Ваш браузер устарел, поэтому сайт может отображаться некорректно. Обновите ваш браузер для повышения уровня безопасности, скорости и комфорта использования этого сайта.
Обновить браузер

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи

Наука все еще не до конца разобралась в этом процессе

Обсудить

«Проснувшись однажды утром после беспокойного сна, Грегор Замза обнаружил, что он у себя в постели превратился в страшное насекомое». Знаменитая повесть Франца Кафки пропускает самое интересное: фантастическое преображение, способное сделать конторского клерка жуком, а гусеницу — прекрасной бабочкой.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи

На пути от личинки до взрослой особи насекомые переживают столь поразительные превращения, что вплоть до недавнего времени связь между этими существами, рожденными ползать и крылатыми, не считалась очевидной.

Совершая экспедицию в Чили, Чарлз Дарвин познакомился с естествоиспытателем, который незадолго до их встречи был арестован за «еретическую» попытку вырастить бабочек из гусениц. Сама идея метаморфоза вошла в западную науку только в середине XVII века благодаря голландскому энтомологу Яну Сваммердаму, и гипотезы о природе этого процесса появляются до сих пор. Чтобы добраться до сути, придется начать с самого начала, «от яйца».

Инициация

Появившись на свет, будущая бабочка на себя еще совсем не похожа. Однако уже в первые минуты жизни ее мягкое тело покрывается хитиновым экзоскелетом, характерным для насекомых и членистоногих вообще, включая раков и пауков.

Такой панцирь дает опору организму, защищает его от внешних опасностей и от пересыхания. Но есть у экзоскелета одна неприятная особенность: заключенному внутри телу некуда расти. Поэтому время от времени гусенице приходится сбрасывать верхние покровы, быстро увеличиваться и отращивать их заново, то есть линять. Торопясь пройти этот рискованный этап жизни, некоторые гусеницы предпочитают просто надуться воздухом, чтобы поскорей достичь нужного размера и защититься новеньким панцирем.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи
Яйцо бабочки-монарха Danaus plexippus чуть больше 1 мм

Начало линьке командует мозг гусеницы. По его сигналу расположенные в грудном сегменте железы активизируют синтез «гормона линьки» экдизона, который стимулирует выработку белков, растворяющих старые хитиновые покровы и образующих новые.

Предполагается, что в момент линьки гусеницы задерживают дыхание: отброшенные внешние оболочки повреждают выходы тонких трахей, через которые происходит обмен газами, и пока проходы не восстановятся, животное остается без притока кислорода. Опыты показали, что во время линьки дыхание некоторых насекомых прерывается на 45–60 минут, зато перед ней и сразу после членистоногое потребляет кислород особенно активно.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи
Гусеницы D. plexippus питаются листьями, а взрослые бабочки — нектаром растений

Многие этим и ограничиваются, переживая десятки линек без каких-либо превращений. Личинки таких насекомых называются нимфами: выйдя из яйца, они в общих чертах уже напоминают взрослую половозрелую особь, а в серии линек лишь становятся крупнее и завершают формирование некоторых органов, например крыльев. Так развиваются богомолы, термиты, тараканы, клопы. Любой дошкольник распознает в новорожденной нимфе будущего кузнечика. А вот заметить связь между червеобразной гусеницей и роскошной взрослой бабочкой можно, только наблюдая превращение от начала до конца.

БИОРАЗНООБРАЗИЕ
Трансформеры

Личиночные и взрослые формы встречаются у губок, медуз и моллюсков, у червей и даже у рыб (например, у речного угря). Но превращения у этих животных не столь радикальны, как у насекомых. Метаморфоз лягушки напоминает игру в трансформера и состоит, по сути, в перестройке уже имеющихся органов и тканей. Вылупившиеся из икры головастики некоторое время остаются на теплом мелководье, а затем под действием гормонов щитовидной железы теряют хвост и жабры, формируют кости и становятся взрослыми лягушками.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи

Термобии (на картинке слева), двухвостки и некоторые другие примитивные насекомые не испытывают метаморфоза: их вылупившиеся детеныши — уменьшенные, но почти точные копии родителей.

Неполное превращение, или гемиметаморфоз (на картинке справа), включает всего три стадии: яйцо, личинка и имаго. Личинки несколько раз линяют, и постепенно у них формируются органы взрослого насекомого.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи

Голометаморфоз, или полное превращение (на картинке слева), — это как минимум четыре стадии, включая куколку. Обычно личинка не имеет крыльев и сложных глаз, и даже ее ротовой аппарат отличается от взрослого.

Усложненный гиперметаморфоз (на картинке справа) встречается у жуков­-нарывников, мух-­жужжал и др. Их личинки разных возрастов ведут различный образ жизни и могут резко отличаться и от имаго, и друг от друга.

Реинкарнация

Если обычные задачи личинки — питание и рост, а взрослой формы (имаго) — поиск партнера и размножение, то у куколки она одна: превращение. Еще Ян Сваммердам, вскрыв куколок шелкопряда, заметил у них проступившие зачатки крыльев и других органов имаго.

Современные работы показали, что скопления клеток, готовые дать начало конечностям и крыльям, антеннам и другим частям взрослой особи, имеются у гусеницы уже к моменту появления из яйца. Такие клетки образуют микроскопические имагинальные диски в каждом сегменте тела и складывают внутри органов группы, готовые сформировать новый орган взамен уже предназначенного к распаду личиночного.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи
Появление имаго из куколки — «второе рождение» насекомого с полным метаморфозом
Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи
Будем знакомы? Эта бабочка лишь недавно вылупилась из куколки

Главное превращение ожидает лишь команды, и сигналом ему служит падение уровня ювенильного (детского) гормона, который не позволяет экдизону превратить линьку в полноценный метаморфоз. Действие ювенильного гормона можно подавить искусственно, тогда из личинки образуется преждевременно взрослое миниатюрное и плохо развитое насекомое.

Этим пользуются производители некоторых инсектицидов, а также растения, синтезирующие вещества, которые нарушают нормальное развитие вредителей. В норме содержание ювенильного гормона должно упасть, лишь когда гусеница достигнет последнего возраста и начнет линять последний раз.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи
В характерном месте на крыле бабочки можно заметить темное пятно: это мальчик!

Ничем не сдерживаемый экдизон начинает воздействовать на весь организм. Под его влиянием личинка станет куколкой и запустит полный метаморфоз. Заработают «поставленные на паузу» программы развития, и под защитой кокона начнется быстрый рост совершенно нового существа: из Грегора Замзы — жука, из гусеницы — бабочки.

ЭВОЛЮЦИЯ
От первой нимфы

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи

От неполного превращения до полного не такой уж далекий путь: переход требует изменений в регуляции действия всего нескольких гормонов. Недаром в палеонтологической летописи первые насекомые с неполным метаморфозом появляются около 300 млн лет назад, в каменноугольном периоде, а с полным — всего на 20 млн лет позже, в пермском.

Предполагается, что все началось с протонимфы, которой случайная мутация позволила активно двигаться внутри яйца и полностью использовать все его ценные питательные вещества, не оставляя ничего недоеденным. Это было очевидным эволюционным преимуществом, и вскоре оно привело к появлению настоящих нимф, способных свободно перемещаться и кормиться самостоятельно.

Следующие мутации продлили выработку ювенильного гормона, увеличили возможности специализации личинки и в конечном итоге привели к появлению таких непохожих друг на друга стадий, как гусеница и бабочка.

Профориентация

Полный метаморфоз переживают не только бабочки, но и жуки, мухи, комары, пчелы, муравьи и даже блохи — по некоторым оценкам, до 60% видов насекомых. Очевидно, что это энергозатратное занятие приносит им важные преимущества. Разделение личиночной и взрослой стадий позволяет животным на каждом этапе развития населять разные, максимально выгодные ниши, снижает внутривидовую конкуренцию за ресурсы и резко затрудняет хищникам охоту на них.

Благодаря метаморфозу гусеница может специализироваться на усвоении жесткой растительной пищи, а бабочка вовсе не утруждать себя поиском питания, сосредоточившись на выборе партнера и размножении.

Мастера превращений: как насекомые проходят удивительный путь от личинки до взрослой особи
Взрослые D. plexippus мигрируют на большие расстояния, как птицы, и впадают в зимнюю спячку, как медведи

Впрочем, настоящего совершенства в деле превращений достигли не бабочки, а некоторые жуки и мухи с гиперметаморфозом. Такие насекомые проходят несколько личиночных стадий, всякий раз кардинально меняя строение и образ жизни. Одни личинки могут быть подвижны и не питаться, занимаясь расселением, другие набирать массу, переходя одна в другую через стадии «ложнокуколки».

Как правило, эти насекомые последовательно осваивают специфические среды обитания и способы питания: паразитизм или добыча пищи в улье. Например, первые личинки жуков-нарывников поедают пчелиные яйца, вторые — мед, и лишь затем, пройдя через стадию настоящей куколки, они превращаются в имаго. Такой фантазии природы, пожалуй, мог бы позавидовать и Франц Кафка.

Фото: NATURE PL (X4), SPL (X2) / LEGION-MEDIA, ISTOCK (X6), ISTVÁN MIKÓ / FROST MUSEUM, NATURE PL (X4), CATERS NEWS AGENCY / LEGION-MEDIA, MINDEN PICTURES / FOTODOM.RU

Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 1, январь 2019, частично обновлен в июле 2023

Подписываясь на рассылку вы принимаете условия пользовательского соглашения