Этот удивительный микромир

Мы привыкли думать, что видим весь окружающий нас мир целиком. Трудно себе представить, что это совсем не так. Совсем рядом с нами существует огромный мир крошечных насекомых, которых мы не видим, но они невероятно сложны и разнообразны. О том, что это за организмы и почему важно их изучать, рассказывает заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова член-корреспондент РАН Алексей Алексеевич Полилов.

— Вы уже много лет занимаетесь насекомыми, которых мы не видим невооруженным глазом. Означает ли это, что если мы заглянем в любой из микроскопов, то сразу их увидим?

— Конечно, их можно увидеть в любой микроскоп, но для этого их нужно сюда принести. То, что они живут в природе вокруг нас, и то, что мы их не видим, не значит, что они есть вокруг нас прямо сейчас и повсюду ползают в лаборатории.

— А где их надо искать? Где вы их берете?

— Это очень разнообразный размерный класс насекомых, и его представители живут в очень разных условиях. Есть те, кто живет в почве, в подстилке. Есть травоядные, есть хищники — летающие, нелетающие. С одной стороны, их можно встретить везде, с другой — если мы говорим о конкретных видах, то их всегда очень сложно найти.

— Ходите с микроскопом, низко наклонившись к земле?

— Так тоже бывает. Но чаще всего мы предполагаем, где они могут быть, и набираем субстрат, листья или яйца хозяев, приносим в лабораторию и здесь уже под микроскопом разбираем. Поскольку мы неплохо знаем, где многие из них живут, то почти всегда успешно собираем их фактически на ощупь.

— Помните ли вы тот момент, когда впервые познакомились с таким микроорганизмом?

— Я на первом курсе пришел на кафедру энтомологии и обратился к тогдашнему заведующему Рустему Давидовичу Жантиеву с вопросом о том, чем бы я мог поскорее начать заниматься в науке. Вначале он предложил тему, которая мне показалась очень скучной, а потом — вторую тему про микронасекомых. Я начал ими заниматься. После этого поехал в Подмосковье — пытался найти материал, почти сразу нашел, с тех пор и изучаю, фактически всю свою научную жизнь.

— Для вас было откровением, что, оказывается, существует целый мир крошечных насекомых, которых мы не видим, но они сложно организованы, разнообразны, далеко не все открыты?

— Наверное, нет, потому что в принципе я знал об их существовании и за предыдущие годы было опубликовано много соответствующих данных. Бóльшим откровением, наверное, стало сложное строение миниатюрных насекомых. Исходя из данных по другим животным, мы предполагали, что строение наших объектов при столь мелких размерах будет очень сильно упрощено. Но оказалось, что это совсем не так: большинство из них сохраняют парадоксальную для размеров, сравнимых фактически с одноклеточными организмами, сложность строения. И это стало большим удивлением.

— В чем выражается эта сложность? Что для вас было открытием?

— Пока я был студентом и делал первые работы по анатомии, открытием было почти все, что я находил. До того как мы нашли какие-то уникальные особенности, больше всего поражало, что животные размером с амебу или инфузорию-туфельку очень сложно устроены. Большинство органов в своей организации ничем не отличаются от органов крупных насекомых. Жук длиной 0,3 мм — это близнец майского жука в анатомии на уровне органов: пищеварительная, нервная системы, сотни отдельных мышц. Но мы почти сразу нашли и особенности: например, у этих маленьких жуков нет сердца, практически нет гемолимфы.

— Бессердечные!

— Да, потому что капиллярные силы делают невозможным активный транспорт жидкостей по телу. Соответственно, этот транспорт берет на себя диффузию в паренхимоподобном жировом теле. И при таких размерах диффузия оказывается вполне эффективным транспортом как для питательных веществ, так и для кислорода.

— Сердца нет, значит, а что с мозгом?   

— Не совсем так — у некоторых видов оно есть, у других нет, и это уникально для насекомых, потому что ни у кого из крупных насекомых такого быть не может. С мозгом все еще сложнее, потому что нервная система — это единственная система органов, эффективность которой определяется не размером, не площадью поверхности или сечения, а числом клеток и контактов между ними.

Сложность мозга животных и вообще вычислительных систем определяется числом элементов, поэтому мозг и вся нервная система очень плохо переносят миниатюризацию. В изучении именно мозга мы сформулировали две гипотезы, которые описывают факторы, ограничивающие миниатюризацию насекомых. В частности, размер мозга, энергозатраты на него — это основной фактор, который ограничивает минимальные размеры одноклеточных животных, которые, в свою очередь, ограничены числом и размером клеток. А те, опять же, ограничены размером.

— Означает ли это, что еще меньше они быть не могут, потому что у них тогда не будет мозга?

— Тут вопрос немного гипотетический. Наши теоретические расчеты показывают, что да, объем мозга становится слишком большим, а число клеток в нем приближается к предельно малым значениям примерно при тех размерах самых маленьких насекомых, которые нам известны. Возможно, будут еще открыты какие-то насекомые немного меньше, но вряд ли это будет разница в десятки процентов.

— Позволяет ли ваша оптическая техника открыть еще более маленьких насекомых, если они существуют?

— Конечно. Современные микроскопы полностью покрывают дифракционный предел и разрешение в доли микрометра, а мельчайшие насекомые — это 100 мкм и более. Даже без электронных микроскопов мы можем увидеть и изучать самых маленьких насекомых.

— Если у них есть мозг, то они обладают памятью, способностью к обучению, когнитивными функциями?

— Это очень важный вопрос. Априори память не предполагают у предельно простых организмов с очень небольшим числом нейронов, ведь, например, у мельчайших насекомых нейронов на два порядка меньше, чем у пчелы или других крупных насекомых, с которыми обычно работают этологи. Однако результаты нашей работы показывают, что даже самые маленькие насекомые способны не только к сложному поведению, которое позволяет им выживать, но и к обучению. В последние месяцы нам удалось показать все варианты памяти даже у самых миниатюрных насекомых, в том числе с безъядерной нервной системой.

— Как вы смогли это увидеть? Можно проследить за поведением мушки-дрозофилы или мышки, а здесь как?

— Этот вопрос возник в самом начале изучения микронасекомых. Проблема самой возможности функционирования мозга с небольшим числом нейронов и тем более мозга с безъядерными нейронами позволяет сделать из объектов с такими характеристиками модельные объекты для нейробиологии в целом. Поэтому много лет мы пытались придумать и реализовать идеи, как можно изучать их обучение и память. Придумывали и пробовали много вариантов, даже сделали миниатюрный электрошок, чтобы изучать реверсивное поведение, как это когда-то делал Павлов с собаками. 

Несколько лет назад мы пришли к тому варианту, которым пользуемся сейчас, — это термоарена, нагревающаяся до некомфортной для наших героев температуры. На ней есть несколько точек с комфортной температурой, которые управляются с компьютера, и в один временной интервал работает только одна из этих точек. Насекомые бегают по арене и находят ее. А вокруг арены есть светодиодный экран — он показывает картинку, которая переключается одновременно с холодными точками. По ней можно ориентироваться и определять, где окажется следующая холодная точка на арене. Дальше мы снимаем процесс на видео и анализируем путь, скорость перемещения, время, чтобы понять, научаются ли насекомые ориентироваться по зрительному стимулу для поиска холодной точки.

Оказывается, все насекомые, с которыми мы работаем, очень быстро, буквально с четвертой-пятой попытки целенаправленно двигаются в то место, где должна появиться холодная точка. Этот навык они способны сохранять часы и даже сутки, что позволяет нам показывать у них все формы консолидированной памяти.

— Как они общаются между собой?

— Никто этого не изучал у микронасекомых. Но у них есть феромоны, это мы знаем, они способны привлекать партнеров. У некоторых есть, вероятнее всего, акустическая коммуникация, которую мы предполагаем, находя у них структуру, отвечающую за издавание звуков. У них есть хорошо развитые органы слуха. Но саму коммуникацию никто не наблюдал и не демонстрировал. У них есть все для коммуникации, но как она происходит — неизвестно.

— Когда мы ходим по земле, получается, мы можем уничтожить огромное количество таких микронасекомых. Можно сказать, целый город?

— Большинство из них достаточно специализированы в том, где они живут, чем питаются и где находятся. Просто ходя по асфальту или даже по земле, вы никого не раздавите, потому что они находятся в субстрате и их плотность близка к плотности субстрата. Вы их, скорее всего, не раздавите, даже если наступите.

— Вы меня успокоили! А как они передвигаются?

— По-разному. Почти все имеют ноги, отлично ходят, бегают, прыгают, большинство имеют крылья. Как нам удалось относительно недавно показать, они демонстрируют способность к высокоэффективному, маневренному и скоростному полету.

— Полет и плавание у них отличаются от того, что демонстрируют более крупные организмы?

— О плавании мы пока знаем очень мало, а о полете мы сделали большую работу и хорошие статьи. Было известно, что у них очень специфический крыловой аппарат: вместо мембраны, поддерживаемой системой жилок, как у всех насекомых, у них фактически одна жилка, узкая мембрана и длинные щетинки по периметру крыла, которые и образуют основную площадь поверхности. Раньше считалось, что при таком странном крыловом аппарате, таких маленьких размерах и огромной для них вязкости воздуха они не способны к активному полету, что это пылинки, которые носит ветром. Нам тем не менее удалось показать в закрытых стенальных боксах, что они летают с очень приличными скоростями, даже больше одного метра в секунду, а при их длине тела — это тысячи длин тела за секунду. Оказалось, что за этой эффективностью кроется уникальная кинематика: эти перистые крылья двигаются абсолютно в другой траектории, нежели у других насекомых. Они двигаются не плоской «восьмеркой», как у обычных насекомых: это два почти перпендикулярных взмаха, их крылья схлопываются над и под телом. Так они заносятся для следующего взмаха — это больше похоже на кинематику плавающих рачков и других беспозвоночных, чем на полет «нормальных» насекомых или птиц.

— Как именно вы смогли увидеть такой полет?

— Мы несколько лет строили установку для изучения свободного полета микронасекомых, наши инженеры создали настоящее чудо техники. Это четыре скоростные синхронизированные камеры, инфракрасный свет, лазерная подсветка, крошечные летные камеры под каждый объект со специальными охлаждением и нагревом. Установка позволяет нам снимать свободный полет с четырех проекций одновременно и дальше делать трехмерную реконструкцию движения всех частей тела.

— Мы привыкли думать, что насекомые существуют для того, чтобы быть кормовой базой для птиц, рыб и т.д. А эти? Для чего они природе? Кто ими питается?

— Есть насекомые чуть крупнее, которые едят насекомых чуть мельче, есть клещи, которые едят насекомых. Есть бактерии, которые разлагают уже погибших насекомых. Любое животное так или иначе участвует в пищевых цепях, оно не может быть тупиком энергии. Другое дело, что их вклад толком оценить невозможно, потому что мы не знаем об их биологии, ничего не знаем о пищевых цепях, в которых они могут участвовать.

— Значит, после тех десятилетий, которые вы отдали изучению этих крошечных организмов, вы все равно находитесь в самом начале пути?

— Чтобы оценить, где начало пути, нужно дойти до финала. Безусловно, мы сделали очень много. Мы занимались строением, и на уровне основных групп строение микронасекомых нами уже изучено. Вместе с насекомыми мы уже взяли и коллембол, и пауков, и других членистоногих. Сейчас мы подошли к функциональной морфологии и физиологии, к полету-плаванию, к некоторым нейробиологическим вопросам: обучению, памяти, поведению. Я бы сказал, что, наверное, мы знаем половину того, что можно было бы знать про строение, функциональную морфологию и физиологию.

— Еще лет 20–30 — и вы будете знать все?

— Или нам так будет казаться, но это будет не так, потому что с каждым новым шагом в сторону мы часто получаем вопросов не меньше, чем ответов.

— Какие вопросы вас сейчас больше всего волнуют?

— В первую очередь то, что должно принести нам много открытий, — это тонкое строение мозга. Может быть, много лет назад мы бы остановились на этом, если бы случайно не нашли насекомых с безъядерными нейронами. Тогда это вызвало массу критики и недоверия, но потом мои результаты много раз подтвердились: мы нашли безъядерные нейроны у других видов того же рода, а недавно — еще у двух других родов другого семейства. Это абсолютно невозможное явление с точки зрения классической физиологии нервной системы, но оно неоднократно возникало у микронасекомых в разных эволюционных группах. Безусловно, это перевернуло наше представление о миниатюризации нервной системы. Изучение этих объектов и развитие их нервной системы, механизмов, лежащих в основе лизиса тел, клеток нейронов и того, как могут функционировать отростки, отделенные от тела ядер, того, на что они способны, — это те вопросы, над которыми мы сейчас активно работаем. Не исключено, что мы найдем еще что-то удивительное и это перевернет наше представление о физиологии еще какой-то системы органов.

— Как вы думаете, какие возможны прикладные применения ваших исследований?

— В первую очередь наши исследования привлекают внимание робототехников, потому что миниатюризация — это не только основное направление эволюции многих животных, но и тренд современной электроники, электротехники. Микроробототехника во многом опирается на биоаморфные конструкции, на изучение принципов той же самой локомоции животных. Самые маленькие роботы, которых сейчас создает человек, имеют размеры примерно около сантиметра. Наши же насекомые — это субмиллиметровые объекты. Сейчас, наверное, здесь не прямая связь с робототехникой, а некий вызов в будущем: когда специалисты освоят сантиметровый класс, то, может быть, доберутся и до миллиметрового класса объектов.

— Роботы, которых мы не видим?

— Уже сейчас существуют миниатюрные роботы, доставляющие лекарства в основном в виде прототипов. Существуют микродетекторы, способные воспринимать и передавать информацию, это уже промышленные варианты. Реализация более миниатюрных и сложных объектов пока невозможна, но компьютер размером с телефон 20 лет назад тоже был невозможен.

— Насекомые зачастую способны переносить какие-то заболевания — например, комары переносят малярию, клещи — энцефалит. А микронасекомые в этом плане безвредны или тоже могут представлять опасность?

— Пока, насколько нам известно, опасных для человека заболеваний они не переносят. Но мы мало знаем об их биологии, и утверждать что-то определенное сложно. Мы знаем, что они переносят некоторые болезни растений. Они заражают спорами грибов древесину и потом живут в этих грибах. Они способны переносить вирусы растений, то есть для сельского и лесного хозяйства они могут быть достаточно неприятными. Каковы масштабы и влияние, мы пока не знаем.

— Это ведь тоже прикладная задача, связанная с тем, чтобы защищать сельскохозяйственные культуры?

— Для этого сначала надо установить их опасность. Возможно, так и будет.

— А вам никогда не было обидно, что вы занимаетесь объектами, которые не видны невооруженным глазом? Их как бы и нет.

— Мне кажется, большинство ученых занимаются вещами, о которых никто ничего не знает, и их объекты никто никогда не видел. К тому же я вижу их в микроскоп, я могу показать их фотографии. Это совсем не то же самое, что заниматься какими-нибудь молекулами, о которых мы знаем все, но никогда их толком не увидим вживую. А свои объекты я вижу, могу увидеть маленькие черные точки даже без микроскопа.

— Какие у вас научные планы? Что бы вы обязательно хотели бы сделать?

— Планов у нас очень много. Глобально — это полет и плавание микронасекомых. Есть уникальные насекомые, способные летать и плавать с помощью одних и тех же крыльев: это физическая загадка, которую мы в ближайшее время надеемся разрешить. В «обычном» мире есть несколько видов птиц, способных к полету и плаванию с помощью одних и тех же крыльев. Но крылья птиц — это сложная структура, и у них локомоция в воздухе и под водой во многом различается за счет значительного изменения геометрии крыла. Это одни и те же, но абсолютно разные органы движения. У микронасекомых крылья не могут менять свою форму в силу конструкции, поэтому такого примера, чтобы один и тот же орган, не меняя формы и геометрии, был использован в средах, почти на два порядка различающихся по своей плотности, больше нет.

— Тут тоже сразу приходят на ум будущие разработки в области робототехники, где будут созданы механизмы, по устройству напоминающие эти чудо-крылья.

— Да, это будет очередной вызов для инженеров. Совсем другое направление, которым мы начинаем заниматься, — гигантизм. Мы собираемся взять вместе с самыми маленькими насекомыми самых больших и сделать параллельный проект, посвященный гигантизму, пределам увеличения размеров. Буквально два дня назад мы снимали полет одного из самых больших и тяжелых жуков. Этот вид живет в Южной Америке, его разводят любители, они есть в зоопарках. Это другая крайность от миниатюризации. Но о том, как они устроены, об особенностях их физиологии тоже ничего не известно, хотя они вполне видны невооруженным глазом.

— Каким образом размер влияет на продолжительность жизни?

— Есть некий общий принцип: чем меньше размеры, тем меньше продолжительность жизни. В среднем это так, если брать большие группы животных. Но есть исключения. Даже среди мельчайших насекомых есть виды, живущие несколько дней, а есть виды, которые живут несколько месяцев. Они не уступают в этом средним или крупным насекомым. Тот же самый жук-слон живет два-три месяца. Мельчайший жук тоже живет два-три месяца. Поэтому размер — не единственный фактор, определяющий продолжительность жизни.

— А вы собираетесь выяснять, каким образом жукам-долгожителям, маленьким или большим, это удается?

— Боюсь, у нас не дойдут до этого руки. Это отдельное направление, большое и сложное. Мы ничего не знаем о других животных, которыми специально занимаются, а браться за еще несколько объектов… Конечно, интересно понять, что заставляет их жить так долго, какие механизмы лежат в основе этого процесса.

— Есть ли догадки?

— Вот мельчайшие жуки живут так долго по очень простой причине: их личинки свободноживущие, и чтобы личинка смогла существовать, она должна быть уже полнофункциональной, когда выходит из яйца. А для этого должно быть огромное яйцо. И мельчайшие жуки единовременно откладывают и выращивают только одно яйцо. Чтобы поддерживать численность популяции, они должны жить долго, чтобы шаг за шагом отложить какое-то количество яиц, которые долго формируются, растут и занимают до половины объема тела самки. Поэтому необходимость долго жить связана у них с простой функцией продолжения рода.

— Вы говорите, что не успеваете описывать новые открытые виды микроскопических насекомых. Почему? Их еще мало известно или их много больше, чем обычных?

— Сколько их, мы не знаем, и для нас это большая проблема, потому что найти второй раз тот вид, который мы сами нашли и изучали, часто бывает сложно или почти невозможно. Многие микронасекомые известны только по типовой серии, их собирают только один раз. С другой стороны, найти новые виды, особенно в тропиках, вообще не проблема. Мы ездим уже много лет в один и тот же заповедник во Вьетнаме, и, чтобы собрать там новый вид микронасекомых, от лаборатории далеко отходить не нужно. 100–200 м в лес — и мы собираем материал, с которым работаем. Чаще всего этот материал надо описывать как новые виды и роды. Их так много, что мы часто не успеваем описывать виды, с которыми работаем, это правда.

— Чем вам нравится этот почти невидимый мир, почему вам это интересно?

— Там много загадок, они сложные, и это позволяет нам делать много интересных открытий, часто непредсказуемых. А это, наверное, самое привлекательное для ученого.