Юный техник, 2014 № 06

ПРЕМИИ Секреты микронасекомых

Алексей Алексеевич Полилов — один из мировых лидеров в довольно необычной области науки, он изучает микроскопических насекомых. Почему так получилось? «А вы посмотрите на них под микроскопом, — отвечает он. — Они устроены не менее сложно, чем большие насекомые, хотя и очень маленькие».

Крошечные насекомые, чей размер порой даже меньше, чем размер некоторых простейших амеб, послужили основой для огромного по объему исследования, в ходе которого А. А. Полилов опубликовал более 50 работ.

Ранее о таких насекомых было почти ничего не известно, поэтому исследователю пришлось начинать с самых азов. Им были разработаны способы поиска и сбора насекомых, методики исследования, как наружного, так и внутреннего строения с помощью оптического и электронного микроскопов, а также трехмерного компьютерного моделирования. Заодно в ходе обработки морфологического материала открыты и описаны 3 новых рода, 12 новых видов микронасекомых.

Причина, по которой до сих пор микроскопические насекомые не были изучены, — трудность их препарирования. Дело требует большого терпения и соответствующих навыков. Еще одна проблема — некоторых насекомых трудно обнаружить в природе. Представителей рода Megaphragma, которые теперь поселились на лабораторных растениях, Алексей Полилов искал в Португалии несколько лет, пока не понял, в какое время года их нужно искать.

«Смысл в том, что этих насекомых надо ловить зимой, а не летом, как все думали, — говорит Алексей Полилов. — Сейчас я уже точно знаю, где они живут, приезжаю и за 2 часа набираю сотни и даже тысячи экземпляров».

В ходе исследований А. А. Полилов выделил определенные черты, свойственные миниатюрным насекомым, среди которых, с одной стороны, общая схожесть их строения со строением более крупных особей, а с другой — ряд уникальных особенностей, обусловленных миниатюризацией. В частности, они включают в себя особое строение кровеносной и дыхательной систем.

Помимо этого выяснено также, что размеры внутренних органов при уменьшении размеров организма меняются непропорционально (например, половая и нервная системы гораздо больше относительно размеров тела у миниатюрных насекомых, чем у крупных видов).

В довершение были выделены ступени миниатюризации и впервые сформулированы гипотезы о факторах, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров тела. В частности, одно из ограничений связано с числом Рейнольдса; то есть, говоря попросту, сверхмалым насекомых становится трудно летать. Но главное — дальнейшему уменьшению препятствуют минимально допустимые размеры нервной системы и органов чувств. Меньше, чем у этих насекомых, они быть уже не могут.

Это открытие важно не только для энтомологии. По сути, А. Полилов занимается одной из ключевых проблем науки — эволюцией жизни. Почему она приобретает те или иные формы, дает «добро» одним видам и отсекает другие? Как известно, каждый вид животных выбирает свой путь эволюции. К примеру, позвоночные в основном увеличивались в размерах, а насекомые пошли в противоположную сторону — миниатюризации. И получили ряд преимуществ. Так, им требуется меньше энергии и пищи. Чем насекомое миниатюрнее, тем легче ему прятаться от врагов. А еще у них чаще смена поколений и, при необходимости, быстрый прирост популяции.

Наиболее совершенную «конструкцию» среди микронасекомых имеют микроскопические осы Megaphragma, которых как раз изучает А. А. Полилов. «Мы обнаружили неожиданный факт: нейроны взрослых ос практически лишены ядер, — говорит ученый. — Это феномен. Ведь в природе нет живых существ, у которых нервная система не имеет ядер. Установлено также, что для обеспечения жизнедеятельности насекомому достаточно нервной системы всего лишь из 7 400 таких безъядерных нейронов»…

Почему природа пошла на такой эксперимент? По мнению Полилова, все дело опять же в миниатюризации. У куколки этой осы нейроны, как и положено, оснащены ядрами, но из-за этого нервная система получается аномально большой. Она занимает около 17 процентов объема тела и поглощает много энергии. Природа нашла неожиданный выход. Она убрала ядра из нейронов, сжав нервную систему до предела. В итоге оса стала размером с одноклеточную амебу. Но вот что самое поразительное. По сути, лишившись нервной системы, оса ничуть не потеряла в интеллекте. Она летает, находит себе добычу, размножается.

«Сейчас мы пытаемся разобраться с памятью осы, — говорит ученый. — Считается, что она связана с белковым синтезом, который невозможен без ядер в нейронах. Так вот, пока не ясно, что и как вообще может помнить такая оса. Но она явно помнит многое».

Еще лет двадцать тому назад «исследования строения мельчайших насекомых и пределов миниатюризации животных» (именно так звучит название этого исследования), скорее всего, заинтересовали бы лишь небольшое число энтомологов. Но в наше время полученные А. А. Полиловым результаты открывают новые возможности для целого ряда биотехнологических и биоинформационных направлений, среди которых микроробототехника, нанооптика, моделирование нейронных сетей, геномика.

Доцент МГУ им. М. В. Ломоносова Алексеи Полилов.

Микроскопическая оса вида Dicopomorpha echmepterygis, длина которой составляет всего 130 мкм.

Трансформация головной капсулы в головном мозге при переходе от куколки (А) к взрослому насекомому — имаго (В).

На фрагментах затылочной кутикулы куколки (С), полдней куколки (D) и имаго (Е), а также на срезах кутикулярных складок затылочной области у куколки (F) и имаго (G) видно, что у куколки присутствуют отдельные выпячивания, а у имаго складки спиралевидно закручены.

Изображения А-Е получены методом сканирующей, a F, G — просвечивающей электронной микроскопии.

ПО ПАТЕНТУ ПЧЕЛЫ

Берлинские исследователи из Свободного университета создали мини-машину, способную для навигации в пространстве имитировать работу сенсорно-двигательной системы пчелы. По внешнему виду это как бы игрушечная танкетка на гусеницах. На самом деле это робот, способный реагировать на поступающую извне информацию, менять маршрут своего движения, останавливаться и выполнять многие другие действия.

В основу «искусственного разума» положена модель нервной системы пчелы. Компьютерная программа в упрощенном виде воспроизводит функционирование сенсорно-двигательной сети насекомого и по мере необходимости отдает команды системе управления компактным гусеничным роботом DFRobotShop Rover V2.

Робот DFRobotShop Rover V2.

Кстати, эта машина базируется на вычислительной платформе Arduino, знакомой читателям «ЮТ» и приложения «Левша». Как мы уже рассказывали, Arduino представляет собой электронный «конструктор» для новичков и профессионалов робототехники. Основные компоненты платформы — плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring.

«Глазами» роботу служит миниатюрная камера, установленная на борту DFRobotShop Rover V2. Сигнал с нее поступает в искусственную нервную сеть, которая после обработки подает управляющие сигналы на электромоторы и тем самым контролирует направление и скорость движения робота.

Особенностью же робота является то, что он может самообучаться, сопоставляя определенные события с правилами поведения, записанными в программе. Подобно тому, как пчела ассоциирует те или иные цвета растений со вкусом нектара, машина учится приближаться к объектам одного цвета и игнорировать объекты другого.

Во время экспериментов исследователи размещали робота в центре небольшой арены. На ее стенах располагали объекты красного и синего цвета. Как только камера машины фокусировалась на метке определенного цвета — скажем, красного, — ученые активировали яркую вспышку. Это событие вырабатывало в нервной сети своего рода искусственный рефлекс.

В итоге, когда машина в очередной раз фиксировала объект красного цвета, она незамедлительно направлялась в его сторону. Попавшие в поле зрения объектива синие метки, напротив, заставляли робота перемещаться в обратном направлении. Причем робот способен выполнять задачу по поиску объекта нужного цвета и перемещению к нему за считаные секунды.