Радуга яркострекочущих крыл

В августе в Новосибирске прошел XV съезд Русского энтомологического общества, одного из старейших научных обществ России (основано в 1859 году). Съезды Русского энтомологического общества организуются раз в пять лет. И впервые съезд проходит к востоку от Уральских гор. На заседаниях съезда в этом году были представлены доклады ведущих ученых из Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Екатеринбурга, Томска, Владивостока, Магадана, а также специалистов из 14 зарубежных стран (в том числе США, Великобритании, Дании, Израиля, Китая, Ирана, Монголии, Мексики). Ученые делали доклады на темы, интересующие не только узких специалистов-энтомологов.

Насекомые — без сомнения, самые успешные животные Земли. Особенно если судить по их численности и таксономическому разнообразию. По последним данным, на нашей планете обитает более миллиона видов насекомых (это 2/3 от всего таксономического разнообразия животных). Александр Расницын, докт. биол. наук, зав. лабораторией артропод (членистоногих) Палеонтологического института им. Борисяка РАН, в своем пленарном докладе попытался разобраться в причинах столь впечатляющего успеха.

Большого видового разнообразия достигли лишь крылатые насекомые. Первично бескрылым похвастаться особо нечем: всего чуть больше тысячи видов, что сравнимо с видовым разнообразием мокриц. «Всё дело в крыльях!» — уверенно заявляет докладчик. Насекомые были первыми животными, успешно освоившими воздушную стихию. «Они и сейчас, по сути, остаются вне конкуренции, — поясняет Александр Расницын. — Насекомые попали в очень удачное „размерное окно“: меньшие размеры превращают полет в плавание, с совершенно иными скоростными характеристиками и иными энергозатратами. При больших размерах (ниша, которую сильно позже заняли позвоночные) машущий полет быстро (от веса 10 кг) становится неэффективным и заменяется на парение, игру с восходящими потоками».

Обретение полета дало насекомым не только большие преимущества, но и создало проблемы. Крылатые и бескрылые стадии живут в совершенно разных условиях, а значит, должны иметь разный набор адаптаций. Проблема в том, что перестройка (метаморфоз) — процесс очень энергозатратный. Эволюционно это противоречие решалось разными путями и с разной степенью эффективности.

Наибольшего успеха (максимального разнообразия видов) достигли четыре отряда-супергиганта: жуки (известно около 392,5 тыс. видов), бабочки (более 158,5 тыс. видов), двукрылые, в том числе мухи и комары (около 160,5 тыс.), и перепончатокрылые (155,5 тыс.) — это всё насекомые с полным превращением. Им лишь немногим уступают полужесткокрылые (чуть более 104 тыс.) и прямокрылые (около 25 тыс.) — насекомые с неполным превращением.

Таким образом, самыми успешными оказались насекомые, которые сначала создают личинку, максимально приспособленную к специфическим условиям, затем проходят стадию метаморфоза, когда тело перестраивается полностью, личиночные адаптации отбрасываются и строится новое тело, приспособленное к новым условиям, новой среде обитания. Все четыре группы-супергиганта пошли по этому пути бескомпромиссно. Но, пожалуй, наиболее радикально — двукрылые, животные с фантастическими способностями полета на стадии имаго и способностью жить на стадии личинки фактически в любой среде, включая нефть.

Эволюционный успех бабочек объясняется не только успехом развития фитофагии (травоядности) у личиночной стадии, но и строением чешуйчатого покрова у имаго. Этот покров обеспечивает и быструю реакцию, и камуфляж, и защиту от паутины (бабочки теряют лишь насколько чешуек, прилипнув к паутине), и терморегуляцию.

Жуки пошли по другому пути: сделав ставку на защищенность, несколько потеряли (на фоне других групп) в летных способностях. Имаго у жуков зачастую живет в той же среде, что и личинки, и они часто бывают похожи даже внешне. Эта группа постаралась «сэкономить» на метаморфозе.

Еще один путь выбрали перепончатокрылые. Они тоже сделали ставку на экономию, но выбрали очень не обычный путь. Их личинка очень похожа на эмбрион.

Правда, для этого им пришлось стать паразитами. «И здесь наблюдается прямая аналогия с млекопитающими, — уверен докладчик. — У млекопитающих, правда, молодежь паразитирует на собственной матери, но тоже паразитирует». Паразитизм такого типа — очень сложная адаптация. И именно поэтому, по мнению Александра Расницына, перепончатокрылым пришлось стать почти такими же «умными», как млекопитающие. Некоторые наездники фактически отказались от стадии метаморфоза.

Профессор РАН из МГУ им. М. В. Ломоносова Алексей Полилов изучает не просто насекомых, а самых миниатюрных из них — жуков перокрылок (перистокрылок) и перепончатокрылых мимарид, размер которых составляет доли миллиметра (самец наездника мимарид Dicopomorpha echmepterygis и вовсе всего 0,139 мм в длину, т. е. меньше одноклеточной инфузории). Энтомологи МГУ пытаются разобраться, как в процессе миниатюризации изменяются размеры и функции разных систем организма. Как мы знаем из работ про миниатюризацию беспозвоночных, у большинства организмов при сильном уменьшении размеров эволюция идет по пути редукции разных органов и функций.

Большинство личинок мимарид действительно пошли по этому пути: они лишены движения, зрения, обоняния. Отдельные взрослые насекомые тоже демонстрируютзначительные упрощения, например,уже упомянутый самец D. echmepterygis живет без питания, полета и зрения. Но как ни странно, это скорее исключение, чем правило. Большинство этих весьма и весьма небольших по размеру насекомых даже летает, успешно справляясь со значительной относительной вязкостью воздуха. Для них решением стала птилоптеригия — замена крыла на веер из щетинок, по строению чем-то похожих на перья у птиц.

При уменьшении размеров капиллярные силы делают невозможной эффективную циркуляцию гемолимфы по телу насекомого, поэтому у перистокрылок сердце отсутствует, а у мимарид — редуцировано. Гемолимфа вытеснена жировым телом. Отсутствие транспортной системы компенсируется высокой эффективностью диффузии при столь мелких размерах.

По словам Алексея Полилова, «большинство систем органов насекомых демонстрирует колоссальные возможности к масштабированию, сохраняя неизменные пропорции при многократных изменениях размеров тела. Системы органов сохраняют организацию, а некоторые — даже неизменный относительный объем, несмотря на многократные уменьшения размеров».

Метаболические системы, ткани внутренней среды и трахейная система уменьшаются пропорционально уменьшению размеров тела. А вот относительный объем половой и нервной систем, наоборот, многократно увеличивается.

До недавнего времени считалось, что одним из ограничений миниатюризации может быть размер ядра в нейронах. Ведь эффективность нервной системы определяется количеством клеток и числом контактов между ними, поэтому уменьшить ее размер пропорционально размеру тела очень сложно. Даже у самых маленьких насекомых, размером с амебу, в мозге больше 4 тыс. клеток. Как удалось обнаружить профессору Полилову, у крошечных насекомых вполне успешно функционируют безъядерные нейроны.

Зав. лабораторией биофармакологии и иммунологии насекомых СПбГУ, чл.-корр. РАН, докт. биол. наук Сергей Черныш посвятил свой пленарный доклад лекарствам нового типа — теме, казалось бы, никакого отношения не имеющей к энтомологии.

«Покинув море примерно 400 млн лет назад, насекомые добились удивительных успехов в освоении суши и стали самой многочисленной группой живых организмов. Их иммунная система во многом отличается от нашей, но от этого не менее эффективна, — пояснил докладчик. — Они быстро распознают микробные клетки с помощью рецепторных молекул и синтезируют в ответ защитные пептиды. Так что эти создания представляют собой неистощимый источник лекарственных веществ будущего. Надо только научиться им пользоваться».

До изобретения антибиотиков насекомые играли немаловажную роль в медицине. Даже во время Второй мировой еще использовали личинки мух-каллифорид для очистки гнойных ран. Но в целом после изобретения антибиотиков официальная медицина к насекомым несколько охладела. Казалось, что с бактериальными инфекциями покончено. Но именно антибиотики, а точнее резистентность к ним бактерий, заставили ученых и медиков вновь обратить внимание на насекомых.

Лаборатория, которую возглавляет Сергей Иванович, изучила иммунную систему более 200 видов. Но особое внимание энтомологи уделили личинкам синей мясной мухи Calliphora vicina (опарышам). «Синантропные виды (экологически связанные с поселениями человека) имеют непосредственный контакт с микрофлорой человека: у них и у нас общий бактериальный враг. Кроме того, сапрофаги живут в среде, максимально насыщенной всякого рода микрофлорой: трупы, экскременты, раны. Словом, это всё условия, где бактерии представляют угрозу жизни, в том числе и личинкам двукрылых. А значит, у последних возникла мощная иммунная защита», — поясняет выбор объекта Сергей Черныш.

Мы привыкли бороться с инфекционными заболеваниями монотерапией: одна бактерия — один антибиотик. Насекомые используют не одно вещество, а целый комплекс сразу. Личинки опарыша синтезируют четыре группы соединений (дефензины, цекропины, диптерицины и пролинбогатые пептиды) в течение нескольких часов после контакта с бактериями. Вся эта смесь накапливается в гемолимфе, формируя единый комплекс. Причем его свойства не сводятся к характеристикам отдельных составляющих. Поражает и отсутствие устойчивости к комплексу у бактерий: «Сколько бы мы ни воздействовали пептидным комплексом на бактерию, например на кишечную палочку или родственные ей энтеробактерии, изменения устойчивости к нему не происходит. Если микроорганизмы были чувствительны к препарату на определенном уровне, то эта восприимчивость и сохраняется, независимо от количества поколений. Мы тестировали на 250 поколениях — это солидный отрезок в эволюционно-историческом плане», — удивил слушателей Сергей Иванович. Не менее важную для экономики тему поднял следующий докладчик. Академик РАН, директор Всероссийского НИИ защиты растений Владимир Павлюшин рассказал собравшимся о насекомых-вредителях и борьбе с ними. По его данным, Россия сегодня из-за проблем с фитосанитарной безопасностью теряет урожая примерно на 200 млн руб. Конечно, не вся вина в этом вопросе лежит на насекомых. Например, около 30% урожая во время хранения мы теряем из-за фитопатогенных грибов.

В последние годы фиксируется изменение доминантных видов насекомых-вредителей. Еще лет двадцать назад в Краснодарском крае не имела никакого значения японская виноградная цикадка, а сегодня это один из наиболее опасных для виноградной лозы видов. Самшитовая огнёвка буквально за пару лет почти полностью уничтожила посадки самшита на черноморском побережье и угрожает реликтовым лесам. Параллельно с этим зафиксированы изменения в цикличности расширения ареалов распространения насекомых доминантных видов.

С причинами вспышек численности в каждом конкретном случае ученым приходится разбираться индивидуально. Например, хлопковая совка — широкий полифаг. Еще совсем недавно описывалась как вид, угрожающий посадкам хлопчатника и табака. Но за последние 20–30 лет она стала серьезной проблемой и для других культур, в том числе для кукурузы, томата, нута, люцерны. В лаборатории сельхозяйственной энтомологии выяснили, что одна из причин в том, что хлопковая совка успешно зимует и хорошо размножается на заброшенных территориях. Согласно статистике, в нашей стране таких территорий 20 млн га.

У саранчовых пропала цикличность вспышек роста популяции. Еще несколько десятков лет назад четко прослеживалось массовое размножение раз в 8–10 лет. Сейчас у тех же видов фиксируются вспышки раз в год, два, три. Докладчик связывает это с несоблюдением норм землепользования, упрощением подхода к защитным мероприятиям, использование, может, менее эффективных, но более дешевых методов борьбы. «Наиболее эффективно применение препаратов против личинок первого и второго возрастов и в местах резервации. В остальных случаях мы получаем минимальный результат, бесполезную трату средств и препарата и загрязнение окружающей среды».

В общей сложности в работе съезда приняло участие около 700 специалистов и любителей энтомологии. Съезд включал 12 секций: по общей энтомологии, физиологии насекомых, экологии и биохимии членистоногих, кровососущим насекомым, лесной и сельскохозяйственной энтомологии, молекулярной систематике и генетике членистоногих, палеонтологии, систематике и филогении насекомых. В рамках научного форума прошла школа молодых ученых «Экология и паразитология насекомых».

Организаторами съезда 2017 года выступили Русское энтомологическое общество, Новосибирский государственный университет, Российская академия наук, Институт систематики и экологии животных СО РАН, Зоологический музей РАН, Министерство образования, науки и инновационной политики Новосибирской области.

Юлия Черная, научный журналист
Изображения предоставлены А. Полиловым