ИСТИНА

Миниатюризация в аспекте органов чувств представляет большой интерес не только для частной морфологии, но и для физиологии, экологии и поведения, поскольку органы чувств насекомых являются главной составляющей системы анализаторов и осуществляют первичный анализ информации от внешней среды. Сложные глаза – одни из важнейших органов чувств насекомых, и один из самых сложных и высокоорганизованных органов зрения среди всех животных. Строение глаз различных животных активно изучается, и насекомые не являются исключением. Строению, ультраструктурной организации и физиологии глаз насекомых посвящены тысячи статей и монографий. Однако строение глаз мельчайших насекомых и то, как влияет миниатюризация на строение и работу зрительной системы практически ничего не известно. Очевидно, что в результате миниатюризации абсолютная площадь поверхности головы насекомого сокращается, а с ним сокращается и место, отведенное глазам, и тогда возникает вопрос: каков предел уменьшения глаза и его оптических компонентов, и как эти количественные и качественные изменения влияют на функцию сложных глаз насекомого. Мельчайший функциональный размер оптического аппарата будет играть важнейшую роль при миниатюризации. Привлечение новых методов позволит получить больший объем морфологических данных, которые предоставят новые знания о характере влияния такого эффекта как миниатюризация на строение и функции оптических систем. Антенны насекомого являются не менее важным сенсорным придатком. Большинство паразитических перепончатокрылых находят своих хозяев с помощью химических раздражителей, производимых либо самим хозяином, либо его кормовым растением. Антенны насекомых несут на себе наибольшее разнообразие рецепторных систем: ольфакторные, звуковые, термо, гигро и механорецепторы. Интерес к изучению строения органов чувств микронасекомых заключается не только в особенностях их ультраструктурной организации, но и в значительном сокращении их размера и числа, в виду многократного уменьшения тела. Исследование внешней морфологии и ультраструктуры сенсилл у микропаразитоидов, а также свободноживущих микронасекомых позволит получить новые данные о характере влияния миниатюризации на органы чувств в целом. Изучение ультраструктуры органов чувств мельчайших насекомых представляет большой интерес для общей биологии и бионики, поскольку морфологическое разнообразие сенсорных органов наряду с многообразием экологии насекомых создают благоприятные условия для изучения эволюции сенсорных систем, а сложность и высокое разрешение их организации и на сегодняшний день являются предметом глубокого интереса инженеров-робототехников.

Miniaturization in terms of sense organs is of great interest not only for private morphology, but also for physiology, ecology and behavior, since the sense organs of insects are the main component of the analyzer system and perform primary analysis of information from the external environment. Complex eyes are one of the most important sense organs of insects, which, despite their organization, have enormous evolutionary preservation. As a result of miniaturization, the absolute surface area of the head of an insect is reduced, and the space served to the eyes is reduced. So the question arises: what is the limit of the eye reduction and its optical components? How do these quantitative and qualitative changes affect the function of the insect's complex eyes? The smallest functional size of the optical apparatus will play a major role in miniaturization. Attraction of new methods will allow a greater volume of morphological data that will provide new knowledge about the nature of the miniaturization, and its effect on the structure and functions of optical systems. Antenna are no less important sensory appendage. Most parasitic Hymenoptera find their hosts with the chemical stimuli, produced by the host or by the forage plant. All exteroceptors of insects (except for the organs of vision) are represented by sensilla. Antennae of insects bear the greatest variety of receptor systems: olfactory, sound, thermo, hygro and mechanoreceptors. The interest in studying the structure of the sense organs of micro insects lies not only in the features of their ultrastructural organization, but also in a significant reduction in their size and number, in view of a multiple decrease in the body. Investigation of the external morphology and ultrastructure of sensilla in microparasitoids, as well as free-living microsections, will provide new data on the nature of the effect of miniaturization on the sense organs as a whole. Thus, the study of the ultrastructure of the sense organs of the smallest insects is of great interest for general biology and bionics, since the morphological diversity of sensory organs along with the variety of insect ecology create favorable conditions for studying the evolution of sensory systems, and the complexity and high resolution of their organization are on the deep interest of robotics engineers.

Будут получены данные по строению, ультраструктурной организации кутикулярного отдела и клеточному составу всех типов сенсилл на антеннах мельчайших перепончатокрылых. Полученные данные позволят выдвинуть предположения о степени развития антенн насекомого, роли обоняния в условиях микромира. Изучить строение антенн мельчайшего паразитоида-яйцееда Megaphragma mymaripenne и мельчайшего свободноживущего жесткокрылого Nephanes titan (Ptiliidae). Полученные результаты будут сравниваться с результатами по другим микроперепончатокрылым и жесткокрылым, с данными литературы, а также результатами по крупным родственным группам. Количественная и качественная оценка строения антеннальных сенсилл у разных представителей отряда и разных размерных классов позволит оценить распространение сенсилл у микронасекомых, а также дать предварительную оценку изменений, обусловленных миниатюризацией. Будет получена характеристика клеточного строения каждого из описанных типов сенсилл, получены данные по численному и размерному составу клеток рецепторов. На основе серии срезов высокого разрешения (8 нм на пиксель по xyz), полученной на двулучевом ионно-электронном микроскопе (FIB-SEM) будет построена первая полная трехмерная реконструкция целого сложного глаза насекомого на клеточном и субклеточном уровнях. Полная модель будет включать все структурные элементы омматидия, в том числе клеточные органеллы. Будет проведена количественная оценка клеточных составляющих, а также волюметрические показатели всех структурных элементов. На базе программы Catmaid будут построены проекции всех фоторецепторов в зрительные доли мозга и дана оценка вклада каждой из рецепторных клеток в процесс нейронных вычислений в зрительных долях, исходя из морфологических параметров и объёма. Также будет проведена разметка синаптических контактов между короткими и длинными зрительными волокнами, и вспомогательными клетками зрительных долей, участвующих в процессе передачи зрительной информации. Аннотирование синаптических связей в проекциях зрительных клеток и их оценка предоставит новую уникальную информацию о формировании и оптимизации нейронных сетей. Современные представления о процессе реализации и чувствительности зрения у насекомых основаны на множестве исследований, которые, однако, описывают лишь частные морфологические особенности в строении зрительных долей и оптических волокон.

Проведена предварительная диагностика и количественный анализ органов чувств на антеннах некоторых мельчайших паразитоидов из семейств Mymaridae и Trichogrammatidae (Hymenoptera) и свободноживущих насекомых из семейства Ptiliidae (Coleoptera). Разработана уникальная комплексная методика для изучения внешнего строения и внутренней ультраструктурной организации сенсорных рецепторов микронасекомых, с использованием сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии, а также ионно-электронной микроскопии. Оптимизирована методика фиксации материала, позволяющая сохранить целостность сенсилл и ткани внутренней среды максимально неизменным, что особенно важно для изучения тонкого строения рецепторных аппаратов. Собрана и зафиксирована основная часть материала, необходимого для работы (мельчайшие свободноживущие насекомые (Ptiliidae: Nephanes titan) и мельчайшие паразитические насекомые (Trichogrammatidae: Megaphragma mymaripenne). Получена полная серия срезов через сложный глаз Megaphragma, сделанная на ионно-электронном микроскопе (FIB-SEM) с разрешением 4-8 нм на пиксель по всем xyz измерениям. В данный момент происходит подбор наиболее оптимального для обработки данного массива данных программного обеспечения, позволяющего построить полную трёхмерную реконструкцию всех клеток глаза и их органелл. Полученные нами данные во многом являются новыми и значимыми по отношению к состоянию разработки сходных проблем за рубежом. Это вытекает прежде всего из выбора спектра объектов (микронасекомые), а также из используемой нами методологии сравнительных морфологических исследований, выполняемых электронно-микроскопическими методами.

Изучено строение антеннальной сенсорной системы мельчайших паразитических наездников рода Megaphragma (M. mymaripenne, M. amalphitanum и M. caribea) и свободно живущих микрожесткокрылых Nephanes titan. Проведены промеры всех структурных элементов антенны и сенсилл. Выделены морфологические типы сенсилл, проведен количественный анализ, описана общая ультраструктурная организация рецепторного аппарата, определены и выделены особенности, связанные с уменьшением размера тела. Исследование наружного строения проводилось с использованием оптической и сканирующей электронной микроскопии. Ультраструктурная организация исследовалась на базе ультратонких срезов на трансмиссионном электронном микроскопе, а также с использованием двухлучевой электронно-ионной микроскопии. Используемый комплекс методов, сочетающий классические методы световой и электронной микроскопии, а также инновационный метод FIB-SEM микроскопии позволяет детально изучить тонкую ультраструктурную организацию сенсорных органов, а также сложную систему нейропроцессинга органов чувств микронасекомых: от рецептора к рецепторной клетке, и в соответствующие зоны мозга, то есть весь путь передачи информации. Обоняние - одно из ключевых органов чувств у паразитических наездников, так как определяет их способность к поиску хозяина, а также особенности репродуктивного поведения. Для микрожесткокрылых обоняние также играет ключевую роль в условиях микромира, так как наравне со зрением, определяет успешность поиска субстрата для обитания, питания и размножения. Нами показано, что изученные микронасекомые, несмотря на крошечный размер тела, обладают хорошо развитыми и богато вооруженными антеннами. Вопреки малому количеству, обладают большим типовым рядом сенсилл, а также развитым рецепторным аппаратом. Наличие данных признаков позволяет предположить, что микронасекомые обладают хорошо развитым обонянием. Проведенный морфологический, количественный и качественный анализ строения антеннальных сенсилл у изученных микронасекомых позволяет нам дать оценку изменениям, обусловленным миниатюризацией. С уменьшением размеров тела система органов чувств насекомых подвергается олигомеризации, сокращению числа и размеров анализаторов. Антенны партеногенетического вида Megaphragma mymaripenne несут всего 46 сенсилл, а у самок M. caribea всего 34 сенсиллы. Наряду с этим число морфологических типов сенсилл у видов рода Megaphragma выше, чем у крупных родственных перепончатокрылых. Несмотря на малое число, наружная и внутренняя ультраструктура сенсилл не отличается от общего плана строения, описанного для крупных насекомых. Сложная рецепторная структура сенсиллы насекомых, по-видимому, плохо переносит масштабирование, таким образом ее минимальный допустимы размер является ограничивающим фактором для миниатюризации. С одной стороны, сенсорная система антенн насекомых демонстрирует крайнюю консервативность, полностью сохраняя структуру и ультраструктуру несмотря на многократное уменьшение размера тела насекомого. С другой стороны сенсиллы, как анализатор органов чувств, позволяют сильно масштабировать систему целиком без существенного вреда для ее работоспособности. Изучение строения сенсорных органов у микронасекомых предоставляет новые данные для эволюционной морфологии и физиологии, и являются уникальными предпосылками для дальнейшего развития и совершенствования инженерии и нанооптики, которые также могут быть прототипами модельных сенсорных систем микроробототехники. Трехмерные электронно-микроскопические исследования органов зрения запланированы на второй год проекта, но пилотные части этой работы, начатые в отчетном периоде, позволяют получить не только принципиально новые данные о клеточном и субклеточном уровнях организации рецепторов мельчайших насекомых, но и выделить закономерности, которые могут быть востребованы в разработках бионики. Изучение цитологического строения сенсорных органов у микронасекомых необходимо для формирования современных представлений об эволюции органов чувств, а также предоставляет новые уникальные данные для моделирования нейронного процессинга у животных.