Размер имеет значение: насекомые ростом с амебу

Они многоклеточные, но некоторые крупные одноклеточные больше них по размеру. Они «плавают» в воздухе, как в вязкой жидкости. Они странное исключение из правил теории высшей нервной деятельности. Все это — миниатюрные насекомые, изучением которых занимается заведующий кафедрой энтомологии на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова, доктор биологических наук Алексей Полилов и его команда. Indicator.Ru побеседовал с ученым об этих необычных существах.

«Пернатые», но не птицы

— Свободноживущие формы миниатюрных насекомых называются перокрылками из-за формы своих крыльев. Почему у них не обычные «слитные» крылья, а такие непонятные, похожие на перья? Связано ли это с ограничениями из-за их размера?

— На самом деле не только у них такие крылья, просто из-за названия — перокрылки — это бросается в глаза. Такие крылья, которые представлены не широкой пластинкой, а веером из щетинок, характерны для большинства миниатюрных насекомых. Связано это с тем, что при таких размерах физические силы распределяются для них совершенно иначе. И воздух для этих микронасекомых настолько относительно плотная среда, как для нас могла быть жидкость или что-то еще даже более вязкое и плотное. Видимо (так как этого точно никто не знает), перистые крылья позволяют им, с одной стороны, сократить вес крыла и, с другой, увеличить эффективность машущего полета за счет увеличения общей площади крыла. Ученые относительно недавно начали изучать полет, пока точного ответа еще нет.

– Как можно изучать внутреннее строение таких маленьких организмов? Их же довольно трудно вскрыть. Их нужно просвечивать с помощью специального микроскопа?

– Если есть желание, их можно вскрыть. Отдельные части мы так и изучали: препарировали иголочкой под микроскопом, например, изучали отдельные части ротового аппарата. Помимо иголочек, у нас для этого есть микроманипуляторы с джойстиком, так что их можно препарировать с помощью микроманипуляторов. Конечно, основная часть работ по анатомии – это уже давно не препарирование, а использование разного рода приборов для изучения либо срезов, либо целых объектов, просвечивая их. Это либо оптическая микроскопия, либо конфокальная микроскопия, либо томография — набор методов очень большой.

— А как у них изменяются системы органов в связи с таким уменьшением? Вы пишете, что у некоторых подобных насекомых, мегафрагм, разрушаются ядра нейронов, меняется нервная система, когда они взрослеют. Какие еще изменения у них произошли из-за того, что они такие маленькие?

— Изменений очень много, на этот вопрос можно отвечать очень долго, потому что вся наша работа — поиск тех изменений, которые происходят при уменьшении размеров тела. Если говорить относительно коротко, то разные системы органов меняются очень по-разному (и у разных объектов по-разному). Есть системы органов (пищеварительная система, мускулатура), которые остаются почти такими же сложными, как у крупных насекомых, и практически не меняются. Есть системы органов, которые принципиально перестраиваются. Например, у большинства нет сердца и нет гемолимфы (это подобие крови), транспорт веществ осуществляется пассивно, посредством диффузии.

Органы чувств есть. У большинства сохраняются фасеточные глаза (правда, фасеток в них остается всего несколько десятков) и сенсиллы на антеннах, ротовом аппарате и ногах для механо- и хеморецепции.

Нервная система у разных объектов меняется по-разному. У некоторых вся нервная цепочка сливается в единый ганглий (узел, — прим. Indicator.Ru). У отдельных видов — мы пока это нашли у разных видов рода Megaphragma — наблюдается лизис тел и ядер нейронов (они растворяются под действием различных веществ, — прим. Indicator.Ru), и у взрослых форм остаются только отростки без тел и ядер.

IQ для самых маленьких

— А можно ли как-то измерить, становятся ли они от этого «глупее», чем «в детстве», или сказать, что их «умственные способности» (если такое слово можно применить к насекомым) меньше, чем у обычных видов насекомых, у которых этого не произошло?

— Во-первых, про «детство» насекомых сложно говорить. У них сложный жизненный цикл. У тех видов, что были безъядерными, есть личинка, куколка и взрослая форма. Принципиальная перестройка идет между личинкой и взрослой формой, поэтому сравнивать взрослые формы и личинки вообще невозможно. Дело в том, что личинки — такие червячки, которые живут в яйцах других насекомых и больше ничего не делают, у них ничего нет, кроме кишечника. А взрослые летают, питаются и размножаются. Поэтому «больших» и «маленьких» в пределах одного экземпляра в ходе его развития сравнивать невозможно.

— То есть количество нейронов сокращается не постепенно с возрастом, а во время перестройки организма на стадии куколки?

— Ну да, происходит такое быстрое, резкое явление. А если пытаться сравнивать с другими насекомыми — это очень важный вопрос, потому что все современные интуитивные теории высшей нервной деятельности говорят о том, что запоминание (по крайней мере, долгосрочная память) невозможно без белкового синтеза. Теоретически у них не должно быть памяти, ведь в нейронах нет ядер, но на деле, скорее всего, окажется, что у них все есть. Мы уже показали наличие памяти у других миниатюрных насекомых, и с безъядерными мы как раз сейчас работаем над этой задачей.

— А как можно поставить такой эксперимент?

— Все очень просто. Существует элементарная парадигма обучения животных, придуманная еще Павловым (о нем можно прочитать в нашей рубрике «Как получить Нобелевку», — прим. Indicator.Ru). Эта парадигма очень проста: если у нас есть индифферентный стимул и мы предъявляем этот стимул вместе с каким-то подкреплением (с едой — положительное подкрепление или с ударом током — отрицательное), то вырабатывается условный рефлекс. То же самое и с насекомыми: если предложить, скажем, еду на кормушках определенного цвета, то в будущем они будут искать еду, ориентируясь на цвет. То же самое мы делаем с маленькими насекомыми. Мы предложили им на двух подложках, на белой и на серой, еду и соль. Еда их привлекает, соль — отпугивает. И дальше, после какого-то обучения, когда они ели на белых подложках и избегали серых подложек, мы предложили им те же подложки, но с дистиллированной водой. Потом смотрели, предпочитают ли они какой-то из этих цветов. Оказалось, что да, они выбирают тот, на котором было положительное подкрепление, где была еда.

«Сейчас это кажется невозможным»

— Такое упрощение с возрастом вообще свойственно для ос? Как могла возникнуть такая стратегия? Действительно, может быть, им и не нужны эти ядра нейронов?

— Если вы говорите про лизис тел и ядер нейронов, то оно известно только для трех видов мегафрагм. Больше ни у кого из животных ничего подобного не происходит и не описано. Основной смысл этого лизиса в том, что значительно уменьшается объем нервной системы. Нервная система микронасекомых может составлять до 10-12% от объема тела. При таком объеме, естественно, геометрически нервная система уже ограничивает миниатюризацию насекомых. Плюс к этому энергетические затраты на такую нервную систему колоссальны. Главные плюсы лизиса тел и ядер в том, чтобы сократить место и энергозатраты на нервную систему. Видимо, поскольку они могут летать, питаться и находить партнеров и поскольку пилотные эксперименты, которые мы сейчас проводим, говорят о том, что все-таки они могут модифицировать поведение, очень большая вероятность, что они могут обучаться.

— Тогда эти процессы, которые необходимы для запоминания, происходят в другом месте?

— Это очень сложный вопрос. Происходят-то они, похоже, в том же месте, но мы, видимо, не так много знаем про фундаментальные принципы работы нервной системы. Видимо, обучение и запоминание возможны и без ядер, и без белкового синтеза. Сейчас это кажется невозможным, но, видимо, это возможно.

— Можно же посмотреть, происходит ли у них синтез белка. Он не может как-то проходить вне ядра, как у прокариот?

— Синтез белка точно не может у них там происходить, потому что у них нет генетического материала. Без ядра синтез белка у эукариот вряд ли возможен. И ДНК у них в этих клетках не обнаруживается. В ядерных клетках она, безусловно, есть.

«Геном уменьшается в десять раз»

— Как могли появиться такие миниатюрные насекомые? Параллельная миниатюризация в разных группах шла отдельно или была одна группа насекомых, которые стали миниатюрными, а потом уже такими разнообразными по форме?

— Это очень разношерстная группа. Такие насекомые есть в разных отрядах, в разных семействах, и возникали они независимо: отчасти параллельно, отчасти конвергентно, отчасти дивергентно. В целом где-то около ста семейств насекомых имеет представителей меньше 1 мм длиной, и возникали они в разных отрядах по-разному. Свободноживущие формы — это одна история, паразитические — совершенно другая. Паразиты растений и специализированные питающиеся спорами насекомые возникали тоже абсолютно отдельно.

— Эти насекомые размером приближаются к микроорганизмам, и крупная амеба даже может быть больше них. А изучал ли кто-нибудь, какие микробы живут в них самих, и живут ли вообще?

— Среди микронасекомых для одного жука и одного перепончатокрылого мы делали полностью геном и микробиом и доказали, что внутри него живет большое количество бактерий и других микроорганизмов, в том числе симбионтов и, возможно, паразитов. Конечно, размер этих насекомых сопоставим с крупными одноклеточными, но всякие мелкие одноклеточные, вроде бактерий, в них помещаются легко и продолжают там жить.

— Если мы возьмем микробиом мегафрагмы, то он будет похож на микробиом обычной «большой» осы, потому что она оса?

— Для мегафрагмы мы как раз сделали и полный геном, и полный микробиом, и каких-то принципиальных отличий в микробиоме не нашли. Микробиом насекомых больше зависит от диеты, от того, где они живут, но принципиальный набор основных видов микробиоты у мегафрагмы не отличается от того, что известен для группы перепончатокрылых.

— Не сокращался ли их геном «для экономии места» по сравнению с родственными им крупными видами? Все-таки ядро влияет на размер клетки, а они такие маленькие...

– С геномом все не так просто. Для серии жуков разного размера мы показали, что геном при уменьшении размеров тела уменьшается почти в десять раз, а с перепончатокрылыми получилось очень странно. Мы секвенировали полный геном Megaphragma, одного из мельчайших насекомых, и оказалось, что он не меньше, чем у пчелы.

«Взять сито, пойти в любой парк»

— Интересно! А скажите, если человек просто заинтересовался такими насекомыми и хочет посмотреть на них, где он может их найти, как их разглядеть?

— Если говорить в целом, то микронасекомые — это большой набор разных групп организмов. Живут они по-разному, например, миниатюрные жуки обитают вокруг нас. Их можно найти в Москве, вокруг Москвы, в любом парке на газоне. Если говорить про каких-то конкретных (например, про мегафрагм с их лизированными нейронами), то это очень специализированные формы. В основном они живут в тропическом и субтропическом климате, в яйцах определенных насекомых, а эти насекомые — это паразиты определенных растений. Поэтому их можно найти, если только точно знать, где искать. Многие из них известны только по типовым сериям, их находили только один раз в истории, и больше нигде никто не может их найти. Многие из них, наоборот, живут везде.

— А если мы просто хотим посмотреть на любое насекомое из этой группы, где его проще всего найти в средней полосе?

— Самый простой вариант — взять сито, пойти в любой парк, просеять подстилку под деревьями, какие-нибудь грибы или еще какой-нибудь разлагающийся растительный субстрат. И там обязательно что-то мелкое будет бегать, прыгать и летать. Можно взять обычный энтомологический сачок, только из плотной ткани, и ходить им махать в воздухе. Что-нибудь из того, что мы не видим, какой-нибудь аэропланктон тоже туда попадет.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.