Введение. Байкальская нерпа – уникальный тюлень, обитающий только в озере Байкал. Она приспособилась к пресной воде и является важной частью экосистемы Байкала. Долгое время это был промысловый вид, но с 2007 г. охота на нерп запрещена, разрешена только коренным малочисленным народам Севера, Сибири и Дальнего Востока Российской Федерации и их общинам при осуществлении традиционного рыболовства. При этом животное находится в Красном списке Международного союза охраны природы, что говорит о важности изучения данного эндемика. Изучение организма байкальской нерпы в онтогенезе позволит установить общие закономерности и видовые анатомические особенности, что очень важно при диагностике и лечении, а также установлении причины смерти при массовой гибели.
Вопрос питания тюленей с давних пор привлекает внимание ученых: В.Н. Светочев и О.Н. Светочева (2015) описали питание и пищевые отношения настоящих тюленей в Белом море [1]. Японские ученые исследовали 13 видов тюленей из коллекции Национального музея природы и науки, уделяя основное внимание байкальским тюленям и их родственникам. Исследователи считают, что «…организмы даже меньше криля могут быть важной добычей для водных млекопитающих, питающихся одной добычей, если окружающая среда и адаптация хищников позволяют высокие темпы кормления». Кроме того, они утверждают, что байкальские нерпы непосредственно питаются макропланктоном, который так многочислен в Байкале. Такую особенность рациона байкальской нерпы авторы связывают с морфологическим строением зубов [2]. В.А. Петерфельд и Е.А. Петров [3], Е.А. Петров, А.Б. Купчинский [4] считают, что «…гипотеза, согласно которой благополучие вида во многом определяется использованием в пищу пелагического рачка Macrochectopus branickii, не выдерживает критики и вряд ли отражает реальную картину». Они утверждают, что байкальская нерпа питается преимущественно 4–6 видами мелких пелагических рыб, а главной пищей являются два вида голомянок семейства Comephoridae.
Известно, что зубочелюстной аппарат у млекопитающих включает зубы, костные структуры, височно-нижнечелюстной сустав, десны, язык, губы и слизистую оболочку ротовой полости. Органы ротовой полости, в т. ч. и зубная аркада байкальской нерпы частично изучены ранее [5–11].
Цель исследования – изучение развития зубочелюстного аппарата у байкальской нерпы.
Объекты и методы. Объект исследования – байкальская нерпа. Материалом для исследования служили головы от плодов, полученных в конце августа (4–5 месяцев от момента спаривания, n = 1) и в возрасте 6–7 месяцев (n = 2), новорожденных (n = 4), щенков (n = 3), сеголеток (n = 5).
Материал для исследования отбирался в рамках Программы научно-исследовательской работы, утвержденной в Росрыболовстве Российской Федерации (от 17.07.2014), а также по теме НИОКТР «Морфогенез органов байкальской нерпы в различные периоды онтогенеза в норме и при патологии» (от 11.05.2017 и 08.09.2020).
Применялись классические анатомические методы: препарирование, изготовление срезов зубного зачатка по сагиттальной плоскости, описание, морфометрия, фотографирование. Для исследования топографии зубной аркады применяли рентгенографию, а также использовали бинокулярный микроскоп фирмы Saikedigital (Китай).
Для определения структуры зубного зачатка и челюстного аппарата плодов применяли гистологический метод исследования: материал фиксировали в 10 % нейтральном формалине, уплотняли в парафин. Приготовленные на микротоме «МЗП-01 ТЕХНОМ» (ООО «КБ Техном», Россия) срезы окрашивали гематоксилином с эозином по Эрлиху.
Для описания зубных рядов использовали модифицированную триаду (система дентальной номенклатуры) [12].
Для описания структур использовали международную анатомическую номенклатуру.
Результаты и их обсуждение. Ротовая полость байкальской нерпы представлена преддверием и собственно ротовой полостью. Губы байкальской нерпы не имеют круговой мышцы рта, отсутствие которой связано с особенностями питания эндемика и со строением аркады зубов; слизистая оболочка выполняет защитную функцию, предотвращая вредные воздействия на зубы и челюсти. Твердое и мягкое небо ограничивают собственно ротовую полость дорсально, зубные аркады – орально и латерально. Дно полости рта образовано языком и слизистой оболочкой. Десны поддерживают зубы, защищают от внешних воздействий и обеспечивают кровоснабжение. Язык нерпы сильно пигментирован и ко дну ротовой полости прикрепляется посредством уздечки – помогает при продвижении пищевого кома в ротовой полости, в нем отсуствует подбородочно-язычная мышца [5–10].
Развитие зубочелюстного аппарата у байкальской нерпы включает формирование зубов и челюстных костей как в пренатальный, так и в постнатальный периоды. Зубы у нерпы выполняют функцию захвата и откусывания пищи. Челюстные кости являются опорой и защитой для зубов, состоят из верхней и нижней челюстей, составляющих основную часть лицевого отдела черепа. Верхняя челюсть у байкальской нерпы состоит из парных костей – верхнечелюстных и резцовых. На вентральной поверхности располагается альвеолярный край с зубными альвеолами для клыков и моляров, на резцовом крае – для резцов. Нижняя челюсть также парная, соединяется посредством симфиза. На резцовой и молярной части сосредоточены зубные альвеолы для резцов, клыков и моляров [8, 11]. Стоит отметить отсутствие беззубого края за последним моляром как на верхней, так и на нижней челюстях, при смыкании челюстей он закрывается небно-язычной складкой. Соединение парной нижней челюсти с черепом происходит за счет височно-челюстного сустава и мышц, особенно жевательной группы (большая жевательная мышца, височная, крыловидная и двубрюшная мышцы). В отличие от мимических, эти мышцы прикрепляются к костной основе верхней части черепа и к нижней челюсти [8].
Формирование зубочелюстного аппарата у байкальской нерпы начинается в пренатальный период онтогенеза. У плода образование костной ткани челюстей осуществляется с помощью прямого остеогенеза, рядом с уплотненной мезенхимальной тканью выявлено большое количество кровеносных сосудов. Наличие кровеносных сосудов является сигналом к дифференцировке мезенхимных клеток, согласно данным литературы, в остеобласты. В полученных гистологических препаратах видны костные островки, на поверхности которых располагаются остеобласты, а внутри – остеоциты (рис. 1, 2).
Мезенхимные клетки с тонкими отростками имеют как округлую, так и веретеновидную форму, в ядрах хорошо видны признаки митотического деления. Остеобласты округлой, овальной или веретеновидной формы с базофильной цитоплазмой. Костные островки, располагающиеся в глубине челюсти, окрашены эозинофильно, а поверхностные костные островки имеют базофильную окраску с выраженной волокнистой структурой. Остеоциты в костных островках располагаются в полостях (лакунах) и имеют отростки (см. рис. 2).
В этом возрасте у плода уже сформирован эпителий ротовой полости и кожи (см. рис. 1, B).
А B
Рис. 1. Гистологическое строение челюстного аппарата эмбриона байкальской нерпы.
Гематоксилин с эозином. А (Ок. 10. Об. 10): 1 – мезенхима;
2 – зачаток эпителия ротовой полости; 3 – костные островки;
B (Ок. 10. Об. 40): 1 – зачаток эпителия; 2 – мезенхима; 3 – кровеносные сосуды;
4 – остеобласты; 5 – остеоциты; 6 – сформированный костный островок
Histological structure of the jaw apparatus in the embryo of the Baikal seal.
Hematoxylin and eosin stain. A (Magnification 10x, Objective 10): 1 – mesenchyme;
2 – oral epithelium bud; 3 – bony islands;
B (Magnification 10x, Objective 40): 1 – epithelium bud; 2 – mesenchyme; 3 – blood vessels;
4 – osteoblasts; 5 – osteocytes; 6 – formed bony island
У плода байкальской нерпы в возрасте 6–7 месяцев, как видно на рентгеновском снимке, уже присутствуют формирующиеся зубы, при этом зубчики коронки состоят из костной (дентиноидной) ткани, а остальная часть зуба еще представлена соединительной тканью. Также на рентгеновском снимке отсутствуют зачатки второй смены зубов (рис. 3), которые у других наземных хищников уже присутствуют в этом возрасте, в частности у собак «…зачатки, как молочных, так и постоянных зубов закладываются во время внутриутробной жизни, в удлиненных отростках зубной полоски под эмалевыми органами молочных зубов. Их развитие происходит в принципе так же, как и развитие зубов молочных. Зачатки постоянных зубов располагаются ближе к языку (небу), чем зачатки молочных зубов…» [13].
А B
Рис. 2. Формирование челюстного аппарата байкальской нерпы при помощи прямого
остеогенеза. Гематоксилин с эозином. А (Ок. 10. Об. 10): 1 – эпителий; 2 – костные островки;
3 – остеобласты; 4 – кровеносные сосуды; 5 – остеоциты. B (Ок. 10. Об. 40): 1 – остеоциты;
2 – остеобласты; 3 – кровеносные сосуды
Formation of the jaw apparatus in the Baikal seal through direct osteogenesis. Hematoxylin
and eosin stain. A (Magnification 10x, Objective 10): 1 – epithelium; 2 – bony islands; 3 – osteoblasts;
4 – blood vessels; 5 – osteocytes. B (Magnification 10x, Objective 40): 1 – osteocytes; 2 – osteoblasts;
3 – blood vessels
Таким образом, мы полагаем, что у байкальской нерпы отсутствует смена зубов с молочных на постоянные – первый прорезавшийся набор зубов сохраняется в течение всей жизни. Молочных зубов нами обнаружено не было. Тогда как А.Е. Кузин (2010) утверждает, что у островного тюленя есть молочные зубы, и они дифференцируются как послеклыковые зубы на премоляры и моляры [14].
А B
Рис. 3. Рентген нижней и верхней челюстей плода байкальской нерпы в возрасте 7 месяцев:
А – нижняя челюсть в прямой проекции; B – верхняя челюсть в боковой проекции
X-ray of the lower and upper jaws of a 7-month-old Baikal seal fetus:
A – lower jaw in direct projection; B – upper jaw in lateral projection.
В процессе формирования зуба в постнатальном онтогенезе у байкальской нерпы обнаруживается множество интересных структур. У новорожденной нерпы зубы представлены костными эмалевыми органами, которые наполнены зубным зачатком. В процессе роста щенка зубные зачатки претерпевают развитие и перерождаются в костную ткань, которая в последующем формирует цемент и дентин. Поверхность эмалевого органа разграничивается на коронку, шейку и корень зуба по цвету, но на данном этапе корни еще не сформированы. Однако в эмалевом органе имеются отверстия на месте будущих корней, которые соответствуют их наличию и количеству. На сагиттальном разрезе зубного зачатка визуализируются структуры, характерные для зуба, который уже завершил свое развитие, а именно пульпа и дентин. Помимо этого, к краю будущего корня прикрепляется соединительная ткань, покрывающая эмалевый орган, когда тот еще находится в десне – это зубной мешочек, он является будущим периодонтом и цементом (рис. 4).
А B C
Рис. 4. Моляры верхней (A) и нижней (B) челюстей. Зубной зачаток первого коренного зуба (C) новорожденной байкальской нерпы.
А: 1 – эмалевый орган со стороны корней; 2 – зубной зачаток с соединительной тканью.
B: 1 – отверстия корней; 2 – шейка эмалевого органа; 3 – коронка зуба.
С: 1 – зубной зачаток (пульпарная камера); 2 – соединительная ткань (чехол)
Molars of the upper (A) and lower (B) jaws. Tooth bud of the first molar (C) in a newborn Baikal seal.
A: 1 – enamel organ on the root side; 2 – tooth bud with connective tissue.
B: 1 – root openings; 2 – neck of the enamel organ; 3 – crown of the tooth.
C: 1 – tooth bud (pulp chamber); 2 – connective tissue (envelope)
Пульпарная камера зуба состоит из соединительной ткани с большим количеством коллагеновых волокон и клеток фибробластов, также мы видим обилие нейроваскулярных структур. По периферии пульпарной камеры у новорожденных одонтобласты формируют несколько слоев, по форме клетки они весьма разнообразны (овальные, круглые, треугольные и т. д.). Одонтобласты плотно прилегают к предентину, но в процессе удаления костей основы зуба данные структуры не явилось возможным отобразить на гистологическом срезе (рис. 5).
Рис. 5. Зубной зачаток байкальской нерпы в возрасте 1 дня. Гематоксилин с эозином.
Ок. 10. Об. 5: 1 – эпителиальный слой; 2 – одонтобласты; 3 – соединительная ткань
с фибробластами; 4 – соединительная ткань с коллагеновыми волокнами
Tooth bud of a Baikal seal at 1 day old. Hematoxylin and eosin stain. Magnification 10x, Objective 5:
1 – epithelial layer; 2 – odontoblasts; 3 – connective tissue with fibroblasts;
4 – connective tissue with collagen fibers
Рис. 6. Шлиф клыка байкальской нерпы в возрасте 3–5 месяцев:
1 – коронка; 2 – корень; 3 – шейка; 4 – дентин; 5 – эмалевый слой
Grind of a Baikal seal's canine tooth at the age of 3–5 months:
1 – crown; 2 – root; 3 – neck; 4 – dentin; 5 – enamel layer
По периферии пульпарной камеры (зубного зачатка) у сеголеток отмечается тонкий слой одонтобластов. Важно отметить, что визуально у сеголеток нейроваскулярные структуры больше, чем у новорожденных, и расположены они в косом направлении по отношению к латеральной поверхности пульпы камеры, в то время как у человека они строго перпендикулярны (рис. 7).
А В
Рис. 7. Зубной зачаток байкальской нерпы в возрасте 3 месяцев. Гематоксилин с эозином.
А (Ок. 10. Об. 10): 1 – кровеносные сосуды; 2 – нервные пучки; 4 – коллагеновые волокна.
B (Ок. 10. Об. 10): 1 – тонкий слой одонтобластов; 2 – нейроваскулярные структуры
в косом направлении; 3 – сосуды
Tooth germ of a three-month-old Baikal seal. Hematoxylin and eosin staining.
A (Magnification 10x. Objective 10): 1 – blood vessels; 2 – nerve bundles; 4 – collagen fibers.
B (Magnification 10x. Objective 10): 1 – thin layer of odontoblasts; 2 – oblique neurovascular structures;
3 – vessels
Зубная аркада байкальской нерпы, как у новорожденной, так и сеголеток, подразделяется на резцы с одним корнем, клыки с одним корнем нижней и верхней челюстей и коренные зубы по 10 на каждой челюсти, причем первый коренной зуб с одним корнем как на верхней, так и на нижней челюстях, а все последующие имеют по два корня. Резцы и клыки имеют коническую форму коронки, моляры – трехзубчатую форму коронки на верхней челюсти (иногда появляется и четвертый зубец) и четырехзубчатую на нижней челюсти, кроме первого моляра – у него три зубчика (рис. 8).
Для описания зубных рядов при диагностике и лечении каждому зубу присвоили трехзначное число: первое число указывает на квадрант полости рта, в котором находится зуб, вторая и третья цифры обозначают расположение зуба рострально и каудально (рис. 9).
А
B
Рис. 8. Зубная аркада байкальской нерпы: А – в возрасте 3 дней (зубные зачатки удалены);
B – в возрасте 3 недель (зубные зачатки в полости эмалевого органа):
1 – моляры верхней и нижней челюстей; 2 – клыки; 3 – резцы
Dental arcade of a Baikal seal. A – at the age of 3 days (dental germs removed);
B – at the age of 3 weeks (dental germs in the cavity of the enamel organ): 1 – upper and lower molars;
2 – canines; 3 – incisors
Рис. 9. Зубные ряды верхней и нижней челюстей новорожденной байкальской нерпы
Dental rows of the upper and lower jaws of a newborn Baikal seal
Начало прорезывания зубов наблюдается у новорожденного щенка – на верхней и нижней челюсти отмечены верхушки коренных зубов, причем на верхней челюсти визуализируются острые зубчики (верхушки) всех типов зубов, в то время как на нижней – только 3, 4, 5 моляров. У щенков в возрасте трех-четырех недель полностью визуализируется вся зубная аркада (рис. 10).
A B C
Рис. 10. Топография зубной аркады байкальской нерпы в возрасте 1 дня (A, B), 3 месяцев (C).
A: 1 – резцовая часть десны; 2 – область клыка; 3 – молярная часть десны;
4 – твердое небо; 5 – резцовый сосочек. B: (под бинокулярным микроскопом – десна
и латеральная часть верхнечелюстной кости удалены): 1 – резцы; 2 – клык;
3 – моляры; 4 – нижняя челюсть.
C: 1 – крайний резец верхней челюсти; 2 – клык верхней челюсти; 3 – моляры верхней челюсти;
4 – крайний резец нижней челюсти; 5 – клык нижней челюсти; 6 – моляры нижней челюсти.
Topography of dental arcade in one-day-old (A, B) and three-month-old (C) Baikal seals.
A: 1 – incisor part of gingiva; 2 – canine area; 3 – molar part of gingiva; 4 – hard palate; 5 – incisor papilla.
B: (under binocular microscope – gingiva and lateral part of maxillary bone are removed): 1 – incisors;
2 – canine; 3 – molars; 4 – mandible. C: 1 – maxillary outer incisor; 2 – maxillary canine;
3 – maxillary molars; 4 – mandibular outer incisor; 5 – mandibular canine; 6 – mandibular molars
Заключение. Таким образом, у байкальской нерпы формирование зубочелюстного аппарата начинается в пренатальный период онтогенеза. С помощью прямого остеогенеза у плода в возрасте 4–5 месяцев (включая диапаузу) осуществляется образование костной ткани челюстей. В этот период происходит дифференцировка мезенхимных клеток в остеобласты, образующие костные островки, на поверхности которых располагаются остеобласты, а внутри – остеоциты. Остеобласты округлой, овальной или веретеновидной формы с базофильной цитоплазмой. Костные островки располагаются как в глубине челюсти, так и поверхностно с выраженной волокнистой структурой. Остеоциты в костных островках располагаются в полостях (лакунах) и имеют отростки.
У плода байкальской нерпы в возрасте 6–7 месяцев уже присутствуют формирующиеся зубы, при этом зубчики коронки состоят из костной (дентиноидной) ткани, а остальная часть зуба еще представлена соединительной тканью. У байкальской нерпы отсутствует смена зубов с молочных на постоянные – первый прорезавшийся набор зубов сохраняется в течение всей жизни.
У новорожденной нерпы зубы представлены костными эмалевыми органами, которые наполнены зубным зачатком. Поверхность эмалевого органа разграничивается на коронку, шейку и корень зуба по цвету. Корни еще не сформированы, но на их месте имеются отверстия, которые соответствуют их наличию и количеству. К краю будущего корня прикрепляется, когда тот еще находится в десне, зубной мешочек, он покрывает эмалевый орган – является будущим периодонтом и цементом. В полости эмалевого органа имеется пульпарная камера зуба (зубной зачаток), он состоит из соединительной ткани с большим количеством коллагеновых волокон и клеток фибробластов с обилием нейроваскулярных структур. По периферии пульпарной камеры у новорожденных одонтобласты формируют несколько слоев, по форме клетки весьма разнообразны (овальные, круглые, треугольные и т. д.). Одонтобласты плотно прилегают к предентину.
К 3–4-недельному возрасту нерпы все корни эмалевого органа и зубного зачатка завершают свой рост на верхней и нижней челюстях. К 3–5 месяцам у байкальской нерпы уже достаточно хорошо сформирован слой эмали, граничащий со слоем только начавшего свое развитие – дентина, который в свою очередь формируется из предентина. Чем старше становится нерпа, тем толще слой дентина и тоньше слой одонтобластов.
У сеголеток по периферии пульпарной камеры (зубного зачатка) отмечается тонкий слой одонтобластов, а нейроваскулярных структур больше, чем у новорожденных, и расположены они в косом направлении по отношению к латеральной поверхности пульпы камеры.
Начало прорезывания зубов наблюдается у новорожденного щенка, причем на верхней челюсти визуализируются верхушки всех моляров, в то время как на нижней – только третьего, четвертого и пятого моляров. Резцы и клыки – в виде бугорков. У щенков в возрасте 3–4 недель зубная аркада наблюдается полностью.
Зубная формула выглядит следующим образом: 2 × I 3/2 : C 1/1 : M 5/5 = 34.
