Zbudowano pierwszy kompletny model 3D oka owada

Pasożytnicze osy z rodzaju Megaphragma stanowią wyjątkowy model do badania granic miniaturyzacji organów, w tym oczu złożonych. Pomimo wyjątkowo małych rozmiarów (około 250 mikronów) zachowują w pełni funkcjonalny układ wzrokowy. Naukowcy z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego im. Łomonosowa, przy współudziale współpracowników zagranicznych, zrekonstruowali strukturę przestrzenną oka M. viggianii z dokładnością do pojedynczych komórek. Autorzy wykazali, że mimo iż większość neuronów w mózgu M. viggianii utraciła jądra, wszystkie komórki w złożonym oku tego owada zachowały jądra. Znaleźli również konkretny region, który prawdopodobnie odpowiada za rozpoznawanie światła spolaryzowanego, co występuje u wielu owadów „pełnowymiarowych”.

Jak bardzo zminiaturyzowany może być organ, zachowując jednocześnie swoją funkcjonalność? Pasożytnicze osy z rodzaju Megaphragma są idealnymi organizmami modelowymi do udzielenia odpowiedzi na to pytanie (A. Makarova i in., 2021. Małe mózgi dla wielkiej nauki ). Rodzaj Megaphragma obejmuje jeden z najmniejszych znanych gatunków z rodziny Trichogrammatidae. Megaphragma viggianii jest pasożytem jaj wciornastków , długość ciała dorosłego osobnika wynosi około 250 µm. Samica składa jaja do jaj wciornastków, a dalszy rozwój od jaja do ostatniego stadium poczwarki ma miejsce wewnątrz jaja żywiciela. Larwa ma kształt worka, nie posiada segmentacji, żuwaczek ani układu tchawkowego i żywi się zawartością jaja żywiciela (U. Bernardo, G. Viggiani, 2002. Dane biologiczne dotyczące Megaphragma amalphitanum Viggiani i Megaphragma mymaripenne Timberlake (Hymenoptera: Trichogrammatidae), pasożyta jaj H. haemorrhoidalis (Bouché) (Thysanoptera: Thripidae) w południowych Włoszech ).

Gdy poczwarka zakończy swój rozwój, z jaja wykluwa się dorosły osobnik M. viggianii , który wyłania się, poszukuje partnera do rozrodu, a cykl się powtarza. Ten pasożytniczy tryb życia narzuca ścisłe ograniczenia co do wielkości ciała. Ekstremalna miniaturyzacja pociąga za sobą unikalne adaptacje morfologiczne: na przykład komórki mózgowe przedstawicieli rodzaju Megaphragma są praktycznie pozbawione jąder (patrz na przykład A. Polilov, 2012. Najmniejsze owady rozwijają neurony bezjądrowe ). Do rozpadu jąder komórek mózgowych dochodzi w fazie dojrzałości płciowej, a po wykluciu się dorosłego osobnika z jaja żywiciela ponad 97% neuronów w mózgu osy pasożytniczej traci jądra.

Miniaturyzacja organów i tkanek ma jednak swoje granice, zwłaszcza w przypadku struktur takich jak oczy złożone , które ze względu na prawa fizyki i naturę światła podlegają ścisłym ograniczeniom wielkości.

Owady mają oczy złożone, które składają się z oddzielnych jednostek zwanych ommatidiami . Podobnie jak piksele w matrycy aparatu fotograficznego, każde ommatidium przechwytuje część przestrzeni wizualnej i odpowiada za ułamek całościowego postrzeganego obrazu. Aby to zrobić, ommatidia mają soczewkę, która skupia i kieruje światło na rabdomę , strukturę będącą światłowodem składającym się z elementów światłoczułych, które zamieniają fotony na sygnały elektryczne, które następnie są przesyłane do neuronów w mózgu. Aby system działał prawidłowo, wszystkie elementy muszą spełniać określone wymagania: soczewki muszą być na tyle duże, aby skupiać odpowiednią ilość światła z danego kierunku bez zniekształceń, a rabdom musi być na tyle szeroki, aby kierować wpadające fotony. Dyfrakcja wzrasta wraz ze zmniejszaniem się średnicy ścianek, natomiast czułość ommatidiów maleje. Jednakże oczy megafragmatyczne nie są ograniczone dyfrakcją dzięki krótkiej ogniskowej i dość dużej średnicy rabdy.

Posiadając zaledwie 29 ommatidiów w każdym oku, osy pasożytnicze z rodzaju Megaphragma należą do najmniejszych zwierząt wykazujących złożone zachowania, orientację przestrzenną, a nawet zdolność uczenia się. Zespół naukowców z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego im. Łomonosowa, wspólnie z kolegami z kilku amerykańskich instytucji naukowych, opracował pierwszą pełnokomórkową trójwymiarową mapę oka złożonego M. viggianii . Wyniki opublikowano w czasopiśmie eLife .

Kluczową rolę w tym badaniu odegrał fakt, że owady te są niezwykle małe. Nowoczesne metody trójwymiarowej mikroskopii elektronowej (vEM) stwarzają bogate możliwości badania morfologii owadów na poziomie ultrastrukturalnym. Wysoka rozdzielczość takich metod nakłada jednak ograniczenia na rozmiar badanego obiektu. Miniaturowe owady są więc idealnym obiektem modelowym: posiadają wszystkie cechy fizjologiczne, poznawcze i etologiczne dużych owadów, ale jednocześnie ich niewielkie rozmiary pozwalają na rekonstrukcję nie tylko narządów zmysłów, ale także całych układów narządów. W przypadku większych owadów te same metody pozwalają na zbadanie jedynie niewielkich części organów i tkanek. Metody vEM wymagają złożonego barwienia materiału, długiego czasu skanowania i długich okresów korekty, co powoduje, że rekonstrukcje całego organizmu (całego konektomu ciała) przy użyciu vEM są rzadkie i udało się je uzyskać jedynie w przypadku kilku zwierząt.

Autorzy wykazali, że średnica soczewki ommatidialnej M. viggianii wynosi zaledwie 8 µm, co jest wartością zdecydowanie niewystarczającą do skupienia światła na fotoreceptorach. Jednakże rabdoma megafragmy ma stosunkowo szeroki przekrój poprzeczny (2 µm) - u dużych owadów dziennych (np. pszczół lub mrówek) jest on w przybliżeniu taki sam. Dzięki temu soczewka i rabdomioliza są w stanie skutecznie wychwytywać wystarczającą ilość światła, aby oczy mogły funkcjonować w ciągu dnia. Dodatkowo każde ommatidium otoczone jest bardzo gęstą warstwą granulek pigmentu, które optycznie izolują rabdomy, blokując rozproszone światło i ułatwiając tworzenie obrazu.

Badania ultrastruktury komórek wykazały, że w przeciwieństwie do neuronów w mózgu M. viggianii , wszystkie komórki oka mają jądra. Być może z powodu ograniczeń optycznych komórki te pozostały wystarczająco duże, aby uniknąć skrajnej miniaturyzacji i zachować jądro utracone w innych częściach drogi wzrokowej. Komórki fotoreceptorowe wypełnione są mitochondriami, co sugeruje, że utrzymanie złożonych oczu jest bardzo kosztowne metabolicznie.

U wielu owadów obszar grzbietowej krawędzi oka (tzw. DRA – jeden lub więcej rzędów fasetek) ma szereg cech strukturalnych dostosowanych do analizy spolaryzowanego światła z nieba, które owady wykorzystują do orientacji i nawigacji (T. Labhart, E. Meyer, 1999. Detektory spolaryzowanego światła nieba u owadów: przegląd specjalizacji ommatidialnych w obszarze grzbietowej krawędzi oka złożonego ). Analiza cech strukturalnych elementów całego oka M. viggiani wykazała, że ​​nawet tak miniaturowe owady latające mają obszar wyspecjalizowanych ommatidiów. Około jedna trzecia obecnych ommatidiów, zlokalizowanych w grzbietowej części oka M. viggianii, wykazuje specjalizację w zakresie wykrywania światła spolaryzowanego (specjalna geometria rabdomu, zredukowane części aparatu dioptrycznego, a nawet jądra komórkowe biorące udział w formowaniu drogi optycznej).

Dzięki skonstruowaniu pełnokomórkowego modelu całego oka, autorzy byli w stanie zidentyfikować obecność fotoreceptorów, które utraciły połączenie z aparatem optycznym oka (fotoreceptory ektopowe). Prawdopodobnie ułatwiają również inne procesy biologiczne wymagające wykrywania światła, takie jak regulacja rytmów dobowych.

W 2023 roku międzynarodowy zespół autorów, w którego skład weszli uczestnicy omawianego badania, opublikował artykuł rzucający światło na to, w jaki sposób układ wzrokowy może przystosować się do tak ekstremalnej miniaturyzacji (N. Chua i in., 2023. A complete reconstruction of the early visual system of an adult insect ). Wykazano, że wizualny konektom M. viggiani zawiera zarówno stereotypowe wzorce połączeń istotne dla owadów latających, jak i te wyspecjalizowane w poszczególnych obszarach oka. Analiza połączeń między neuronami wykazała, że ​​tracą one jądra w sposób charakterystyczny dla danego typu komórek, a nie losowo, co wydaje się być związane z funkcją komórki. Komórki pozbawione jądra pierwszego zwoju wzrokowego mózgu tworzą znacznie więcej synaps w porównaniu do komórek zawierających jądra. Sugeruje to, że ciągła transkrypcja nie jest konieczna do utrzymania łączności synaptycznej w neuronach bezjądrowych przez całe życie dorosłego M. viggiani .

Prawdopodobne jest, że nieliczne neurony, które zachowały jądro, wspomagają procesy wymagające transkrypcji, takie jak plastyczność synaptyczna czy neuromodulacja. Na przykład neurony muchy Musca domestica mają zdolność do modulowania kalibru swoich aksonów, a także liczby i wielkości synaps w odpowiedzi na zmiany oświetlenia otoczenia i rytmy dobowe (E. Pyza, I. Meinertzhagen, 2003. Regulacja rytmów dobowych w układzie wzrokowym muchy: udział neuropeptydów podobnych do FMRFamidu i ich związek z czynnikiem rozpraszającym pigment u Musca domestica i Drosophila melanogaster ).

Badanie miniaturyzacji złożonych oczu jest niezwykle ciekawym i trudnym problemem dla morfologii i bioniki oraz wnosi znaczący wkład w zrozumienie skalowania narządów zmysłów. Analiza konektomów obejmująca neurony bezjądrowe może być przydatna przy konstruowaniu modeli obliczeniowych integracji informacji wizualnej u owadów.

Źródło: Anastasia A. Makarova, Nicholas J. Chua, Anna V. Diakova, Inna A. Desyatirkina, Pat Gunn, Song Pang, C. Shan Xu, Harald Hess, Dmitri B. Chklovskii, Alexey A. Polilov. Pierwsza kompletna rekonstrukcja 3D i mapowanie morfofunkcjonalne oka owada // eLife . 2025. DOI: 10.7554/eLife.103247.2.

Anastazja Makarowa