Ученые биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова исследовали процесы минитюаризации у насекомых и выяснили, что при эволюционном уменьшении размеров тела в сотни и тысячи раз большинство их органов и систем уменьшается пропорциональным образом — в отличие, скажем, от аналогичных процессов у млекопитающих и птиц. При этом половая и нервная система с уменьшением размеров тела, наоборот, увеличивают свои относительные размеры. Статья опубликована в Scientific Reports.

«Мы хотели узнать, что происходит с конструкцией органов при уменьшении размеров тела насекомых от одного сантиметра до десятых долей миллиметра, чтобы понять, что в организме насекомого остается прежним, а что изменяется», — прокомментировал работу автор, доктор биологических наук Алексей Полилов.

Миниатюризация — эволюционный процесс, в результате которого организм животного уменьшается в десятки или даже тысячи раз относительно размера своих предков. Перекрылки, некоторые щетинохвостки и мимариды — примеры таких микроскопических насекомых. Их размер составляет лишь несколько миллиметров, а иногда — доли миллиметра. Для сравнения, инфузория-трубач, одноклеточное животное, вырастает до двух миллиметров длиной, хотя весь ее организм — всего одна клетка. Микроскопические насекомые вмещают в такой же объем тысячи разных клеток и все необходимые для функционирования сложного многоклеточного организма системы. В основном они обитают в южных широтах, но даже в России встречаются, например, несколько десятков видов перокрылок (семейство отрядов жуков или жесткокрылых, питающееся гумусом и грибами) и несколько сотен мимарид (паразитическое семейство отряда перепончатокрылых).

Megaphragma mymaripenne — наездник из отряда Перепончатокрылых, для сравнения размеров изображенный рядом с амебой и инфузорией-туфелькой. Science

Интересно, что несмотря на бросающуюся в глаза разницу между размерами разных членистоногих, до настоящего момента исследователи, в основном, занимались сопоставлением размеров млекопитающих или птиц, и это первая работа, в которой столь детальному исследованию подверглись именно насекомые.

Ученые использовали данные, собранные за последние десять лет изучения микроскопических насекомых, чтобы построить 28 полных и 24 частичных трехмерных компьютерных реконструкций 23 видов насекомых, большинство из которых принадлежало отрядам жесткокрылые и перепончатокрылые, а остальные — к отрядам щетинохвостки, сеноеды и трипсы. Особи различались между собой по размеру, некоторые — более чем в две тысячи раз. Соотношение объема и длины тела у некоторых особей, в свою очередь, отличалось в несколько десятков тысяч раз. Самыми мелкими видами были представители Megaphragma и Nanosella, размерами 0,25 и 0,35 мм. Полученные реконструкции позволили проследить влияние миниатюризации на относительный объем органов разных систем насекомых.

Выяснилось, что большинство органов и систем у насекомых уменьшаются практически пропорционально уменьшению объема тела. Так, например, в процессе минитюаризации относительный объем экзоскелета у жестокрылых и сеноедов слегка увеличивается, а у перепончатокрылых слегка уменьшается, но в целом и у тех, и тех остается близким к единице — ближе, чем это характерно для изменений размера скелета с уменьшением размера тела у млекопитающих и птиц.

Изменение размеров разных систем организма насекомых с уменьшением размера их тела. Alexey A. Polilov & Anastasia A. Makarova / Scientific Reports, 2017

«Мы показали, что большинство систем органов насекомых демонстрирует колоссальные возможности к масштабированию, сохраняя неизменные пропорции при многократных изменениях размеров тела», — комментирует автор. Половая и нервная системы составляют исключение — при уменьшении размеров тела они демонстрируют значительное увеличение относительного объема. «Видимо, именно эти системы ограничивают минимальные размеры тела насекомых».

При тех же масштабах изменения размеров тела большинство органов позвоночных меняются непропорционально. Таким образом, ученыем удалось показать, что сама конструкция организма насекомых легче подвергается масштабирование. В дальнейшем они собираются расширить круг изучаемых видов, включив в область своего исследования клещей и других членистоногих. Результаты исследования механизмов миниатюризации, по их мнению, в перспективе могут быть использованы в методах биотехнологии и робототехники.

Автор: Анна Казнадзей