительностью к электрическому раздражителю. Штамм H2 был наиболее чувствительным и демонстрировал более выраженные физиологические реакции на частотах 2 Гц и 2 кГц с напряжением 50 мВ, чем штамм H1 и особенно штамм H13. В зависимости от длительности стимулирующих прямоугольных импульсов, их числа, амплитуды и варьирующей частоты менялись двигательные реакции и морфология животных: от направленной или стохастической миграции в сторону анода/катода или от него до обездвиживания животных, увеличения оптической плотности по периферии и в центре пластинки и до сворачивания трихоплакса и отделения его от субстрата. В дополнительных опытах на Trichoplax sp. H2 показано, что при длительности импульсов 35 мс и задержке импульсов от 1 мс до 10 с доля обездвиженных животных увеличивается до 80 % при минимальной задержке. Тем не менее в случае применения амлодипина в концентрации 25 нМ практически все трихоплаксы в течение нескольких минут сохраняли подвижность несмотря на обработку электрическими импульсами. Между тем при использовании амлодипина в концентрации 250 нМ животные двигались дискоординированно и не могли покинуть «электродную ловушку». Далее пластинка трихоплакса становилась ригидной, что выражалось в неизменности формы животного при движении. Наконец, амлодипин в концентрации 50 мкМ вызывал быстрое сворачивание краёв трихоплакса в розетку в вентрально-дорсальном направлении и последующую диссоциацию пластинки на отдельные клетки. В целом применяемое электрическое воздействие имело кумулятивный, но обратимый эффект, который, как предполагается, может быть связан с работой потенциалзависимых кальциевых каналов. Амлодипин в большой концентрации (50 мкМ) вызывал разрушение трихоплакса, в умеренной (250 нМ) он нарушал, вероятно, распространение волн активации, что приводило к дискоординации движений животного, а в малой (25 нМ) предотвращал электрошок.
Аннотация (alternative)
The effect of extremely low frequency electric and magnetic fields (ELF-EMF) on plants and animals including humans is quite a contentious issue. Little is known about ELF-EMF effect on hydrobionts, too. We studied the effect of square voltage waves of various amplitude, duration, and duty cycle, passed through seawater, on Trichoplax organisms as a possible test laboratory model. Three Placozoa strains, such as Trichoplax adhaerens (H1), Trichoplax sp. (H2), and Hoilungia hongkongensis (H13), were used in experiments. They were picked at the stationary growth phase. Arduino Uno electronics platform was used to generate a sequence of rectangular pulses of given duration and duty cycle with a frequency up to 2 kHz. Average voltage up to 500 mV was regulated by voltage divider circuit. Amlodipine, an inhibitor of calcium channel activity, was used to check the specificity of electrical pulse effect on voltage-gated calcium channels in Trichoplax. Experimental animals were investigated under a stereo microscope and stimulated by current-carrying electrodes placed close to a Trichoplax body. Variations in behavior and morphological characteristics of Trichoplax plate were studied. Stimulating and suppressing effects were identified. Experimental observations were recorded using photo and video techniques. Motion trajectories of individual animals were tracked. Increasing voltage pulses with fixed frequency of 20 Hz caused H2 haplotype individuals to leave “electrode zone” within several minutes at a voltage of 25 mV. They lost mobility in proportion to voltage rise and were paralyzed at a voltage of 500 mV. Therefore, a voltage of 50 mV was used in further experiments. An animal had more chance to move in various directions in experiments with two electrodes located on one side instead of both sides of Trichoplax. Direction of motion was used as a characteristic feature. Trichoplax were observed to migrate to areas with low density of electric field lines, which are far from electrodes or behind them. Animals from old culture were less sensitive to electrical stimulus. H2 strain was more reactive than H1 strain and especially than H13 strain; it demonstrated stronger physiological responses at frequencies of 2 Hz and 2 kHz with a voltage of 50 mV. Motion patterns and animal morphology depended on the duration of rectangular stimulation pulses, their number, amplitude, and frequency. Effects observed varied over a wide range: from direct or stochastic migration of animals to the anode or the cathode or away from it to their immobility, an increase of optical density around and in the middle of Trichoplax plate, and finally to Trichoplax folding and detach from the substrate. Additional experiments on Trichoplax sp. H2 with pulse duration of 35 ms and pulse delay of 1 ms to 10 s showed that the fraction of paralyzed animals increased up to 80 % with minimum delay. Nevertheless, in the presence of amlodipine with a concentration of 25 nM, almost all Trichoplax remained fast-moving for several minutes despite exposure to voltage waves. Experimental animals showed a total discoordination of motion and could not leave an “electrode trap”, when amlodipine with a concentration of 250 nM was used. Further, Trichoplax plate became rigid, which appeared in animal shape invariability during motion. Finally, amlodipine with a concentration of 50 μM caused a rapid folding of animal plate-like body into a pan in the ventral-dorsal direction and subsequent dissociation of Trichoplax plate into individual cells. In general, the electrical exposure applied demonstrated a cumulative but a reversible physiological effect, which, as expected, is associated with activity of voltage-gated calcium channels. Amlodipine at high concentration (50 μM) caused Trichoplax disintegration; at moderate concentration (250 nM), it disrupted the propagation of activation waves that led to discoordination of animal motion; at low concentration (25 nM), it prevented an electric shock.
Ключевые слова
прямоугольные электрические импульсы, трихоплакс, пластинчатые, потенциалзависимые кальциевые каналы
Библиографическое описание
Кузнецов А. В., Кулешова О. Н., Пронозин А. Ю., Кривенко О. В., Завьялова О. С. Действие прямоугольных электрических импульсов низкой частоты на трихоплакса (тип Placozoa) // Морской биологический журнал. - 2020. - Т. 5, № 2. - С. 50-66. https://doi.org/10.21072/mbj.2020.05.2.05