«То, что мы открываем, заинтересует создателей нейросетей, ИИ и микророботов»

«То, что мы открываем, заинтересует создателей нейросетей, ИИ и микророботов»

Интервью с энтомологом Алексеем Полиловым о мире микроскопических насекомых

Нас окружает огромное количество крошечных, не видимых невооруженным глазом существ, которые не только многочисленны, разнообразны и сложно устроены, но даже обладают памятью. Что это за существа и почему важно их изучать, рассказывает Алексей Полилов, член-корреспондент Российской академии наук, заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ.

Член-корреспондент Российской академии наук, заведующий кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексей Полилов

Фото: Наталья Лескова

— Предмет ваших исследований не просто насекомые, а микроскопические насекомые. Для многих это откровение, что нас окружает мир существ, невидимый для нас невооруженным глазом. Как этот мир выглядит? Он больше человеческого?

— Сложный вопрос. Как он выглядит, мы не знаем, потому что мы толком не можем в него заглянуть. Мы черпаем из него материал и изучаем его. Как устроены взаимоотношения внутри этого мира, как он устроен, мы знаем только по отдельным его представителям именно потому, что он микроскопический. Да и не было у нас задачи влезать в него целиком. Какие у них взаимоотношения — мы не знаем почти ничего.

— Тем не менее, что вам удалось понять?

— Моя группа и группы наших коллег занимаемся этим вопросом лет двадцать. Знаем уже очень много. С одной стороны, микронасекомые сложно устроены, сохраняют удивительную сложность, несмотря на крошечные размеры тела.

С другой стороны, есть целый ряд особенностей, которые связаны с миниатюризацией, и это отличает их от всех остальных насекомых, делает уникальными.

— О чем идет речь?

— Есть морфологические и физиологические отличия от более крупных насекомых. Некоторые системы органов сохраняют удивительную сложность, другие — наоборот, очень сильно меняются. У большинства из них нет сердца и кровеносной системы, потому что для этих размеров простых диффузий достаточно для транспорта. У некоторых из них — безъядерные нейроны, чтобы экономить место, и это теоретически невозможно, но оказывается, что это так. Вначале мы открыли это у одного вида, потом — у всех видов одного рода, а недавно обнаружили, что похожее явление как минимум двукратно возникает в двух разных семействах и, возможно, у кого-то еще.

— Если у них много чего нет, в чем сложность?

— При этом большинство систем и органов у них удивительно сложно устроены. Если мы возьмем пищеварительную систему, то там будут всего десятки клеток, но степень ее организации и дифференциации будет ровно такая, как у крупных насекомых. Если возьмем мускулатуру, то это сотни отдельных мышц, и набор этих мышц мало чем отличается от крупных насекомых. Если возьмем нервную систему, то даже с такими уникальными перестройками вроде безъядерности это все равно нервная система, в которой тысячи клеток. В пределах 10 тыс., но все-таки тысячи клеток, что при размере с одну-единственную клетку инфузории удивительно много.

— Как они передвигаются?

— Есть всевозможные формы передвижений — ходьба, бег, прыжки, полет, плавание. Все, что есть у насекомых, у микронасекомых тоже присутствует.

— Как вы это видите?

— В основном под микроскопом, с помощью скоростной съемки специальными камерами.

— Как их открыли?

— Многие из них были известны очень давно и описаны 150, 100 лет назад. Они вездесущи — их находили, видели, давали научные имена.

Многие из них были описаны очень давно, а многие не описаны и сейчас. Часто для нас проблема — найти какой-то описанный вид, а не найти вместо него десяток новых видов.

— Могут ли существовать микронасекомые, которых в силу несовершенства нашей оптической техники мы просто не видим?

— У всего есть свои пределы, у миниатюризации — тоже. Вряд ли мы обнаружим насекомых меньше 100 микрон длиной. Это размер, который невооруженным глазом не виден, но элементарные оптические приборы позволяют их увидеть. А чтобы было нечто такое маленькое, что не видно в микроскоп, думаю, это невозможно.

Наездник-яйцеед Megaphragma viggianii. Одно из мельчайших насекомых (длина тела 0,25 мм). Сканирующая электронная микроскопия

Фото: Алексей Полилов

Современные микроскопы имеют колоссальные возможности, и насекомые — это далеко не самый маленький объект, который можно увидеть в микроскоп. Сейчас можно наблюдать даже вирусы.

— Какой самый маленький размер того, что мы называем «живое»?

— Сначала нужно определить понятие «живое» и «неживое», понятие клеточной и внеклеточной жизни. Поскольку я этим не занимаюсь, у меня нет своего научного мнения на этот счет. Но я бы назвал вирусы живыми, хотя это особая внеклеточная форма жизни. Если брать их как живых, то они самые мелкие. Дальше будут и бактерии, и микоплазмы, и это другой размерный класс, отдельный микронный и субмикронный размер.

— Что вас поразило в тех организмах, которые вы изучаете?

— Да они меня каждый день поражают. За последнее время — мы обнаружили безъядерные нейроны еще в одной группе, во что долго никто не мог поверить. Оказывается, это не уникальное явление, возникшее один раз в одной группе, а универсальный способ экономии места и, возможно, энергии, который возникал, скорее всего, много раз, независимо от групп насекомых.

Еще одно открытие (правда, это было известно еще до нас) — маленькие насекомые, способные летать, некоторые из которых способны еще и плавать. Причем плавать с помощью тех же самых крыльев. Это было показано еще сто лет назад, но как это происходит, какие механизмы в основе этого лежат — это было неизвестно. Сейчас мы активно занимаемся этим вопросом, у нас есть скоростные записи полета и плавания одного и того же объекта — в воздухе и в воде.

— Это свойственно только микронасекомым или более крупные «двойники» тоже так умеют?

— Есть насекомые, которые летают и плавают, но делают это с помощью разных структур. А здесь одна и та же структура. Есть еще птицы, которые могут делать то же самое, но они делают это с помощью серьезного изменения геометрии крыла. Поскольку их крылья — это скелетная структура с мускулатурой, они могут сильно их подстраивать под среду. А у насекомых, особенно у микронасекомых, крылья — это жесткие структуры. Они не могут менять свою геометрию.

Портрет наездника-яйцееда Trichogramma telengai. Сканирующая электронная микроскопия

Фото: Алексей Полилов

Оказалось удивительным, что кинематика их работы, траектория их движения в воде и в воздухе оказываются очень сходными. Это было неожиданно для нас. И много другого, что мы так или иначе находим каждый день.

— А для чего нужно их изучать, если мы их даже не видим?

— В первую очередь — это фундаментальная наука, познание принципов природы, ее эволюции. В основном мы сейчас находимся на этом этапе. Но вообще принципы миниатюризации и оптимизации биологических организмов, органов, структур можно пытаться реализовать в виде технологий.

То, что мы открываем сейчас, заинтересовывает создателей нейросетей, ИИ и даже микророботов. Природа сконструировала это в миниатюре много миллионов лет назад, но пока никто не может и близко повторить что-то подобное. Это — задачи будущего.

— Слышала, что вы изучаете в том числе когнитивные способности этих насекомых. Неужели у этих крошечных существ они тоже есть?

— Да, есть, и мы сейчас над этим много работаем, потому что понимание того, как работает их мозг, может позволить нам использовать его как модельный объект для фундаментальных нейробиологических вопросов. Оказывается, что даже насекомые с безъядерной нервной системой обладают теми же функциями нервной системы, что и крупные насекомые, да и по большому счету — все животные. Они способны контролировать сложную локомоцию, модифицировать свое поведение.

Сейчас моя аспирантка показывает на очень разных миниатюрных насекомых, что у них есть обучение и память. Буквально на днях мы получили первые, вполне убедительные цифры, что даже насекомые с безъядерной нервной системой способны к обучению и долгосрочной памяти. Фундаментальные принципы работы мозга у них точно такие же, как у больших.

— Что вам дает эта информация?

— Это позволяет нам иметь некоторый контекст для работ, потому что эта система выполняет те же функции, что и большие мозги. Когда мы закончим работу, будет полноценная нейронная сеть, которая имеет функции и которую можно моделировать математически. И, поскольку это еще некоторые примеры оптимизации нейронной сети, у той же пчелы — миллион нейронов, у маленьких насекомых — 10 тыс., при этом базовые функции выполняются те же самые. Некоторые сравнительные работы позволят нам выделить принципы оптимизации работы их нервной системы.

— Есть ли закономерность, что чем животное больше, тем у него сложнее все устроено?

— Если говорить в целом, то, наверное, да. Но это не совсем линейная зависимость, не все животные будут оказываться на этой линии. Есть направления эволюции, связанные с дегенерацией, которая приводит к значительному упрощению и у крупных форм. С другой стороны, среди мелких форм есть представители очень сложно устроенные, их большинство, а есть карлики в прямом и переносном смысле, у которых ничего нет. Среди насекомых есть самцы дикопоморфы, которые лишены глаз, пищеварительной системы, ротового аппарата, крыльев, лапок…

— А что же у них есть?

— Есть половая система. Их единственная функция — размножение. Про их биологию почти ничего не известно, но, исходя из их строения, мы понимаем, что они должны выйти из яйца хозяина, в котором они развиваются, дождаться, пока их найдет самка, у которой есть все, что должно быть у насекомых, выполнить свою функцию — и больше они ни для чего не нужны.

Жук перокрылка Paratuposa placentis с расправленными крыльями. Одно из мельчайших свободноживущих насекомых (длина тела 0,35 мм). Сканирующая электронная микроскопия

Фото: Алексей Полилов

— Грустная у них жизнь. Я поняла, что есть предел миниатюризации. А наоборот есть предел — увеличения в размерах?

— Есть. Как у любой конструкции, всегда есть верхний и нижний предел. У насекомых есть свои гиганты. Из ныне живущих это дровосек-титан, жук примерно 20 см длины и несколько сот грамм весом. Он живет в тропиках Южной Америки. Есть австралийские палочники около полуметра длиной, но они по массе уступают крупным жукам.

В исторические времена были более крупные насекомые — например, представители отряда стрекоз. Но, вероятнее всего, это связано с тем, что условия жизни на планете были немного другие. Было теплее, вероятнее всего, было больше кислорода в атмосфере. Другое соотношение хищников в воздухе, у стрекоз не было конкурентов.

— Означает ли это, что все движется к миниатюризации?

— Не совсем так. Конечно, миниатюризация — это одно из основных направлений эволюции насекомых, многие группы движутся в эту сторону, но есть и группы, которые движутся в обратную сторону. Те же самые представители гигантизма, которым мы пока мечтаем заняться. Хотим изучать принципы гигантизма, его пределы у насекомых — это ведь тоже интересно.

— Как вы думаете, могут ли быть такие существа, которым мы не видны, настолько они большие?

— Наверное, нет. Из того, о чем остались палеонтологические следы, даже самые крупные формы, которые когда-либо существовали, отличались от нас совсем не так сильно, как микронасекомые отличаются от нас. Можно предполагать, что их зрение наверняка имело такое разрешение, что они бы видели нас. Они были бы на порядок-два больше нас. Если могли бы существовать живые объекты размерами в сотни метров, то, может быть, они бы нас не видели. Но таких никогда не встречалось на Земле.

Жук перокрылка Acrotrichis montandoni с расправленными крыльями. Сканирующая электронная микроскопия

Фото: Алексей Полилов

— Значит, размер все-таки имеет значение?

— Он всегда имеет значение. Это одна из основных характеристик живых и неживых объектов, и от него зависит многое.

— То, что человек такого размера, не метр, не три и не пять, это тоже определяет нас как вид?

— Безусловно. Любая конструкция имеет некоторые оптимальные размеры. Эволюционно поддерживаются конструкции, которые в этом размерном классе выгодны. Если отбросить всю социальную эволюцию или отсутствие эволюции у современного человека, то в любом случае нас сформировал какой-то отбор. Этот отбор определял эффективность функций, которые мы выполняем. Естественно, всегда есть очень строгие границы по размеру.

Существует очень немного видов, у которых есть колоссальные разбросы в размерах. Чаще всего это тоже связано с биологией. Это чаще всего виды, которые живут в строго определенных условиях среды и субстрата.

Например, среди насекомых есть яйцевые паразиты, личинки которых живут в яйцах других насекомых. Поскольку исходно они «заточены» под строго определенные яйца, то сколько личинка съела, такого размера получается имаго. Если подсунуть им крупные яйца, нетипичные для них, можно вырастить огромные особи. Если подсунуть маленькие, будут очень мелкие особи.

— Значит, это можно сделать искусственно?

— Сейчас мы как раз проводим несколько экспериментов эволюционного характера, когда поддерживаем разные линии насекомых, искусственно отбирая все более мелких и более крупных, чтобы посмотреть, как это расширение их норма реакции по размерам приведет к изменениям в строении мозга и к эффективности его работы.

— Не опасно проводить такие эксперименты над природой?

— Нет. Эти насекомые никакой угрозы для нас не представляют. Если мы их возвращаем обратно на исходного хозяина, то они через одно-два поколения возвращаются к своим стандартным разбросам размеров.

— Что вы испытываете по отношению к этому миру микроскопических насекомых? Вы их одушевляете, наделяете какими-то качествами? Вы на них смотрите, а они вас видят?

Наездник-яйцеед Anaphes flavipes. Сканирующая электронная микроскопия

Фото: Алексей Полилов

— Видят, потому что мы — огромные объекты, нас не видеть сложно. Но нет, наверное, мы их не одушевляем. Эмоции у нас вызывает в основном то, что мы их обнаруживаем, и те способности, которые у них есть. Конечно, они классные, очень фотогеничные. Но сложно работать с объектами, которые вызывают какую-то привязанность. Без микроскопа мы их даже не видим. Это пылинки. Но совершенно удивительные пылинки — живые.