Вырастить урожай без ядохимикатов. Ученый рассказал об уникальной методике
Московские физики и петербургские биологи разработали новые методы исследования нервной системы насекомых, применяя созданные в нашей стране самые миниатюрные в мире наномеханические инструменты — нанопинцеты с эффектом памяти формы. Об этом доктор физико-математических наук, ведущий сотрудник Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Виктор Коледов рассказал в беседе с ИА Красная Весна.
В новом проекте объединенный коллектив сотрудников московского Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук (ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН) и санкт-петербургского Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова Российской академии наук (ИЭФБ им. И. М. Сеченова РАН) разрабатывает методы на основе наномеханических инструментов для исследования тонких процессов нервной деятельности насекомых, рассказал ученый.
«Это новая технология создания рекордных по миниатюрности наномеханических устройств — нанопинцетов из сплавов с эффектом памяти формы, которые позволяют манипулировать, то есть захватывать, переносить, обрабатывать реальные нанообъекты, например, нанотрубки, нанопроволоки», — пояснил он.
Энтомолог, кандидат биологических наук, ведущий сотрудник ИЭФБ им. И. М. Сеченова РАН Марианна Жуковская рассказала, что насекомые всегда рядом с человеком, опыляют фрукты и овощи, но также повреждают растения, а некоторые представители этого отряда паразитируют на людях и являются переносчиками заболеваний. Насекомые, благодаря своему обилию и разнообразию, играют крайне важную роль в местах, где ведется сельское хозяйство. Вредные насекомые наносят огромный урон как посевам, так и запасам продовольствия на складах.
С другой стороны, химические средства борьбы имеют множество негативных эффектов — убивают насекомых-опылителей. Сенсорный аппарат насекомых достаточно специфичен. Поэтому изучение работы сенсорных органов насекомых совершенно необходимо, чтобы оценить, а затем и смоделировать наиболее эффективные стимулы и их комбинации. Затем их нужно протестировать в лаборатории и полевых условиях.
«У насекомых есть отдельный орган восприятия — сенсилла, которая представляет собой нано- или микротрубочку-микроструктуру из биополимера — хитина, к которой подходит нервное окончание. В случае вкусовых сенсилл, на кончике хитинового полого волоска находится отверстие, контактирующее с исследуемыми на вкус поверхностями, к которому и подходит чувствительный отросток нервной клетки. Обонятельные сенсиллы имеют много мелких пор на поверхности, через которые молекулы запаха проходят в полость волоска к нервному окончанию. Клетки, чувствительные к механическим воздействиям, располагаются под поверхностью антенны, а их чувствительный отросток контактирует с мягкой кутикулой в том месте, где сенсилла сочленяется с поверхностью антенны», — пояснила энтомолог.
«При реакции на „свой“ стимул рецепторная клетка возбуждается, например, при попадании отдельных молекул феромона в случае обонятельного феромонного рецептора, и нервный импульс передается по аксону в мозг насекомого. Много сенсилл расположены на антеннах и церках („усах“ и „хвостах“) насекомых, но также их можно обнаружить на лапках, теле и краях крыльев», —пояснила Марианна Жуковская.
Уже самые первые эксперименты, проведенные в вакуумной камере ионного сканирующего микроскопа, убедили, что отобрать тончайшую трубочку-сенсиллу из великого множества на теле, например, комара обыкновенного (Culex pipiens), а затем отделить субмикронный кончик с помощью нанопинцета — вполне возможно. Однако этот эксперимент, который проводится в вакууме, невозможно провести на живом насекомом.
Изучение физиологии органов чувств живого (живых существ) очень важно для понимания поведения насекомых. От решения этой проблемы зависит улучшение взаимосвязи человеческой деятельности с природой.
На рисунке представлен сверчок Phaeophilacris bredoides с длиной тела около 2 см. На снимке виден церкальный орган (его часто принимают за «хвост» этого сверчка) с различными типами сенсилл.
Здесь ширина сенсилл варьируется от сотен нанометров до нескольких микрон. Различные типы сенсилл позволяют насекомому получать определенные раздражители, такие как давление воздуха, звук, прикосновение, запах и даже гравитацию.
Виктор Коледов рассказал, что на новом этапе работа направлена на изучение реакции отдельной механочувствительной сенсиллы (чувствительных элементов сенсорных систем насекомых) живого сверчка Phaeophilacris bredoides. Чтобы изучить механосенсор отдельной сенсиллы, необходим микромеханический инструмент, который позволил бы захватывать и отклонять ее заданным образом. Петербургскими и московскими учеными разрабатывается метод регистрации активности механосенсора при инактивации отдельных сенсилл с помощью микропинцета, основанный на эффекте памяти формы.
«Микроманипулятор трехмерного движения с шагом 1 мкм и оптический микроскоп использовались для перемещения и наблюдения за работой микропинцета. С помощью микропинцета волосики-сенсиллы африканского пещерного сверчка Phaeophilacris bredoides отклонялись с заданным шагом, в то время как активность механосенсорного нейрона одновременно регистрировалась с помощью электрического ответа», — пояснил ученый.
«Наиболее ответственная часть данного метода — это изучение механо-чувствительных сенсилл насекомых, которое заключается в регистрации электрофизиологического ответа от одиночных сенсилл при воздействии периодических и непериодических механических раздражителей. Электрические ответы отводятся от кончика или основания сенсиллы, чувствительного нерва или нервного центра при помощи микроэлектродов и электрофизиологического усилителя», — отметил Виктор Коледов.
По мнению ученых, для противодействия насекомым-вредителям необходимы фундаментальные знания об их физиологии и поведенческих реакциях. Однако ввиду малого размера насекомых вообще, и их сенсорных образований — в частности, изучение физиологии насекомых до последнего времени было ограничено обычными методами, точность воздействия которых недостаточна. Данная уникальная физическая нанотехнологическая методика направлена на ликвидацию данного пробела в изучении насекомых, которая может положить основу для сохранения сельскохозяйственных культур без применения ядохимикатов.
