Легко ли быть миниатюрным

А. А. Полилов,
доктор биологических наук, кафедра энтомологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
«Химия и жизнь» №11, 2014

Цена миниатюризации

Миниатюризация (уменьшение размеров тела) — одно из основных направлений эволюции. Крошечным существам нужно совсем немного пищи и энергии, проще найти укрытие. Паразитам миниатюрные размеры дают возможность развиваться в яйцах других животных, в том числе нескольким особям в одном яйце. В некоторых случаях меньшие размеры позволяют ускорить жизненный цикл и смену поколений.

Насекомые продвинулись по пути миниатюризации дальше других животных. Длина тела крупнейших и мельчайших представителей таксона порой отличается в 2000 раз. У млекопитающих этот разброс меньше, голубой кит длиннее карликовой бурозубки всего в 800 раз. Крошечные насекомые разнообразны и многочисленны. Виды с длиной тела меньше 2 мм встречаются в 220 семействах, менее 1 мм — примерно в сотне семейств. Многие из них сравнимы по размеру с одноклеточными животными (рис. 1).

Рис. 1. Мельчайшие насекомые сравнимы по размеру с одноклеточными животными

Сейчас известно несколько тысяч видов микронасекомых, и любая экспедиция приносит несколько десятков новых. Сколько их всего, сказать трудно. Десятки тысяч — точно.

Самые маленькие из свободноживущих насекомых — жуки семейства Ptiliidae (перокрылки), обитающие в лесной подстилке, трухлявой древесине, гниющем сене, трутовых грибах. Длина жуков Nanosella sp. и Scydosella sp. всего 0,3 мм. Еще мельче паразитические перепончатокрылые (Hymenoptera), которые откладывают яйца в яйца других насекомых. У крошечного паразитического наездника Dicopomorpha echmepterygis из семейства Mymaridae длина тела всего 0,14 мм, у наездника-яйцееда Megaphragma caribea (семейство Trichogrammatidae) — 0,17 мм.

Для исследования мельчайших насекомых не годятся традиционные методы энтомологов. Такое крошечное существо невозможно анатомировать, а плотная непрозрачная кутикула мешает рассмотреть его внутреннее строение. Поэтому нам приходится использовать методы, чаще применяемые для исследования микроорганизмов. Это фазово-контрастная микроскопия (метод оптической микроскопии, позволяющий видеть прозрачные объекты) и электронная микроскопия, изучение срезов в твердых полимерных средах, микротомография. С их помощью можно получить трехмерные модели насекомых и на их основании изучать сравнительные объемы внутренних органов.

Размер — одна из фундаментальных характеристик живых объектов и во многом определяет их морфологию, биологию, физиологию и, может быть, даже биохимию. Подавляющее большинство известных мельчайших насекомых внешне устроены так же сложно, как и их более крупные собратья по таксону. На рис. 2 видно, что жук Nanosella, хотя его длина 0,3 мм, имеет все, что положено жуку нормального размера: антенны, ноги, крылья, надкрылья. Ротовой аппарат таких жуков иногда устроен сложнее, чем у крупных. Есть, правда, отдельные слияния и упрощения в скелете, но общей картины они не меняют.

Рис. 2. Так выглядит под электронным микроскопом мельчайшее свободноживущее насекомое, жук Nanosella (слева — голова крупным планом)

Крошечные перокрылки имеют структуры, которых нет у других насекомых. В частности, у них были обнаружены поля складок с внутренней стороны надкрыльев и соответствующие им гребни на склеритах (хитиновых щитках, покрывающих каждый сегмент тела насекомого) грудного отдела (рис. 3). Это абсолютно точная копия стрингуляционного органа кузнечика, только в тысячу раз уменьшенная. Во Вьетнаме нам удалось записать звук, который, видимо, издают жуки с помощью этого органа. К сожалению, качество записи таково, что проанализировать ее нельзя. Не удается пока найти органы слуха, но они должны быть, если насекомые издают звуки. У крупных жуков ничего подобного нет.

Рис. 3. Nanosella и ее стрингуляционный орган: складки на внутренней стороне надкрыльев (сверху) и гребни на склеритах грудного отдела (внизу)

Личинки перокрылок устроены так же сложно, как и личинки крупных насекомых, за исключением того, что у них отсутствуют оформленные элементы скелета — все покровы мягкие. Благодаря этому личинка может хотя бы частично переходить к кожному дыханию: оно необходимо, потому что вместе с редукцией скелета происходит редукция трахейной системы.

Кишечник у личинок миниатюрных жуков типичный для насекомых обычного размера, а нервная система своеобразна (рис. 4). Головной мозг у личинки первого возраста перемещается в грудные сегменты, освобождая голову для более важных органов — мышц, управляющих ротовым аппаратом.

Рис. 4. Личинка жука Mikado (Ptiliidae) первого (вверху) и последнего возраста. У личинки первого возраста нервные ганглии, которые должны быть в голове, смещаются в грудной отдел, чтобы освободить место для мышц ротового аппарата. Когда личинка подрастает, место в голове освобождается, и нервные ганглии возвращаются туда, где должны находиться

Вторая группа объектов, с которыми мы работаем, — паразитические перепончатокрылые, наездники-яйцееды. Взрослое насекомое свободно летает и практически не питается, а яйца откладывает в яйца насекомых, где и развиваются личинки. Внешнее строение взрослых наездников достаточно сложное, без следов упрощения, а во внутреннем не обошлось без сюрпризов. У них, как и у других миниатюрных насекомых, сохраняется почти полный набор мускулатуры, сотни мелких мышц. Одна из летательных мышц, которая обычно относительно невелика и находится в одном из грудных сегментов, у всех представителей семейства Trichogrammatidae огромна, она доходит до сегментов брюшка и по объему больше, чем вся остальная мускулатура, вместе взятая, больше мозга или пищеварительной системы. Непонятно, зачем этому насекомому такая большая мышца там, где все упирается в экономию места (длина мышцы не влияет на ее силу).

У всех миниатюрных насекомых удивительные крылья (рис. 5). Если у обычных насекомых они представляют собой пластинку, поддерживаемую сетью жилок, то у микронасекомых от этой пластинки остается лишь узкая полоска, и основную машущую плоскость крыла образуют щетинки. На них есть выросты, которые увеличивают площадь крыла. В процессе миниатюризации крылья сужаются, щетинки удлиняются. Щетинки можно уподобить бородкам первого порядка птичьего пера, а выросты на них — бородкам второго порядка. Благодаря такому удивительному строению крыльев получили свое название жуки-перокрылки. У этих жуков есть специальные механизмы, позволяющие убирать, чистить и защищать крылья.

Рис. 5. Слева крыло жука Primorskiella (Ptiliidae), справа увеличенный фрагмент одной из щетинок

У многих миниатюрных насекомых отсутствует сердце, а гемолимфа вытеснена жировым телом, и транспорт питательных веществ осуществляется за счет диффузии. Такое же изменение встречается у некоторых мелких нематод и клещей.

Масштабирование при миниатюризации

Рис. 6. Жуки-перокрылки откладывают очень большие яйца. Слева — относительные размеры яйца и взрослого насекомого. Справа — поперечный срез тела самки Nanosella, в центре яйцо

Поскольку разброс размеров внутри класса насекомых велик, на них удобно рассматривать не только проблемы миниатюризации, но и вопросы, связанные с масштабированием органов, тканей и клеток, то есть с тем, пропорционально ли меняются объемы органов при изменении объемов тела.

Проанализировав трехмерные модели 22 видов насекомых из 11 семейств из 5 отрядов, мы выяснили, что часть органов, например наружный хитиновый скелет, при уменьшении размеров тела сохраняет относительный объем. У других органов и тканей, таких, как мускулатура и кишечник, относительный объем при миниатюризации уменьшается. Это возможно потому, что эффективность работы мышцы зависит от площади поперечного сечения, а кишечника — от площади его всасывающей поверхности, но поскольку площадь меняется медленнее, чем объем, их эффективность при миниатюризации даже увеличивается.

Наибольший интерес представляют половая и нервная системы, объем которых возрастает в разы. Начнем с половой системы. У миниатюрных свободноживущих насекомых относительный объем яйца увеличивается по сравнению с большими. Миниатюрные перокрылки откладывают только одно яйцо, и оно занимает более половины тела самки (рис. 6). Для формирования такого яйца необходим колоссальный объем половой системы. Эти жуки живут долго, несколько месяцев, потому что им нужно отложить определенное количество яиц, но они обитают в питательных субстратах и могут быстро наесть массу, необходимую для формирования яйца.

Таблица. Число нейронов в мозге взрослых насекомых

Еще одна проблема, с которой сталкиваются при размножении миниатюрные жуки, — размещение сперматозоида. У некоторых жуков он гигантский, в два раза длиннее самца, подвижный, с настоящим хвостом. Как он помещается в половой системе самца, еще можно представить, но как происходит копуляция и как он переползает в самку — большая загадка. Непонятно, зачем одному из самых маленьких насекомых такой сперматозоид, хотя многие обычные жуки обходятся бесхвостыми спермиями, в разы меньшими.

Крошечным паразитическим перепончатокрылым нет необходимости так увеличивать относительный объем половой системы. Связано это с тем, что их личинки живут в яйце хозяина и им не нужны ни органы движения, ни запасы желтка в собственном яйце, потому что они пользуются запасами хозяина. По сути, личинки паразитических перепончатокрылых — это мешочки с кишечником, поэтому размеры яиц и половой системы у них меньше, чем у свободноживущих.

В некоторых случаях миниатюрные насекомые отказываются почти от всего, за исключением половой системы. Самец мельчайшего наездника Dicopomorpha echmepterygis предельно минимизирован (рис. 7). У него нет ни крыльев, ни ротового аппарата, ни кишечника, ни глаз, всего четыре сенсиллы (простейшие наружные органы чувств) на голове, вместо лап — присоски, только половая система полноценная. Он ждет, когда его найдет самка, у которой есть все положенные насекомым атрибуты, и выполняет свою задачу. Это, пожалуй, предел миниатюризации для организма, который может отказаться почти от всего, кроме половой системы.

Рис. 7. Самец (вверху) и самка Dicopomorpha echmepterygis

Таким образом, для свободноживущих насекомых объем половой системы служит фактором, ограничивающим миниатюризацию, а паразитических лимитирует скорее объем нервной системы.

Их крошечные нервы

Органы чувств очень плохо переносят миниатюризацию, особенно органы зрения. У насекомых фасеточные глаза, фасетки устроены сложно, их размер почти нельзя уменьшить, и миниатюрные насекомые уменьшают количество: у самых мелких глаз состоит всего из 29–30 фасеток нормального размера (рис. 8). Глаз насекомого подобен цифровому фотоаппарату, каждая фасетка — это одна точка, то есть фактически эти насекомые летают с камерой в 29 пикселей. Невозможно представить, как они обходятся такими глазами: у летающего насекомого должно быть хорошее зрение.

Рис. 8. Глаза перепончатокрылых насекомых, от мельчайших (наверху) до относительно крупных (внизу): а, б — Megaphragma mymaripenne; в, г — Trichogramma evanescence; д, е — Anaphes flavipes; ж, з — Hemiptarsenus sp. При миниатюризации уменьшается не размер фасеток, а их количество

Насекомым удается уменьшить количество нейронов, составляющих центральную нервную систему, в частности головной мозг. У обычной мухи или пчелы миллионы нейронов, у человека — в тысячу раз больше, у миниатюрных насекомых около 20 тысяч нейронов на головной мозг, а у некоторых и того меньше (см. табл.). Но при этом относительный объем нервной системы у них возрастает. У человека объем головного мозга 2% от объема тела, у колибри 8%, у личинки Liposcelis (книжного сеноеда) — 12%, самый высокий церебральный индекс.

Миниатюризация существенно влияет на объем нейронов: он сокращается за счет компактизации хроматина. Эти конструктивные ограничения поставили вопрос о размере генома как лимитирующем факторе при миниатюризации. У близких видов жуков абсолютный размер генома сокращается при уменьшении размеров тела (рис. 9).

Рис. 9. Размер генома насекомых уменьшается при миниатюризации

Удивительно, что при сокращении числа и размера нейронов строение нервной системы не меняется. Все зоны мозга, все оболочки и типы синапсов такие же, как у крупных видов родственных групп. Однако и из этого правила мы обнаружили исключение.

Обычно центральную часть нервной системы насекомых образует нейропиль, сформированный отростками нейронов, а периферическую — корковый слой из тел нейронов. У мельчайших летающих насекомых Megaphragma mymaripenne нервная система устроена необычным образом. Центральная нервная система куколки состоит из 7199–7396 клеток, на долю мозга приходится около 4600 нейронов. Его структура типична для насекомых на этой стадии развития, то есть каждый ганглий состоит из нейропиля, окруженного кортикальным слоем тел нейронов. На финальной стадии развития куколки, когда нервная система взрослого насекомого уже сформирована, происходит лизис тел и ядер примерно 95% нейронов — по нашим подсчетам, их остается не более двухсот (рис. 10).

Рис. 10. Лизис тел нейронов головного мозга у M. mymaripenne на стадии куколки

Это снижает абсолютный и относительный объем нервной системы, особенно мозга, который имеет объем 93,600 мм³ у куколки и только 52,200 мм³ у взрослого насекомого. Изменения объема сопровождаются изменением головной капсулы. Огромная голова куколки сжимается, ее кутикула сворачивается, образуя мельчайшие завитки (рис. 11). Такая трансформация, видимо, широко распространена среди мельчайших паразитических перепончатокрылых.

Рис. 11. Изменение головной капсулы после формирования мозга у M. mymaripenne. Сверху голова куколки (а) и взрослого насекомого (б). Внизу срезы кутикул в окципитальной (затылочной) зоне куколки (в) и имаго (г)

Мозг — крупнейший отдел ЦНС. Большинство мелких насекомых решают проблему большого мозга, смещая его, частично или полностью, в грудной отдел, а у некоторых личинок он «сползает» даже в брюшные сегменты. Однако у перепончатокрылых это невозможно, потому что голова у них очень подвижна и связь с грудным отделом тонка. Так что миниатюрные перепончатокрылые вынуждены производить экстремальные изменения в структуре нервной системы, такие, как описано здесь.

Самое удивительное, что у насекомого, практически лишенного тел нейронов, остаются неизменными объем нейропиля, его структура, плотность отростков и синапсов и отростки безъядерных клеток продолжают функционировать в течение пяти-девяти дней (примерно столько живут имаго M. mymaripenne при разных условиях). Это уникальное насекомое, единственное животное, у которого происходит лизис тел и ядер нейронов.

Открытие безъядерной нервной системы стало событием. Оно дает повод задуматься об изучении регенерации нервной системы, для которой принципиально важна возможность функционирования нейронов, отделенных от ядер.

Второй вопрос, который возникает в связи с этим, — проблемы поведения и памяти. У Megaphragma всего 4600 нейронов в головном мозге (95% из них безъядерные), у мух 340 тысяч нейронов, 850 тысяч у рабочей пчелы, даже у близкородственного вида Trichogramma evanescens 37 тысяч. Между тем взрослая M. mymaripenne отличается достаточно сложным поведением: она летает, ест, отыскивает хозяев, в яйца которых откладывает свои яйца. Неизвестно, есть ли у этих насекомых память и если да, то как она функционирует, ведь для нее необходим синтез белка.

Сейчас мы разрабатываем эксперименты, позволяющие оценить их способность к обучению и память. Пока сделать это не удается, но я почти уверен, что обучаться они могут. Просто мы пока не можем им предложить задачу, с которой могли бы справиться насекомые всего с 29 фасетками и 38 сенсиллами на каждой антенне.