Z. Zellforsch. 97, 383--391 (1969)

Zum Aufbau und zur Innervation des Wimperepithels der Bivalvia-Palpen*

ULmCH W~LSCH

Anatomisches Institut der Universit~t Kiel (Direktor: Prof. Dr. W. BXaG~NN)

VOLK~R STORCH

Zoologisches Institut der Universit~t Kiel (Direktor: Prof. Dr. R. SCHUSTER)

Eingegangen am 3. M~rz 1969

Fine Structure and Innervation o/the Ciliated Epithelium o] the LameUibranch Palps

Summary. The epithelium of the palps of Mytilus edulis, Cyprina islandica, Astarte borealis and Mya arenaria is dominated by two cell types, which occupy the opposing walls of the furrows in the surface of this organ. They are on the one hand mucus producing cells which are characterized by typical microvilli, and on the other hand ciliated cells which arc in direct contact with many synapses at their base. The rich innervation is discussed in connection with the function of the palps.

Zusammen/assung. Im Epithel der Palpen yon Mytilus edulis, Cyprina islandica, Astarte borealis und Mya arenaria dominieren zwei Zelltypen, die sich in den Furchen der Mundlappen gegeniiberliegen. Es handelt sich einerseits um schleimproduzierende Zellen, die einen kenn- zeichnenden Mikrovillussaum tragen, andererseits um zilientragende Zellen, die basal zahl- reiche Synapsen besitzen. Die reiche Innervation wird im Zusammenhang mit der Funktion der Palpen diskutiert.

Die Pa lpen der Muscheln (Mundlappen, Mundsegel, Vela) s tel len meis t drei- eckige For ts i i tze der Ober- und Unte r l ippe dar, die sich sei t l ieh an die K i e m e n anlegen. Wi ihrend sie bei manchen F o r m e n (z. B. den T a xodon t e n Nucula und Yoldia) s t a rk ver l~nger t s ind und aus der Sehale herausges t reck t werden kSnnen und zur Nah rungsau fnahme Verwendung f inden (Aufnahme yon De t r i t u s und Transpor t durch W i m p e r n zum Mund), s ind sie bei dem Grol~teil der Muscheln kle inere For ts~tze , die gewShnlich mi t der l~ngsten Seite an den R u m p f angewach- sen sind. I h r Zi l ienepi thel sonder t aus dem Atemwasse r s t rom aufgenommene Par- t ike l auBer nach der chemischen Beschaffenhei t (Crassostrea, KAESTN~R, 1965) vor a l lem nach der GrSBe : die kle ineren werden in R ich tung MundSffnung befSrdert , die grSl~eren gelangen in Furchen , die regelm~Big in die Pa lpen e ingesenkt sind, werden zum M u n d l a p p e n r a n d ge t r ieben und le tz t l ich durch heftiges Zusammen- k l appen der Schalen als , ,Pseudofaeces" aus der Auss t romSffnung abgegeben.

I m R a h m e n yon e lek t ronenmikroskopischen Unte r suchungen fiber die Rezep- to ren andere r Mollusken, die ebenfal ls Wasse r s t rSmen ausgese tz t s ind (Neoga-

* Die Untersuchungen wurden mit dankenswerter Unterstiitzung durch die Deutsche For- schungsgemeinschaft durehgefiihrt.

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stropoden-Osphradium: WELSCH und STO~CH, 1969 ; Nudibranchier-Rhinophoren : STORCH und WELSCH, 1969) soll hier der Feinbau der Muschel-Palpen dargestellt werden.

Material und Methode

Die Palpen von Mytilus edulis L., Cyprina islandica (L.), Astarte borealis SCHUMACUEa und Mya arenaria L. aus der westlichen Ostsee wurden in 3,5%igem kaltem phophatgepuffertem Glutaraldehyd (pH 7,4) 2 Std fixiert und anschliel3end mehrfach in Phosphatpuffer (mit 0,15 M Saccharosezusatz) ausgewaschen. AnscMieBend wurden die Gewebestficke fiir 2 Std in 4 % iges Osmiumtetroxid iiberffihrt und fiber Athanol und Epoxypropan in Araldit eingebettet. Am Porter-Blum-Mikrotom hergestellte Diinnschnitte wurden mit Uranylacetat (ges~ttigte L5sung in 70 % igem Methanol) und Bleicitrat kontrastiert. Elektronenmikroskop: Zeiss EM 9 A.

Befunde

Das hochprismatische Epithel der Mundlappen aller untersuchten Arten besteht im wesentlichen aus 3 Zelltypen.

1. Schleimzellen kommen unregelm/~Big angeordnet im gesamten Epithelver- band vor. Ihr Zelleib ist weitgehend mit Schleimballen ausgeffillt, die offensicht- lich am Zellapex abgegeben werden. Im fibrigen Zytoplasma, das attf schmale Strei/en in der Zellperipherie beschr~nkt ist, fallen besonders zahlreiche Glykogen- partikel (:r und ein gut entwickelter Golgi-Apparat auf. Der Kern liegt zentral oder basal und ist bei ausgereiften Zellen besonders heterochromatinreich.

Die anderen Epithelzellen lassen sich in 2 Gruppen einteflen, welche charak- teristisch angeordnet sind.

2. und 3. Zellen mit einem hohen Mikrovillussaum (2) und solche mit zahl- reichen Zilien (3). Diese beiden Zellarten liegen sich in den Furchen des Epithels gegenfiber, die schon lichtmikroskopisch sichtbar sind (Abb. 1). Die r~umliche Tren- nung dieser beiden Zelltypen ist nicht ganz durchg~ngig; zwischen den zilien- tragenden liegen vereinzelt Zellen, die nut Mikrovilli besitzen, und umgekehrt.

In die Oberfl~che des Verbandes der durch Mikrovilli gekennzeichneten Zellen, die s~mtlich durch St~bchendesmosomen miteinander in Verbindung stehen, sind in regelm~$igen Abst~nden Y-f6rmige Vertiefungen eingesenkt (Abb. 1 a). Da die Basalmembran dem Verlauf dieser Vertiefungen nicht folgt, sondern parallel zu den prim/iren Einfaltungen verl~uft, wechselt die Gestalt der villustragenden Zellen yon hochprismatisch bis kuboidal. Sie besitzen basal einen meist lang- gestreckten Kern und ein gut entwickeltes System yon granul~rem endoplasmati- schem Retikulum. Die apikale Zellh~lfte enth~lt neben vielen Glykogenpartikeln (cr m~Big elektronendichte Einschlfisse, die eine feink6rnige oder -f~dige Grundstruktur aufweisen. Zwischen den Mikrovilli lagert ein ~hnlich strnkturiertes Material, das wie ein breites Band parallel zur Oberfl/~ehe der Zellen verlKuft. Die Zellen an der Basis der Y-f6rmigen Vertiefungen tragen h~ufig Zilien, sind im fibrigen jedoeh gleichartig gebaut.

3. Zilientragende Zellen (Abb. 1 b). Die Zilien dieser ebenfalls dutch St~bchen- desmosomen verbundenen Zellen sind naeh dem 9 ~- 2-Muster gebaut (Abb. 2). Unter der dicken Basalplatte befinden sich vier gleichartig angeordnete diinnere Platten

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Abb. 1 a u. b. Cyprina islandica. Ausschni t t aus den sich gegeniiberliegenden Epithelien der Palperffurchen. a Epithel mit Mikrovillussaum. b Wimperepithel. Vergr. 6300 •

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Abb. 2a u. b. Astarte borealis. Apikaler Abschnitt der zilientragenden Zellen. Beachte auf Abb. a die flachen glattwandigen Zisternen an den St~bchendesmosomen (Pfeil) und auf Abb. b das elektronendichte Material (Pfeil) zwischen einzelnen Zilien. M K Multivesikul~rer

KSrper. Vergr. 21000 •

(Abb. 3). Vom leicht unsymmet r i s chen Basa lk6rper ziehen zwei kr~ft ige Wurze ln bis wel t in das Zy top l a sma der Zelle. Die Basa lkSrper mehrerer Zilien s ind h~ufig durch e lekt ronendichte S t ruk tu ren mi t e inander ve rbunden (Abb. 2b). /~hnliche

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Abb. 3. Mytilu8 edulis. Wimperepithel der Palpen. Beachte in den Zilien die kr~ftige Basal- platte und die darunterliegenden vier ~thnlich gebauten diinneren Platten. Vergr. 21000 •

Verbindungsstrukturen fanden SCHOLTYSECK und DANNEEL (1963) bei Rotatorien und WOHLFAttRT-BOTTERMANN und SCHN]~ID~R (1961) bei Protozoen. Zwischen den Zilienwurzeln finden sich Glykogen (:<-Partikel), Ribosomen und Mito- chondrien (crista-tubul/~rer Typ). Au~erdem ]iegen in dieser Zone regelm/tBig multivesikuli~re K6rper, Myelinfiguren, glattwandige B1/tschen und kleine, von B1/tschen umgebene Golgi-Felder. In unmittelbarer N/the der St/tbchendesmosomen kommen stets Anschnitte durch flache glattwandige Zisternen vor (Abb. 2 a), basal enthalten diese Zellen Mikrotubuli. Bei Cyprina islandica besitzen sie h/iufig Pig- mentk6rper und kristalloide Einschlfisse. Die einzelnen zilienlosen Zellen im Wim- perepithel unterscheiden sich kaum yon den Zilienzellen. Sie entha|ten wie diese multivesikul/tre K6rper, glattwandige B1/tschen und Schl~uche. Der Zellapex ist durch eine feinf/~dige Schicht vom fibrigen Zytoplasma abgetrennt. An der Basis der Wimperepithelzel]en, die breit auf der Basalmembran aufsetzen, lagern regel- m/tBig gr613ere Ansammlungen yon Synapsen (bis zu 25 pro Zelle) (Abb. 5a--d) . Die Nervenendigungen (Abb. 4 a und b) enthalten auger Mitochondrien zahlreiche glattwandige, teils optisch leere, tells elektronendichte Vesikel (Abb. 5a). In cinzel- nen Synapsen scheinen nur die glattwandigen B1/tschen vorzukommen. Diejenigen

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Abb. 4. Myaarenaria. Biindel nackter Nervenfasern im Epithel, die z. T. synaptische Bl~schen enthalten (Pfeile). Z Zilientragende Zellen. Vergr. 21000 •

mi t ,,dense cored vesicles" wirken h~ufig s tark aufgequollen. Die Membranen im Bereich der Endigungen sind absehnittsweise besonders kontrastreich. Gelegentlioh lagert an der Innenseite der priisynaptischen Membran feinfiidiges Material

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Abb. 5 a - - d . Mytilus edulis. Synapsen an der Basis des Wimperepithels. Beachte die unter- schiedlichen B1/ischen, besonders auf Abb. a und einzelne kontrastreiche Abschni t te der

Membranen (Pfeile). Bm Basalmembran. Vergr. 21000 •

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(Abb. 5b u. c). Neurosekretorische Elementargranula, die GERSCHENFELD (1962) in Synapsen im Zentralnervensystem anderer Mollusken nachwies, konnten wir nicht finden.

Diskussion

Die elektronenmikroskopisehe Analyse des Palpenepithels der untersuchten Bivalvia hat ergeben, da~ die sieh gegenfiberliegenden Seiten der Furchen, die dem Palpenorgan seine charakteristisehe Streifung verleihen und in denen die grSBeren Partikel - - die sp~tere ,,Pseudofaeces" - - befSrdert werden, verschieden aufgebaut sind: Einem hochprismatisehen Wimperepithel steht ein stark gefal- tetes Epithel mit Mikrovillussaum gegenfiber, welches vermutlich Schleim zur Verbindung der groben Partikel produziert, die dann seitlich aus den Furchen in Richtung Mantelh6hle durch Zilienschlag hinaustransportiert werden.

Das Vorkommen von zahlreiehen Synapsen an der Basis der Zilienzellen wirft die Frage nach deren Bedeutung auf. Der Aufbau der Synapsen l~Bt nach unserer Ansicht eine sichere Entscheidung, in weleher Richtung die Erregungsleitung stattfindet, nicht zu, da sowohl im neuralen als auch im epithelialen Bereich Vesikel vorkommen und normalerweise beide Zellmembranen besonders kontrast- reich erseheinen. I m Falle einer zentripetalen Leitung wfirde es sieh bei den Epithel- zellen um sekund/ire Sinneszellen handeln, die vor allem bei Wirbeltieren vorkom- m e n .

Ebenso wahrscheinlich ist jedoch eine zentrifugale Leitung, also eine nervSse Kontrolle des Wimperepithels. Wi~hrend die metachrone Zilienbewegung nach ver- sehiedenen Theorien (neuroid theory, mechanical theory, pacemaker and conduc- tion theory, vgl. FAWC~TT, 1961) im distalen Teil der Zelle zustande kommen soll, lassen die Synapsen an die MSglichkeit einer Modifizierung des Zilienschlages (Richtungswechsel, Frequenz~nderung) denken.

Die grol~e Zahl der Synapsen, ihre unterschiedliche Struktur und der verschie- dene Gehalt an Vesikeln [vgl. dazu TACC u. GE~SCHENrELD (1961), die mindestens zwei l~bertriigersubstanzen bei Mollusken nachwiesen], und das Vorkommen yon Bl~schen in den Epithelzellen legt den SchluB nahe, dal~ eine doppelte Inner- vierung der Zilienzellen vorliegt (afferent und efferent). Symmetrisch gebaute Synapsen, die eine zweiseitige Leitung ermSglichen und ffir Coelenteraten (HOB- RIDO~ und MACKAY, 1962) und Tunikaten (DrLLY, 1969) bekannt sind, konnten wir nicht nachweisen.

Literatur

DILLY, P. N. : Synapses in the cerebral ganglion of adult Ciona intestinalis. Z. Zellforsch. 98, 142--150 (1969).

FAWCETT, D. : Cilia and flagella. In: J. BRACr[ET and A. E. MmsKY: The cell II, p. 217--279. London and New York 1961.

-- , and K. R. PORTER: A study of the fine structure of ciliated epithelia. J. Morph. 94, 221-- 282 (1954).

GEI~SCHENFELD, H. M. : Submicroscopic bases of synaptic organisation in the gastropod nervous system. Proc. V. the Int. Congr. Electron Microsc (S. S. BREESE, ed.). New York: Academic Press 1962.

HORRIDGE, G., and B. MACKAY : Naked axons and symmetrical synapses in coelenterates. Quart. J. micr. Sci. 198, 531--541 (1962).

Zum Aufbau und zur Innervation des Wimperepithels der Bivalvia-Palpen 391

KAEST~R, A. : Lehrbuch der Speziellen Zoologie ]. Stuttgart : G. Fischer 1965. SCHOLTYSECK, E. , u. R. DANNEEL: Die Feinstruktur des Wimperapparates von Brachionus

urceolaris (Rotatoria). Protoplasma 56, 99--108 (1963). STORCH, V., u. U. WELSC~: Ober Bau nnd Funktion der Nudibranchier-Rhinophoren. Z. Zell-

forsch. (im Druck). TAuc, L., and H. M. GERSCHENFELD : Cholinergic transmission mechanisms for both excitation

and inhibition in Molluscan Central synapses. Nature (Lond.) 192, 366--367 (1961). W~LSCH, U., u. V. STORCH: ~ber das Osphradium der prosobranchen Schnecken Buccinum

undatum L. und Neptunea antiqua (L.). Z. Zellforsch. 95, 317--330 (1969). WOItLFAHRT-BOTTERMANN, K. E., u. L. SCHNEIDER: Grenzstrukturen und Hiillen bei Bak-

terien und Protisten. Studium generale. Zit. naeh SCHOLTYSECK nnd DANNEEL.

Dr. ULRICH WELSCIt Anatomisches Insti tut der Universit~tt 23 Kiel, Olshausenstr. 40--60

Dr. VOLKER STORCH Zoologisches Insti tut der Universit~t 23 Kiel, Hegewischstr. 3