На правах рукописи Макарова Анастасия Алексеевна 03.02.05― энтомология
advertisement
На правах рукописи Макарова Анастасия Алексеевна ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ НАСЕКОМЫХ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ МИНИАТЮРИЗАЦИЕЙ 03.02.05― энтомология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва 2013 Работа выполнена на кафедре энтомологии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Научный руководитель: кандидат биологических наук Полилов Алексей Алексеевич, Официальные оппоненты: доктор биологических наук Федоренко Дмитрий Николаевич, ФГБУН Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН кандидат биологических наук Федорова Марина Вадимовна, ФГУН ЦНИИ эпидемиологии Роспотребнадзора Ведущая организация: ФГБУН Зоологический институт РАН Защита состоится 9 декабря 2013 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.20 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, по адресу: 119991 Москва, Ленинские горы, д.1/12, МГУ, биологический факультет, ауд. М – 1. Факс: 8(495)939-43-09, e-mail: ira-soldatova@mail.ru С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Московского государственного Университета имени М.В.Ломоносова. Автореферат разослан 8 ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук И.Б. Солдатова 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования Миниатюризация ― одно из основных направлений эволюции насекомых. В критических случаях миниатюризации насекомые становятся сравнимы по размеру с одноклеточными организмами. Предельно малый размер тела ― важная характеристика насекомых и животных в целом, которая определяет морфологию, физиологию и биологию вида. С уменьшением размеров тела насекомого наблюдается трансформация всех систем органов, в том числе и нервной системы. Особенности морфологии связанные с критическим уменьшением размера тела описаны для многих групп животных (Догель, 1954; Hanken, 1983, 1985; Шмидт-Ниельсен, 1987; Hanken, Wake, 1993; Roth et al., 1988, 1990, 1994, 1995, 1997; Alexander, 1996; Kaas, 2000; Yeh, 2002; Rundell, Leander, 2010; Eberhard, 2011; Eberhard, Wcislo, 2011; Quesada et al, 2011 и др.) и в том числе для насекомых (Rench, 1948; Beutel, Haas, 1998; Buschbeck et al., 1999; Grebennikov, Beutel, 2002; Beutel et al., 2005; Полилов, 2005, 2007, 2008; Grebennikov, 2008; Polilov, Beutel, 2009, 2010; Seid et al., 2011; Fischer et al., 2011; Polilov, 2012). Влияние миниатюризации на строение нервной системы представляет особый интерес, поскольку это самая сложно организованная система организма. Однако, именно эта система наименее изучена у мельчайших насекомых. Имеются лишь отрывочные данные о строении ЦНС отдельных представителей семейств Ptiliidae и Corylophidae (Coleoptera), Mymaridae и Trichogrammatidae (Hymenoptera). В результате миниатюризации нервная система претерпевает сильнейшие модификации: олигомеризация и концентрация ганглиев, деформация и смещение непомерно большого мозга в грудной отдел (Polilov, Beutel, 2010) или даже в коксальную зону конечностей (Quesada et al., 2011), сокращение размеров и количества нейронов, а в частном случае даже полного лизиса тел нейронов корковой зоны мозга (Polilov, 2012). Ультраструктура ЦНС мельчайших насекомых не изучена и представляет большой интерес для нейробиологии и общей биологии, поскольку, несмотря на предельно малые размеры и перестройки нервной системы мельчайшие насекомые сохраняют все функции нервной системы и сложные формы поведения. Сравнительное изучение строения и ультраструктуры ЦНС насекомых с полным и неполным превращением и разной экологической специализацией позволит выделить факторы, определяющие независимое проявление миниатюризации в разных группах и существенно расширить представления о факторах лимитирующих минимальные размеры тела животных. Цель работы: изучить особенности строения и ультраструктуры центральной нервной системы мельчайших насекомых, связанные с миниатюризацией. В рамках поставленной цели были определены следующие задачи: 1. Изучить особенности строения и ультраструктуры ЦНС мельчайших жесткокрылых: Acrotrichis grandicollis, Mikado sp. и Nanosella sp. (Coleoptera: Ptiliidae) и Sericoderus lateralis (Corylophidae). 2. Изучить особенности строения и ультраструктуры ЦНС мельчайших перепончатокрылых: Anaphes flavipes (Hymenoptera: Mymaridae) и Trichogramma evanescens (Trichogrammatidae). 3. Изучить особенности строения и ультраструктуры ЦНС мелких насекомых с неполным превращением, на примере Liposcelis sp. (Psocoptera: Liposcelididae) и Heliothrips haemorrhoidalis (Thysanoptera: Thripidae). 4. Для проведения сравнительно-морфологического анализа изучить строение мозга крупных представителей родственных групп и наиболее примитивных представителей отряда. 5. Выделить структурные и ультраструктурные особенности строения мозга мельчайших насекомых в связи с миниатюризацией. 6. Провести анализ особенностей строения мозга мельчайших насекомых с полным и неполным превращением. 3 7. Провести анализ особенностей строения и ультраструктуры мозга мельчайших насекомых на разных стадиях постэмбрионального развития. Научная новизна Впервые проведено детальное сравнительно-морфологическое изучение ЦНС мельчайших насекомых из разных отрядов и с разным типом метаморфоза, выделены структурные особенности, связанные с миниатюризацией. Впервые детально исследовано строение и ультраструктурная организация ЦНС имаго и личинок Ptiliidae и Corylophidae с применением гистологических методов и трансмиссионного электронного микроскопа, выделены особенности строения. Впервые детально изучено строение и ультраструктура ЦНС Mymaridae и Trichogrammatidae с применением гистологических методов и трансмиссионного электронного микроскопа и выделены особенности строения. Впервые изучена структурная и ультраструктурная организация ЦНС и мозга имаго и личинок Liposcelididae и Thripidae с применением гистологических методов и трансмиссионного электронного микроскопа и описаны особенности строения. Проведен сравнительный анализ структурной организации мозга мельчайших насекомых с полным и неполным типом метаморфоза, выделены особенности строения ЦНС на разных стадиях постэмбрионального развития. Для 14-и видов из 12-и семейств построены трехмерные реконструкции мозга. Также построены трехмерные реконструкции мозга для личинок и нимф первого возраста насекомых с полным и неполным типом метаморфоза. Впервые проведен сравнительный анализ относительных объемов зон мозга мельчайших насекомых в сравнении с крупными представителями родственных групп насекомых. При использовании современных методов трехмерного моделирования разработана новая методика подсчета числа и размера клеток нервной системы. Впервые проведен масштабный анализ числа клеток в мозге насекомых. Выделены факторы, ограничивающие минимальные размеры ЦНС насекомых. Теоретическая и практическая ценность работы Изучение ЦНС мельчайших насекомых позволило существенно расширить представления о влиянии миниатюризации на строение нервной системы. Ультраструктура ЦНС мельчайших насекомых представляет большой интерес для нейробиологии, поскольку, несмотря на предельно малые размеры и перестройки нервной системы, мельчайшие насекомые сохранили все сложные формы поведения, характерные для крупных представителей родственных групп. Изучение строения мельчайших, но комплексных нервных систем, создаст предпосылки понимания не только особенностей и пределов их миниатюризации, но и некоторых общебиологических и физических процессов в микромире. Полученные сравнительные данные о строении нервной системы мельчайших жесткокрылых, перепончатокрылых, а также насекомых с неполным превращением позволят дать более точную характеристику влияния размеров тела на строение и ультраструктуру нервной системы в целом. Результаты работы являются значительным вкладом в решение фундаментальных вопросов современной биологии и бионики, связанных с влиянием размеров тела на строение и жизнедеятельность организмов. Разработана комплексная методика изучения нервной системы мелких организмов, ультраструктурной организации клеток и тканей с применением электронной микроскопии и инновационных методов трехмерного компьютерного моделирования, а также методика подсчета числа и размера клеток нервной системы, которая может быть применима для дальнейшего анализа количественного и качественного состава ЦНС. Разработанные комплексные подходы к изучению внутреннего строения насекомых могут широко использоваться в морфологических исследованиях. 4 Результаты исследования включены в курсы лекций по общей энтомологии и физиологии насекомых, читаемых на кафедре энтомологии Биологического факультета МГУ. Апробация работы Материалы работы представлены на международных конференциях: "Ломоносов" (Москва, 2010, 2011, 2012), "Фундаментальные проблемы энтомологии в XXI веке"(Санкт-Петербург, 2011), 2-м симпозиуме стран СНГ по перепончатокрылым насекомым (Санкт-Петербург, th 2010), 11-м Европейском энтомологическом конгрессе (XI European Congress of Entomology, Budapest, Hungary, 2010), 14-м Съезде Русского Энтомологического Общества (СанктПетербург, 2012). Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 работ, из которых 2 ― статьи в ведущих рецензируемых журналах, 8 ― материалы научных конференций. Структура и объем работы Работа состоит из введения, 4-х глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 194-x страницах, включает 66 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 248 названий, из них 216 на иностранных языках. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы 1.1. Краткая история изучения нервной системы насекомых Интерес к анатомии насекомых возник еще в эпоху Возрождения. Первые упоминания о строении нервной системы насекомых стали известны после работ итальянских морфологов-анатомистов (Malpighii, 1669; Swammerdam, 1675, 1738). С XIX века началось активное и независимое изучение анатомии нервной системы членистоногих, и насекомых в частности (F. Dujardin, 1850; H. Rabl-Rückhard, 1875; M.J. Dietl, 1876; E. Berger, 1878; J.F. Brandt, 1879; E.T. Newton, 1879; A.S. Packard, 1880; G. Bellonci, 1882; H. Viallanes, 1884, 1887; 1887,1888; J. Cuccati, 1888; F.C. Kenyon, 1896; B.T. Lowne, 1892 и др.). Труды по сравнительной анатомии нервной системы (Flögel, 1876, 1878 по Strausfeld, Seyfarth, 2008) стали базой для формирования номенклатуры структур мозга насекомых. В XX веке зарубежными (D. Bodian, S.R. Cajal, J.L. Campbell, H. Goossen, B. Hanstrom, G.A. Horridge, H. Jawłowski, O. Pflugfelder, M.E. Power, E.S. Reynolds, D.S Sanchez, N.J. Strausfeld, V.B. Wigglesworth и др.) и отечественными (Э.К. Брандт, А.А. Заварзин, С.И. Плотникова, А.А. Панов, В.А. Цвиленева и др.) исследователями, был внесен наибольший вклад в изучение структурной организации нервной системы насекомых. Внедрение новых методов вывело нейробиологию на новый уровень высокого разрешения и колоссальных возможностей. На сегодняшний день томография и трехмерные реконструкции открыли для понимания внутреннее строение и пространственную ориентации органов и тканей, сделав анатомию более наглядной (Haddad et al, 2004; Michaelis et al., 2004; Brandt et al. 2005; Kurylas et al., 2008; Ribi et al., 2008; Micheva et al., 2010; Jundi et al., 2010; Rybak et al, 2010; Ikeno et al, 2012; Long et al., 2012). Современная электрофизиология достигла уникальных возможностей регистрации функционирования отдельных нейронов (Zariffa et al., 2011; Hartbauer et al, 2012). Иммуногистохимия и конфокальная микроскопия дали возможность детально исследовать нейрогенез и усовершенствовали понимание эволюционной морфологии нервной системы (Awasaki et al, 2008; Ott, 2008; Long et al. 2009; Huetteroth et al., 2010; Chiang et al., 2011). Новой эрой в развитии исследований нервной системы стало генетическое маркирование индивидуальных клеток и экспрессия целевых генов, brainbow (Hampel et al, 2011; Qu et al., 2011; Peng et al. 2011; Jenett et al., 2012). Появление этих и 5 других новых методов, а также привлечение обширного материала способствует более глубокому пониманию всех тонкостей функциональной и эволюционной морфологии нервной системы и ультраструктуры мозга и отдельных его зон. В главе представлен обзор истории изучения нервной системы, а также рассмотрена основная литература по ЦНС крупных представителей родственных групп насекомых, с которыми будет проводиться сравнение полученных данных. 1.2. Номенклатура нервной системы История терминологии нервной системы насекомых берет свое начало с середины XIX века и первого детального описания мозга и грибовидных тел медоносной пчелы (Dujardin, 1850). Последующее изучение нервной системы и становление терминологии уходит корнями к трудам немецких исследователей-нейроморфологов (Rabl-Rückhard, 1875; Dietl, 1876; Berger, 1878; Flögel, 1878-1891; Brandt, 1879; Newton, 1879; Packard, 1880; Viallanes, 1883-1892; Cuccatti, 1888; Lowne, 1892; Kenyon, 1896 и др.). Отделы нервной системы насекомых и мозга, в частности, имеют собственную (иногда сходную с другими членистоногими) терминологию. В работе представлен подробный систематический список терминов ЦНС и мозга насекомых. 1.3. Влияние миниатюризации на строение нервной системы Особенности строения связанные с миниатюризацией описаны для многих групп животных (Догель, 1954; Hanken, 1983, 1985, 1993; Шмидт-Ниельсен, 1987; Hanken, Wake, 1993; Roth et al., 1988, 1990, 1994, 1995, 1997; Alexander, 1996; Kaas, 2000; Yeh, 2002; Quesada et al, 2011 и др.). Интерес к явлению миниатюризации возник в конце 40-х годов ХХ века (Rensch, 1948), а за последние несколько лет, сформировалось целое направление по изучению анатомических особенностей этого явления у насекомых (Beutel, Haas, 1998; Buschbeck et al., 1999; Grebennikov, Beutel, 2002; Beutel et al., 2005; Полилов, 2005, 2007, 2008; Grebennikov, 2008; Polilov, Beutel, 2009, 2010; Seid et al., 2011; Fischer et al., 2011; Polilov, 2012). Нервная система мельчайших насекомых изучена слабо, имеются лишь данные об общем плане строения. Для мельчайших жесткокрылых семейства Ptiliidae и Corylophidae дана общая характеристика положения головных ганглиев, описана олигомеризация ганглиев грудного и брюшного отделов (Полилов, 2005, 2008, Polilov, Beutel, 2009, 2010). Мельчайшие перепончатокрылые семейств Mymaridae и Trichogrammatidae менее изучены, существуют единичные, разрозненные данные о стадиях постэмбрионального развития и общем строении ЦНС, асимметрии нервной цепочки, образовании головных синганглиев (Иванова-Казас, 1961; Полилов, 2007) и явлении лизиса клеток нервной системы (Polilov, 2012). Общий план строения нервной системы Liposcelididae известен лишь по устаревшим данным на примере Liposcelis divinatorius (Noland, 1924). Общая характеристика строения нервной системы, и мозга в частности, представителей семейства Thripidae, дана без детального описания на примере Thrips physapus (Mickoleit, 1963), а также имагинальных и нимфальных стадий Hercinothrips femoralis (Moritz, 1988, 1989), Aptinothrips rufus, Limothrips cerealium (Sharga, 1933). Однако детального изучения строения мозга мельчайших насекомых не производилось. Ультраструктура ЦНС мельчайших насекомых не изучена совсем. Глава 2. Материалы и методы Исследованы 14 видов из 13-и семейств. Основным материалом для работы служили представители семейств, все виды которых относятся к микронасекомым: Ptiliidae, Corylophidae (Coleoptera), Mymaridae, Trichogrammatidae (Hymenoptera), Liposcelididae (Psocoptera) и Thripidae (Thysanoptera). Для сравнения изучено строение и ультраструктурная организация ЦНС и мозга крупных представителей родственных групп насекомых (Coleoptera: Staphylinidae, Coccinellidae; Hymenoptera: Eulophidae; Psocoptera: Psocidae ), а 6 также наиболее примитивных представителей отрядов (Coleoptera: Ommatidae; Hymenoptera: Xyelidae) и самых примитивных насекомых (Zygentoma: Lepismatidae). Изучение внутреннего строения насекомых проводилось на основе полутонких срезов. На микротоме были сделаны серии продольных и поперечных срезов толщиной 1-2 мкм для мелких насекомых и 5-10 мкм толщиной для крупных насекомых. Срезы окрашивали гистологическими красителями (азур-эозин, толуидин) в комплексе с импрегнацией серебром по методу Скотта (Scott, 1979). Трехмерная реконструкция мозга и отдельных зон по сериям срезов проводилась с использованием программ Visage Amira, Bitplane Imaris и Autodesk Maya. Изучение ультраструктурных особенностей ЦНС осуществлялось с использованием трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ). Анализ объема ЦНС, мозга, отдельных зон мозга, размера и числа нейронов проводили на основе данных об абсолютных объемах, полученных в статистическом модуле Bitplane Imaris. Подсчет числа нейронов осуществляли с использованием программы Reconstruct. Глава 3. Результаты 3.1. Строение и ультраструктура ЦНС и мозга 3.1.1. Holometabola 3.1.1.1.Coleoptera 3.1.1.1.1. Ptiliidae Acrotrichis grandicollis. Длина тела имаго около 0.9 мм. ЦНС A. grandicollis, несмотря на значительную степень олигомеризации и концентрации ганглиев, более всего соответствует общему плану строения для насекомых. Мозг располагается в задней части головы и занимает весь, свободный от мускулатуры ротового аппарата, объем, полностью примыкая к стенкам головной капсулы. Окологлоточные коннективы входят в общую нейропилярную массу, и трудно различимы. Межганглионарные коннективы сохраняют двойную структуру. Зона оптических нейропилей выдается за пределы общей массы мозга. Задние протоцеребральные доли смещены в переднегрудной отдел. Значительная часть подглоточного ганглия смещена в переднегрудь и слита с переднегрудным ганглием. Среднегрудной ганглий обособлен. Заднегрудной ганглий слит с абдоминальным синганглием. Стоматогастрическая нервная система характеризуется слиянием затылочного ганглия и мозговых желез. Система мозговых оболочек представлена экстранейральной оболочкой, состоящей из клеток жирового тела и ганглионарной оболочкой. Последняя состоит из неклеточной нейрилеммы толщиной от 0.3 до 0.6 мкм и плоскоклеточного перинейриума толщиной от 0.4 до 1 мкм. Для клеток нервной системы характерна: лопастевидная форма ядер, сильное сокращение объема цитоплазмы, высокая степень компактизации хроматина. Общий план строения мозга соответствует плану строения мозга крупных насекомых. Мозг сохраняет все структурные зоны нейропиля. Комплекс центрального тела имеет сложное модульное строение. Грибовидные тела примитивного типа, вторично упрощены. Чашечковая область одиночная, окружена кольцом крупных гломерулярных структур. Оптические ганглии представлены тремя пластинками, отмечено наличие лобулярного комплекса. Антеннальные доли имеют выраженное гломерулярное строение. Размер клеток нервной системы составляет 2.52-5.68 мкм (М=3.36; n=775), число клеток в мозге ― 26 000. Nanosella sp. Длина тела имаго около 0.35 мм. ЦНС по строению сходна с описанной выше для A. grandicollis. В отличие от A. grandicollis у Nanosella sp., мозг и подглоточный ганглий сильно сближены. Зона оптических нейропилей практически целиком входит в общую массу мозга. Мозг занимает 2/3 головной капсулы, его значительная часть расположена в ее задней половине. Небольшая часть протоцеребрума смещается в переднегрудь, его задняя часть имеет асимметричный левый дистальный вырост. 7 Общий план строения мозга сходен с описанным для A. grandicollis, за следующими исключениями. Форма мозга более компактна. Ядро клеток нервной системы занимает 8090 % объема тела клетки и имеет строго округлую форму. Хроматин сильно компактизован. Минимальный диаметр волокон нейропиля мозга составляет 0.05-0.1 мкм. По составу зон мозга Nanosella sp. отличается от A. grandicollis лишь стебельчатым строением грибовидных тел. Размер клеток нервной системы мал и составляет 1.23-2.25 мкм (М=1.71; n=336), число клеток в мозге― около 8 000. Mikado sp., имаго. Длина тела около 0.45 мкм. ЦНС как и у других изученных мельчайших жесткокрылых подвержена значительной олигомеризации и концентрации ганглиев (рис. 1 А). Мозг вытянут в передне-задней плоскости, уплощен в дорсо-вентральной плоскости и смещен в заднюю часть головы, а большая его часть располагается в переднегрудном отделе. В головной капсуле располагается дейтоцеребральный отдел мозга и зона оптических ганглиев, значительная часть протоцеребрального отдела смещена в переднегрудь. Зона оптических нейропилей входит в состав центрального мозга. Наблюдается асимметрия задних протоцеребральных долей. Окологлоточные коннективы полностью погружены в нейропилярную массу и не различимы. Межганглионарные коннективы слиты попарно. Подглоточный ганглий полностью смещен в переднегрудной отдел. Переднегрудной и среднегрудной ганглии обособлены. Заднегрудной ганглий слит с абдоминальным синганглием. План строения мозга сходен с описанным выше для A. grandicollis и Nanosella sp., однако отмечены некоторые отличия. В целом мозг Mikado sp. характеризуется сильной деформацией формы и асимметрией мозговых зон. В связи со значительным смещением мозга в грудной отдел наблюдается относительное удлинение антеннальных нервов, нервов тритоцеребрума и подглоточного ганглия. Отмечается деформация формы оптических ганглиев и переориентация в передне-задней плоскости мозга. Размер клеток нервной системы составляет 1.87-2.04 мкм (М=1.97; n=539), в мозге насчитывается около 12 000 клеток. Mikado sp., личинка первого возраста. Длина тела около 0.43 мм. В сравнении с имаго изученных жесткокрылых, ЦНС личинок первого возраста отличается наименьшей степенью концентрации и компактизации ганглиев. ЦНС личинки подвержена сильной деформации и асимметрии. Мозг имеет удлиненную форму и полностью смещен в грудной отдел (рис. 1 Б). Задние протоцеребральные доли мозга вытянуты и достигают второго абдоминального сегмента. Их выросты асимметричны. Дейтоцеребральный отдел также имеет небольшие удлиненные доли. Подглоточный ганглий начинается в задней части переднегруди и слит с переднегрудным ганглием. Наблюдается вторичное слияние протоцеребральной доли и синганглия подглоточного и переднегрудного ганглия. Среднегрудной и заднегрудной ганглии обособлены. Абдоминальные ганглии сильно сближены и напоминают удлиненный синганглий. Нейропиль мозга находится на начальной стадии дифференциации, мозговые зоны не выражены. Размер клеток нервной системы личинок первого возраста меньше, чем у имаго и составляет 1.19-1.98 мкм (М=1.39), число клеток в мозге около 8 000. 3.1.1.1.2. Corylophidae Sericoderus lateralis, имаго. Длина тела около 1.1 мм. ЦНС S. lateralis подвержена наибольшей степени олигомеризации и концентрации в ряду изученных жесткокрылых. Грудные ганглии настолько сильно сближены, что вместе с абдоминальным синганглием напоминают единое массивное образование. Мозг и подглоточный ганглий полностью смещены в переднегрудной отдел. Лишь фронтальный ганглий стоматогастрической нервной системы остается в головной капсуле. Зона оптических нейропилей смещается к центральной оси мозга. Подглоточный ганглий слит с 8 переднегрудным ганглием. В связи с полным смещением головного мозга в грудной отдел, его абсолютный объем превышает объем головной капсулы. Общий план строения мозга сходен с таковым у представленных Ptiliidae, за некоторым исключением. Форма мозга подвержена наибольшей компактизации среди всех изученных жесткокрылых. В связи со смещением мозга в грудной отдел происходит сильное удлинение антеннальных нервов, нервов тритоцеребрума и подглоточного ганглия, изменение формы и пространственного положения одной из оптических долей (смещение ганглионарной пластинки к центральной оси мозга). Ядра нейронов имеют овальную форму, хроматин находится в рыхлом состоянии. Минимальный диаметр отростков в составе сложных волокон мозга составляет 0.08-0.10 мкм. Размер клеток нервной системы равен 2.21-5.78 мкм (М=3.11; n=686), а число клеток в мозге около 18 000. S. lateralis, личинка первого возраста. Длина тела около 0.6 мм. ЦНС личинок первого возраста характеризуется сильной концентрацией и олигомеризацией ганглиев, сходной с таковой у имаго. Мозг асимметричен и практически полностью смещен из головной капсулы и располагается в передне- и среднегруди. Подглоточный ганглий располагается в переднегруди и слит с переднегрудным ганглием. Протоцеребральный отдел имеет асимметричный задний дистальный вырост, который достигает среднегрудного отдела. Хорошо выражен фронтальный ганглий стоматогастрической нервной системы. Мозговой нейропиль характеризуется слабой степенью дифференциации мозговых зон. Размер клеток нервной системы составляет 2.292.71 мкм (М=2.49; n=332), число клеток в мозге личинок первого возраста― около 7 000. Рис. 1. Общий план строения ЦНС имаго и личинки мельчайших жесткокрылых на примере Mikado sp. (Ptiliidae). Вид сбоку. А - Имаго; Б - личинка первого возраста. adr - передний дейтоцеребральный вырост; ag - абдоминальные ганглии; cer - мозг; ppr - задний протоцеребральный вырост; sog+tg1 - синганглий подглоточного и переднегрудного ганглиев; tg2 - среднегрудной ганглий; tg3+ag - синганглий заднегрудного ганглия и абдоминального синганглия. 9 3.1.1.2. Hymenoptera 3.1.1.2.1. Mymaridae Anaphes flavipes, имаго. Длина тела около 0.45 мм. ЦНС мельчайших наездников-хальцидоидов подвержена олигомеризации и концентрации ганглиев. В отличие от жесткокрылых у перепончатокрылых ввиду наличия шейного отдела смещение головных ганглиев в грудной отдел не происходит. Мозг и подглоточный ганглий слиты в единый головной синганглий и занимают практически всю головную капсулу (рис. 2). Окологлоточные коннективы вследствие сильного сближения ганглиев интегрированы в общую нейропилярную массу. Межганглионарные коннективы слиты попарно. Ганглии грудной нервной цепочки обособлены (рис. 2 А). Среднегрудной и заднегрудной ганглии сближены. Отмечается асимметрия брюшной нервной цепочки: абдоминальный синганглий самки смещен в правую половину брюшка и огибает основание яйцеклада (рис.2 Б). Фронтальный ганглий стоматогастрической нервной системы мал и сближен с мозгом и вследствие этого плохо различим. Ввиду образования головного синганглия и общей компактизации мозга, в сравнении с жесткокрылыми, наблюдается сильное сближение всех зон мозга. Строение мозговых оболочек сходно с описанным для жесткокрылых. Ядра клеток нервной системы имеют округлую форму, занимают от 70-80% тела клетки и характеризуются высокой степенью компактизации хроматина. Минимальный диаметр отростков в составе волокон в нейропиле мозга составляет 0.03-0.07 мкм. Строение мозговых зон сходно с таковым у жесткокрылых, за некоторым исключением. Чашечковые области грибовидных тел имеют целиком микрогломерулярное строение и выглядят одиночными, однако, на гистологическом уровне прослеживается их двойная природа. Оптические доли меняют свое пространственное положение и ориентированы в угловые ансамбли. Размер клеток нервной системы в среднем меньше чем у жесткокрылых и составляет 1.31-3.14 мкм (M=2.03, n=494). В мозге A. flavipes насчитывается около 17 000 клеток. Рис. 2. Общий план строения ЦНС имаго наездников-хальцидоидов, на примере A flavipes (Mymaridae). А - Вид сбоку; Б - вид сверху. ag - абдоминальный синганглий; cer+sog - головной синганглий; tg1 - переднегрудной ганглий; tg2 - среднегрудной ганглий; tg3 - заднегрудной синганглий. 3.1.1.2.2. Trichogrammatidae Trichogramma evanescens, имаго. Длина тела около 0.5 мм. Строение головного синганглия сходно с описанным выше для A. flavipes. Окологлоточные коннективы полностью погружены в общую нейропилярную массу и неразличимы. Ганглии грудной нервной цепочки обособлены. Пара абдоминальных ганглиев― самые маленькие в нервной цепочке. Второй абдоминальный ганглий огибает основание яйцеклада. План строения мозга сходен с описанным для A. flavipes. Различия заключаются лишь в размерных характеристиках некоторых компонентов мозговых зон (размер и число гломерул 10 антеннальных долей, толщина мозговых оболочек). Размер клеток нервной системы составляет 1.53-3.36 мкм (M=2.4, n=346), число клеток в мозге не превышает 8 000. 3.1.2. Hemimetabola 3.1.2.1. Psocoptera Liposcelididae Liposcelis sp., имаго. Длина тела около 0.9 мм. ЦНС имаго сеноедов, как и у других мелких насекомых, подвержена олигомеризации, но концентрация ганглиев выражена в меньшей степени (рис. 3 А). Мозг располагается в срединной части головной капсулы, передняя половина головы и крупная верхняя губа заняты массивной мускулатурой ротового аппарата. Подглоточный ганглий располагается в задней половине головной капсулы. Окологлоточные коннективы хорошо выражены. Межганглионарные коннективы попарно слиты. Ганглии передне- и среднегруди обособлены. Заднегрудной ганглий слит с абдоминальным синганглием. Строение мозговых оболочек сходно с таковыми, описанными для жесткокрылых и перепончатокрылых. Ядра клеток нервной системы имеют относительно большой объем и занимают 60-70 % тела клетки, хроматин находится в рыхлом состоянии. Минимальный диаметр волокон в нейропиле мозга составляет 0.07-0.08 мкм. В целом мозг Liposcelis sp. отличается наибольшим упрощением формы и уменьшением относительных размеров отдельных зон в сравнении с другими микронасекомыми. Лишь центральный комплекс и грибовидные тела сохраняют структуру, сравнимую с таковой у изученных Holometabola. В виду слабого развития органов зрения, оптические доли также развиты слабо и представлены парой небольших шаровидных нейропилей. Антеннальные доли небольшие и имеют агломерулярное строение. Размер клеток нервной системы составляет 2.59-4.29 мкм (М=2.96; n=374). В мозге насчитывается около 9 000 клеток. Рис. 3. Общий план строения ЦНС имаго и нимфы Liposcelis sp. (Liposcelididae). Вид сбоку. А - Имаго; Б - нимфа первого возраста. ag - абдоминальный ганглий; cer - мозг; sog - подглоточный ганглий; tg1 - переднегрудной ганглий; tg2 - среднегрудной ганглий; tg3 - заднегрудной ганглий; tg2+tg3+ag - синганглий среднегрудного, заднегрудного и абдоминального ганглиев. Liposcelis sp., нимфа первого возраста. Длина тела около 0.33 мм. ЦНС нимф первого возраста подвержена более сильной олигомеризации и концентрации ганглиев, чем имаго. Мозг и подглоточный ганглий расположены в задней части головной капсулы, задние протоцеребральные доли достигают переднегрудного отдела. Относительный размер мозга нимф первого возраста больше чем у имаго. У нимф Liposcelis sp., несмотря на общую компактизацию, хорошо различимы коннективы и окологлоточные комиссуры. Межганглионарные коннективы сохраняют двойную структуру. Переднегрудной ганглий обособлен. Средне- и заднегрудной ганглии, вместе с абдоминальным синганглием слиты, образуют крупный синганглий на границе заднегрудного и брюшного отделов (рис. 3 Б). 11 Мозг нимф первого возраста отличается высокой степенью дифференциации мозговых зон, наблюдается практически полное разделение на зоны мозгового нейропиля. Зоны мозга нимфы схожи по строению с имагинальными. Размер клеток нервной системы у нимф первого возраста составляет около 1.98-3.61 мкм (M=2.30; n=95), число клеток в мозге около 8 000. 3.1.2.2. Thysanoptera Thripidae Heliothrips haemorrhoidalis, имаго. Длина тела около 1.5 мм. В строении центральной нервной системы у Thripidae наблюдается олигомеризация и концентрация ганглиев, однако степень ее значительно уступает другим насекомым. Мозг смещен в заднюю часть головной капсулы и располагается за сложными глазами. Он имеет удлиненную форму, расширен в передней части. Окологлоточные комиссуры хорошо выражены. Межганглионарные коннективы сохраняют двойную структуру. Подглоточный ганглий расположен в переднегруди и слит с переднегрудным ганглием. Среднегрудной, заднегрудной ганглии и абдоминальный синганглий обособлены. План строения мозга H. haemorrhoidalis сходен с описанным для Liposcelis sp. Однако есть некоторые структурные отличия. Грибовидные тела лишены чашечковой области и представлены только стебельчатым аппаратом. Оптические ганглии представлены тремя хорошо развитыми оптическими нейропилями. Лобулярный комплекс отсутствует. Агломерулярные антеннальные доли смещаются к срединной части мозга, вследствие чего удлиняются антеннальные нервы. Оцеллярные ганглии объединены в единый оцеллярный ганглий. Размер клеток нервной системы составляет 2.23-4.73 мкм (М=3.07; n=360). В мозге H. haemorrhoidalis насчитывается около 10 000 клеток. H. haemorrhoidalis, нимфа первого возраста. Длина тела около 0.45 мм. ЦНС нимф представлена цепочкой хорошо различимых сильно сближенных ганглиев. Мозг располагается в задней части головной капсулы, задняя часть протоцеребральных долей достигает переднегрудного отдела. Значительная часть подглоточного ганглия также смещена в переднегрудной отдел. Окологлоточные коннективы погружены в общую нейропилярную массу и трудно различимы. Межганглионарные коннективы присутствуют, но сильно укорочены и практически сливаются с общей массой ганглиев. Ганглии грудного отдела сильно сближены и имеют парные, симметричные лопастевидные выросты простираются в коксы конечностей. Переднегрудной ганглий имеет дополнительный, непарный асимметричный вырост. Абдоминальный синганглий отдельный. У нимф первого возраста H. haemorrhoidalis отмечается общая компактизация мозга, сближение головных ганглиев. Нейропиль мозга компартментализован, отмечается высокая степень развития мозговых зон. Однако дифференциация мозга у H. haemorrhoidalis все же выражена слабее, чем у Liposcelis sp. Отмечено слабая степень развития оптических долей, которые у нимф первого возраста представлены небольшими шаровидными образованиями. Антеннальные доли также слабо развиты. Размер клеток нервной системы составляет 2.695.35 мкм (M=3.18 n=395). В мозге нимф первого возраста насчитывается около 6 000 клеток. Глава 4. Обсуждение 4.1. Общий план строения ЦНС План строения центральной нервной системы изученных насекомых имеет как общие черты, так и частные преобразования и модификации. Для всех насекомых отмечена общая олигомеризация и концентрация ганглиев при уменьшении размеров тела. У большинства мелких насекомых наблюдается сближение и слияние грудных и брюшных ганглиев, асимметрия мозга, деформация формы ганглиев. Показано, что у насекомых с полным превращением миниатюризация носит стадийный характер. Эффекты миниатюризации у 12 насекомых с полным превращением проявляются независимо на стадии личинки и имаго. У насекомых с неполным превращением уже на стадии нимф первых возрастов отмечаются морфологические особенности строения нервной системы характерные и для имаго. Полученные данные о характере строения нервной системы, степени ее дифференциации, наличии олигомеризации и концентрации ганглиев уже на личиночной стадии, позволяют утверждать, что критическим моментом миниатюризации для насекомых с неполным превращением являются стадии нимф первых возрастов. Для всех изученных мельчайших насекомых отмечено увеличение относительного объема нервной системы и мозга при уменьшении размеров тела (рис. 4). Среди изученных насекомых наибольшим относительным объемом нервной системы и мозга обладают мельчайшие перепончатокрылые, наименьшим относительным объемом ― насекомые с неполным превращением (трипсы и сеноеды). При сравнении имаго и личинок насекомых с полным и неполным превращением, отмечается, что наибольшим относительным объемом нервной системы и мозга обладают нимфы первого возраста сеноедов и трипсов. Рис. 4. Зависимость относительного объема мозга от размера тела. 4.2. Строение мозга 4.2.1. Holometabola У мельчайших жесткокрылых отмечается тенденция смещения части мозга или всего мозга в грудной отдел, деформация общей формы мозга. Для мельчайших перепончатокрылых из-за подвижности головы и наличия шеи, такое смещение невозможно. Мозг и подглоточный ганглий у мельчайших перепончатокрылых образуют единый головной синганглий и ограничены размером головной капсулы. В целом для микроHolometabola отмечена сильная компактизация мозговых зон, перестройка их пространственной организации (рис. 5 А-В). Так у S. lateralis из-за полного смещения мозга в грудной отдел происходит изменение пространственного положения одной из оптических долей. У мельчайших перепончатокрылых также отмечается смена пространственного положения оптических долей, образование угловых ансамблей (рис. 5 В). Комплекс центральных нейропилей (центральное тело и протоцеребральный мост) у микронасекомых сохраняют сложную организацию, свойственную крупным представителям отряда. Для всех изученных микронасекомых характерен примитивный тип строения грибовидных тел. Однако ввиду миниатюризации отмечается вторичное упрощение структуры чашечковой области. Антеннальные доли сохраняют гломерулярную организацию, что свидетельствует о хорошо развитом обонянии. 13 Рис. 5. Трехмерные реконструкции мозга. А-Г - Вид спереди; Д, Е - вид сверху. А Nanosella sp. (Coleoptera: Ptiliidae), Б - Tetrapholerus bruchi (Coleoptera: Ommatidae), В - Anaphes flavipes (Hymenoptera: Mymaridae), Г - Macroxyela ferruginea (Hymenoptera: Xyelidae); Д - Heliothrips haemorrhoidalis (Thysanoptera: Thripidae), Е - Copostigma sp. (Psocoptera: Psocidae). 14 4.2.2. Hemimetabola У микронасекомых с неполным превращением мозг располагается в головной капсуле (рис. 5 Д). Эффекты миниатюризации проявляются в уменьшении относительного размера структур, по отношению к общему размеру мозга, упрощении структурной организации мозговых зон. Несмотря на это, у всех изученных Hemimetabola отмечается хорошо развитый комплекс центрального тела. У сеноедов отмечен примитивный тип грибовидных тел, напоминающий описанный у микрожесткокрылых. У трипсов описана редукция чашечковой области грибовидных тел, однако эта структурная особенность, скорее всего, не связана с миниатюризацией. Оптические доли хорошо развиты у трипсов и неразвиты у Liposcelis sp., в последнем случае это связано со слабым развитием зрения, и замещением сложных глаз просомматидиями. Антеннальные доли имеют агломерулярное строение и, в целом, слабо развиты у изученных сеноедов и трипсов. 4.2.3. Строение мозга личинок и нимф первого возраста Для личинок Holometabola и нимф первого возраста Hemimetabola отмечена общая тенденция увеличения относительного объема мозга по сравнению с имаго. Строение мозга у насекомых с разными типами метаморфоза сильно различается. ЦНС, в частности, мозг насекомых с полным превращением претерпевает наиболее глубокие изменения в постэмбриональный период. Формирование и дифференциация мозговых зон у Holometabola происходит неравномерно на личиночной и, преимущественно, на куколочной стадии (Панов, 1959; Wegerhoff, Breidbach, 1992). Личинки первого возраста микрожесткокрылых отличаются крайней степенью деформации головных ганглиев, полным смещением мозга в грудной отдел и его асимметрией. Мозговой нейропиль личинок первого возраста не разделен на отчетливые зоны (не компартментализован), в редких случаях отмечена стадия начальной дифференциации центральных нейропилей. У насекомых с неполным превращением окончательная дифференциация нервной системы завершается уже к моменту окончания эмбриогенеза (Goodman, 1985), что подтверждается данными полученными на Liposcelis sp. и H. haemorrhoidalis. Для изученных нимф первого возраста сеноедов и трипсов, отмечено практически полное разделение мозга на зоны. Комплекс центральных нейропилей и грибовидные тела у нимф первого возраста Liposcelis sp. по строению напоминают соответствующие зоны у имаго. Отмечено отставание в развитии оптических и антеннальных долей у нимф первого возраста Hemimetabola, что связано со слабым развитием органов зрения и антенн на нимфальных стадиях. 4.2.4. Изменение относительных объемов мозга и отдельных зон Для изучения изменения относительного объема мозговых зон, связанного с уменьшением размеров тела, был проведен анализ трехмерных реконструкций мозга всех изученных насекомых. С уменьшением размера тела относительный объем мозга насекомых увеличивается (рис. 4). Так, у мельчайших жесткокрылых он составляет 2.28% для Sericoderus lateralis (Corylophidae), 2% для Acrotrichis grandicollis, 2.1% для Acrotcichis montandoni, 3.3% для Porophila sp., 4% для Primorskella sp. (Полилов, 2005, 2008), 4% для Nanosella sp., 4.4 % для Mikado sp. (Ptiliidae), в то время как для родственных Aleochara sp. и Staphylinus sp. всего 0.53 и 0.44% соответственно, а у Ditiscus sp. мозг занимает всего 0.024% от объема тела (Weidner, 1982). У мельчайших перепончатокрылых, несмотря на близость в размерах с жесткокрылыми, относительный объем мозга выше, чем у последних. Так, мозг T. evanescens занимает 6.7% от объема тела насекомого, а мозг A. flavipes ― 4.9%, в то время как у Hemiptarsenus sp. (Chalcidoidea) ― 2.62%, а у Apis mellifera 0.57-1.02%, у муравьев рода Formica ― 0.35% (Strausfeld, 1976; Wigglesworth, 1953). Liposcelis sp. (Liposcelididae) и H. haemorrhoidalis (Thripidae) обладают наименьшим относительным объемом мозга в ряду изученных микронасекомых. Так, относительный объем мозга для Liposcelis sp. составляет 15 1.89%, а для H. haemorrhoidalis ― 1.68%. Согласно полученным данным в среднем перепончатокрылые обладают наибольшим относительным объемом мозга. Наряду с увеличением относительного объема мозга имаго, среди всех микронасекомых отмечено увеличение относительного объема мозга у личинок и нимф первого возраста. Относительный объем мозга у личинок жесткокрылых лишь немного превышает относительный объем мозга имаго и составляет 4.8% для Mikado sp. и 3.6% для S. lateralis. Нимфы первого возраста насекомых с неполным превращением более чем в три раза превышают имаго по относительному объему мозга. Относительный объем мозга для нимф первого возраста Liposcelis sp. составляет 8.9%, а для H. haemorrhoidalis ― 8.1%. С уменьшением размеров тела наблюдаются изменение относительных объемов не только ЦНС, но и отдельных зон мозга и характер этих изменений различен для каждой из структур. Выяснено, что изменения отдельных зон мозга мельчайших насекомых носит преимущественно аллометрический характер. В разных группах наблюдается как увеличение, так и уменьшение отдельных зон в связи с морфологическими особенностями или экологической специализацией насекомого (рис. 6). Рис. 6. Изменение объемов зон мозга в зависимости от объема мозга. А - Комплекс центрального тела; Б - грибовидные тела; В - оптические доли; Г - антеннальные доли. 16 Согласно полученным данным размер комплекса центрального тела в ряду изученных жесткокрылых меняется изометрически (рис. 6 А), а у перепончатокрылых и насекомых с неполным превращением относительный объем увеличивается, т.е. наблюдаются аллометрические изменения. Относительный объем грибовидных тел с уменьшением размера тела меняется аллометрически (рис. 6 Б). У жесткокрылых наблюдается уменьшение относительного объема грибовидных тел, у перепончатокрылых― увеличение. Изменение относительного объема оптических и антеннальных долей с уменьшением размера тела носит преимущественно аллометрический характер у всех изученных насекомых (рис. 6 В, Г). С уменьшением размера тела у жесткокрылых и Paraneoptera происходит уменьшение общего относительного объема оптических долей. У мельчайших перепончатокрылых изменение относительного объема антеннальных долей близко к изометрическому. Таким образом, с уменьшением размера тела в ряду изученных насекомых наблюдается уменьшение относительного объема структур, несущих на себе функцию координации и обработки сенсорных сигналов, таких, как зрение и обоняние. В результате сокращения количества анализаторов уменьшается и структура мозга, отвечающая за координацию их работы. Вместе с тем, комплекс центрального тела, отвечающий за координацию моторных функций, либо не меняет своего относительного объема при миниатюризации насекомого (жесткокрылые), либо увеличивает свой относительный объем (перепончатокрылые и Paraneoptera). Относительный объем нейропиля, согласно полученным данным, у всех изученных насекомых постоянен, и с уменьшением размеров тела меняется изометрически относительно мозга (Рис. 7). Наряду с постоянством относительного объема нейропиля у имаго мельчайших насекомых, отмечена значительная разница в относительном объеме коркового слоя мозга у личинок и имаго. Личинки и нимфы первого возраста превосходят имаго по относительному объему коркового слоя на 25-30%. Рис. 7. Изменение объема нейропиля в зависимости от объема мозга. 4.3. Ультраструктура ЦНС Общая ультраструктурная организация ЦНС и мозга в частности сходна для всех групп насекомых. Система мозговых оболочек сохраняется в линии мельчайших насекомых и претерпевает лишь незначительные изменения в толщине. Критическое сокращение размера тела отражается не только на общей структуре ЦНС, но и на ее ультраструктурной организации. В частности значительное сокращение размера нейронов показано для многих мелких насекомых: Hydroscaphidiidae (Beutel, Haas, 1998), Corylophidae (Polilov, Beutel, 2010), Mymaridae (Полилов, 2007) и Strepsiptera (Beutel et al., 2005). Показательно существенное различие в размерных характеристиках, обнаруженное при сравнении клеток нервной системы мельчайших насекомых и крупных родственных групп (рис. 8 А). Если у мельчайших насекомых диаметр тел клеток головного мозга составляет 1.7-4 мкм, то у 17 крупных представителей T. bruchi (Archostemata) ― 5.5-8 мкм, y Aleochara sp. (Staphylinoidea) размер тела нейрона составляет 4.9-8.6 мкм, у H. notata ― 4.6-7.9 мкм, у Hemiptarsenus sp. (Chalcidoidea) ― 4.2-5 мкм, y M. ferruginea (Xyeloidae) ― 4.1-9.6 мкм, у Copostigma sp. (Psocoidea) ― 5.2-7.3 мкм, а у первичнобескрылого Lepisma sp. (Thysanura) ― 7.94-11.36 мкм. С уменьшением размера нервной системы происходит уменьшение и стабилизация диаметра клеток нервной системы. Так у мельчайших насекомых разброс в размере клеток нервной системы не велик, и отличается от разброса размеров нейронов у крупных родственных групп. Ядро у Ptiliidae занимает от 80 до 90% объема тела клетки, в то время, как у крупных родственных групп около 50-60% (рис. 9). На клеточном уровне видно, что уменьшение размеров клеток нервной системы у насекомых, происходит за счет сокращения объема цитоплазмы, а уменьшение размеров ядер у мельчайших представителей ― за счет увеличения степени компактизации хроматина. Несмотря на сильное сокращение объема цитоплазмы, все необходимые клеточные органеллы широко представлены в цитоплазме клеток нервной системы. 4.4. Число клеток нервной системы Число клеток в нервной системе животных варьирует от нескольких сотен у нематод (White et al., 1986) до 1012 клеток у человека (Herculano-Houzel, 2009). Многочисленные данные литературы по числу нейронов в ЦНС и мозге насекомых, в большинстве своем, являются численными данными общего числа клеток нервной системы, а не только нейронов (Strausfeld, 1976; Свидерский, 1980; Weidner, 1982; Strausfeld and Meinertzhagen, 1998; Meinertzhagen, 2010 др.). В настоящей работе был произведен подсчет клеток нервной системы в мозге насекомых из разных размерных классов. Рис. 8. Размер и число клеток нервной системы. 18 Рис. 9. Ультраструктура нейронов. ТЭМ. Единый масштаб. А - Mikado sp.; Б - Nanosella sp.; В - Acrotrichis grandicollis; Г - Sericoderus lateralis; Д Aleochara sp. (Staphylinidae); Е - Anaphes flavipes; Ж - Trichogramma evanescens; З Hemiptarsenus sp. (Eulophidae); И - Heliothrips haemorrhoidalis; К - Liposcelis sp. 19 С уменьшением размеров тела уменьшается не только размер клеток нервной системы, но и их число (рис. 8 Б). У мельчайших насекомых число клеток мозга существенно меньше, чем у крупных насекомых. Так, у Ptiliidae в мозге насчитывается от 8 000 до 26 000 клеток, а у Aleochara sp. ― 49 000 клеток и около 60 000 клеток у T. bruchi. Число клеток в мозге у мельчайших перепончатокрылых также мало. Однако, при том же размерном классе, число клеток мозга мельчайших хальцидоидов выше, чем у мельчайших жесткокрылых. У изученных A. flavipes общее число клеток в мозге не превышает 18 000, у T. evanescens ― 8 000, у более крупного представителя надсемейства Hemiptarsenus sp. составляет около 43 000, а у M. ferruginea ― 153 000 клеток. Наряду с этим, в мозге медоносной пчелы, согласно данным литературы (Strausfeld, 1967), насчитывается около 850 000 клеток. Наименьшее число клеток в мозге, в пределах одного размерного класса, наблюдается у насекомых с неполным превращением: у Liposcelis sp. ― 9 000 клеток, а у H. haemorrhoidalis ― 10 000 клеток. 4.5. Факторы лимитирующие миниатюризацию нервной системы Нервная система является основным фактором лимитирующим размеры тела насекомых (Полилов, 2005, 2007; Grebennikov, 2008). Ввиду крайней консервативности строения, несмотря на многократные уменьшения размера тела, ЦНС и в частности мозг мельчайших насекомых, сохраняет общий план строения, свойственный крупным родственным формам. Одним из главных факторов, ограничивающих уменьшение размеров ЦНС, является размер клеток нервной системы, который предельно мал, и стремится к минимальному значению, ограниченному размером ядра. Так, размер клеток в мозге микронасекомых составляет всего 1.7-4.0 мкм и приближается к предельному размеру ограниченному объемом компактизованного хроматина. Наряду с размером, существенным ограничивающим фактором является число клеток нервной системы. В мозге микронасекомых насчитывается от 7 000 до 26 000 клеток, что на несколько порядков меньше, чем у крупных родственных групп, но значительно больше, чем у других мелких беспозвоночных животных. Другим ограничивающим фактором является диаметр отростков клеток нервной системы, составляющих синаптический нейропиль мозга. Согласно математическим моделям, минимально допустимый диаметр аксона не позволяет нейропилю уменьшаться пропорционально с уменьшением размера тела. Теоретический предел уменьшения диаметра аксона равен 0.08-0.01 мкм (Faisal, 2005). Практический предел равен 30 нм и был выявлен в нейропиле мельчайших перепончатокрылых. Минимально допустимый диаметр аксона не дает нейропилю уменьшаться пропорционально с уменьшением размера тела. Таким образом, можно заключить, что главными ограничивающими факторами в миниатюризации нервной системы насекомых является, с одной стороны, крайняя консервативность ее строения и размер нейронов и диаметр аксонов с другой. Учитывая данные полученные на представителях семейства Trichogrammatidae о колоссальной разнице в числе клеток мозга на куколочной и имагинальной стадиях, а также данные литературы об уникальном явлении лизиса тел нейронов (Polilov, 2012), можно говорить о механизмах преодоления предела миниатюризации нервной системы. 20 ВЫВОДЫ 1. ЦНС демонстрирует высокую степень олигомеризации и концентрации ганглиев во всех группах мельчайших насекомых. Процесс слияния ганглиев происходит постепенно от личиночной до имагинальной стадии у насекомых с полным превращением, в то время как у насекомых с неполным превращением на всех стадиях постэмбрионального развития сохраняется более или менее постоянный план строения ЦНС. 2. Уменьшение размера тела сопровождается экспоненциальным увеличением относительно объема мозга и ЦНС в целом. 3. Число клеток в мозге у мельчайших насекомых варьирует от 7 000 до 26 000, а размер тел нейронов от 2 до 4 мкм, что существенно меньше, чем у других насекомых. 4. Среди изученных насекомых мозг мельчайших жесткокрылых демонстрирует наименьшее количество преобразований, связанных с миниатюризацией, благодаря существенным перестройкам в пространственной ориентации ЦНС: смещение части мозга и подглоточного ганглия в переднегрудной отдел, изменение формы задних протоцеребральных долей. У личинок имеет место общая асимметрия мозга и отмечено отсутствие разделения мозга на зоны. 5. У мельчайших паразитических наездников Mymaridae и Trichogrammatidae наблюдается общая компактизация головных ганглиев, сближение зон мозга, изменение пространственной ориентации оптических долей, что связано с более слабой олигомеризацией ЦНС по сравнению с мельчайшими жесткокрылыми и ограничением размера мозга головной капсулой. 6. У сеноедов Liposcelididae и трипсов Thripidae олигомеризация и концентрация нервной системы выражены в наименьшей степени. Наряду с этим структурная организация мозга в целом упрощена, однако уже у личинок первого возраста имеет место полное разделение мозгового нейропиля на зоны. 7. Основные следствия миниатюризации у насекомых с полным и неполным превращением сходны. Но у насекомых с полным превращением эффекты миниатюризации могут проявляться на стадии личинки и имаго независимо. У насекомых с неполным превращением эффекты миниатюризации общие для нимфальных и имагинальных стадий. 8. Изменения относительных объемов зон мозга при уменьшении размеров тела носят преимущественно аллометрический характер, однако часть структур изменяется изометрически. Уменьшается относительный объем структур, несущих на себе функцию координации и обработки сенсорных сигналов, а у структур, ответственных за координацию моторных функций, относительный объем при уменьшении размеров тела либо увеличивается, либо не меняется. 9. У имаго всех мельчайших насекомых сохраняется постоянство относительного объема нейропиля, однако наблюдается непропорциональное увеличение коркового слоя на начальных стадиях постэмбрионального развития. 21 СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК Макарова А.А. Особенности строения и ультраструктуры головного мозга насекомых, связанные с миниатюризацией. 1. Мельчайшие жесткокрылые—жуки-перокрылки (Coleoptera, Ptiliidae) / А.А. Макарова, А.А. Полилов // Зоологический журнал.― 2013.― Т. 92(5).― С. 523-533. Макарова А.А. Особенности строения и ультраструктуры головного мозга насекомых, связанные с миниатюризацией. 2. Мельчайшие перепончатокрылые (Нymenoptera, Mymaridae, Trichogrammatidae) / А.А. Макарова, А.А. Полилов // Зоологический журнал.― 2013.― T. 92(6). C. 695-706. Материалы конференций Макарова, А.А. Особенности строения и ультраструктуры мозга жуков-перокрылок (Ptiliidae) в связи с миниатюризацией / А.А. Макарова // Тезисы XVII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов― 2010, секция "Биология".― 2010.― С. 127. Makarova, A.A. The peculiarities of the structure and ultrastructure of the brain of the smallest insects (Coleoptera: Ptiliidae; Hymenoptera: Mymaridae) as a result of miniaturization / А.А. Makarova, A.A. Polilov // XI-th European congress of entomology, programme and book of abstracts.― 22-27 August 2010. Р. 189. Макарова, А.А. Связанные с миниатюризацией особенности строения и ультраструктурной организации головного мозга Anaphes flavipes Foerster (Hymenoptera: Mymaridae) / А.А. Макарова, А.А. Полилов // Тезисы II Симпозиума стран СНГ по перепончатокрылым насекомым.― 13-17 сентября 2010.― С. 94. Макарова, А.А. Особенности строения и ультраструктуры центральной нервной системы мельчайших насекомых / А.А. Макарова // Тезисы XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов, секция "Биология".― 2011.― С. 117-118. Макарова, А.А. Особенности строения и ультраструктуры центральной нервной системы мельчайших насекомых / А.А. Макарова, А.А. Полилов // Тезисы Международной научной конференции Фундаментальные проблемы энтомологии в XXI веке.― 16-20 мая 2011.― С. 96. Макарова, А.А. 2012. Пределы миниатюризации зрительной системы насекомых / А.А. Макарова // Тезисы XIX- Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов, секция "Биология".― 2010.― С. 114-115. Макарова, А.А. Особенности строения и ультраструктуры центральной нервной системы личиночной и имагинальной стадий Liposcelis sp. (Psocoptera: Liposcelididae) / А.А. Макарова, А.А. Полилов // Тезисы XIV Съездa Русского Энтомологического Общества.― 27 августа - 1 сентября 2012.― C. 266. Макарова, А.А. Пределы миниатюризации зрительной системы насекомых / А.А. Макарова, А.А. Полилов // Материалы XV международной научнопрактической интернет-конференции Труды Ставропольского отделения Русского Энтомологического Общества, “Актуальные вопросы энтомологии”.― 10 июня 2013. -Вып. 9.― C. 20-23. 22 Благодарности Автор глубоко признателен всем, кто поддерживал его и помогал при выполнении этой работы: научному руководителю ― Алексею Алексеевичу Полилову за строгое, но продуктивное руководство на всех этапах моей работы; профессору Станиславу Юрьевичу Чайке за бесценные консультации и полезные советы; Рольфу Бойтелю за предоставленные гистологические препараты, коллективу лаборатории электронной микроскопии (зав. Георгий Натанович Давидович) за возможность использования оборудования, всему коллективу кафедры энтомологии (зав. профессор Рустем Девлетович Жантиев) за участие в обсуждении результатов моего исследования. Искренне благодарю также своих родных и друзей, которые оказывали моральную и интеллектуальную поддержку при написании диссертации и автореферата. Работа выполнена при поддержке грантов Президента РФ (МК-558.2010.4, МК375.2012.4) и РФФИ (10-04-00457, 11-04-00496, 13-04-00357). 23 Подписано в печать: 07.11.2013 Объем: 1,4 п. л. Тираж: 100 экз. Заказ № 221 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru 24