У них невероятная репродуктивная скорость
Самка мухи только за один месяц способна отложить свыше двух тысяч яиц! Эти летающие насекомые завершают свой жизненный цикл от личинки до взрослой особи всего за 8–12 дней. И чем теплее условия, тем скорее вылупляются и растут личинки.
Фото: UNL Department of Entomology
У мух полный метаморфоз. Большинство видов яйцекладущее. Сначала половозрелая самка откладывает яйца, а затем из них вылупляются мелкие желтоватые личинки, имеющие червеобразную форму. Сочлененные лапы у них отсутствуют. По мере роста личинки неоднократно линяют, сбрасывая всю оболочку. Позже они превращаются в куколку, которая на последней стадии созревания становится взрослой особью.
Есть ли мозг у насекомых и растений?
У насекомых тоже есть мозг. Только он гораздо меньше, чем у млекопитающих, и содержит гораздо меньше нейронов. Также у насекомых отсутствуют имеющиеся у позвоночных мозговые центры. Но имеющиеся несколько тысяч нейронов позволяют им управлять мышцами и достаточны для жизнедеятельности. При этом, похоже, что насекомые не способны испытывать боль. А вот у растений нервной системы нет. Кстати, именно поэтому они не могут передвигаться. Загадка высокой социальной организации муравьев всегда увлекала исследователей
Гены некоторых видов мух схожи с человеческими молекулами ДНК
У мух всего четыре хромосомы, но их генетический код очень похож на молекулы человеческого ДНК. По данным молекулярно-генетических исследований НАСА, гены мух соответствуют почти 77% обнаруженных ДНК человеческих болезней. При скоротечном жизненном цикле – у подавляющего большинства видов мух процесс перехода от яйца к половозрелой особи занимает всего семь дней – эксперты могут исследовать генетические мутации вирусов за гораздо более короткий временной промежуток, чем с прочими представителями животного мира. Из-за этого мух часто используют в медицинских и фармакологических исследовательских лабораториях.
Строение мозга
Центральная нервная система этого класса состоит из ганглиевых узлов, соединенных в цепочку. Несколько пар ганглиев соединяются в мозг. Он состоит из трех отделов: первичный (протоцеребрум), вторичный (дейтоцеребрум), и третичный (тритоцеребрум). Дейтоцеребрум и тритоцеребрум являются достаточно простыми отделами, по структуре это обычные ганглии, это объясняется тем, что они посылают нервные сигналы только к тем частям организма, с которыми они связаны, то есть усиками и ротовой полости. Протоцеребрум гораздо сложнее по строению, т.к. он координирует работу всего организма.
Головной мозг насекомых
Протоцеребрум
Первичный мозг или протоцеребрум является самым большим отделом. Он отвечает за все процессы, протекающие в организме. Эта часть разделена на несколько зон, имеющих разное строение и отвечающих за разные функции. Протоцеребрум состоит из нейронов, отвечающих за обработку и анализ информации. Внешне протоцеребрум напоминает большой мозг млекопитающих. Внутри первичного отдела находятся волокнистые массы, называемые нейропилярными массами, образованные из отростков нервных клеток. С помощью нейропилей мозг делится на несколько отдельных частей.
Этот отдел, кроме координации работы организма, отвечает за зрение, а также за взаимодействие между отдельными особями. Благодаря протоцеребруму, некоторые виды способны к организации.
Ученые заметили, что у насекомых с более сложной организацией протоцеребрум развит сильнее. В помощью стебельчатых тел формируются ассоциации и происходит более подробная обработка информации, помогающая образовывать связи между особями. У коллективных насекомых количество стебельчатых тел значительно больше. Например у пчел эти тела занимают до 20 % мозга, а у мух или тараканов менее 2 %.
Дейтоцеребрум
Располагается перед тритоцеребрумом, передаем сигналы нервной системы в усики. Нервные волокна антенн – единственные волокна, связанные с этим отделом. Они очень развиты, начинаются со спинного (моторного) и брюшного (сенсорного) нервных корешков. Вторичный отдел разделен на две части, соединенные между собой комиссурой.
Тритоцеребрум
Располагается между остальными отделами мозга спереди от него и брюшной нервной цепочкой позади. Находится над кишечником и разделен на две части, соединенные между собой дугой, огибающей кишечник. Изначально тритоцеребрум отвечал за подачу сигнала нервной системы в усики, но позднее эта функция атрофировалась. Сейчас третичный отдел передает сигналы по нервным волокнам к мышцам ротовой полости и верхней губы.
У каждого вида своя диета
Различные виды мух привлекают разные источники питания. Рацион многих видов в основном состоит из личинок. Кому-то также нравится пить нектар, другие предпочитают животные экскременты и разлагающиеся вещества, в том числе сопрелые фрукты и овощи, разлагающееся мясо мертвых животных. Некоторые виды любят полакомиться спелыми фруктами, грибами и растительными соками, а кому-то по нраву молочные продукты. Многие виды мух также фильтруют микроскопические питательные частицы из пресноводной воды.
Фото: www.lawnstarter.com
Некоторые более крупные виды мух – хищники, они хватают других насекомых, наносят им удары колюще-сосущим ротовым хоботом и высасывают их кровь и органы. Некоторые самки пьют кровь позвоночных, чтобы получить белок, необходимый для их яиц.
Разум человека и разум муравьев
Человеческий мозг часто расценивают как самый развитый в животном мире. Однако степень разумности не меряется величиной мозга. С научной точки зрения разум — способность организма приспосабливаться к среде. Если смотреть на вещи в таком свете, то человек вовсе не обладает монополией на разум. Действительно, некоторые виды пребывают в большей гармонии с окружающей средой. Например, муравьи. Возможно, что они переживут людей, несмотря на то что мозг у них крошечный. У медведя коала, который спит 80 % своей жизни, совсем маленький мозг.
Вы знали?
- Мухами раньше называли абсолютно всех двукрылых насекомых. Однако по мере молекулярно-генетических исследований классификационное положение неоднократно менялось.
- У мух нет зубов и языка, органы вкуса и осязания у них в виде пульвилл, расположенных на пятичлениковых лапах.
- Личинки мух питаются практически непрерывно, днем и ночью.
- Температура выше 21 °C стимулирует появление мух, так как тепло вызывает быстрое разложение растительности и других органических веществ, обеспечивая достаточное количество пищи для мух и их личинок. Температура ниже 15 °C значительно снижает репродуктивную активность летающих насекомых.
- Крупные мухи могут преодолевать 1,5 км или больше в поисках подходящей пищи и материала для размножения.
- У мух короткая жизнь. В среднем они живут от 30 до 50 дней.
- У мух быстрые рефлексы, но их скорость полета невысока. Комнатная муха развивает скорость до 24 км/ч. Слепень, ближайший родственник мух, является самым быстрым летающих насекомых. Этот крупный вид двукрылых имеет максимальную скорость 145 км/ч.
Исследование интеллекта насекомых
Насекомые представляют собой огромный класс беспозвоночных членистоногих. Ареал их обитания практически безграничный. Они встречаются в любом климате и почти на любой широте. Каждый из видов имеет свои отличительные особенности поведения и образа жизни. На протяжении многих столетий ученые пытались выяснить, каким образом связано поведение и образ жизни особей с их мозгом. Причем отношение к интеллекту этого класса сильно менялось с течением времени.
В древние времена люди боготворили насекомых, считая их умнейшими существами на планете. Так, древние египтяне полагали, что пчелиный улей представляет собой маленькое государство с пчелиным фараоном. А некоторые античные философы и учены всерьез думали, что у пчел может быть рабовладельческий строй.
Изображение пчел на древнеегипетской фреске
В средние века точка зрения на интеллект насекомых поменялась. Теперь отдельные ученые-натуралисты считали жуков своеобразными механизмами, не способным к мышлению и анализу и полагающимся только на рефлексы.
В 19 веке ученые вернулись к обсуждению вопроса о наличии интеллекта у этого класса. Теперь великие умы того времени разделились на два лагеря. Одни считали, что общественные насекомые способны мыслить, другие пытались доказать, что поведение и образ жизни – это всего лишь набор рефлексов. Лишь немногие ученые объясняли поведение пчел их способностью к обучению, большинство полагало, что это инстинкты. Такое суждение связывали с маленьким размером мозга.
Мозг букашек действительно значительно отличается от человеческого, количество нейронов в нем около 1 миллиона, в то время, как человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов. По этой причине ученые долгое время не изучали подробно мозг насекомых, считая его примитивным. Однако несколько проведенных исследований показало, что когнитивные способности букашек сопоставимы со способностями многих позвоночных! Это открытие вновь вызвало интерес со стороны научного сообщества к изучению нервной системы жучков.
Изучение насекомых
В конце 20 века благодаря достижениям генетики было доказано, что у насекомых нет ни исключительно врожденных, ни исключительно приобретенных навыков. И хотя их поведение является врожденным, на него накладываются приобретенный опыт, который позволяет им приспосабливаться к определенному типу пищи или к определенной местности.
Навигация
Насекомые отлично ориентируются в пространстве и могут без труда находить места, где бывали ранее. Медоносные пчелы и муравьи запоминают обстановку нужной им локации, а также объекты-маркеры по дороге к ней. В отличие от них, жуков-навозников не останавливает даже ночь. Для поиска нужного пути они полагаются на звезды, а именно на Млечный путь, который отчетливо видно в ясную погоду.
Шмели, относящиеся к семейству настоящих пчел, тоже прекрасно ориентируются. Помимо запоминания местности, они способны прокладывать к местам кормежки наиболее эффективные маршруты. Ученые утверждают, что решая задачку коммивояжера, они используют те же схемы и алгоритмы, которые используют и люди.
Анатомия мухи
Как и у всех насекомых, туловище двукрылых состоит из 3-х обособленных отделов:
- голова мухи – полушаровидной формы с боковыми глазами фасеточного типа, впереди находится ротовой аппарат лижуще-сосущего типа и 3-х членистые сяжки;
- грудь состоит из переднегруди и заднегруди, среднегрудь содержит мускулатуру, удерживающую крылья,
- брюшко – сидячее (реже стебельчатое), состоящее из 4-10 сегментов, внутри него расположены различные органы мухи (для репродукции, дыхания и пищеварения).
Кости у мухи отсутствуют, а вместо них насекомое имеет хитиновый панцирь, которым покрыто все туловище. Он является скелетом мухи: очень прочный, поэтому выполняет защитные функции, и легкий, чтобы обеспечивать возможность полета насекомого. Он достаточно эластичный и способен растягиваться после приема пищи или при беременности у самок.
Домашние мухи редко летают на дальние расстояния
Если бы не репродуктивные ограничения, налагаемые условиями окружающей среды и хищничеством, планета была бы похоронена под роем мух. У Musca domestica короткий жизненный цикл – всего 6 дней, а средняя кладка самки содержит около 120 яиц.
Предлагаем ознакомиться: Размножение клопов в квартире: жизненный цикл, как избавиться
Ученые подсчитали, что произойдет, если одна пара мух сможет воспроизводить без ограничений и смертности среди потомства. Результат? Две мухи всего за 5 месяцев приведут к появлению 191 010 000 000 000 000 000 000 потомков, которые покроют планету слоем в несколько метровым.
Движение крыльев комнатной мухи может достигать до 1000 взмахов в минуту. Это не опечатка! Удивительно, но они, как правило, медленные летчики, летающие со скорость около 7 км в час. Мухи перемещаются, когда условия окружающей среды заставляют их это делать. В городских районах, где люди живут в непосредственной близости и есть много мусора, комнатные мухи имеют небольшие территории и делают перелеты в пределах 1000 метров.
Поведение мух разобрали по нейронам
Для мозга дрозофилы построили полную поведенческую карту.
Мозг дрозофилы. (Фото: balapagos / Flickr.com.)
Области мозга дрозофилы, связанные с агрессивным поведением у самок. (Иллюстрация: Robie et al. / Cell 2021.)
Активация разных областей мозга дрозофилы при разных типах поведения. (Иллюстрация: Robie et al. / Cell 2021.)
‹
›
Мы знаем, что активность тех или иных зон мозга соответствует тому или иному поведению. Мы даже знаем, какие именно зоны мозга включаются в те или иных ситуациях. Но мозговые зоны сложены из огромного числа нейронов, соединенных в сообщающиеся друг с другом нейронные цепи. Понятно, что особенности поведения зависят от особенностей работы таких цепей.
Однако когда дело доходит до отдельных нейронов, тут начинаются большие сложности: в человеческом мозге триллионы нервных клеток, и у нас просто нет инструментов, чтобы проследить активность каждой из них в разном поведенческом контексте.
Более того, такую задачу до последнего времени не могли решить даже для животных с намного меньшим мозгом. Скажем, у дрозофилы нейронов сравнительно немного, всего 250 000 (хотя тут слово «всего» явно требует кавычек), а между тем нейробиологи довольно долго не могли точно и до конца определить, какие нейронные цепочки отвечают даже за простые реакции, когда муха просто ходит или летит.
Обычные нейробиологические методы позволяют одновременно следить лишь за небольшим количеством нейронов, однако для того чтобы получить нейронный портрет поведения, нужен такой метод, который позволял бы описать мозг целиком. Но наука, как известно, не стоит на месте, и вот исследователям из Медицинского института Говарда Хьюза удалось с помощью довольно хитроумного подхода построить полную поведенческую карту мозга дрозофилы.
Для эксперимента выбрали мух с генетической модификацией: некоторые нейроны (от сотни клеток до нескольких сотен) были снабжены белком, который пропускал ионы через мембрану и который при том реагировал на повышение температуры. Если температура вокруг мух поднималась выше 25 °С, ионный канал срабатывал, концентрация ионов по обе стороны нейронной мембраны менялась и возникал электрохимический импульс – в результате муха куда-то шла, или начинала чиститься, или начинала искать брачного партнера.
Но, как мы сказали, у разных мух включать можно было только какую-то группу нейронов. Поэтому, чтобы получить полную поведенческую карту мозга, нужно было использовать много дрозофил. Так что эксперимент выглядел следующим образом: двадцать мух, у которых модифицировали одни и те же группы нейронов, сажали в специальную посуду и нагревали, а затем в течение пятнадцати минут снимали на видео все, что делали дрозофилы. Затем мух меняли на других, у которых модификациям подвергли уже другой набор нейронов, и т. д. Чтобы дать представление о масштабах работы, стоит привести две цифры: в общей сложности в эксперименте участвовало 400 000 мух, а общее время видеозаписей с их поведением равнялось 5400 часам.
Поведение анализировали очень тщательно, оценивая, как меняется направление движения мух, как они ставят ноги, как держат крылья и т. д. Естественно, «вручную» проделать все это было невозможно, так что авторы работы использовали методы машинного обучения: искусственный интеллект сравнивал поведение мух, вычленяя общие черты и сопоставляя их с тем, какие нейроны активировались. Впоследствии некоторые поведенческие реакции пришлось перепроверить, сужая набор модифицированных нейронов – чтобы более ясно увидеть, какие именно нервные клетки соответствуют конкретному поведению.
В статье в Cell
говорится, что у мух удалось выявить 203 поведенческих блока, в число которых и полет, и ползание с места на место, и чистка крыльев, и попытка спариться с противоположным полом и многое, многое другое. (Одно из видео, на котором видно, как у мух включается копулятивное поведение, можно посмотреть здесь.) Важно подчеркнуть, что в итоге удалось охватить весь мозг, хотя работа, несмотря на помощь искусственного интеллекта, все равно оказалась титанической. В дальнейшем, скорее всего, роль некоторых нейронных цепей в том или ином поведении будут еще уточнять, но, так или иначе, эти уточнения будут происходить уже в рамках более-менее известной карты мозговой активности.
Конечно, не будем забывать, что мозг мухи мал и поведение ее достаточно просто, и, если мы захотим сделать нечто подобное для более «мозговитых» существ, то немедленно столкнемся со многими методическими проблемами. Однако и про дрозофилу долгое время никто не верил, что мы сможем построить такую поведенческую карту мозга, и все же ее построили – благодаря усилиям специалистов из самых разных областей, от молекулярной генетики до машинного обучения.
И вот еще один важный урок, который можно вынести из этой работы – что в нынешнее время значительные научные результаты получаются лишь при использовании знаний и методов, принадлежащих самым разным научным отраслям.
