Спасибо, что вы с нами!

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

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.

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

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