Построена первая полная трехмерная модель глаза насекомого

Рис. 1. Голова M. viggianii на фоне омматидиев сложного глаза медоносной пчелы (Apis mellifera). Изображение получено при помощи сканирующего электронного микроскопа, предоставлено автором

Паразитические осы рода Megaphragma представляют собой уникальную модель для изучения пределов миниатюризации органов, включая сложные глаза. Несмотря на экстремально малые размеры (около 250 мкм), они сохраняют полноценную зрительную систему. Ученые из МГУ имени М. В. Ломоносова при участии зарубежных коллег реконструировали пространственную структуру глаза M. viggianii с точностью до отдельных клеток. Авторы показали, что несмотря на то, что большинство нейронов мозга M. viggianii утратило свои ядра, все клетки сложного глаза этого насекомого сохранили ядра. Также было выявлено наличие специфической области, которая, вероятно, отвечает за распознавание поляризованного света, — как и у многих «полноразмерных» насекомых.

Насколько миниатюрным может стать орган, оставаясь при этом функциональным? Паразитические осы из рода Megaphragma — идеальные модельные организмы для поиска ответа на этот вопрос (A. Makarova et al., 2021. Small brains for big science). Род Megaphragma включает в себя один из мельчайших известных видов семейства Trichogrammatidae. Megaphragma viggianii — яйцевой паразит трипсов, длина тела взрослой особи составляет около 250 мкм. Cамка откладывает свои яйца в яйца трипсов, и последующее развитие от яйца до последней фазы куколки происходит внутри яйца хозяина. Личинка мешковидная, без сегментации, мандибул и трахейной системы, питается содержимым яйца хозяина (U. Bernardo, G. Viggiani, 2002. Biological data on Megaphragma amalphitanum Viggiani and Megaphragma mymaripenne Timberlake (Hymenoptera: Trichogrammatidae), egg-parasitoid of H. haemorrhoidalis (Bouché) (Thysanoptera: Thripidae) in southern Italy).

После завершения развития куколки внутри яйца хозяина появляется взрослая особь M. viggianii, которая выходит наружу, ищет партнера для спаривания — и цикл повторяется. Такой паразитический образ жизни накладывает жесткие ограничения на размеры тела. Экстремальная миниатюризация влечет за собой уникальные морфологические адаптации: так, клетки мозга представителей рода Megaphragma практически лишены ядер (см., например, A. Polilov, 2012. The smallest insects evolve anucleate neurons). Лизис ядер клеток мозга приходится на фазу фаратного имаго, и после выхода взрослой особи из яйца хозяина более 97% нейронов мозга паразитической осы утрачивают ядра.

Тем не менее, есть пределы миниатюризации органов и тканей — особенно для таких структур, как сложные глаза, которые имеют строгие ограничения по размеру из-за законов физики и природы света.

Насекомые обладают сложными глазами, которые состоят из дискретных единиц, омматидиев. Подобно пикселям в датчике фотокамеры, каждый омматидий захватывает часть зрительного пространства и обеспечивает долю общего воспринимаемого изображения. Для этого омматидии имеют линзу, которая фокусирует и направляет свет на рабдом — структуру, представляющую собой световод, состоящий из светочувствительных элементов, преобразующих фотоны в электрические сигналы, которые затем передаются нейронам мозга. Чтобы функционировать должным образом, все элементы системы должны соответствовать определенным требованиям: в частности, линзы должны быть достаточно большими, чтобы фокусировать достаточное количество света с определенного направления без искажений, а рабдом должен быть достаточно широким, чтобы направлять входящие фотоны. Дифракция увеличивается с уменьшением диаметра фасетки, а чувствительность омматидиев при этом падает. Однако глаза Megaphragma не ограничены дифракцией — благодаря короткому фокусному расстоянию и достаточно большому диаметру рабдома.

Имея всего 29 омматидиев в каждом глазу, паразитические осы Megaphragma — одни из самых маленьких животных, которые демонстрируют сложное поведение, пространственную ориентацию и даже способность к обучению. Коллектив ученых Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова совместно с коллегами из нескольких научных учреждений США построил первую полноклеточную трехмерную карту сложного глаза M. viggianii. Результаты опубликованы в журнале eLife.

Ключевую роль в этом исследовании сыграло то, что эти насекомые — чрезвычайно маленькие. Современные методы трехмерной электронной микроскопии vEM (volume electron microscopy) предоставляют богатые возможности для изучения морфологии насекомых на ультраструктурном уровне. Однако большая разрешающая способность таких методов накладывает ограничения на размеры исследуемого объекта. Поэтому миниатюрные насекомые представляют собой идеальный модельный объект: они обладают всеми физиологическими, когнитивными и этологическими характеристиками, что и крупные насекомые, но в то же время маленькие размеры позволяют реконструировать не только органы чувств, но также системы органов целиком. У насекомых больших размеров эти же методы позволяют исследовать лишь крошечные части органов и тканей. Методы vEM требуют сложного окрашивания материала, большого времени сканирования и длительного периода корректуры (proofreading), в результате чего реконструкция целых организмов (коннектом всего тела) с использованием vEM довольно редка и была получена лишь для немногих животных.

Рис. 2. Трехмерная реконструкция глаза M. viggianii. Рисунок из обсуждаемой статьи

Авторы показали, что диаметр линзы омматидия M. viggianii составляет всего 8 мкм, чего едва ли достаточно для фокусировки света на фоторецепторах. Однако у рабдома мегафрагмы относительно широкое поперечное сечение (2 мкм) — у крупных дневных насекомых (например, у пчел или муравьев) оно примерно такое же. Таким образом, вместе линза и рабдом способны эффективно улавливать достаточно света для работы глаз в течение дня. Кроме того, каждый омматидий окружен очень плотным слоем пигментных гранул, которые оптически изолируют рабдомы, блокируя рассеянный свет, и способствуют формированию изображения.

Рис. 3. Трехмерная реконструкция глаза M. viggianii и отдельного омматидия. Видео из обсуждаемой статьи

Изучение ультраструктуры клеток показало, что, в отличие от нейронов в мозге M. viggianii, все клетки глаза имеют ядра. Вероятно, из-за оптических ограничений эти клетки остались достаточно большими, чтобы избежать экстремальной миниатюризации и сохранить ядро, утраченное на других участках зрительного пути. Фоторецепторные клетки наполнены митохондриями, что позволяет предположить, что поддержание функционирования сложных глаз очень энергетически затратно с точки зрения метаболизма.

У многих насекомых дорсальная область глаза (известная как DRA — один или несколько рядов фасеток) имеет ряд структурных признаков, адаптированных для анализа поляризованного света с неба, который используется насекомыми для ориентации и навигации (T. Labhart, E. Meyer, 1999. Detectors for polarized skylight in insects: a survey of ommatidial specializations in the dorsal rim area of the compound eye). Анализ структурных особенностей элементов всего глаза M. viggiani показал, что даже у таких миниатюрных летающих насекомых имеется область специализированных омматидиев. Около трети имеющихся омматидиев, расположенных в дорсальной области глаза M. viggianii демонстрируют специализацию для обнаружения поляризованного света (особую геометрию рабдома, уменьшенные части диоптрического аппарата и даже ядра клеток, принимающие участие в формировании оптического пути).

Благодаря построенной полноклеточной модели всего глаза авторам удалось выявить наличие фоторецепторов, утративших связь с оптическим аппаратом глаза (эктопические фоторецепторы). Они, вероятно, способствуют другим биологическим процессам, требующим обнаружения света, таким как регуляция циркадных ритмов.

В 2023 году международный коллектив авторов, среди которых были и участники обсуждаемого исследования, опубликовал статью, проливающую свет на то, как зрительная система может приспособиться к такой экстремальной миниатюризации (N. Chua et al., 2023. A complete reconstruction of the early visual system of an adult insect). Показано, что зрительный коннектом M. viggiani содержит как стереотипные схемы связей, критически важные для летающих насекомых, так и специализированные для отдельных участков глаза. Анализ связей между нейронами показал, что они теряют свои ядра специфичным для этого типа клеток образом, а не стохастически, и, по-видимому, это связано с функцией клетки. Безъядерные клетки первого зрительного ганглия мозга образуют значительно больше синапсов по сравнению с клетками, содержащими ядра. Это говорит о том, что постоянная транскрипция не нужна для поддержания синаптической связи в безъядерных нейронах в течение жизни взрослых особей M. viggiani.

Вероятно, те немногие нейроны, которые сохраняют свое ядро, служат для поддержки процессов, требующих транскрипции, например, синаптической пластичности или нейромодуляции. Например, нейроны мухи Musca domestica обладают способностью модулировать калибр своих аксонов в дополнение к количеству и размеру синапсов в ответ на изменения окружающего света и циркадных ритмов (E. Pyza, I. Meinertzhagen, 2003. The regulation of circadian rhythms in the fly’s visual system: involvement of FMRFamide-like neuropeptides and their relationship to pigment dispersing factor in Musca domestica and Drosophila melanogaster).

Изучение миниатюризации сложных глаз является весьма интересной и сложной задачей для морфологии и бионики и вносит значительный вклад в понимание масштабирования сенсорных органов, а анализ коннектома с участием безъядерных нейронов может быть полезен для построения вычислительных моделей интеграции зрительной информации у насекомых.

Источник: Anastasia A. Makarova, Nicholas J. Chua, Anna V. Diakova, Inna A. Desyatirkina, Pat Gunn, Song Pang, C. Shan Xu, Harald Hess, Dmitri B. Chklovskii, Alexey A. Polilov. The first complete 3D reconstruction and morphofunctional mapping of an insect eye // eLife. 2025. DOI: 10.7554/eLife.103247.2.

Анастасия Макарова