научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И УЛЬТРАСТРУКТУРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА НАСЕКОМЫХ, СВЯЗАННЫЕ С МИНИАТЮРИЗАЦИЕЙ. 1. МЕЛЬЧАЙШИЕ ЖЕСТКОКРЫЛЫЕ ЖУКИ-ПЕРОКРЫЛКИ (COLEOPTERA, PTILIIDAE) Биология

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И УЛЬТРАСТРУКТУРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА НАСЕКОМЫХ, СВЯЗАННЫЕ С МИНИАТЮРИЗАЦИЕЙ. 1. МЕЛЬЧАЙШИЕ ЖЕСТКОКРЫЛЫЕ ЖУКИ-ПЕРОКРЫЛКИ (COLEOPTERA, PTILIIDAE)»

ЗООЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 92, № 5, с. 523-533

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И УЛЬТРАСТРУКТУРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА НАСЕКОМЫХ, СВЯЗАННЫЕ С МИНИАТЮРИЗАЦИЕЙ. 1. МЕЛЬЧАЙШИЕ ЖЕСТКОКРЫЛЫЕ - ЖУКИ-ПЕРОКРЫЛКИ

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва 119991, Россия e-mail: amkrva@gmail.com Поступила в редакцию 27.01.2011 г. После исправления 14.12.2012 г.

Описаны строение и ультраструктура мозга мельчайших свободно живущих насекомых — жуков— перокрылок (Coleoptera, Ptiliidae), Acrotrichis grandicollis, Micado sp. и Nanosella sp., изученные по сериям гистологических срезов, а также с использованием трансмиссионного электронного микроскопа и методов трехмерного компьютерного моделирования. Выявлены особенности строения отдельных зон мозга и их пространственного положения. Проанализированы относительные объемы мозга и его отдельных структур. Показана высокая степень консерватизма строения головного мозга: несмотря на предельно малые размеры тела насекомых, сохраняются строение и ультраструктура мозга, характерные для крупных представителей родственных групп. Получены данные по количеству и размеру нейронов и минимальному диаметру аксона в головном мозге Ptiliidae. Результаты работы подтверждают и дополняют гипотезу о факторах, лимитирующих миниатюризацию насекомых. В следующих Сообщениях цикла будет описано строение мозга Mymaridae и Trichogramma-tidae (Hymenoptera), Corylophidae (Coleoptera), Thripidae (Thysanoptera) и Liposcelidae (Psocoptera).

Ключевые слова: миниатюризация, Nanosella, Ptiliidae, Insecta, нервная система, нейрон, размер тела, число нейронов.

Миниатюризация — одно из основных направлений эволюции насекомых (Четвериков, 1915). В результате миниатюризации многие насекомые по размеру становятся сравнимы с одноклеточными организмами. Предельно малый размер тела — важная характеристика насекомых и животных в целом, которая во многом определяет морфологию, физиологию и биологию вида (Шмидт-Ни-ельсон, 1987). Миниатюризация затрагивает все органы насекомого, но наибольший интерес представляют нервная и половая системы, поскольку именно они ограничивают уменьшение размеров тела насекомых (Полилов, 2005, 2007, 2008).

Первые работы по изучению строения нервной системы насекомых появились еще в 14-16 вв. Но решительный прорыв в изучении нервной системы стал возможным только после классических работ нейроморфологов, нобелевских лауреатов 1906 г. — С. Рамон-Кахаля и К. Гольджи. Пионером в изучении сравнительной нейроанатомии членистоногих был Флогель ^гашГеЫ, ВеуГагЛ, 2008), давший начало детальному изучению грибовидных тел насекомых. На данный момент строе-

ние нервной системы насекомых изучено достаточно подробно и обобщено в многочисленных сводках и монографиях (Dujardin, 1850; Заварзин, 1941; Bullock, Horridge, 1965; Цвилинева, 1970; Williams, 1975; Strausfeld, 1976; Плотникова, 1979; Свидерский, 1980; Тыщенко, 1986; Gupta, 1987; Homberg, 1994; Breidbach, Kutsch, 1995; Burrows, 1996; Strausfeld, Meinertzhagen, 1998; Чайка, 2010). При этом появление новых методов и привлечение обширного материала позволяет и сегодня получать принципиально новые данные о функциональной и эволюционной морфологии нервной системы (Strausfeld, 2009; Rybak et al., 2010).

Строение нервной системы мельчайших насекомых изучено слабо, имеются лишь данные об общем плане строения Ptiliidae (Полилов, 2005, 2008; Polilov, Beutel, 2009), Corylophidae (Polilov, Beutel, 2010), Mymaridae (Полилов, 2007) и Strep-siptera (Beutel et al., 2005). Согласно этим данным при уменьшении размеров тела в строении центральной нервной системы наблюдается сильная олигомеризация и концентрация ганглиев. Размеры нейронов и их число сокращаются. Но, несмот-

ря на предельно малый размер и небольшое число нейронов, центральная нервная система перокры-лок занимает относительно большой объем тела, и при уменьшении размеров относительный объем центральной нервной системы увеличивается. Ультраструктура нервной системы мельчайших насекомых не изучена и представляет большой интерес для нейробиологии, поскольку, несмотря на предельно малые размеры и перестройки нервной системы, мельчайшие насекомые сохранили все формы поведения, характерные для крупных представителей родственных групп.

Головным мозгом принято называть расположенный в головной капсуле отдел центральной нервной системы. У насекомых он представлен двумя образованиями: надглоточным и подглоточ-ным ганглиями, которые соединены между собой окологлоточными коннективами. Большинство нейроморфологов называют мозгом только надглоточный ганглий (Шванвич, 1949; Jawlowski, 1948; Goossen, 1949; Bullock, Horridge, 1965; Howse, 1975; Strausfeld, 1976; Тыщенко, 1986; Чайка, 2010).

Целью работы было изучeние структуры и ультраструктуры мозга мельчайших жесткокрылых и выявление факторов, лимитирующих размеры нервной системы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Для изучения нервной системы жуков—перо -крылок собраны имаго Acrotrichis grandicollis (Mannerheim 1844) на территории Московской обл. в июле—августе 2008 г., длина тела 0.8 мм; Micado sp. и Nanosella sp. во Вьетнаме в мае 2009, длина тела 0.5 и 0.4 мм, соответственно. Для сравнения исследованы крупные представители надсемейства Sta-phylinoidea — Aleochara sp. (Staphylinidae) длина тела 8 мм, собранные в Московской обл. в июне 2009 г. Материал для гистологического исследования фиксировали в смеси формалина, этанола и уксусной кислоты; для электронной микроскопии — в 2% растворе глютарового альдегида в какодилат-ном буфере c дополнительной фиксацией 1% забу-ференным раствором оксида осмия. Фиксированный материал обезвоживали в спиртах возрастающей концентрации и ацетоне, а затем заключали в аралдит (Araldit M) для гистологии, в эпон (Epon 812) для трансмиссионной микроскопии.

Из аралдитовых блоков с помощью микротома Leyca 2225 получали серии поперечных и продольных срезов 1 мкм толщиной, которые импрегни-ровали серебром по методу Скотта (Scott, 1979) с изменениями и окрашивали толуидиновым синим по следующей прописи:

Стекла со срезами помещали в 4% раствор формалина на 10—20 мин. После промывки в двух сменах дистиллированной воды препараты высушивали на лабораторной плитке (60°С) и на них наносили раствор аммиачного серебра на 40—60 с.

Далее стекла ополаскивали в двух сменах дистиллированной воды и помещали в 4% формалин на 5—10 мин. Процедуры с аммиачным серебром и 4% формалином повторяли 2—4 раза до получения желто—коричневой окраски. После осуществляли фиксацию в 5% растворе тиосульфата натрия в течение 5 минут и промывку в дистиллированной воде. На препараты на лабораторной плитке (60°С) наносили раствор толуидинового синего (0.8%) и пирони-на (0.4%) на 1—2 мин. Промытые в двух сменах дистиллированной воды срезы высушивали в термостате (60°С) 2 ч. После окраски срезы заключали в пертекс (Pertex). Полученные постоянные препараты исследовали под оптическим световым микроскопом Zeiss Axioscop 40 c цифровой камерой Axiocam.

Ультраструктуру мозга исследовали на ультратонких срезах, полученных с помощью ультратома LBK и контрастированных цитратом свинца на трансмиссионном электронном микроскопе (ТЭМ) Jeol JEM—1011.

Полные серии поперечных срезов использовали для трехмерных реконструкций. Стек изображений выравнивали и загружали в программу Bitplane Imaris, в которой вручную обрисовывали все дискретные детали и на основании полученных контуров создавали трехмерную реконструкцию. Файлы трехмерных моделей в векторном формате импортировали в программу Autodesc Maya, затем к ним применяли функции сглаживания и рендеринга этой программы. Объем органов и тела (без ног, крыльев, антенны и щупиков) вычислен на основе трехмерных моделей в статистическом модуле программы Imaris. Для расчета числа клеток головного мозга определяли средний линейный размер клеточных тел, исходя из средней площади клетки на гистологических срезах в программе Reconstruct, а затем из объема коркового слоя и среднего объема тел клеток вычисляли их число. В настоящее время не существует метода, позволяющего посчитать все нейроны и глиальные клетки по отдельности. Учитывая, что соотношение числа нейронов и глиальных клеток сильно варьирует у разных насекомых и в разных частях мозга (Чайка, 2010), рассчитать точное число нейронов также невозможно. Поэтому в данной работе мы оперируем общим числом клеток в головном мозге. Следует отметить, что все приведенные в литературе оценки числа нейронов у насекомых, так же являются подсчетами всех клеток в центральной нервной системе.

Исследовано строение мозга имаго перокрылок трех видов: Acrotrichis grandicollis (Acrotrichinae), Micado sp. и Nanosella sp. (Nanosellinae). Несмотря на принадлежность к двум разным подсемействам и существенную разницу в размерах, строение

Рис. 1. Строение головных ганглиев Acrotrichis grandicollis. Поперечные срезы, импрегнация серебром и окраска толу-идином. А — срез на уровне антеннальных долей, Б — срез на уровне основания мандибул, В — срез на уровне надглоточного ганглия и начала переднегрудного отдела, Г — срез на уровне основания максилл. al — антеннальные доли, ant — антенна, cb — центральное тело, lp — латеральный протоцеребрум, lbl — лобулус, lob — лобула, lg — ламина, md — мандибула, mb — грибовидные тела, mba — а-доля ножки грибовидного тела, mbß — ß-доля ножки грибовидного тела, med — медулла, oc — сложный глаз, ph — глотка, sog — подглоточный ганглий, trtc — тритоцеребрум.

мозга изученных видов оказалось сходным и различалось лишь размерными и количественными характеристиками.

План строения головных ганглиев исследованных жуков—перокрылок соответствует общему плану строения для насекомых. Тела нейронов расположены по периметру. Центральную часть занимает синаптический нейропиль (рис. Ы—1Т). В корковом слое мозга видны ядра нейронов, цитоплазма едва заметна. Надглоточный ганглий располагается в задней половине головы. Значительная часть подглоточно

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎