Мельчайшие в подробностях. Изучение миниатюрных насекомых дает ключи к загадкам эволюции - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Мельчайшие в подробностях. Изучение миниатюрных насекомых дает ключи к загадкам эволюции

Недавно Президент РФ Владимир Путин вручил молодым ученым премии в области науки и инноваций за 2013 год. В борьбе за почетное звание, подкрепленное вознаграждением в размере 2,5 миллиона рублей, участвовали 256 проектов, которые представили исследователи из организаций разной ведомственной принадлежности. Трое из пяти лауреатов престижной научной награды, то есть все победители конкурса, работающие в фундаментальной области, оказались грантодержателями Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

Кандидат биологических наук, доцент кафедры энтомологии биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова Алексей ПОЛИЛОВ получил президентскую премию за исследования строения и пределов миниатюризации мельчайших многоклеточных живых организмов. Одним из мировых лидеров в этой области он стал в том числе благодаря поддержке РФФИ. Эксперты фонда высоко оценили проект “Морфофункциональные пределы миниатюризации насекомых”.
Алексей Полилов посвятил себя изучению строения мельчайших насекомых, сравнимых по размерам с крупными одноклеточными организмами вроде известных нам из школьного курса биологии амеб и инфузорий (см. рисунок). Подопечные молодого ученого в длину составляют буквально доли миллиметра. При этом они сохраняют общий план и сложность строения, характерную для крупных представителей родственных групп.
Таких уникумов природа создавала в течение миллионов лет. Миниатюризация является одним из основных направлений эволюции насекомых. Благодаря уменьшению размеров, они смогли расширить свои экологические ниши – получили больше укрытий, источников пищи, ушли из-под пресса специализированных хищников и паразитов, снизили энергозатраты и ускорили метаболизм, что дало возможность быстро наращивать численность популяций.
Увы, за все хорошее приходится платить. Почти не имея в природе естественных врагов, самые мелкие насекомые вынуждены сражаться с силами поверхностного натяжения жидкости, капиллярными и электростатическими эффектами.
Как они приспособились к жизни в микромире? Что потеряли и что приобрели? Какие конструктивные изменения происходили с их телами в процессе уменьшения размеров? В поисках ответов на эти вопросы Алексей Полилов обнаружил удивительные вещи. Оказывается, в ходе миниатюризации относительный объем органов меняется по-разному. Наибольшей трансформации подвержены опорно-двигательная и метаболическая системы, а, скажем, нервная и половая сферы преобразуются в меньшей степени. Эти общие закономерности не отменяют того факта, что разные отряды “мельчали” по-своему. Среди эволюционных “благоприобретений” оказались свое­образные перовидные крылья у одних и специальный аппарат для сворачивания и защиты крыла у других, несмачиваемые покровы, редукция кровеносной системы с замещением ее соединительной тканью, переход личинок на частичное или полное кожное дыхание, оригинальное строение ротового аппарата (двойной механизм перетирания пищи), лишенные ядер нейроны.
Свою тему Алексей Полилов “поднимал” практически с нуля. Данных о строении миниатюрных насекомых в тот момент почти не было, так что ему приходилось самому разрабатывать методы сбора мельчайших насекомых и комплексного изучения их наружного и внутреннего строения. В ходе работы биолог открыл и описал три новых рода и 12 новых видов.
Мы попросили Алексея рассказать о том, как он пришел в науку, благодаря чему добился столь впечатляющих успехов и в каких направлениях собирается развивать свои исследования.

– Школа с биологическим уклоном, биофак МГУ, аспирантура – вы шли к цели прямым курсом, не сбиваясь. Что определило интерес к биологии – научно-популярные книжки, учителя, родители?
– Не могу точно сказать, когда и почему заинтересовался насекомыми. Это произошло как-то само собой. Наверное, все началось с рыбалки, на которую часто ходил с дедушкой. Ловил и разглядывал разных жучков, потом начал составлять свою коллекцию. Но первые девять лет я учился в обычной школе, в специальную биологическую №175 перешел только в десятом классе.
– В университете сразу начали заниматься научной работой?
– На кафедру энтомологии я пришел студентом второго курса. С учителями мне везло. Заведующий кафедрой Рустем Девлетович Жантиев сразу предложил заняться самыми маленькими жуками и стал руководить моими исследованиями.
– В одной из ваших статей написано, что в его честь вы назвали новый вид насекомых, который открыли. У биологов так заведено?
– Не то чтобы это было правилом, но в принципе таким образом в нашей науке нередко отдают дань уважения наставникам.
– А свою фамилию вы не увековечили в каком-нибудь насекомом?
– Этого делать нельзя. В полное научное название животного и так автоматически входит фамилия открывшего его человека. Другое дело, что в обиходе используется краткий вариант, включающий только родовое и видовое имя, а год описания и фамилия исследователя опускаются.
– Выходит, что тему, за которую присуждена президентская премия, вы разрабатываете со студенческих лет?
– В общем-то да, без тех студенческих работ не было бы сегодняшних результатов. Изу­чать строение миниатюрных насекомых в те времена было невозможно чисто технически, так что на первых порах я занимался сбором фауны и ее систематикой. Про мелких жуков тогда вообще мало что было известно: описание многих видов составляло не больше абзаца. Пришлось разбираться, где они живут, как их ловить и препарировать. Постепенно я обзавелся необходимым оборудованием, подобрал методики и приступил к исследованию морфологии жуков, а потом и других видов мельчайших насекомых.
– Кстати, а как собирают козявочек, которых не видно невооруженным глазом?
– Они живут внутри определенных субстратов – разлагающейся лесной подстилки, гнилой древесины. Набираешь все подряд, просеиваешь и начинаешь различать движущиеся объекты, которые уже можно вылавливать, отбирать, изучать.
– Зарплаты ученых невелики, а уж аспирантская стипендия вообще смехотворна. Как вам жилось в годы учебы?
– Учась в аспирантуре, я выигрывал именные стипендии – сначала Правительства, потом Президента РФ. Были и разовые победы, например, на конкурсе для молодых ученых “Ломоносов-2004”. Кроме того, уже со студенческих лет я решал финансовые вопросы, подрабатывая на стороне. Имею квалификацию промышленного альпиниста и при необходимости занимаюсь этой работой.
В начале аспирантуры мне приходилось покупать за свои деньги все расходные материалы (предметные стекла, препараты) и оборудование. Потом меня взял в свой проект, финансировавшийся из гранта РФФИ, Станислав Юрьевич Чайка, один из тех людей, которых я считаю своими учителями. Позже мы еще несколько работ по грантам этого фонда делали вместе.
– А когда вы получили первый собственный грант?
– Сразу после аспирантуры я выиграл грант немецкого Фонда Александра фон Гумбольдта на стажировку в Германию и полгода работал там. Позже этот фонд дал мне еще один грант на оборудование, которое я закупил уже здесь.
– Наверняка у вас была возможность остаться в Германии или уехать в другую страну, где ученым не надо мыть окна в высотках, чтобы купить микроскоп? Не возникло желания переехать за рубеж?
– Это вопрос задают мне все журналисты. Нет, не возникло. В Германии мне предоставили прекрасные условия для работы, а здесь у меня на тот момент почти ничего не было. Однако именно тогда я понял, что не хочу жить в другой стране. Да, тут я должен параллельно с занятиями наукой пилить деревья, чтобы содержать семью, но уезжать отсюда я не собираюсь.
– А как складывались ваши отношения с Российским фондом фундаментальных исследований?
– После окончания аспирантуры я писал заявки каждый год, но смог получить грант только с четвертого раза – в 2011 году. Сейчас выполняю уже второй инициативный проект по гранту РФФИ.
– С чем связываете свои первые неудачи?
– В РФФИ ввели хорошую практику отправлять рецензии авторам заявок, из которых можно понять, почему проект оценен так, а не иначе. Но в те годы, когда я безуспешно подавал заявки, этой практики еще не было. Возможно, эксперты ставили низкие баллы из-за того, что у меня было маловато публикаций. Хотя немецкий фонд при этих условиях давал мне средства на исследования.
– Кстати, можно поинтересоваться вашими наукометрическими данными?
– Особенными достижениями в этой области я похвастать не могу. Импакт-факторы энтомологических журналов невысоки, и цитирования набираются значительно дольше, чем, например, в молекулярной биологии. Кроме того, свое направление я начал разрабатывать почти с нуля. Это сейчас к нему появился интерес, и на Западе им уже занимаются несколько лабораторий. Сегодня у меня около 70 цитирований, индекс Хирша 5 или 6.
– В вашей биографической справке написано, что вы провели в общей сложности более 25 месяцев в экспедициях.
– Да, я собирал материалы для работы на Кольском полуострове, Приполярном Урале, Кавказе, Дальнем Востоке, в Карелии, Крыму, Саянах, Казахстане, Узбекистане, Киргизии, Иране, Индии, Вьетнаме. Поначалу ездил исключительно за свои деньги. Только в 2007 году мне впервые оплатил экспедицию за рубеж Российско-вьетнамский тропический центр.
– А разве фонды не дают экспедиционные гранты?
– РФФИ дает, но только тем, чьи инициативные проекты поддержаны фондом. Кроме того, средства гранта РФФИ можно расходовать на полевые работы только в пределах России.
– Президентская премия позволит вам более свободно перемещаться по миру?
– В последние годы у меня с этим нет проблем. Пошли гранты РФФИ, которые дают возможность ездить по стране, был президентский грант, на использование которого нет ограничений.
– Как бы вы на месте чиновников выстроили систему поддержки исследовательской деятельности? Или для того, чтобы обеспечить ученым нормальные рабочие условия, науке просто надо добавить средств?
– То, что Россия мало тратит на науку, совершенно очевидно. Финансирование исследований и в абсолютном выражении, и в долях ВВП у нас в разы меньше, чем в любой другой стране, строящей инновационную экономику. При этом я не считаю, что выделяемые сегодня на исследования средства используются эффективно. Научная среда должна быть высококонкурентной, а в России этого нет из-за развала, произошедшего в перестроечные годы. Осталось мало активных ученых среднего возраста, которые должны собирать вокруг себя группы, лаборатории, получать серьезные гранты на масштабные исследования. В последнее время система научной конкуренции восстанавливается, но медленно. Конкурсы и аттестации проводятся по-прежнему формально, и как здесь что-то изменить, не знаю, я не администратор. Но есть и позитив: и у нас, и в институтах РАН, с которыми мы сотрудничаем, появляются и закрепляются перспективные молодые сотрудники.
– А у вас есть свой научный коллектив?
– Он только формируется. В прошлом году моя аспирантка Анастасия Макарова защитила диссертацию и осталась работать на кафедре. В нашей группе есть и студентка-дипломница Маргарита Яворская. Исследования по смежным направлениям мы проводим в кооперации с коллегами из других групп.
– Для исследования миниатюрных насекомых, наверное, требуется сложное дорогостоящее оборудование? Есть ли у вас доступ к нему?
– Наши объекты не просто микроскопические, они к тому же имеют твердый непрозрачный скелет. Поэтому нам нужна не совсем обычная оптика. На биологическом факультете превосходно работает межкафедральная лаборатория электронной микроскопии, где могут проводить необходимые исследования все сотрудники. Но, к сожалению, она такая единственная. Другое оборудование, купленное и содержащееся на средства МГУ, а не факультета и не кафедры, стоит в чьих-то лабораториях, и попасть туда человеку “со стороны” практически невозможно.
С мелким оборудованием еще сложнее. Очевидно, что на гранты РФФИ по 300-400 тысяч рублей современные приборы купить невозможно. Мне помог немецкий грант, о котором я говорил. На него удалось приобрести хороший флуоресцентный микроскоп и микротом (прибор для изготовления срезов биологических объектов).
 – За прошедшие годы они, наверное, морально устарели?
– На такой технике можно работать 5-10 лет. Хотя, конечно, появляются новые приборы и методики, которые колоссально увеличивают скорость и производительность работ. Чтобы сохранять лидерство в каком-то направлении, оборудование необходимо регулярно обновлять.
– Насколько я знаю, вы готовите к защите докторскую диссертацию. Как после подведения итогов уже сделанного планируете развивать свое направление – вширь или вглубь?
– Насекомые разнообразны, всегда можно изучить очередной неохваченный отряд, семейство, вид и получить много новых интересных данных. Но, как мне кажется, исследовав представителей 15 семейств и пяти отрядов, мы получили общее понимание процесса миниатюризации насекомых. Поэтому после защиты докторской диссертации, которая посвящена вопросам строения упомянутых групп, собираюсь сосредоточиться на более узких специализированных проектах. Будем с привлечением новых современных методов детально разбираться, как устроены и работают у миниатюрных насекомых нервная система, органы чувств, горловой аппарат, приспособления для полета.
– Расскажите о самом интересном из полученных вами результатов.
– Мы обнаружили, что у взрослой микроскопической осы Megaphragma нейроны практически лишены ядер. Других существ с подобными свойствами в природе пока не найдено: у всех живых организмов нервные клетки имеют ядра, тела, отростки. Понятно, что исчезновение ядер нейронов – результат миниатюризации. Но очень странно, что такая коренная перестройка нервной системы не сказалась на жизненных функциях насекомого: оса летает, размножается, находит хозяина, на котором паразитирует. Пока не ясно, как она мыслит. В любом случае, это уникальный модельный объект для изучения регенерации нервной системы.
Теперь мы хотим понять, способны ли эти осы к обу­чению, то есть работает ли у них память. Согласно современным теориям, долгосрочная память определяется белковым синтезом, а в безъядерных клетках он не происходит.
Вместе с коллегой мы вот уже полтора года проводим поведенческие эксперименты, но пока они ни к чему не привели. Речь идет о насекомом размером 0,2 мм, для него сложно подобрать стимулы. Поэтому полученные нами отрицательные результаты нельзя считать подтвержденными: возможно, мы предлагаем осам задачи, которые они не могут воспринять и выполнить, поскольку их органы чувств миниатюрны и упрощены.
– Имеют ли ваши работы практическое приложение? Например, можно ли использовать как-то мельчайших мошек в сельском хозяйстве или, поняв принципы миниатюризации, научиться выводить крохотных животных?
– Те группы микронасекомых, с которыми мы работаем, в основном индифферентны человеку, хотя и распространены повсеместно. Некоторые из них являются паразитами насекомых-вредителей сельского хозяйства, но этой темой мы не занимались.
Что касается миниатюризации животного мира, то получать карликов, да и гигантов, конечно, можно. И это давно делается путем скрещивания, создания специальных условий жизни. Но воспроизвести “в пробирке” эволюционные эксперименты, которыми природа занималась миллионы лет, невозможно.
Думаю, что в будущем полученные нами знания смогут послужить развитию таких областей, как микроробототехника, нанооптика, моделирование нейронных сетей, масштабирование сенсорных систем. Но на данном этапе это чистая фундаментальная наука: разработками, имеющими выход в практику, мы не занимаемся.

Подготовила
Надежда Волчкова
Фото Николая Степаненкова

Скачать материал в формате PDF:

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2