Энтомология / Тыщенко В. П. Физиология насекомых

мелкие делящиеся прогемоциты могут превращаться в крупные запасающие клетки типа гранулоцитов и адипогемоцитов. Кроветворные органы насекомых, представленные островками клеток в разных участках тела, формируются, главным образом, из прогемоцитов.

Благодаря способности к трансформациям клетки гемолимфы, находящиеся в разных морфологических состояниях, могут выпол-

Рис. 48. Гемоциты насекомых (по Chapman, 1969; с изменениями):

А — прогемоцит; Б — плазмоцит; В — гранулоцит; Г — эноцитоид; Д — цистоцит; Е — сфероцит; Ж — адипогемоцит

нять разные функции. Обычно каждый тип гемоцитов накапливается в максимальном количестве на определенных этапах жизненного цикла. Поэтому любая стадия развития характеризуется специфичной для нее гемограммой, отражающей процентное соотношение разных типов гемоцитов. Гемограмма крайне чувствительна к физиологическим изменениям в организме насекомого. Она может использоваться для оценки «упитанности» насекомых или для ранней диагностики заболеваний, зараженности паразитами и отравления инсектицидами. Указывают и на возможность использования гемограмм в систематике насекомых.

Плазмоциты, гранулоциты, сфероциты и адипогемоциты могут переходить в амебоидное состояние и выполнять фагоцитарные функции. Они активно захватывают чужеродные тела и микроорганизмы, проникающие в тело насекомых. При полном метаморфозе амебоидные гемоциты участвуют и в гистолизе личиночных органов, разрушающихся на куколочной стадии. У куколок мухи Sarcophaga bullata способные к фагоцитозу гемоциты являются одной из модификаций гранулоцитов. Во время формирования пупария у них происходят многократные митозы без последующего разделения самих клеток. В результате образуются многоядерные гемоцитарные

111

массы, которые активно захватывают и переваривают фрагменты разрушаемых личиночных тканей.

Сфероциты, адипогемоциты и некоторые другие типы гемоцитов принимают участие в процессах накопления и расходования питательных веществ. У гусениц совки Prodenia eridania гранулы гликогена обнаруживаются в клетках гемолимфы, начиная с третьего возраста. По мере роста гусениц содержание гликогена в гемоцитах увеличивается и достигает максимума перед окукливанием. Гликоген расходуется куколками и отсутствует в гемоцитах бабочек. Жировые включения появляются в клетках гемолимфы у коконирующихся гусениц и полностью исчезают во время развития куколок. По-видимому, гемоциты не синтезируют жиры, а получают их от клеток жирового тела. На куколочной стадии гемоциты снабжают питательным материалом формирующиеся имагинальные органы. У куколок мух адипогемоциты образуют тонкие цитоплазматические отростки, которые вступают в связь с развивающимися мышечными и эпидермальными клетками. По таким цитоплазматическим отросткам питательные вещества передаются от гемоцитов к другим клеткам.

Клетки гемолимфы играют важную роль в обмене тирозина и его производных. Сфероциты и эноцитоиды содержат профенолазу — неактивный предшественник фермента тирозиназы, обеспечивающего превращение тирозина в ДОФА (см. с. 16). Под влиянием некоторых активаторов и при повреждении покровов профенолаза переходит в активное состояние, в гемолимфе накапливается ДОФА, из которого образуются темные пигменты меланины. Эти реакции объясняют быстрое потемнение гемолимфы на открытом воздухе: атмосферный кислород активирует профенолазу и окисляет ДОФА до хинонов, образующих полимерные молекулы меланинов.

СВЕРТЫВАНИЕ ГЕМОЛИМФЫ

При повреждении покровов у многих насекомых гемолимфа, вытекающая наружу, свертывается и образует кровяной сгусток. В свертывании гемолимфы принимают участие гемоциты и плазма. Этот процесс протекает в два этапа: сначала происходит коагуляция плазмы, а затем агглютинация (склеивание) гемоцитов.

Некоторые цистоциты, названные коагулоцитами, способны выделять коагулины — вещества, вызывающие свертывание гемолимфы. Цитоплазма коагулоцитов заполнена гранулами, исчезающими вскоре поcле начала коагуляции. По-видимому, содержимое этих гранул расходуется на образование коагулинов.

У прямокрылых и тараканов под фазово-контрастным микроскопом можно увидеть как вокруг коагулоцитов образуется ореол загустевшей плазмы. Под электронным микроскопом коагулировавшая плазма приобретает вид сплошной губчатой массы. Иная картина наблюдается при свертывании гемолимфы у гусениц. В этом случае коагулоциты образуют длинные тонкие тяжи, вокруг кото-

112

рых и происходит коагуляция плазмы. В сетке переплетающихся цитоплазматических тяжей застревают другие гемоциты, пассивно вовлекаясь в формирование кровяного сгустка. У большинства перепончатокрылых свертывание гемолимфы осуществляется одновременно двумя путями: плазма загустевает как вокруг коагулоцитов, так и в переплетениях цитоплазматических тяжей.

В крови позвоночных животных существуют специальные клетки тромбоциты, образующие кровяной сгусток. Аналогичные клетки обнаружены в гемолимфе мухи Calliphora erythrocephala. При образовании кровяного сгустка от тромбоцитов отшнуровываются небольшие участки цитоплазмы, обладающие ярко выраженной способностью к агглютинации.

ЗАЩИТНЫЕ ФУНКЦИИ И ИММУННЫЕ РЕАКЦИИ ГЕМОЛИМФЫ

Одна из самых важных функций гемолимфы заключается в защите насекомых от инфекций и других повреждающих факторов биологического происхождения. Защитная функция гемолимфы основывается на плазменных (гуморальных) и гемоцитарных (клеточных) реакциях.

Плазменные защитные реакции обусловливаются содержащимися в гемолимфе токсическими веществами, антибиотиками и белками, обладающими антимикробным действием. Токсические компоненты гемолимфы могут защищать некоторых насекомых от хищников. Например, гемолимфа шпанской мушки Lytta vesicatoria, нарывников Mylabris, маек Meloѐ и других жуков из семейства Meloidae содержит ядовитое терпеновое соединение кантаридин:

Это вещество вызывает кожные воспалительные реакции и явления общей интоксикации у позвоночных животных. Примером антибиотиков, содержащихся в гемолимфе насекомых, является насутин выделенный из термитов рода Nasutitermes:

113

Несомненно, что антибиотики и некоторые плазменные белки могут создавать устойчивость насекомых к болезнетворным микроорганизмам.

Как известно, в крови позвоночных животных действуют две независимые системы иммунитета — неспецифическая и специфическая. Неспецифический иммунитет основан на выделении в кровь антибактериальных белковых продуктов, создающих естественную или приобретенную устойчивость животных к заболеваниям. К числу наиболее изученных соединений этого рода принадлежит лизоцим — фермент, разрушающий оболочки бактериальных клеток. Показано, что у насекомых неспецифическая система иммунитета тоже включает использование лизоцима, а спектр его действия на различные группы микроорганизмов совпадает с действием фермента, выделенного из куриного белка.

Специфический иммунитет у позвоночных животных связан с образованием антител, избирательно направленных против антигенов, которые вырабатываются определенными штаммами или видами патогенных микроорганизмов. Антитела принадлежат к глобулиновым белкам. Защитное действие любого антитела основано на его способности соединяться с определенным антигеном. Вакцинация, т. е. применение вакцины с ослабленными или убитыми возбудителями заразного заболевания, стимулирует образование специфических антител и создает устойчивость к данному заболеванию.

В гемолимфе насекомых антитела не образуются. Несмотря на это, вакцинация эффективно предохраняет насекомых от болезни, вызываемой бактерией Pseudomonas aeruginosa. Возникающий при этом специфический иммунитет объясняется выделением в гемолимфу какого-то вещества, не имеющего ничего общего с антителами. Это вещество не является белком, но, по-видимому, вступает в химическую связь с плазменными белками и транспортируется ими по телу насекомого. Иммунитет вырабатывается после однократного введения вакцины и сохраняется недолго. Она достигает максимального действия через 24 ч и исчезает через несколько дней после вакцинации. Агентами, вызывающими специфический иммунитет, являются полисахаридные компоненты бактериальных клеток.

Гемоцитарные защитные реакции, действующие в гемолимфе насекомых, направлены против микроорганизмов и многоклеточных паразитов. В первом случае наблюдается фагоцитоз, а во втором случае — инкапсуляция паразита. Оба типа реакций осуществляются амебоидными гемоцитами.

Проникновение мелких чужеродных объектов в гемоцель насекомого стимулирует фагоцитарные реакции гемоцитов. После инъекции туши в тело гусеницы Prodenia eridania значительно увеличивается число фагоцитирующих клеток в гемолимфе. Бактерии, вирусы и споры микоспоридий активно захватываются и перевариваются амебоидными гемоцитами. Фагоцитарные реакции гемоцитов, несомненно, являются одним из наиболее универсальных за-

114

щитных механизмов, влияющих на устойчивость насекомых к болезнетворным микроорганизмам.

Реакции инкапсуляции заключаются в образовании гемоцитарных капсул вокруг яиц и личинок эндопаразитов. Капсула формируется в основном из амебоидных плазмоцитов. Клетки, образую-

Рис. 49. Капсулы, образуемые гемоцитами вокруг инородных объектов, внесенных в полость тела насекомых (по Salt, 1963):

А — гемоциты гусеницы Ephestia kühniella инкапсулируют ганглий саранчи; Б — гемоциты саранчи Schistocerca gregaria инкапсулируют личинку наездника

Nemeritis canescens

щие стенки капсулы, склеиваются друг с другом кислыми мукополисахаридами. Заключенный в капсулу паразит испытывает недостаток кислорода и питательных веществ; он перестает развиваться и вскоре погибает. Капсула возникает вокруг паразитических нематод, яиц и личинок наездников или даже искусственно внесенных в гемолимфу «чужих» органов (рис. 49). Инкапсулируются и неживые объекты — волоски шерсти, кусочки пластмассы или дерева. Нередко инкапсуляция живого или неживого объекта дополняется меланизацией гемолимфы с участием тирозиназы.

Приспосабливаясь к своим хозяевам, эндопаразиты разными путями избегают инкапсуляции гемоцитами или механически разрушают стенки формирующейся капсулы. Некоторые эндопаразиты могут подавлять реакцию инкапсуляции. Например, гусеницы мельничной огневки Ephestia kühniella образуют гемоцитарные капсулы вокруг разнообразных объектов, внесенных в полость тела (рис. 49,

115

A). Однако личинки наездника Nemeritis canescens не инкапсулируются в гемолимфе этих гусениц и благополучно развиваются до окукливания. Реакция инкапсуляции предотвращается какими-то веществами, которые находятся на покровах личинок. Эти вещества не обладают общим токсическим действием и поэтому паразитированные гусеницы сохраняют способность инкапсулировать другие инородные тела. Действие этих веществ на гемоциты видоспецифично и не предотвращает инкапсуляцию личинок N. canescens в гемолимфе несвойственных им хозяев (рис. 49, Б).

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЖИРОВОГО ТЕЛА

Жировое тело представляет мезодермальное образование неопределенной формы, часто снабженное многочисленными лопастями, которые проникают

обнаружить постепенные морфологические переходы от типичных гемоцитов, циркулирующих с гемолимфой, к клеткам, оседающим на внутренних органах, а затем и к клеткам, напоминающим островки жировой ткани. Поэтому жировое тело и гемолимфу часто рассматривают как единую систему тканей внутренней среды.

116

В функциональном отношении клетки жирового тела и гемоциты тоже тесно взаимосвязаны. В период активного питания личинок гемоциты переносят усвоенные пищевые продукты от кишечника к жировому телу, в котором накапливаются резервные питательные вещества. В случае необходимости эти вещества могут быть вновь переданы гемоцитам и разнесены ими по всему телу. Следовательно, гемоциты и жировое тело выполняют отдельные операции по рациональному использованию питательных веществ. При этом жировое тело является не только пассивным «накопителем» питательных веществ, но и основным органом промежуточного обмена. В его клетках протекают процессы биосинтеза и превращения белков, жиров и углеводов. Недаром жировое тело насекомых считается аналогом печени млекопитающих.

Синтез резервных и транспортных продуктов происходит в клетках жирового тела, называемых трофоцитами. Резервные продукты откладываются про запас в самих трофоцитах, а транспортные выделяются в гемолимфу и доставляются ею к различным органам.

Гистохимическое изучение трофоцитов позволяет наблюдать динамику накопления и расходования резервных продуктов в жировом теле. У личинок комаров рода Aedes, начиная с самых ранних этапов постэмбрионального развития, в трофоцитах содержатся резервные липиды в виде оформленных жировых капель. Значительно позже (в третьем личиночном возрасте) в трофоцитах откладывается гликоген, а незадолго до окукливания появляются и белковые резервные продукты. Постепенное расходование резервов жирового тела происходит на куколочной стадии и завершается в первые дни имагинальной жизни.

При голодании насекомые потребляют резервные продукты, количество которых в трофоцитах быстро уменьшается. Как показали наблюдения Уигглсуорса (Wigglesworth, 1942), у личинок комара Aedes aegypfi после 12дневного голодания жировые капли, гранулы гликогена и белка исчезают полностью, а в трофоцитах остаются только вакуоли, заполненные водой (рис. 51, А, Б). Израсходованный запас питательных веществ восстанавливается во время питания. Если личинки потребляют углеводную пищу, в трофоцитах откладываются главным образом гликоген и, в меньшей степени, жир (рис. 51, Г1 — Г4). При питании оливковым маслом жировые капли составляют единственный резервный продукт (рис. 51, Д1 — Д4). Чистый белковый рацион вызывает отложение в трофоцитах жировых капель и гранул резервного белка

(рис. 51, Е1 — Е5).

Таким образом, жиры и синтезируются и накапливаются трофоцитами при любом химическом составе пищи. Жиры играют роль важнейших резервных продуктов не только у личинок комаров, но и у других насекомых.

Кроме трофоцитов в состав жирового тела входят уратные клетки, накапливающие мочевую кислоту (рис. 51, В), и мицетоциты —

117

специальные клетки, в которых живут симбиотические микроорганизмы. Однако уратных клеток и мицетоцитов в жировом теле намного меньше, чем трофоцитов.

РЕЗЕРВНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ ПРОДУКТЫ ЖИРОВОГО ТЕЛА

Углеводы запасаются в трофоцитах жирового тела в виде резервного полисахарида гликогена. Обычно в жировом теле содержится 20—30% гликогена по отношению к сухой массе этого органа. Однако содержание резервных углеводов сильно изменяется во время роста и развития насекомых. У гусениц тутового шелкопряда Вотbyx mori только на протяжении последнего возраста относительное количество гликогена в трофоцитах увеличивается с 5 до 20%.

Основной транспортный углевод насекомых — это дисахарид трегалоза. Жировое тело — единственный поставщик трегалозы, содержащейся в гемолимфе. Клегг и Эванс (Clegg, Evans, 1961) показали, что синтез трегалозы успешно осуществляется изолированными участками жировой ткани, помещенными в инкубационную среду. По-видимому, в жировом теле существуют конкурентные взаимоотношения между, синтезом трегалозы и гликогена. Оба углевода синтезируются из глюкозы, поставляемой уридиндифосфоглюкозой (УДФГ). В присутствии избыточных количеств глюкозо-6-

фосфата усиливается синтез трегалозы, но подавляется синтез гликогена. Направление метаболических превращений углеводов в жировом теле

регулируется гормональным путем. Гормон линьки — экдизон вызывает усиленный синтез трегалозы, а в отсутствие этого гормона глюкоза превращается в гликоген. Следовательно, в период линьки, когда эпидермальные клетки нуждаются в глюкозе для построения новой кутикулы, временно прекращается отложение резервного углевода и стимулируется образование транспортного сахара.

Липиды находятся в клетках жирового тела в виде капельножидких включений (см. рис. 51), состоящих в основном из глицеридов. Триглицериды (жиры) соответствуют резервным липидам жирового тела. Транспортные липиды, синтезируемые в жировом

119

теле и передаваемые в гемолимфу, представлены диглицеридами и триглицеридами.

Содержание липидов в жировом теле обычно достигает 50—70% по отношению к сухой массе этого органа, причем 85—95% липидной фракции приходится на долю триглицеридов. Остальные липиды жирового тела представлены диглицеридами, моноглицеридами, свободными жирными кислотами, фосфолипидами и стеринами. Основными фосфолипидными компонентами жирового тела являются фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин.

При постэмбриональном развитии насекомых качественный состав липидов остается постоянным, но их содержание сильно изменяется, достигая максимума перед окукливанием. Повышенное содержание триглицеридов особенно характерно для миграционного состояния и диапаузы насекомых. Во время миграций саранчовых и бабочек Danaus plexippus основными энергетическими резервами служат триглицериды, сосредоточенные в жировом теле. При подготовке к диапаузе у мух Musca autumnalis происходит накопление липидов, представленных главным образом триглицеридами.

Жирные кислоты, входящие в состав глицеридов жирового тела, могут быть как насыщенными (предельными), так и ненасыщенными (непредельными). И те и другие имеют не меньше 12, но не больше 18 атомов углерода, образующих открытую цепь. Наиболее обычные кислоты жирового тела представлены олеиновой, пальмитиновой и стеариновой кислотами. У чешуекрылых отмечается высокое содержание пальмитолеиновой и линоленовой кислот, а у клопа-солдатика Pyrrhocoris apterus жировое тело содержит много линолевой кислоты.

Жирные кислоты могут синтезироваться в жировом теле из ацетата, глюкозы и аминокислот. В бесклеточных гомогенатах жирового тела в присутствии всех необходимых кофакторов успешно осуществляется синтез длинноцепочечных насыщенных кислот, например пальмитиновой кислоты. Жировое тело может синтезировать и ненасыщенные кислоты с одной двойной связью, например олеиновую кислоту. Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие больше одной двойной связи, обычно не синтезируются насекомыми. Потребности насекомых в этих кислотах удовлетворяются за счет пищевого рациона.

Жирные кислоты используются насекомыми в качестве энергетического материала и как исходные компоненты для синтеза глицеридов и фосфолипидов. Главные жирные кислоты, синтезируемые жировым телом капустницы Pieris brassicae, — пальмитиновая, олеиновая и пальмитолеиновая

— служат важнейшими источниками энергии для крыловых мышц. У гусениц Hyalophora cecropia после инъекции пальмитиновой кислоты, меченной по углероду, в течение первых 45 мин жирная кислота включается и в транспортные диглицериды, и в резервные триглицериды. Но в последующие 2 ч, когда уровень транспортных липидов в гемолимфе достигает насыщения, жирные кислоты используются только для синтеза триглицеридов, откладываемых про запас в клетках жирового тела.

120