Каждая личинка — индивидуальность
Kандидат биологических наук Виктор Большаков
Рыбаки используют их как наживку, аквариумисты — как корм для аквариумных рыбок. Но, оказывается, эти небольшие червячки красного цвета, которых обычно называют мотылём, — объект пристального внимания биологов.
Рыбаки используют их как наживку, аквариумисты — как корм для аквариумных рыбок. Но, оказывается, эти небольшие червячки красного цвета, которых обычно называют мотылём, — объект пристального внимания биологов.Рассказывает кандидат биологических наук Виктор Большаков, ведущий научный сотрудник лаборатории экологической биохимии Института биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина. Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Виктор Викторович, что такое мотыль с научной точки зрения и чем он интересен?
— Мотыль — собирательное название личинок комаров-звонцов, по-научному хирономид. Комары-звонцы не кусаются и не пьют кровь. Их личинки тоже мирные — живут на дне водоёма, строят трубки-домики и помогают очищать воду от различных загрязнений.
— Трубки-домики? А как они выглядят?
— Личинки прорывают себе в грунте маленькие туннели, укрепляют их паутиной, которую сами же и производят. Они могут собирать вокруг входа песчинки, сами подтаскивают их к себе в дом и укрепляют стенки. В домиках личинки живут, прячутся от хищников, создают в них посредством ундуляции перемещение воды. Ундуляция — это периодические изгибания. Как будто маленькая турбинка сидит внутри трубки-домика, создаёт ток воды, который проходит сквозь натянутую паутину, только не как у паука, а в виде беспорядочно натянутых нитей, на которых задерживаются пищевые частицы, как на фильтре, и личинка их периодически съедает. Домики нужно постоянно ремонтировать, укреплять, и когда личинки покидают их — когда им становится пора превращаться в комаров — домики быстро разрушаются.
— То есть эти личинки — достаточно сложно организованные существа, строящие жилища. За ними специально наблюдали, чтобы всё это выяснить?
— Да, есть работы 1940—1950-х годов британского биолога Барбары Уолш. Она проводила эксперименты с личинками, помещая их в искусственную среду, и смотрела, как они строят трубки-домики. Сотрудник нашего Института Николай Александрович Шобанов тоже проводил такие эксперименты. Собранных личинок он помещал в экспериментальный сосуд с прозрачными стенками и наблюдал в течение четырёх месяцев, как они строят свои жилища. Кроме того, учёные занимались послойной съёмкой грунта: погружали дночерпатель, поделённый на секции, и в глубоких слоях находили личинок. Они поняли, что если бы личинка оказалась там в изоляции, она бы погибла без кислорода и пищи. Значит, у неё должен быть выход на поверхность, а лучше два, чтобы в один вода входила, а из другого, соответственно, выходила.
Этот эксперимент можно повторить даже у себя дома. Нужно посадить личинок в аквариум, и если хотя бы одна из них поселится около прозрачной стенки, вы увидите, как она будет строить свой домик. Её можно периодически фотографировать, чтобы фиксировать успехи.
— Вы сказали, что это личинки комаров-звонцов. А почему они звонцы?
— Звонцами их называют, потому что они во время полёта издают звук, похожий на звон, — в отличие от кровососущих комаров, которые пищат над ухом и мешают нам спать. Видов комаров-звонцов достаточно много, и ведут они себя по-разному: некоторые роятся над водоёмами в безветренное время, другие вообще не роятся, а просто сидят на растениях. Но есть модельный вид — Хирономус плюмозус (Chironomus plumosus L., 1758). У него большие усы в виде пера, а передние конечности подняты вверх, как у дирижёра.
— Вы сразу отличаете такого комара? Вот он сел на вас, и вы знаете: этот хочет меня укусить, а этого я убивать не буду.
— Да, конечно. Комары-звонцы нас даже не боятся, не улетают от нас. По такому поведению их очень легко отличить от кровососущих комаров. Например, если у нас во второй половине августа открыть окно без сетки, в комнату налетает очень много комаров. Но они просто сидят вокруг люстры, вокруг ламп, и мы совершенно им безразличны. Это и есть хирономиды самых разных видов.
— А питаются они чем?
— Ничем. У них нет ротового аппарата. Они лишь могут пить росу. Взрослые комары живут всего 2—3 дня, редко чуть дольше, поэтому и нет необходимости питаться. Всё равно после спаривания они погибают. Такой вот странный, на первый взгляд, жизненный цикл: из красной личинки выходит комар, он живёт максимум одну неделю и служит только для размножения, для продолжения рода.
Семейство хирономид огромное, несколько тысяч видов. А видов с красными личинками, или хирономусов, в европейской части России живёт около шестидесяти. Личиночная стадия — основная в их жизни. В нашем климате за лето происходит два-три цикла размножения, два-три вылета. Но у некоторых видов личинка может жить три-четыре года, например, в районах вечной мерзлоты, где очень короткое лето, которое длится несколько недель. И когда личинка накапливает сумму положительных температур, тогда она превращается в куколку, из которой выходит комар.
— Осень и зиму личинки проводят на дне водоёма?
— Да. Они ждут своего часа — потепления. Когда вода достаточно прогревается, они понимают, что пришла весна. В нашем Рыбинском водохранилище это примерно начало июня. А из прогретых луж они могут вылететь уже в мае — всё зависит от температуры воды.
Мотыль — это основной корм ценных промысловых рыб, невероятный источник белка, который легко усваивается. Рыба растёт на личинках как на дрожжах.
— А что если рыба съест всех личинок, так что комарам не из чего будет вылупиться?
— Личинок настолько много, что такой угрозы нет. Самка откладывает кладку, в которой от 600 до 3500 яиц, и практически из всех яиц выходят личинки. Если бы они все доживали до стадии комара, у нас было бы комариное царство — дышать было бы невозможно, они были бы везде.
— То есть природа так устроила, что они жертвуют собой, чтобы прокормить другие виды?
— Это скорее не жертва, а жизненная стратегия: либо ты воспитываешь одного детёныша и доводишь его до половозрелого состояния, либо ты не хочешь о детёнышах заботиться, но тогда нужны тысячи потомков, с расчётом, что кто-нибудь из них выживет.
Ещё личинки комаров-звонцов способствуют очистке водоёмов, создавая благоприятные условия для развития полезных бактерий. С помощью своих трубок-домиков они увеличивают поверхность соприкосновения воды и грунта. На этой поверхности поселяются полезные бактерии, которые питаются загрязняющими веществами, очищая тем самым воду. Вот было плоское дно — в нём появились трубочки с неровными стенками, чем-то похожие на губку для мытья посуды и активированный уголь.
А можно представить другую ситуацию: есть мелкий водоём, например канава, в ней ещё ничего нет, только вода. Но вот прилетел комар, отложил яйца, из которых вышли личинки, они нашли какие-то мельчайшие частицы органики, начали питаться и выделять в воду отходы своей жизнедеятельности. На этих отходах начали развиваться бактерии ещё в большем количестве. Через какое-то время в этом модельном водоёме складываются такие условия, что в нём могут жить другие животные.
— Получается, что личинки могут изменить экосистему?
— Да. Прилетают комары, их личинки очищают воду, осаждая взвешенные частицы и создавая благоприятную среду для жизни полезных бактерий и других организмов. Вот чем они полезны.
— Чем они интересны для науки?
— Значительная часть видов хирономид описана не по взрослой стадии, а по личиночной, потому что личинок легче найти. Помните, комар — это очень короткая, недолго живущая стадия. Если вы пришли на лужайку, покосили сачком в траве и никого не нашли, это не значит, что хирономид в этом месте нет, просто комары ещё не вылетели.
А если вы пришли на водоём с ситом, промыли грунт и нашли там личинок хирономид, неизвестных науке, то можно описать новые виды хотя бы по личинке. И что самое интересное — собранные вами красные личинки слабо различаются по морфологии между собой. Их межвидовые признаки пересекаются и как бы перетекают из одного вида в другой. Чёткой границы между видами нет.
Есть ещё внутривидовая изменчивость, которая зависит от условий в водоёме. Бывали случаи, когда один вид описывали несколько раз. Встречаются и виды-близнецы, которые, наоборот, описывают как один вид.
— Как же вы их отличаете?
— На наше счастье, у них есть слюнные железы, а в них — политенные, или многонитчатые хромосомы, которые возникают в результате многократного удвоения нитей ДНК, но клетка при этом не делится. Новые нити ДНК как бы магнитятся друг к другу, конъюгируют, и через большое количество удвоений эти хромосомы становятся видны практически невооружённым глазом. Их можно увидеть даже через обычную лупу в виде маленьких полосатых телец, только сначала нужно правильно окрасить. Когда их видят в первый раз, говорят, что внутри личинок хирономид как будто сидят маленькие червячки. Политенные хромосомы нужны для того, чтобы производить как можно больше слюнного секрета. Чем больше ДНК, тем больше «фабрика» по его производству. Личинке нужно производить много этого секрета, чтобы построить трубку-домик, вовремя её отремонтировать, натянуть ловчую сеть из нитей.
— Политенные хромосомы — это уникальное свойство? У других организмов ничего подобного не наблюдается?
— Встречается, но у личинок хирономид, на мой взгляд, самые красивые хромосомы. Это подтверждают коллеги, которые занимаются другими группами, у которых тоже есть политенные хромосомы.
Рисунок на этих хромосомах видоспецифичен. Этот рисунок состоит из чередующихся тёмных и светлых полос. Когда накопилось достаточно материала, учёные выделили отдельные районы с самыми заметными полосами, пронумеровали их и сделали маркерными, чтобы можно было ориентироваться. Кто-то сравнивает чередование полос со штрихкодом на товарах, и действительно очень похоже. У видов бывают не только межвидовые различия по такому штрихкоду, но и внутривидовые. Это называется полиморфизмом. Например, повернулся один участок на хромосоме на 180°, и вот у нас новая последовательность полос.
У нашего модельного вида Chironomus plumosus известно около 70 инверсионных вариантов хромосом. Какие-то варианты были встречены только раз, другие встречаются постоянно. Причём распределение разных инверсионных вариантов хромосом по ареалу не одинаково и зависит не от географического положения водоёма, а от условий среды обитания личинок.
Если два водоёма находятся рядом и условия в них разные, то и у личинок хирономид будет разный набор хромосомных инверсий. Предположительно, разные хромосомные инверсии обладают различными адаптивными возможностями, то есть не сами хромосомы, а личинки могут получать новые «суперспособности» выживать в различных условиях. Именно поэтому распространение их может быть неравномерным.
— Какие температуры они могут выдерживать?
— Трудно сказать. Но они не должны вмерзать в грунт. Они очень плохо это переносят, выживают единичные особи. Чтобы узнать, как они приспосабливаются к разным условиям, далеко ходить не надо. Мы изучали личинок из Рыбинского водохранилища и из ближайших к нему водоёмов и нашли такую закономерность. У всех личинок из водохранилища на первой хромосоме в плече B встречается вариант B2, а у личинок из пруда на берегу водохранилища исключительно вариант B1. Комары легко перемещаются между этими водоёмами и откладывают яйца, но выживают только обладатели «полезных» хромосомных инверсий, соответствующих своему водоёму.
Я привёл пример только с двумя хромосомными инверсиями, а их, напомню, около семидесяти.
— Но это не значит, что больше нет?
— Нужно искать. Когда-то мы нашли в Рыбинском водохранилище вариант B9, а сейчас есть вариант B16. То есть для плеча B первой хромосомы известно 16 инверсионных вариантов. Каждая из хромосомных инверсий может играть важную адаптивную роль. В дальнейшем можно ставить эксперименты по влиянию разных условий среды, например солёности, на личинок с разными комбинациями хромосомных инверсий. Думаю, что это будет интересной работой для интересующихся студентов.
— Я вижу, что у вас в лаборатории в аквариуме живут личинки. Что вы с ними делаете?
— Они здесь для души, сейчас я просто за ними наблюдаю. А так это стандартная лабораторная культура Chironomus riparius. Вот здесь у меня живёт ещё и дафния магна.
— Они нормально живут рядом друг с другом?
— Да, совершенно. Они не пересекаются между собой. А вот если плотность посадки личинок очень большая, они могут прокусывать покровы друг друга, и тогда кто первый истечёт гемолимфой, тот и проиграл. В природе мы такого не видели, конечно, потому что это очень сложно наблюдать, а в лабораторных условиях — пожалуйста.
— То есть они тоже могут быть агрессивными?
— Да, это борьба за пищу и «место под солнцем». Они, бывает, враждуют и выгоняют друг друга из домиков, занимают домик своего конкурента или, наоборот, он отбивается, и «хулиган» уходит ни с чем. Да, это маленький мир. А что касается наших экспериментов — мы смотрели, как влияет солёность, голодание и т. д.
— И как у них с экстремальными условиями? Слышала, что комары-звонцы — один из модельных образцов для испытания на экстремофильность, их даже в космос отправляли.
— К сожалению, я не слышал про космические путешествия хирономид. Но знаю об уникальном виде Polypedilum vanderplanki, он переносит полное высушивание. Его нашли в Африке на дне временных, пересыхающих, водоёмов. В короткий период дождей личинка оживает. В одной работе было упоминание о том, что их удалось оживить после семнадцати лет пребывания в виде мумий*.
— Если посмотреть на способности ваших модельных организмов, чему бы вы хотели у них научиться?
— Их изменчивости. Организм хирономид можно рассматривать как швейцарский нож: на любые изменения условий среды обитания у них есть свой ответ, за счёт высокого уровня хромосомного полиморфизма. На данный момент мы нашли 186 сочетаний инверсионных вариантов хромосом среди двух тысяч личинок Chironomus plumosus. Мы изучили личинок из реки Волги, Рыбинского водохранилища, прудов, рек и многих других точек, и в каждом из этих водоёмов у личинок формируется свой уникальный набор хромосомных инверсий. У личинок из такого большого водоёма, как Рыбинское водохранилище, можно выделить общие для всех хромосомные варианты, и в то же время в отдалённых друг от друга точках мы уже можем найти уникальные сочетания, характерные только для этих точек. Получается, если нам передадут личинок, собранных из этого водохранилища, мы по их хромосомам сможем сказать, откуда конкретно их взяли.
— Вы говорили про эксперименты с солёностью. О чём речь?
— Мы помещали личинок в аквариумы с разной солёностью и смотрели на их выживаемость. Увидели, что личинки с определёнными сочетаниями хромосомных инверсий лучше переносят повышение солёности. (Кстати говоря, мы используем личинок из Рыбинского водохранилища, у них уровень хромосомного полиморфизма очень высок.) Кроме этого, в адаптации к разным условиям им помогает гемоглобин, который и придаёт хирономидам красный цвет.
— Откуда у них гемоглобин? Они же не пьют нашу кровь.
— Гемоглобин они производят сами. Основной метод изучения гемоглобинов и остальных белков гемолимфы — электрофорез. Упрощённо, электрофорез — это когда молекулы вещества, в нашем случае белка, перемещаются под действием электрического поля в поддерживающей среде из крахмала или полиакриламида. Такая среда состоит из большого количества ячеек, через которые протискиваются молекулы, и чем больше молекулы, тем меньше их скорость. Молекулы с одинаковым размером перемещаются вместе и выглядят как отдельная тонкая полоска. Если видов молекул много, то и полос мы увидим много.
Мы разделили гемоглобины из одной капли гемолимфы хирономид и увидели больше 20 отдельных фракций. Чтобы было проще понять, как это выглядит, представьте лестницу со ступеньками-перекладинами, и вот каждая такая перекладина и есть фракция гемоглобина. И каждая фракция может выполнять свою функцию, в зависимости от размера и состава. Как видите, хирономиды и правда очень интересный объект во всём. Только его мало исследуют.
— Почему именно у ваших подопечных такой сложный гемоглобин?
— Возможно, это связано с их средой обитания. Фенотипов гемоглобинов в виде таких лесенок у обычных видов — где-то около восьми, как, например, для нашей лабораторной культуры Chironomus riparius. Наверное, стоит пояснить, что фенотип — это сочетание тех 20 фракций гемоглобина, о которых я сказал ранее. Дело в том, что не все фракции встречаются одновременно у одной личинки. Это 20 мест, где мы можем увидеть фракции-«ступеньки» на лестнице, некоторых там может и не быть. Тоже похоже на штрихкод, только гемоглобиновый.
Мы изучили гемоглобин 800 личинок нашего модельного вида Chironomus plumosus и нашли около 600 фенотипов, или штрихкодов. Выходит, что почти каждая из личинок, которых мы изучили в электрофорезе, это практически индивидуальность. Личинки с одинаковыми фенотипами встречаются очень редко. Каждый раз, когда вы ловите рыбу на «мотыля», то лишаете мир, можно сказать, чего-то уникального.
Вот уже на протяжении десятка лет мы изучаем популяционную изменчивость гемоглобинов у хирономид из Рыбинского водохранилища. Здесь нам снова очень сильно повезло: наш институт организует регулярные экспедиции по Рыбинскому водохранилищу на хорошо оборудованном экспедиционном судне «Академик Топчиев». Мы посещаем одни и те же точки, проводим комплексное исследование. И мне несколько раз за сезон, ранней весной, летом и поздней осенью, с глубины 12—16 метров достают дночерпателем ил, который я промываю через специальное сито и выбираю хирономид.
Комары беспрепятственно перемещаются между разными точками водохранилища, у них же есть крылья. Представляете, комары Chironomus plumosus роятся на высоте около 15 м, и внезапный порыв ветра может перенести их на сотни метров, а может и на несколько километров. Оказалось, что фенотипы гемоглобинов личинок, со-бранных из разных точек водохранилища, различаются.
— Как же так? Водоём один, а условия разные?
— Именно так и есть, водоём большой, и исследуемые точки относятся к разным речным системам. По электропроводности и по другим характеристикам в них определяется вода реки Волги, реки Шексны и реки Мологи. Представьте обратную ситуацию: нам принесут личинок из водохранилища и спросят, откуда они, из какой точки. Тогда мы проведём электрофорез гемоглобинов и с вероятностью 99% определим точку сбора и условия обитания этих личинок.
Получается, что личинки непрерывно адаптируются, приспосабливаются и очень точно настраивают свой гемоглобин, свою внутреннюю среду для текущих условий существования. Теперь мы можем использовать полученные знания для отслеживания изменений, которые происходят в водоёме со временем.
— А если перенести их в лабораторию?
— Это достаточно сложно осуществить. На дне водоёма они дома, там свои условия, привычная концентрация кислорода, минеральный состав воды и знакомая пища. А мы достаём их с глубины 16 метров, сразу возникает перепад давления. Спрятаться некуда, трубки-домика больше нет. Все условия изменились, а это сильный стресс для организма.
Мы выяснили, что фенотип гемоглобинов у таких личинок сразу начинает меняться, и уже через два дня невозможно определить, к какой точке они относятся. Можно сказать, что начинает формироваться лабораторный фенотип. Именно поэтому мы отбираем гемоглобин в отдельные пронумерованные пробирки и замораживаем в морозильной камере непосредственно на судне. А личинок помещаем в специальный фиксатор. Каждую особь в отдельный «бокс» — в свою пронумерованную пробирку, где они хранятся до момента проведения электрофореза и хромосомного анализа. Только так мы можем быть уверены в точности полученных результатов.
— Можно ли использовать эти гемоглобины в прикладных целях?
— Конечно, можно. Личинки хирономид — это хорошо известный лабораторный объект, их уже давно используют в токсикологических исследованиях. С их помощью можно исследовать влияние любого вещества на живые организмы и оценить его токсическое воздействие.
Например, на хирономидах уже испытали влияние наночастиц, сейчас эта тема очень актуальна. Можно установить химический состав чего угодно, и мы сразу узнаем, чем загрязнён грунт. Но мы не узнаем, какое влияние будет оказываться на живые организмы.
— Как поставить такой эксперимент?
— Поставить эксперимент с участием хирономид достаточно просто. Для начала нам понадобится аквариум подходящего размера и сами личинки лабораторных культур хирономид. Теперь можно растворить исследуемое вещество в воде, а если оно плохо растворяется, то перемешать его с грунтом или взять для анализа природный субстрат. Затем поместить личинок в подготовленный аквариум, в условия эксперимента. Результат будет известен уже через несколько недель. Обычно оценивают выживаемость личинок и тератогенное влияние — это возникновение уродств и другие морфологические изменения. Используют хорошо известные признаки, различимые в микроскоп: ротовой аппарат, антенны и разные щетинки. Например, сотрудники нашего института выяснили, что хлорид ртути приводит к деформации антенн, а органические загрязняющие вещества — к повреждениям ротового аппарата. Все экспериментальные методики уже разработаны и многократно опробованы. Осталось лишь исследовать гемоглобин у экспериментальных личинок. На данный момент у нас есть предварительные результаты, и они обнадёживают. Когда у нас будут результаты серий таких экспериментов, тогда мы сможем использовать гемоглобины хирономид в качестве биологических маркеров.
— Вы сказали о том, что личинки хирономид — это незаменимый источник белка. Можно ли их использовать для питания? Сейчас это очень модное направление — питание насекомыми.
— Это в принципе возможно. Нужно только исключить заражение их паразитами. Надеюсь, у нас с ними нет общих паразитов. Мне часто попадаются личинки, внутри которых находятся нематоды, и они могут быть длиннее самого носителя в два раза. Нужно создавать чистые условия содержания, и тогда можно попробовать их на вкус. Этот вопрос скорее к тем, кто разрабатывает технологии для пищевой промышленности. Хотя у меня своё мнение на эту тему.
— Вы не хотите, чтобы их ели?
— Да, наверное, мне их немного жалко. Тем более, что, как я уже говорил, каждая личинка — индивидуальность. Это объект моего исследования, и мне трудно представить, как их можно есть. Наверное, их можно использовать в качестве белковой добавки в корм для животных.
— Но ведь их можно специально выращивать в лабораторных условиях именно для питания?
— Есть методика 1958 года, называется «Биология хирономид и их разведение». Но для начала нужно найти такие виды, содержание которых будет экономически оправдано. Ещё нужно следить за уровнем воды, количеством вносимой пищи. Контролировать все параметры среды, где содержатся личинки. Думаю, что содержать сверчков и мух несколько проще, им не нужен отдельный домик. Здесь же, если плотность посадки личинок окажется слишком высокой, они будут друг другу мешать и конфликтовать. Поэтому лучше мы будем их изучать.
Иллюстрации предоставлены Виктором Большаковым.
Комментарии к статье
* О комарах, выдерживающих экстремальные условия, см. статьи: Т. Зимина, А. Понятов. Комары нашли точку опоры в космосе. — «Наука и жизнь» № 5, 2014 г.; К. Стасевич. Комары, которые не боятся обезвоживания. — «Наука и жизнь» № 10, 2014 г. — Прим. ред.
Статьи по теме
Читайте в любое время
