Как устроены мельчайшие насекомые и почему они переворачивают представления о работе нервной системы

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.

Паразитический наездник рода Megaphragma. Фото сделано при помощи сканирующего электронного микроскопа
Алексей Полилов/МГУ

«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.

Мимарида (Anaphes flavipes). Фото сделано при помощи сканирующего электронного микроскопа
Алексей Полилов/МГУ

– 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.

Паразитический наездник рода Megaphragma. Фото сделано при помощи сканирующего электронного микроскопа
Алексей Полилов/МГУ

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.

Жук рода Ussurilumpia. Фото сделано при помощи сканирующего электронного микроскопа. Алексей Полилов/МГУ

— 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.

Acrotrichis grandicollis. Фото сделано при помощи сканирующего электронного микроскопа. Алексей Полилов/МГУ

— 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.

Паразитический наездник рода Megaphragma. Фото сделано при помощи сканирующего электронного микроскопа
Алексей Полилов/МГУ

«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.