В последние годы ученые всё больше внимания уделяют так называемым микронасекомым – миниатюрным видам, чьи размеры значительно меньше большинства представителей этого класса. Среди этих удивительных созданий встречаются осы, жуки и муравьи. Один из ярких примеров – оса Megaphragma mymaripenne длиной всего 200 микрометров (1/125 дюйма), занимающая третье место в списке самых маленьких обитателей микромира.
Размеры этих существ сопоставимы с некоторыми одноклеточными организмами. В мозге M. mymaripenne насчитывается лишь 4600 нейронов – это абсолютный минимум среди всех изученных видов. Для сравнения: мозг медоносной пчелы содержит около миллиона нервных клеток. При уменьшении размеров мозга происходят характерные изменения: нейроны становятся меньше и располагаются плотнее, а количество синаптических связей между ними возрастает.
Сокращение размеров нервных клеток у микронасекомых вызывает у исследователей особый интерес. Если тела нейронов в человеческом мозге достигают примерно 20 микрометров в диаметре, а их ядра – 5-10 микрометров, то у этих видов прежде фиксировали минимальный диаметр тел нейронов 2-3 микрометра. Этот предел, вероятно, связан с ограничениями, накладываемыми размером ядра. Ученые предполагают, что уменьшение размера нейронов имеет эволюционное преимущество: клетки требуют меньше энергии как в состоянии покоя, так и при передаче сигналов, при этом их можно разместить более компактно.
Паразитическая оса Trichogramma evanescens демонстрирует еще один поразительный пример миниатюризации: весь ее мозг лишь немного превышает размер одного двигательного нейрона человека. Размеры мозга этих крошечных существ варьируются в пределах 160-330 микрометров, тогда как самые крупные двигательные нейроны человека – клетки Беца – достигают 50-100 микрометров.
Жук Scydosella musawasens, признанный самым маленьким свободноживущим организмом в своем классе, имеет размер всего 325 микрометров. Его мозг содержит около 9500 клеток со средним диаметром примерно 1,25 микрометра. И даже при таких экстремальных размерах тела сохраняется сложная организация нервной системы.
Исследователи обнаружили у некоторых видов удивительную особенность – отсутствие ядер в нейронах. У осы M. mymaripenne примерно 95% нервных клеток мозга лишены ядер, при этом их тела почти вдвое меньше, чем у нейронов с ядрами. Российские ученые недавно нашли второй вид паразитических ос (Megaphragma polilovi) с безъядерными нейронами мозга. Вероятно, механизм экономии пространства возник в ходе эволюции как минимум дважды независимо друг от друга.
Закономерность, известная как правило Халлера, гласит: чем меньше животное, тем больше относительный размер его мозга. Масштабное исследование 23 видов из 11 семейств и пяти отрядов подтвердило: это правило полностью соблюдается даже у самых мелких представителей фауны. Мозг не становится буквально больше, но его соотношение с размерами тела значительно возрастает.
Церебральный индекс – отношение массы мозга к массе тела – у человека составляет 2,5%. Долгое время рекордсменами считались колибри с показателем около 8%. Однако исследования показали, что у миниатюрной осы Trichogramma этот показатель достигает 8,36%, а у крошечных муравьев рода Brachymyrmex – поразительных 15%. В случае с объемом мозга цифры еще более впечатляющие: у личинок книжной вши Liposcelis bostrychophila центральная нервная система может занимать более 16% объема тела.
Такие большие относительные размеры мозга создают серьезные проблемы для организма. Помимо геометрических ограничений для размеров тела, они требуют колоссальных энергетических затрат. Фактически, размер мозга становится одним из ключевых факторов, ограничивающих дальнейшую миниатюризацию. Хотя меньшие размеры нейронов частично компенсируют энергетические затраты, очевидно, что физические пределы сжатия уже достигнуты.
Самое удивительное, что радикальное уменьшение размеров мозга никак не отражается на поведенческих способностях этих созданий. Самки ос Trichogramma, даже самых мелких форм, демонстрируют богатый поведенческий репертуар на уровне гораздо более крупных особей. Они сохраняют способность к полету, ходьбе, брачным ритуалам, могут определять размер и пол будущего потомства, обладают развитым зрением и обонянием, способны к обучению и формированию как краткосрочной, так и долгосрочной памяти.
Не менее впечатляющие результаты показывает оса Megaphragma polilovi с безъядерными нейронами: она полностью сохраняет сложные формы поведения и способность к передвижению, что доказывает функциональность нейронов без ядер. Однако механизм их работы остается загадкой. Науке до сих пор неизвестно, как происходит процесс растворения клеточных тел и ядер нейронов, как эффективно функционируют оставшиеся дендриты и аксоны, какие молекулярные механизмы обеспечивают их работу.