Текст уведомления здесь

Наножук и рецепт невидимости

Вторая история о фантастических тварях и том, чему они могут нас научить

Они живут там, куда доползет не каждый дипломированный биолог. Они ставят с ног на голову наши представления о том, как должен работать живой организм. Они умеют то, о чем мы можем только мечтать. А мы? Завидуем. Отправляемся за ними в долины, глубины и трясины. Тратим лучшие годы жизни и фамильное наследство на поиски их секретов. Что мешает нам повторить их успех? Наши следующие герои гораздо лучше, чем люди, продвинулись в нанотехнологиях — это микроскопический жук и невидимая паразитическая оса.
Добавить в закладки
Комментарии

Бойцы невидимого фронта

Со времен Левенгука люди уже успели привыкнуть к мысли, что мир вокруг них населен множеством организмов, разглядеть которых невооруженным глазом невозможно. Обычно в их роли выступают бактерии («И это все на твоих немытых руках!») или одноклеточные животные и растения («Ну-ка, кто там в грязной воде живет?»). Но можем ли мы себе представить, что незримое создание будет бегать, летать и обладать сложным поведением? Таких невидимок-насекомых открывают все больше и больше. Сразу же встает вопрос: могут ли они жить полноценной жизнью насекомого, невзирая на свой размер? И чем им приходится пожертвовать ради исчезновения с радаров хищников?

«Чердак» собрал уже целый бестиарий фантастических тварей! Среди них есть бессмертные голые землекопы, невидимые наножуки и страшный, заразный рак, истребляющий тасманийских дьяволов. Со всеми ними можно познакомиться в нашей специальной рубрике, которая продолжает пополняться.

Наш первый герой — наножук (по паспорту Scydosella musawasensis). Живет в Южной Америке, питается жидкостью с поверхности грибов. Средний размер — 338 микрометра, то есть треть миллиметра. Меньше него — только паразитические насекомые, такие как оса Megaphragma mymaripenne — 200 мкм. Она относится к группе наездников, то есть откладывает яйца в личинки других насекомых, которые, в свою очередь, живут в листьях растений. Объекты такого размера человеческий глаз не видит без специального контрастирующего фона (например, яркой подсветки).

Scydosella musawasensis (слева) и Megaphragma mymaripenne (справа). Изображения: Alexey A. Polilov / Zookeys, PLoS One / CC BY 4.0

Scydosella musawasensis (слева) и Megaphragma mymaripenne (справа). Изображения: Alexey A. Polilov / Zookeys, PLoS One / CC BY 4.0

Одно из самых известных одноклеточных животных — инфузория туфелька — может достигать 300 мкм в длину. То есть целая паразитическая оса, состоящая из тысяч клеток, меньше, чем одна-единственная инфузория. И равна по размеру примерно четырем средним клеткам человека. Отдельный интересный вопрос заключается в том, как таких животных обнаруживать и изучать. Если бактерий можно обнаружить в мазке с поверхности, а водоросли — в капле воды, откуда они не убегут, то как быть с летающими насекомыми? Наножука и наноосу можно найти, изучая под микроскопом грибы и растения, на которых они живут. И это только потому, что мы уже знаем, что они там могут быть. В то же время множество других микроскопических насекомых, живущих вокруг нас, нам, вероятно, еще незнакомы.

Изображение: Анатолий Лапушко / Chrdk.
Изображение: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Минимальная комплектация

Миниатюризация — существенное сокращение в размерах по сравнению с ближайшими родственниками, как и любая другая эволюционная адаптация, требует жертв. Какие-то органы или части тела приходится объявить балластом и отбросить за ненадобностью. И здесь начинается самое интересное: глядя на этих решительных невидимок и на то, от чего они так и не смогли отказаться, мы наконец-то понимаем, что делает жука жуком, а осу — осой.

При ближайшем рассмотрении оказывается, что наножук и нанооса не сильно отличаются от своих родственников. План строения не изменяется, и части тела тоже все на месте. Но что касается внутренних органов, то им приходится сильно потесниться. За ненадобностью нанонасекомые избавляются от некоторых мальпигиевых сосудов (органы выделения), трахей (органы дыхания) и слюнных желез. У жука исчезают кровеносные сосуды, а у осы — сердце (да!). Миниатюрным животным сердце ни к чему, питательные вещества успевают доплыть везде сами.

Но есть и органы, без которых нельзя, — это нервная и половая системы. Какой смысл обретать невидимость, если после этого нельзя летать и размножаться? У микроскопических насекомых мозг сохраняется и занимает до 12% тела (для сравнения: у человека — 2,5%), так как остальные части тела сильно уменьшились. На месте и половые органы, правда, из парных половых желез остается только одна. Зато какая! Развивающееся яйцо в яичнике самки наножука занимает больше половины длины ее тела, а сперматозоид и вовсе длиннее, чем сам жук.

Получается, что микроскопический невидимый жук не сильно отличается от привычных нам крупных жуков. Значит ли это, что это не предел миниатюризации и можно уменьшаться еще и еще? Ученые предлагают несколько факторов, ограничивающих дальнейшее уменьшение:

1. Место для детей. Даже если насекомое очень маленькое, его потомству нужно откуда-то брать питательные вещества, чтобы расти. На ранних стадиях развития их удобно запасать в яйце. А это значит, что в самку насекомого должно поместиться яйцо с полноценным запасом веществ. У известных сейчас наножуков всего одно такое яйцо занимает больше половины длины тела; если стать еще меньше, то потомство просто не поместится внутри. В этом смысле удобнее быть паразитом: нанооса откладывает свои яйца в личинки других насекомых, поэтому питательные вещества потомство берет извне. Вероятно, именно это позволило осе уменьшиться еще на 100 с лишним микрометров по сравнению с наножуком.

2. Слишком сложные глаза. Если животное хочет летать и выбирать место для кормежки и размножения, то без органов чувств ему нельзя. А глаза насекомых устроены довольно сложно и состоят, подобно нашей сетчатке, из множества отдельных клеток. Каждая клетка отвечает за кусок зрительного поля. Чем сильнее мы уменьшаем зрительные клетки, тем выше опасность засветки — один и тот же луч света будет попадать на несколько клеток. В результате общая картина будет смазанной. Правда, некоторые ученые полагают, что эта опасность надуманная, так как микронасекомые видят в основном в ультрафиолетовом диапазоне. У УФ-лучей короче длина волны, поэтому вероятность засветки ниже.

Голова Megaphragma mymaripenne: затылок (сверху) и анфас (снизу). Изображение: Изображения: Alexey A. Polilov / PLoS One / CC BY 4.0

Голова Megaphragma mymaripenne: затылок (сверху) и анфас (снизу). Изображение: Изображения: Alexey A. Polilov / PLoS One / CC BY 4.0

3. Не меньше капли. Чем меньше животное, тем меньше должна быть его еда. И тут возникает вопрос: что вообще может съесть жук размером с инфузорию? Когда ты такой маленький, сложно что бы то ни было откусывать и разгрызать (не говоря уж о хищничестве). Приходится поглощать воду с растворенными питательными веществами, например, с поверхности грибов. Но вода, хоть и не живая, тоже сопротивляется — с помощью поверхностного натяжения. Поэтому, даже чтобы просто выпить каплю воды, нужно обладать определенной силой и размером.

4. А как же мозг? Просто быть одноклеточной водорослью без нервной системы вообще или каким-нибудь паразитическим червем с несколькими сотнями нейронов. Но в теле наноосы — семь с половиной тысяч нейронов, а у наножука — все десять. Их тоже нужно где-то разместить. Правда, отростки нейронов можно делать все тоньше и тоньше, как нанопровода. Но тогда возникает проблема шумов, аналогичная проблеме засветки зрительных клеток. Импульс передается по отростку нейрона в виде ионов — заряженных частиц, которые двигаются сквозь мембрану клетки. Чем тоньше отросток, тем больше их лежит рядом, выше шанс, что ионы промахнутся и уйдут в другой отросток. А если сигнал все время скачет с провода на провод, то будет непросто скоординировать движения целого тела. Кроме отростка у нейрона есть еще тело с ядром внутри. У наножука ядро занимает 90% объема нейрона. И меньше, казалось бы, уже некуда, ведь внутри ядра ценная ДНК. И даже здесь есть одно НО.

Нейроны для Дюймовочки

Нанонасекомые изо всех сил старались упростить свой мозг, не теряя при этом способности к сложному поведению. Исчезли лишние нейроны, истончились отростки, но клетки все еще оставались полноценными. Наконец, количество перешло в качество. У микроскопической паразитической осы из нейронов исчезают ядра! Происходит это где-то на выходе из стадии куколки. У куколки ядра еще на месте, а у взрослой осы на 7400 нейронов приходится всего около 350 ядер. Это уникальная идея, которая до сих пор не приходила в голову (в буквальном смысле слова) никаким из известных нам живым существам. И можно понять почему: теряя ядро, клетка теряет возможность не только делиться, но также строить новые белки (так как информация о них вся находится в ДНК), регулировать свою работу и устанавливать новые связи (что особенно важно для нейронов). Отдельные культуры безъядерных нейронов можно получать в лаборатории, и они даже выполняют часть своих функций, но в живом организме этого раньше никто никогда не видел.

Как нанооса решает проблему отсутствия ядер в нейронах? Судя по всему, никак. Возможно, это связано с тем, что срок жизни взрослой осы составляет всего пять дней. Можно себе представить, что за время куколки нейроны успевают накопить достаточно белков, чтобы пять дней на них продержаться. И в целом жизнь осы выглядит следующим образом: пока она ребенок, она растет и мозг ее развивается. Потом мозг постепенно «твердеет и матереет», и, когда оса вступает во взрослую жизнь, ее «умственных способностей» хватает лишь на поиск еды и места для размножения. Пять дней для реализации основного инстинкта — на большее безъядерный мозг не способен.

***

Чем пристальнее мы смотрим на нанонасекомых, тем отчетливее понимаем, что не так уж и много нужно животному для полноценной жизни. При этом речь идет не только об упрощении структур, но зачастую и о качественно новых минималистичных решениях. Мы уже немало продвинулись в создании искусственной клетки, и однажды дело дойдет до насекомых. Тогда-то мы и посоревнуемся в минимализме с наноневидимками.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Доказательство от противного

Почему обнаружение галактики без темной материи доказывает существование темной материи

Группа американских астрономов обнаружила галактику, в которой, по всей видимости, практически нет темной материи. Это открытие смело можно назвать сенсационным: во-первых, ничего подобного раньше обнаружить не удавалось, а во-вторых, замеченная «пропажа» темной материи может оказаться очень толстым гвоздем в крышку гроба теорий, гласящих, что никакой темной материи нет.
Добавить в закладки
Комментарии

Вопрос о том, что же такое темная материя, относится к числу фундаментальных проблем современной физики. Ни один из специально построенных детекторов пока не зарегистрировал частицы темной материи, однако астрономы наблюдают некую скрытую массу внутри галактик. Эта невидимая масса не может быть ни межзвездной пылью, ни одинокими планетами или астероидами, ни даже нейтрино, частицами, которые едва взаимодействуют с веществом. Темная материя, согласно наиболее распространенной точке зрения среди физиков, состоит из каких-то еще неизвестных элементарных частиц. При этом есть и не слишком популярные альтернативные гипотезы — вплоть до предположения о том, что никакой невидимой массы на самом деле нет, но закон всемирного тяготения в привычном нам виде попросту неверен.

Темную материю выявляют несколькими независимыми способами, и один из них заключается в измерении скорости движения звезд внутри галактик. Согласно классической небесной механике, звезды вдали от центра галактики должны двигаться медленнее, чем расположенные на меньших расстояниях, однако на практике это правило не выполняется. Парадокс, известный как «кривая вращения галактик», был впервые зафиксирован еще в 1930-е годы, а на рубеже 1960-х и 1970-х годов проведенные астрофизиком Верой Рубин точные измерения не оставили места сомнениям: внутри галактик должна быть еще какая-то масса, образующая невидимое облако или галактическое гало.

Данные, представленные Верой Рубин в 1980 году на страницах Astrophysical Journal. Скорость звезд должна была бы снижаться по мере удаления от ядра галактик, однако вместо этого она остается более-менее постоянной. Иллюстрация: Kot Da Vinchi / Wikimedia
Данные, представленные Верой Рубин в 1980 году на страницах Astrophysical Journal. Скорость звезд должна была бы снижаться по мере удаления от ядра галактик, однако вместо этого она остается более-менее постоянной. Иллюстрация: Kot Da Vinchi / Wikimedia

[ ... ]
Читать полностью

Что выбрать: рыбу или таблетки?

Что такое омега-3-полиненасыщенные жирные кислоты и из каких источников их лучше получать. Объясняет доказательный диетолог

Добавки с омега-3 жирными кислотами — популярные препараты, которые обычно принимают самостоятельно, надеясь улучшить здоровье. Как эти вещества работают в организме и из каких источников их лучше получать?
Добавить в закладки
Комментарии

Эти незаменимые жиры

Жиры, которые мы получаем с едой, в основном относятся к триглицеридам: просто к молекуле глицерина присоединяются три остатка жирных кислот. Все слышали о насыщенных и ненасыщенных жирах. Разница между ними заключается в химическом строении. К углеродной цепочке, которая составляет структуру жирных кислот, в некоторых местах не присоединяется водород, и в них создается двойная углерод-углеродная связь. Она и называется ненасыщенной. Одна такая связь — мононенасыщенная жирная кислота, две — омега-6-полиненасыщенная, три и больше — омега-3-полиненасыщенная. От насыщенности зависят в том числе и физические свойства жиров — они могут быть жидкими или твердыми (а при комнатной температуре — пластичными).

Модель молекулы линолевой кислоты, омега-6-ненасыщенной жирной кислоты. Первая углерод-углеродная связь образовалась на 6-й молекуле со стороны омега-атома (справа), вторая на 9-й.
Модель молекулы линолевой кислоты, омега-6-ненасыщенной жирной кислоты. Первая углерод-углеродная связь образовалась на 6-й молекуле со стороны омега-атома (справа), вторая на 9-й.

Практически все жирные кислоты человеческий организм может синтезировать самостоятельно. Исключения — незаменимые линолевая и альфа-линоленовая полиненасыщенные жирные кислоты, которые должны поступать с едой. Линолевая кислота — предшественница целого класса омега-6 жирных кислот (основной ее источник — растительные масла). Альфа-линоленовая кислота (АЛК) является родоначальницей омега-3 жирных кислот. Наиболее важные представители этой группы — эйкозапентаеновая кислота (ЭПК) и докозагексаеновая кислота (ДГК). К сожалению, клетки печени самостоятельно могут производить длинноцепочечную ЭПК (а потом ДГК, которая еще длиннее) из короткой линоленовой кислоты в небольших количествах и довольно медленно. [ ... ]

Читать полностью

«Бюрократические расы не существуют, но научные-то расы никуда не делись»

Интервью с Олегом Балановским о том, имеет ли понятие расы какое-либо научное содержание

21 марта — Международный день борьбы с расовой дискриминацией. «Чердак» решил выяснить, имеет ли сегодня само понятие расы какое-либо научное содержание, и с этой целью побеседовал с Олегом Балановским, доктором биологических наук, руководителем лаборатории геномной географии Института общей генетики РАН, главным научным сотрудником лаборатории популяционной генетики человека Медико-генетического научного центра и автором более трехсот публикаций на тему популяционной генетики.
Добавить в закладки
Комментарии

— Существует ли сейчас в науке понятие расы? И если да, то в чем его суть?

— "Раса" — это понятие, которое более столетия назад выделили физические антропологи. Они изучали представителей разных народов, описывали их тела и лица с помощью разных формальных показателей и обнаружили, что человечество явно делится на крупные группы с постепенными переходами между ними. Причем это не только такие известные показатели, как, скажем, различные параметры черепа, но также тип ушной серы (она бывает сухой или влажной), который позволяет разделить монголоидов и европеоидов даже увереннее, чем наличие «монгольской» складки века. Цвет кожи тоже относится к числу таких признаков, совокупность которых позволяет говорить о расах, но при этом важно понимать, что раса — это не про конкретного человека, а только про большую группу людей.

[Справка: антропология — это наука о человеке. Выделяют физическую и культурную антропологию: первая изучает анатомические и физиологические особенности, вторая делает акцент на социально-культурных феноменах.]

Олег Балановский. Фото из личного архива

Олег Балановский. Фото из личного архива

[ ... ]
Читать полностью