| Результаты этапа: В рамках первого года проекта проведена комплексная работа по изучению масштабирования структур и их функций у шестиногих в нескольких направлениях.
Проведен анализ различных методов машинного обучения и программных решений для сегментации трёхмерных данных о структуре и ультраструктур насекомых и других шестиногих, на примерах получаемых нами данных оптической и электронной микроскопии и микротомографии. На основе сравнительного анализа показано, что наиболее перспективным для решения задач проекта и будущего использования в функциональной морфологии шестиногих является программа Ilastic благодаря своей универсальности, простоте интерфейса, небольшому объёмы ручной сегментации, необходимому для обучения нейросети, и не высокой требовательности к вычислительным мощностям. В программе Ilastik обучено несколько нейронных сетей и подобраны оптимальные параметры для классификации пикселей и объектов.
Детально исследована морфология крыльев девяти видов трипсов трех основных семейств (Tubulifera: Phlaeothripidae; Terebrantia: Aeolothripidae, Thripidae) из разных размерных классов с использованием световой и сканирующей электронной микроскопии. Морфология крыльев трипсов разных подотрядов демонстрирует как сходства. На основе измеренных морфологических параметров установили, что относительный геометрический радиус инерции крыла трипсов постоянен и не зависит от размеров насекомого. Индекс перокрылости увеличивается по мере уменьшения размеров тела, как и число и диаметр крыловых щетинок. Таким образом, характер аллометрии во многом схож с таковым у жуков-перокрылок (Coleoptera: Ptiliidae), установленным ранее. Результаты изучения строения и аллометрии крыльев различных трипсов будут использованы в дальнейшем изучении механики и эволюции полета миниатюрных насекомых.
С использованием конфокальной микроскопии и трехмерного компьютерного моделирования было проведено сравнительное исследование анатомии коллемболы Hypogastrura (Collembola: Hypogastruridae) на разных этапах постнатального развития. В результате работы было показано, что в ходе постнатального развития, общий план внутреннего строения практически не меняется, и относительный объём пищеварительной и выделительной системы, а также мускулатуры меняется изометрически, а относительный объем половой системы и ЦНС – аллометрически, для половой системы показано увеличение относительного объема в ходе постнатального развития, а для ЦНС, наоборот, – значительное уменьшение. Максимальный относительный объем ЦНС Hypogastrura отмечен у ювенильной особи первого возраста и достигает 19,0% от объема тела, что значительно превышает это показатель для взрослых форм всех изученных видов гексапод, но сходно с таковым у личинок и нимф первого возраста микронасекомых. Это подтверждает гипотезу о том, что критической стадией морфогенеза ЦНС при миниатюризации является самый ранний возраст в постнатальном развитии. Таким образом, полученные данные позволяют делать новые выводы относительно миниатюризации – эволюционного тренда на уменьшение размеров тела, а также представляют собой новые данные в области анатомии коллембол.
Проведено комплексное исследование внешнего строения и распределения сенсилл у миниатюрного жесткокрылого Scydosella musawasensis с использованием сканирующей электронной микроскопии. Описаны пять типов сенсилл — хетоидные, трихоидные, кампаниформные, базиконические и стилоконические, а также их морфология, количественные параметры и распределение. Установлено, что набор сенсилл у S. musawasensis сохраняет общие черты с более крупными Staphylinoidea, однако характеризуется упрощением (отсутствуют базиконические сенсиллы на ротовом аппарате и снижено общее число сенсилл до 1400) и стабилизацией числа и расположения. Сравнение с другими миниатюрными насекомыми указывает на типичные тенденции редукции сенсорных систем при миниатюризации: снижение количества сенсилл и возникновение фиксированного распределения.
Проведено исследование набора мускулатуры и аллометрический анализ ее морфометрии для 16 видов Staphylinidae с разбросом длин тела от 0,65 до 26 мм, и масс от 0,012 до 730 мг (более 60 000 раз), с использованием микротомографии, машинного обучения и трёхмерного компьютерного моделирования Показано, что размер тела не влияет на набор крыловой мускулатуры непрямого действия, но наиболее миниатюрных форм могут отсутствовать отдельные мелкие плевральные мышцы. В тоже время объем крыловой мускулатуры меняются аллометрически, наблюдаются значительные изменения относительного объема мускулатуры при изменении размеров тела. Минимальный объем (около 5,5%) отмечен у представителей семейства среднего размера, при уменьшении и увеличении размеров относительный размер мышц значительно увеличивается (у мельчайших представителей до 16%, а у самых крупных до 19%). Эти данные подтверждают предположение, что для миниатюрных форм мембранозное крыло требует большего объема мускулатуры для сохранения эффективного полета, а переход к перистокрылости за счет снижения момента инерции крыльев позволяет сократить необходимый для полета объем мускулатуры.
С использованием методов трёхмерной электронной микроскопии (FIB-SEM) впервые выполнена полная реконструкция периферических нервов головы мельчайшего насекомого Megaphragma viggianii (Hymenoptera: Trichogrammatidae). Всего обнаружено около 730 нейронов, из которых 350 составляют антеннальные нервы, к рецепторам рпотового аппарата идёт около 130 нейрона, мышечный аппарат контролируют – 98 клеток. Ядра рецепторных нейронов собраны в кластеры между мозгом и ротовым аппаратом. Основная часть моторных нейронов является безъядерной, в то время как сенсорный аппарат контролируется в основном ядросодержащими клетками. Полученные результаты с подтверждают сохранение сложности строения и наличие уникальных адаптации нервной системы M. viggianii к миниатюрным размерам.
Совместно с партнерами из Уфимского университет науки и технологий проведены следующие модификации аэродинамического солвера с открытым исходным кодом WABBIT: добавлена возможность задания геометрической модели крыла с несколькими рядами щетинок, расположенными вне плоскости мембраны крыла; внедрен алгоритм задания деформации мембраны крыла в процессе его движения; внедрена динамическая модель осцилляции птероторакса для привода крыльев. Все они необходимы для трехмерного компьютерного моделирования аэродинамики крылового аппарата насекомых. Проведен ряд тестовых расчётов механики крыльев трипсов с учетом всех внесенных в солвер модификаций и показано, что полученные результаты адекватно отражают основные аэродинамические характеристики.
Результаты первого года проекта стали большим шагом в комплексном изучении масштабирования структур и их функций у шестиногих за счет привлечения самых современных методов и уникального материала. |
