1. PENDAHULUAN

Mamalia air dan semi-akuatik seringkali berbeda secara signifikan dari nenek moyang mereka di darat anatomi mereka,fisiologi, dan tidak sedikit dalam fungsi sensorik mereka sistem dan peran yang mereka mainkan dalam orientasi, komunikasi dan makan [1,2]. Meskipun berbagai lingkungan perairan di dunia adalah tidak seragam, jangkauan operasi dari sistem visual di bawah air cukup sering dikurangi dengan tingkat cahaya rendah atau kekeruhan, sementara indra mekanik, seperti pendengaran, echolocation, aktif sentuh dan persepsi gerakan air, mendapatkan penting. Electroreception-kemampuan untuk merasakan listrik bidang-operasi ini hanya di perairan (atau setidaknya lembab) lingkungan. Electroreception dapat bersifat aktif dan pasif. Dalam electroreception aktif, hewan menghasilkan medan listrik dan indera distorsi ini medan listrik dari benda-benda dari berbagai konduktivitas dan kapasitas dalam habitatnya. Hal ini ditemukan dalam lemah listrik ikan (Mormyriformes dan Gymnotiformes) [3,4]. Dalam pasif electroreception, medan listrik yang dihasilkan oleh item dalam sekitar, sering mangsa binatang, yang dirasakan. Pasif electroreception dikenal di banyak ikan (termasuk elasmobranches, lamprey, paddlefish dan lele [5]), di beberapa amfibi [6,7] dan pada mamalia proterian (yaitu platipus dan echidnas [8-10]).

Paus bergigi menghuni relung ekologi banyak di air lingkungan dan pakan pada berbagai jenis pelagis dan bentik mangsanya. Secara umum, deteksi mangsa dalam mamalia laut yang berasal echolocation, tetapi lebih mungkin proses multimodal dari berbagai indra, termasuk visi dan mendengarkan pasif. Air lainnya mamalia, seperti segel pelabuhan, kekurangan sistem biosonar dan menggunakan mereka vibrissae menonjol mystacial untuk mendeteksi dan melacak jejak hidrodinamika mangsa [11,12]. Struktur di kulit yang menanggung vibrissae yang disebut sebagai vibrissal folikel-sinus kompleks (F-SCS) [13,14], karena sangat folikel rambut innervated dikelilingi oleh darah yang cukup sinus kompleks dan kapsul jaringan padat. Berbeda dengan segel, yang paling bergigi paus atrofi atau kehilangan vibrissal mereka rambut postnatal dan hanya kriptus kosong, yang kita kriptus vibrissal panjang, tetap terlihat dalam array 2-10 di setiap sisi rahang atas [15] (gambar 1). Ini kriptus vibrissal sering digambarkan sebagai vestigial struktur kurang persarafan dan karakteristik darah sinus [15,16], yang mungkin berkurang mendukung dari sistem sonar. Sebaliknya, kami thermographic studi kriptus vibrissal di Guyana dewasa dolphin (Sotalia guianensis) menyarankan bahwa mereka fungsional unit sensorik [17]. Serupa dengan F-SCS di segel pelabuhan, tempat radiasi termal intens ditemukan terkait dengan setiap crypt vibrissal tunggal [17]. Untuk menentukan apakah kriptus vibrissal dalam Guyana lumba-lumba adalah struktur yang benar-benar vestigial atau jika mereka adalah unit fungsional sensorik, kami menyelidiki mereka secara histologis. Berdasarkan hasil morfologi dan pada makan ekologi lumba-lumba Guyana, kami mengembangkan hipotesis bahwa vibrissal tersebut crypts berfungsi sebagai electroreceptors. Kami menguji hipotesis ini dalam psikofisik eksperimen.

2. BAHAN DAN METODE

(A) Histologi

Kriptus Vibrissal diperoleh dari seorang pria 29-tahun Guyana dolphin (S. guianensis) yang telah disimpan di Dolphinarium Mu ¨ nster, Jerman, selama 15 tahun dan meninggal alam penyebab. Sampel jaringan dari mimbar difiksasi dalam 7-10 persen per paraformaldehida dan disimpan dalam 4 persen paraformaldehyde. Kriptus Vibrissal yang dibedah makroskopik dan tertanam dalam Paraplast Plus (Sherwood Medis, St Louis, MO, USA). Sampel yang dipotong menjadi irisan 7 mm lintas, sagital dan transversal pada Leica RM mikrotom putar 2.135. Untuk umum histologi, bagian diwarnai dengan standar Masson-Goldner trichrome Teknik pewarnaan [18]. Persarafan diteliti imunohistokimia dengan saraf-serat khusus poliklonal kelinci anti-PGP9.5 (1: 4000, UltraClone Ltd, Cambridge, Inggris). Setelah deparaffinization, bagian yang pretreated untuk 40 menit dalam metanol yang mengandung 0,5 persen hidrogen peroksida untuk memblokir peroksidase endogen. Setelah beberapa bilasan di 0.01M fosfat-buffered saline (PBS), pH 7,4, mereka diinkubasi selama 48 jam pada 48C dengan antibodi primer diencerkan dalam PBS yang mengandung 0,5 persen Triton X-100, 0,01 persen natrium azida dan 1 persen albumin serum sapi. Bagian dibilas di PBS, diinkubasi selama 30 menit dengan antibodi Histofine sekunder Sederhana Stain MAX PO (R) (Nichirei Corporation, Tokyo, Jepang), dan dibilas lagi. Untuk visualisasi, AEC Solusi Stain Sederhana (Nichirei Corporation, Tokyo, Jepang) diaplikasikan untuk 15-20 menit. Setelah akhir mencuci dalam air keran dan de-terionisasi bagian air, yang dipasang di Aquatex (Merck, Darmstadt, Jerman). Karena autolisis dari jaringan, pewarnaan tidak konsisten seluruh bagian. Oleh karena itu, persarafan intraepithelial adalah diselidiki tambahan dengan impregnasi perak dimodifikasi Teknik [19]. Bagian histologis diperiksa dan difoto menggunakan mikroskop cahaya Axiophot (Carl Zeiss, Oberkochen, Jerman) dilengkapi dengan SemiCam kamera digital (PCO, Kelheim, Jerman).

(B) Perilaku deteksi ambang

Sebuah 28-tahun laki-laki Guyana lumba-lumba disimpan di Dolphinarium Mu ¨ nster, Jerman, menjabat sebagai eksperimental subjek. Lumba-lumba dilatih untuk menanggapi listrik rangsangan dalam urutan besarnya dari yang dihasilkan oleh kecil hingga menengah ikan, mangsa alami [20,21]. Menggunakan a go / no-go paradigma, kami menentukan deteksi lumba-lumba ambang batas untuk pendek rangsangan gelombang persegi dalam custom-made set-up (gambar 2). Rangsangan medan listrik yang dihasilkan pada jarak 10 cm dari vibrissal lumba-lumba crypts oleh bertenaga baterai sirkuit yang melewati arus listrik antara kawat tembaga elektroda dua. Elektroda kawat tembaga yang 2 panjang mm, 1 mm tebal dan 1,5 cm. Listrik arus yang bervariasi 1-3,5 mA dan diterapkan untuk stimulus durasi 3 s. Generator stimulus bertenaga baterai memastikan bahwa rangkaian stimulus adalah mengambang (yaitu ada ada sambungan listrik dari salah satu dari dua elektroda stimulus dengan dasar fasilitas atau dengan item lainnya dalam percobaan set-up). Rangkaian stimulus ini didukung oleh baterai V 9. Setelah memicu, timer didasarkan pada NE555 chip timer menghasilkan pulsa gelombang persegi disesuaikan panjang (3 s digunakan). Medan

listrik pada lokasi ruang bawah tanah vibrissal terdekat diukur dengan menggunakan non-terpolarisasi Ag / AgCl elektroda (1 cm, 0,1 mm, 1 cm terpisah) dengan penguat AD620 (Analog Devices, Norwood, MA, USA) dan kartu konverter analog-digital (Daq-Card 6026-E, National Instruments, Austin, TX, USA) di komputer laptop dioperasikan dengan baterai. Pengukuran menunjukkan fluktuasi kekuatan sinyal kurang dari 10 persen selama aplikasi stimulus. Kami melatih lumba-lumba untuk stasiun sendiri di set-up eksperimen dengan menempatkan kepala dalam lingkaran dan menyentuh target kecil dengan ujung yang mimbar. Dengan cara ini elektroda yang terletak tepat di atas lumba-lumba yang paling anterior sepasang kriptus vibrissal (gambar 2). Lumba-lumba dilatih untuk meninggalkan stasiun dalam percobaan di mana stimulus disajikan (pergi respon), dan untuk tetap stasiun untuk setidaknya 12 s dalam uji coba di mana stimulus tidak ada disajikan (no-go respon). Pengujian dilakukan doubleblind oleh satu pelatih dan satu eksperimen. Pelatih menangani hewan percobaan dan memberitahu eksperimen secepat itu di stasiun dan siap untuk sidang. The eksperimen, yang tidak terlihat oleh pelatih maupun untuk hewan, atau tidak menerapkan stimulus listrik, menyusul a pseudorandom ketertiban. Setelah pelatih telah menunjukkan respon dari lumba-lumba, eksperimen memberitahu kepadanya tentang ada atau tidak adanya stimulus listrik. Pelatih kemudian dihargai hewan dengan makanan jika yang keputusan untuk tinggal atau meninggalkan stasiun sudah benar.

Ambang sensorik lumba-lumba ditentukan dengan menggunakan kombinasi metode tangga dan metode konstan rangsangan [22]. Untuk masing-masing dari enam kekuatan stimulus, 31 percobaan dilakukan selama pengumpulan data akhir (186 percobaan total). Untuk kontrol, percobaan diulang dengan vibrissal crypts ditutupi oleh shell plastik plastik shell.The terdiri dari tudung plastik keras yang tetap ke sisi atas dari lumba-lumba mimbar dengan cangkir hisap dan busa karet setengah-tabung yang menutupi kriptus vibrissal (tambahan elektronik materi, S1 gambar). Empat puluh percobaan dilakukan pada stimulus Kekuatan jelas di atas ambang batas. Tambahan kontrol tes dengan shell plastik yang identik dalam konstruksi, namun diperbolehkan air laut untuk menghubungi kriptus vibrissal, diverifikasi bahwa subjek bersedia bekerja sama saat memakai shell.

3. HASIL

(A) Histologi

Pewarnaan dengan Masson-Goldner trichrome menunjukkan bahwa vibrissal crypts terdiri dari invaginasi ampula berbentuk dari integumen epidermal kurang sebagian besar karakteristik morfologi fitur mamalia F-SCS (seperti sebuah batang rambut, papilla rambut, sarung akar diucapkan, sebuah darah sinus sistem dan kapsul, gambar 3), membenarkan penggunaan 'crypt vibrissal' istilah bukannya F-SC. Itu crypts bervariasi 4,1-7,1 mm panjang dan 1,2-4,3 mm lebar. Lumen diperluas mereka dipenuhi dengan meshwork yang dari serat keratinous dan corneocytes. Alih-alih sinus darah sistem, kriptus yang dikelilingi oleh jaringan kapiler berasal dari besar berotot pembuluh darah, yang tampaknya bertanggung jawab untuk suhu meningkat terlihat dalam thermograms sebelumnya [17].

Imunohistokimia pelabelan dengan anti-PGP9.5 mengungkapkan persarafan padat oleh cabang infraorbital dari saraf trigeminal dari 300 akson per crypt. Ujung saraf Kebanyakan adalah ujung saraf bebas dan lanset ujung (gambar 3c) yang terkonsentrasi di lebih rendah dua pertiga dari ruang bawah tanah. Sel Merkel juga hadir dan merata tersebar di sepanjang lapisan basal epidermis. Selain itu, pewarnaan perak [19] mengungkapkan intraepitel serabut saraf yang sering didistribusikan ke seluruh kriptus (gambar 3d), yang belum dijelaskan dalam F-SCS dari lainnya mamalia sejauh ini.

(b) Perilaku deteksi ambang

Lumba-lumba Guyana menanggapi sangat baik terhadap rangsangan bawah 10 mV CM21. Dolphin menanggapi dengan tenang, dan umumnya dengan penundaan sekitar 2 s setelah onset stimulus; paksa Kepala saccades, seperti yang dijelaskan dalam platypus ini [23], tidak ditemukan. Ambang sensorik lumba-lumba ditentukan sebesar 4,6 CM21 mV dengan interpolasi persentase benar pergi tanggapan terhadap rangsangan (atau hit rate) pada stimulus lalu intensitas di atas ambang batas dan hit rate pada pertama Intensitas stimulus bawah ambang batas (gambar 4). dalam kontrol tes dengan shell plastik yang menutupi kriptus vibrissal, yang lumba-lumba tidak bereaksi terhadap rangsangan intensitas tinggi medan listrik (40 percobaan dilakukan). Namun, respon perilaku lumba-lumba tidak terganggu oleh penutup setengah-shell yang identik dalam konstruksi, tetapi memungkinkan air laut untuk menghubungi yang vibrissal crypts. Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa lumba-lumba tanggapan yang karena electroreception.

4. PEMBAHASAN

Data yang disajikan di sini menunjukkan bahwa crypts vibrissal di lumba-lumba Guiana bukan merupakan struktur vestigial. Berdasarkan hasil psikofisik dan kesamaan dalam morfologi dengan electroreceptors di platypus dan para echidnas, kami menyimpulkan bahwa selama evolusi, vibrissal sistem telah berubah secara fungsional dari awalnya mechanoreceptive sistem ke sistem electroreceptive.

Penyelidikan histologis menunjukkan bahwa selain 'struktur sederhana' mereka (bila dibandingkan dengan F-SCS), kriptus vibrissal di lumba-lumba Guiana memiliki persarafan yang padat dan suplai darah, mendukung hipotesis kami bahwa mereka adalah struktur fungsional. jumlah akson innervating kriptus vibrissal lebih sedikit dari pada di dalam pinnipeds [24-26], tetapi ditemukan lebih dari 80-200 jumlah akson dalam F-SCS mamalia darat [13,14,27-29]. Bentuk ampullary dari kriptus mengingatkan ampullary electroreceptors predator dari perairan lainnya, seperti ampullae of Lorenzini di elasmobranch ikan dan electroreceptors kelenjar lendir di platipus (Ornithorhynchus anatinus), yang juga menampilkan sebuah saluran epitel memanjang [30,31]. Jenis sensorik organ yang dikenal sebagai electroreceptors pasif dan telah berevolusi secara independen beberapa kali [30-35]. Data yang disajikan dalam penelitian ini merupakan kejadian kedua dari electroceptors dan kemampuan electroreception pada mamalia.

Organisasi morfologis dari kriptus vibrissal di dolphin Guyana berbeda dari electroreceptors di platypus (misalnya, 'daisy chain' dari saling sensorik serat yang mungkin memainkan peran dalam pengurangan kebisingan platypus tidak hadir di Guyana lumba-lumba), tetapi banyak juga kesamaan. Keduanya diinervasi oleh saraf trigeminal dan tidak memiliki sel sekunder atau ujung saraf khusus ke lumen, seperti yang ditemukan pada ikan [30]. Dalam platipus, pengaturan spesifik dari ujung saraf bebas [30,31] diasumsikan memainkan peran penting dalam proses transduksi. Demikian pula, di lumba-lumba Guiana, serabut saraf intraepithelial terletak dekat lumen crypt dan mungkin terlibat dalam persepsi listrik rangsangan. Hal ini mengejutkan bahwa kedua electroreceptors di monotremes serta vibrissal kriptus di lumba-lumba Guyana mengandung intraepitel ujung-ujung saraf. Fitur ini tidak diketahui dalam F-Scderived selain kriptus vibrissal dari struktur Guyana lumba-lumba, tetapi diyakini menjadi dasar electroreception di platypus dan echidna [8]. Di Selain itu, sebuah komponen penting dari kanal ampullary terkait dengan proses electroreception tampaknya menjadi glikoprotein- berbasis gel pada ikan [36] dan lendir di platypus [37]. Dalam hidup kita Guyana lumba-lumba, suatu zat seperti gel adalah permanen dipancarkan dari kriptus vibrissal. The histologis kriptus vibrissal diselidiki secara luas diisi dengan meshwork dari corneocytes shedded dan keratinous serat. Pembaruan epidermal terus menerus kulit di paus bergigi menunjukkan bahwa corneocytes deskuamasi dari yang stratumcorneumwere terjebak dalam lumen vibrissal crypt. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menganalisis kimia dan karakteristik listrik dari zat yang dipancarkan dari lumba-lumba Guyana yang vibrissal kriptus. Kami mengusulkan bahwa bisa memainkan peran untuk setara gel glikoprotein berbasis pada ikan dan lendir di platipus. Baum et al. [Mencapai 38,39] menunjukkan bahwa kulit paus pilot (Globicephala melas) menunjukkan semacam biogel tertanam dalam nanoridges sel epidermis, yang disarankan untuk berfungsi sebagai kutan antifouling sistem. Seperti gel dalam electroreceptors ampullary ikan, kaya akan glikoprotein dan dengan demikian bisa berfungsi sebagai gel elektrik konduktif yang meningkatkan sensitivitas dari sistem untuk gradien tegangan. Oleh karena itu kita menunjukkan bahwa ujung saraf intraepithelial di vibrissal kriptus dari lumba-lumba Guyana dalam kombinasi dengan biogel yang mungkin memainkan peran dalam proses transduksi dalam electrosensory sistem.

Sensitivitas dari lumba-lumba Guyana ke listrik rangsangan adalah sekitar satu urutan besarnya lebih tinggi dibandingkan dengan platipus, yang telah diperkirakan menjadi sekitar 40-50 mV CM21 menggunakan metode perilaku [9,23,40,41]. Kedua lumba-lumba Guyana dan platipus menunjukkan sensitivitas lebih rendah dari ikan elasmobranch, di mana ambang sensorik terletak dalam kisaran nanovolt [41]. Namun, sensitivitas iswell mereka cocok untuk bidang bioelectric disebabkan oleh mangsa. Taylor et al. [42] mengukur listrik bidang yang dihasilkan oleh hewan air menggunakan dua elektroda 5.73 cm dan menemukan bahwa ikan mas dari 5-6 cm tubuh panjang menghasilkan medan listrik dari 90 mV CM21, dengan energi puncak pada 3 Hz. Dalam flounders, bioelectric bidang 1000 mV CM21 telah dilaporkan [43].

Dalam platipus, seperti dalam spesies electroreceptive lain, Sistem electrosensory pasif digunakan untuk mendeteksi bidang bioelectric pemangsa bentik [44]. Pengamatan pada lumba-lumba Guyana menunjukkan perilaku makan bentik sebagai dengan baik, ditunjukkan oleh lumpur-bulu di permukaan air setelah makan, serta lumpur mengikuti tubuh lumba-lumba [45]. Hal ini konsisten dengan temuan bahwa yang tinggal di bawah spesies ikan mangsa umum dari Guyana lumba-lumba [20,46-49]. Perilaku makan Benthic adalah makan modus umum dalam paus bergigi banyak. A yang paling aneh strategi makan bentik disebut 'kawah-makan' memiliki telah dijelaskan dalam lumba-lumba botol (Tursiops truncatus) dari Bahama barat laut [50]. Menerapkan strategi ini, hewan menyelam dan mengubur diri ke dalam pasir sampai sirip dada untuk menangkap ikan bersembunyi, dan meninggalkan kawah setelah ini perilaku makan bernama. Botol lumba-lumba dan beberapa spesies cetacean lainnya memiliki vibrissal crypts juga, menunjukkan bahwa electroreception mungkin ada. Penelitian lebih lanjut sedang dilakukan mengenai hal ini.

Lumba-lumba Guyana mendiami daerah pesisir dan umumnya terkait dengan muara dangkal dan dilindungi perairan, teluk, mulut sungai dan perairan keruh [51]. Tergantung partikel seringkali harus sangat mengurangi visibilitas di habitat ini, khususnya ketika sedimen terganggu. Oleh karena itu kami menyarankan bahwa electroreceptors pada lumba-lumba mimbar memaksimalkan kemungkinan jarak dekat mangsa deteksi dalam air keruh atau saat menggali di substrat, dan fungsi setidaknya sebagai rasa tambahan untuk echolocation selama makan bentik.