Год назад на российские экраны вышел полнометражный американский мультфильм «Эпик», вскоре ставший одним из лидеров отечественного проката. Снятый по книге Уильяма Джойса «Лифмены и добрые смелые жуки», он покорил сердца миллионов зрителей нетривиальным взглядом на мир. Сюжет таков: одержимый безумной на первый взгляд идеей профессор полжизни доказывает всему миру, что рядом с нами существует невидимый невооруженным глазом мир крошечных, но вполне разумных существ. И оказывается совершенно прав. Они есть - и так же, как мы, страдают, негодуют, любят, ненавидят... Их жизнь, так разительно похожая на нашу, в то же время совершенно другая: в силу крошечных размеров обитатели этого мира существуют по иным физическим законам. Они живут намного быстрее, чем мы, и требуются специальные коммуникаторы (изобретение профессора), чтобы как-то понять друг друга. Главное чувство, которое я вынесла, вместе с детьми выходя из зала, - а что если это не такая уж фантастика? Ведь то, что мы этих существ не видим, совершенно не значит, что их нет. Оказывается, это правда. Что недавно и доказал доцент кафедры энтомологии биологического факультета МГУ кандидат биологических наук Алексей Алексеевич Полилов. За свои пионерские исследования строения микроскопических насекомых он получил премию президента РФ в области науки и инноваций.
Голова одного из мельчайших сеноедов Liposcelis (слева), личинка трипса Heliothrips (справа)
- Алексей Алексеевич, почему именно крошечные насекомые? Чем они интересны?
- Миниатюризация, или уменьшение размеров тела, - широко распространенный тренд эволюции животных и одно из основных направлений эволюции насекомых, в результате чего они становятся сопоставимыми по размеру с одноклеточными организмами. Жуки перокрылки и перепончатокрылые мимариды - одни из мельчайших многоклеточных. Размер мельчайшего насекомого-паразита яйцееда – всего 140 мкм, а самое крошечное из свободноживущих насекомых не превышает в длину 300 мкм. Это доли миллиметра, и невооруженным глазом мы их видеть не можем. Если только они двигаются при очень хорошем освещении на белом фоне, их можно заметить, однако обычно их жизнь остается для нас совершенно неразличимой. Их строение до последнего времени описано не было, хотя его изучение имеет исключительный теоретический интерес и фундаментальное значение. Но самое поразительное, что, имея такие миниатюрные размеры, они в полной мере остаются насекомыми.
- Вы сказали, что такими они стали в процессе эволюции. Означает ли это, что крошечные насекомые появились сравнительно недавно?
- Нет, такие насекомые сформировались достаточно давно. Они ровесники динозавров, а некоторые были и еще раньше. Хотя все это время они эволюционировали и, безусловно, этот процесс для них продолжается.
- Они так же, как обычные насекомые, обитают практически повсюду – в лесу, в почве и т.д.?
- Они есть везде – за окном, в горах, в лесу, в парке, в Москве и Подмосковье, хотя в природных условиях южных широт, в тропиках их больше всего по численности и по разнообразию форм.
- Чем они лучше для науки, чем обычные насекомые?
- Это как раз тот случай, когда размер имеет значение, причем колоссальное. Именно размер во многом определяет их морфологию, физиологию, биологию. Например, у некоторых из них совсем другой образ жизни, чем у более крупных родственников.
- Какой же у них образ жизни?
- Мы работаем с большим количеством групп насекомых из разных отрядов и семейств. Нам удалось описать несколько неизвестных ранее родов и видов, но еще большее количество пока остаются неизвестными. Оказалось, их биология разнится даже в пределах внутривидовых групп. Это целый микромир, и говорить о каком-то одном образе жизни невозможно, как нельзя сказать, какой образ жизни у всех животных в нашем привычном мире. Есть такие, которые обитают в подстилках, в гниющих остатках, в грибах. Есть специализированные паразиты, которые развиваются в яйцах других насекомых и в паразитах других паразитов – такие суперпаразиты. Наблюдается полный разброс биологических стратегий, и образ жизни у всех разный.
Мельчайшее летающее насекомое Megaphragma, именно у него обнаружены безъядерные нейроны
- Но существуют ли какие-то основополагающие признаки, по которым они в целом отличаются от более крупных насекомых?
- Да, кроме размеров они отличаются еще и тем, что имеют очень специфический крыловой аппарат. У них он представлен не пластиной, как мы можем видеть у бабочек или стрекоз, а жилкой, и основную машущую плоскость образуют щетинки по периметру крыла. Это некие веер или перо, обеспечивающие принципиально другой механизм полета. Другими словами, у них совершенно другая аэродинамика, для нас пока неведомая.
- Видимые нами животные так не летают?
- Нет. Здесь важна относительная вязкость воздуха – для них она совсем не такая, как для крупных организмов. Правильнее говорить даже не о полете, а о плавании в воздухе. Они похожи, например, на рачков, которые плавают в воде. Сама физика этого процесса изучена еще очень слабо.
- Что еще интересное вы обнаружили?
- Самое любопытное то, что при таких микроскопических размерах все они сохраняют не менее сложное строение, чем у более крупных родственников. Например, организация мускулатуры, несмотря на многократные изменения размеров тела, у них высоко стабильна, а также остаются практически все системы органов, и это кажется невероятным. Есть, конечно, и некоторые отличия. Наиболее масштабные изменения происходят в тканях внутренней среды и кровеносной системе, которые принципиально упрощаются: при таких размерах капиллярные силы делают невозможной активную циркуляцию гемолимфы по телу, поэтому у большинства из них сердца нет, транспорт веществ пассивный и представляет собой простую диффузию. Эффективность диффузии при таких размерах достаточна для того, чтобы обеспечивать дыхание, транспорт и все метаболические функции.
- Правда ли, что вы обнаружили у таких насекомых безъядерные нейроны?
– Да, и это на сегодня одно из самых интересных открытий. Раньше считалось, что ядро – главная составляющая часть нейрона. А мы сейчас наблюдаем род паразитических насекомых, у которых более 95% клеток нервной системы безъядерные. При этом вся структура и относительный объем нервной системы сохраняются. Эти насекомые имеют все необходимые органы чувств, они летают, питаются, находят хозяев – иначе говоря, их нервная система выполняет все свои функции, несмотря на то что она лишена ядер. Это сейчас наше главное направление – изучать строение такой нервной системы, стремиться понять, как она реализует свои функции. Вместе со своими коллегами, специалистами по поведению, мы пытаемся проводить эксперименты по способности этих насекомых к обучению и запоминанию.
- Как возможно провести подобные эксперименты?
- Берутся микронасекомые, и вместе с яйцами хозяина предъявляется некий химически индифферентный стимул, на который в природе они никак не реагируют. Потом безусловный стимул (яйца хозяина) убирается, и проводится статистический тест, способны ли они реагировать на этот искусственно введенный стимул. Если они будут демонстрировать поисковое поведение, откладывать свои яйца и на этот условный стимул после того, как мы уберем яйца хозяина, значит они обладают памятью и способностью к обучению.
- Все это невероятно интересно сразу по нескольким причинам. Во-первых, потому, что мир вокруг нас, оказывается, наполнен организмами, о существовании которых большинство из нас даже не догадывались. Во-вторых, они, вполне вероятно, могут «соображать». В это трудно поверить. Но премию вам дали не только за то, что все это крайне интересно, но и за то, что это имеет огромное прикладное значение – для биотехнологий, для биоинженерии, для робототехники.
- Надеюсь, что премию мне дали за фундаментальную науку, а не за перспективы использования. Хотя, конечно, очевидно: миниатюризация – это не только одно из основных направлений движения эволюции животных, но и главный вектор развития современной техники. Принципы и закономерности, которые мы выявляем на животных, в перспективе можно будет использовать и в биотехнологиях, и в робототехнике. Думаю, так и будет. Кстати, некоторые положения исследования уже включены в справочники по робототехнике. Но сейчас речь идет в первую очередь о познании законов природы.
- Как вам видится дальнейшее использование ваших открытий в той же медицине, где, например, активно внедряются различные нанотехнологии, позволяющие по кровяному руслу доставлять те или другие действующие вещества непосредственно к пораженному органу? Могут ли это в будущем быть какие-то электронные копии таких микронных насекомых – наножуки или нанобабочки?
- Об этом я пока даже фантазировать не берусь, хотя, наверное, и это возможно. То, что я сейчас вижу как возможную нишу для внедрения, касается именно нейронов и памяти. Дело в том, что на данный момент считается, что механизм памяти у всех животных более или менее одинаков. Он прочно связан с белковым синтезом: будь то червь или млекопитающее, память у всех функционирует похоже. Наши же насекомые - совершенно уникальный модельный объект, который имеет безъядерные нейроны, что исключает возможность белкового синтеза. И если окажется, что у них при этом есть память, то, вероятнее всего, или вся теория памяти будет перекраиваться, или будут открыты принципиально новые ее механизмы.
- Есть ли перспектива создания каких-то безъядерных моделей?
- Такая модель недавно была создана в одном из американских университетов и нашей командой из Санкт-Петербурга, которая занималась изучением нейронов, но только это были культуры клеток. Они показали, что можно отделить отростки от тела нейронов, и они будут продолжать какое-то время функционировать. Мало того: можно создать условия, при которых они срастаются обратно, т.е. расхожая парадигма, подразумевавшая, что нейроны не восстанавливаются, полностью развенчана.
- Как говорят в народе, нервные клетки не восстанавливаются. Значит, это не так?
- Пока сложно сказать однозначно, но эксперименты с культурами клеток, о которых мы только что говорили, свидетельствуют о том, что восстановление нейронов возможно.
- У вас за спиной стоят контейнеры, в которых обитают эти замечательные существа. Вы каждый день с ними общаетесь и, наверное, уже нашли общий язык. Какие чувства вы испытываете, когда с ними работаете? Ощущаете ли, что это живые существа, которые что-то чувствуют?
- Эмоции, конечно, есть, но это профессиональные эмоции: меня поражает их строение, их простота и в то же время их сложность. Я смотрю на них в первую очередь как на объект исследований.
- Скажите, как вы себе представляете их жизнь?
- Нам очень сложно представить их жизнь, потому что они существуют в совершенно другом мире, где царит иное распределение сил. Для них сила поверхностного натяжения или электростатические силы гораздо больше их собственного веса, и вещи, которые мы себе даже представить не можем, для них обыденны. Скажем, возможность хождения по поверхности жидкости. Но если они туда проваливаются, то уже не могут выбраться. Или они могут электростатически прилипнуть к чему-то и не иметь сил отлепиться. У них есть, в нашем понимании, свои бесспорные отрицательные моменты существования, но и свои положительные стороны. Им нужно крайне малое количество пищи, энергии, они могут развиваться в очень маленьких нишах, что невозможно для более крупных животных. Малые размеры увеличивают скорость метаболизма, что дает возможность намного быстрее получать новые поколения, быстрее размножаться – т.е. намного быстрее наращивать свою численность. В целом мелкие организмы позволяют намного быстрее осуществлять свой жизненный цикл, чем крупные. Но и опасностей для них существует намного больше.
- Представляю ужас, который охватит наиболее ярых защитников животного мира, считающих, что нельзя убивать ничто живое – ни комаров, ни мух, когда они узнают, что каждый миг, идя по траве, уничтожают мириады крошечных жизней! А какой кошмар, наверное, испытывают эти насекомые, когда по их жилищам шагает такой монстр, как человек!
- Мы не можем даже предполагать, что они ощущают. Вероятно, как раз подошва нашего ботинка не становится для них стихийным бедствием. А капля воды может стать настоящей катастрофой.
- Великий потоп?
- Да, но только происходящий с куда большей частотой, чем для нас с вами.
- Почему? Ведь то, что у них крайне высокий метаболизм и очень короткая жизнь, может говорить о том, что в микромире просто другая скорость жизни – и тогда их великие потопы случаются с такой же частотой, как наши.
- Это уже метафизика.
- Но какая увлекательная! Вы никогда не пытались себе представить этот невидимый мир как какую-то крошечную модель нашего, внутри которого, вероятно, есть миры еще меньше? Ведь это одна из физических теорий строения мироздания!
- Когда-то физики уперлись в предельные размеры элементарных частиц. То же и в биологии. Похоже, существует предел миниатюризации живых организмов, и он нами определен. Конечно, внутри этих видов могут существовать особи более или менее крупные. Так, например, самка большая, а самец в три раза ее меньше. Этот карлик лишен крыльев, глаз, ротового аппарата, кишечника, практически всех органов чувств и многого другого. Фактически он выполняет единственную роль – размножение. Вообще такие насекомые демонстрируют удивительный разброс размеров: длина мельчайшего отличается от длины крупнейшего из них в 2 тыс. раз, что существенно превышает разброс размеров в любом другом классе позвоночных животных. Таким образом, мы видим поразительную возможность масштабирования биологических структур и процессов, и это также крайне важно для науки. Тем не менее мы имеем дело с самым миниатюрным живым миром, существующим рядом с нами. Невероятный мир, о котором пока так мало известно.
Беседовала Наталия Лескова
Справка
Алексей Алексеевич Полилов
Доцент кафедры энтомологии биологического факультета МГУ, кандидат биологических наук.
Победитель международного конкурса молодых ученых «Ломоносов-2004».
Лауреат стипендии Фонда им. Александра фон Гумбольдта 2008–2009 гг.
Победитель конкурса научных работ молодых ученых МГУ 2010 г.
Награжден медалью Российской академии наук с премией для молодых ученых 2011 г.
Лауреат премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2013 г.
Фото спикера: архив "Научная Россия"
Изображения насекомых: предоставлены А. А.Полиловым
