Готовимся к уроку биологии о насекомых

При слове «муха» в нашем мозгу тотчас возникают неприятные ассоциации, и как бы перед глазами появляется образ назойливейшего существа. К тому же память услужливо «подсказывает» заложенные при обучении сведения, что это – враг, который вечно роется в помойках, принося в дом человека грязь, а ему самому – болезни.

Но давайте рассмотрим хотя бы на небольшом числе примеров те факты, о которых вы не прочтете в учебной литературе по биологии. Может быть, тогда вы сможете понять, что мухи должны вызывать не отрицательные эмоции, а восхищение, поскольку являются уникальными созданиями. Во-первых, они  играют  немаловажную роль на Земле, оказывая воздействие на экологическое равновесие, во-вторых, мухи, как ни парадоксально, приносят пользу человеку, в-третьих, это – удивительные живые существа с совершенным устройством организма и сложным целесообразным поведением.

Итак, «вредны» или «полезны» мухи?

В связи с тем, что мухи очень быстро растут и невероятно плодовиты, их влияние на окружающую среду весьма значительно. Часто виды мух распределяются по группам в зависимости от их «полезности» или «вредности» для природы и человека. Однако эти понятия сейчас практически не используют. Любой из видов имеет свое конкретное предназначение на нашей планете, является  носителем уникальной генетической информации, занимает в естественных биоценозах свою экологическую нишу и положение в круговороте веществ. Мухи большинства видов должны выполнять на Земле различные функции, в том числе санитарные, вызывая ускоренный распад разнообразных остатков растительного и животного происхождения. Занимаются этим в основном личинки, несущие специальную службу по уборке земли от нечистот, которые без полезнейшей работы этих малышей долго бы отравляли воздух и служили источником опасных заразных болезней. Еще Карл Линней подсчитал, что в тропиках потомство всего лишь трех мух уничтожит труп лошади быстрее, чем это сделает лев.

В то же время мухи некоторых видов сами являются переносчиками возбудителей инфекционных болезней человека и животных (комнатная и базарная мухи, жигалка и т.д.). Однако их размножению способствует неряшливость человека, наличие в окружающей среде гниющих веществ.  Избавиться от таких мух можно только при строгом соблюдении чистоты в доме и населенных пунктах. Эти знания даны нам в назидание, чтобы человек хранил в чистоте не только тело, но и свое жилище.

Использование потомства мух в лечебных целях.  С мухами связано удивительное явление, показывающее, что их потомство может служить не только для санитарных, но и для лечебных целей. В период Первой мировой войны было замечено, что если в ранах солдат, долго находившихся на поле боя без помощи, заводились личинки мух, то они противодействовали заражению и способствовали более быстрому заживлению ран. Действительно, исследования установили, что личинки зеленых и синих падальных мух не только поглощают разлагающиеся части тканей, но и одновременно выделяют бактерицидные вещества, убивающие патогенных бактерий. Кроме того, выделением специфического вещества аллантоина они способствуют заживлению ран. Это открытие позволило использовать в медицине до появления антибиотиков выращенных в лаборатории стерильных личинок некоторых мух.

Помощь в науке – генетика и знаменитая мушка дрозофила.    Современная наука генетика получила толчок для своего активного развития в 1908 г. Тогда начались первые лабораторные опыты с очень удобным для экспериментов живым существом – мушкой дрозофилой. С тех пор генетический аппарат дрозофилы является объектом пристального изучения с помощью сложнейшей научной техники. И это не случайно. Личинки дрозофил очень быстро развиваются на искусственных средах. И через 7 – 10 дней ученые получают  результаты опыта, например, об изменениях мельчайших структур клеточного ядра – хромосом, которые происходят под воздействием тех или иных факторов.

Роль мух в доказательствах о вредности мутаций.   Ранее считалось, что случайные  генетические изменения (мутации) способны снабдить организм лучшим органом и повысить его шансы на выживание. Однако на примере лабораторного облучения мушки дрозофилы и других живых существ научно установлено, что все мутации вредны. Дрозофилы подвергались радиоактивному облучению, химическому и другим воздействиям для получения целенаправленных мутаций. В результате были получены особи со вторым набором крыльев, но не умеющие летать, мушки с третьим глазом, однако видящие хуже двуглазых и т.д. И все же, к разочарованию ученых, дрозофила оставалась все той же дрозофилой. Накопленные мутации не смогли изменить ее принадлежности к конкретному виду. Тем более что мутации не способны передаваться по наследству, и ни сразу, ни постепенно они не могут становиться видотипичными (типичными для данного вида). Ведь в любом организме  генетически присутствует защита чистоты вида.

Способна ли муха ощущать  и целенаправленно действовать?

Обратим внимание на поведение мухи, которая суетится на столе, трогая все предметы своими подвижными лапками. Вот она нашла сахар и жадно его обсасывает с помощью хоботка. Следовательно, муха способна ощущать и выбирать нужную ей пищу. Если вам захочется поймать беспокойное создание, сделать это будет совсем не просто. Вы осторожно приближаете к мухе руку, она тотчас прекращает движения и как бы настораживается. И в последний момент, когда  вы взмахнете рукой, чтобы ее схватить, муха быстро улетает. Она видела вас, получила определенные сигналы о вашем намерении, об угрожающей ей опасности и спаслась бегством. Но через короткое время память помогает насекомому возвратиться. В красивом, четко направленном полете муха «приземляется» именно туда, откуда ее согнали, чтобы продолжить лакомиться сахаром. Перед трапезой и после нее аккуратная муха изящно почистит ножками голову и крылья. Как видите, в этом миниатюрном, но удивительно совершенном создании проявляется способность ощущать окружающий мир, целенаправленно действовать соответственно обстановке, быстро двигаться, ловко манипулировать своими конечностями. Для этого муха наделена превосходными живыми  «приборами» и удивительно целесообразными устройствами. В подтверждение сказанному рассмотрим некоторые примеры.

Органы чувств и живые «приборы»
 
Проба пищи на вкус с помощью лапок.    Исследователям известно, что ни одну муху не проведешь на сахарине. Она сразу же отличит его от сахара, лишь прикоснувшись к порошку лапками. То есть муха способна осуществлять контактный анализ химического вещества и практически мгновенно узнавать, что у нее под ногами – питье, твердая пища или что-то несъедобное. Для исследования этой способности к нервным волокнам синей мухи подсоединили электроды и усилили полученные импульсы. Оказалось, что на лапках мухи имеются четыре типа рецепторов. Одни служат для определения с помощью анализаторов состава воды, другие – сахара, третьи – различных солей, а четвертые указывают насекомому на наличие белковой пищи.

Высокочувствительный хоботок.  Хоботок мухи тоже содержит чувствительные анализаторы химических веществ. На его конце имеется особая губчатая подушечка – лабеллум. При проведении очень тонкого эксперимента один из чувствительных волосков на нем включили в электрическую цепь и коснулись раствора сахара. Прибор зарегистрировал электрическую активность, показывая, что в нервную систему мухи поступил сигнал о вкусе раствора. Хоботок мухи автоматически связан с показаниями химических рецепторов (хеморецепторов) ног. Когда появляется положительная команда от этих анализаторов, хоботок вытягивается, и муха начинает есть или пить. При исследованиях на лапку насекомого наносится определенное вещество. По выпрямлению хоботка судили, какое вещество и в каких концентрациях улавливает муха. С помощью  удивительной чувствительности и быстроты реакции насекомого такой химический анализ длится всего несколько секунд. Эксперименты показали, что чувствительность рецепторов передних лапок составляет 95 % от этого показателя хоботка. А у второй и третьей пар лапок она 34 и 3 % соответственно. То есть задними ногами муха пищу не пробует.

Органы обоняния.   У химического чувства  мух хорошо развиты органы обоняния. Они реагируют на присутствие даже очень малых концентраций вещества, исходящего от удаленного источника. Благодаря чувствительному обонянию мухи способны мигом появиться у свежей кучи навоза или отбросов. И хотя усики у них короткие, перистые придатки обеспечивают большую поверхность для контакта с химическими веществами.

Одним из многочисленных примеров использования мухами своего прекрасного обоняния может служить тахина-хрущеедка. Она откладывает яйца в почву, отыскав по запаху участки, заселенные хрущами. Появившиеся на свет молодые личинки, тоже пользуясь отличным обонянием, сами разыскивают хозяина-хруща.

Практическое применение обонятельной способности мух.   Поскольку самая обыкновенная муха занимает одно из первых мест среди живых существ по чувствительности органов обоняния и по числу химических веществ, которые она способна различать, то эти ее свойства находят практическое применение. Так, она используется в качестве основного блока биоавтоматической системы для улавливания запаха рудничного газа в шахтах. К головным ганглиям мухи подсоединяют миниатюрные электроды от высокочувствительного осциллографа. Присутствие в воздухе даже незначительного количества ядовитого газа вызывает в нервных узлах мухи характерные сигналы, которые и передаются на экран прибора.

Появилась идея использовать высокочувствительное обоняние дрозофилы в других не менее важных практических целях. Генетики вывели мутантов этих мушек, которых привлекают только определенные запахи. А поскольку обоняние у них гораздо лучше, чем у собак и свиней, «профессионально» занимающихся наркосыском, то воплощение такой идеи имеет под собой вполне реальную почву.

Ориентация у мух и личинок.    При ориентации мухи используют различные системы. Например, самцы синей мясной мухи часто садятся в ожидании пролетающих самок на освещенную солнцем стену. Если они улетают по какой-нибудь причине, то обязательно возвращаются на место с ошибкой 5 – 10 см. И хотя рядом нет видимых ориентиров возврат мух  управляется какими-то определенными факторами. А, например, самцы мух-сирфид в ожидании самок «висят» в воздухе в одной точке и тот час устремляются к любому небольшому приближающемуся предмету. После каждого такого рейда они всегда возвращаются на прежнее место, используя, как считают ученые, наземные ориентиры.

Опыты с личинками мух показывают, что перед окукливанием они перестают есть и начинают прятаться от света, что называется «отрицательным фототаксисом». Светочувствительные клетки на переднем конце тела личинки, как бы ее глаза, регистрируют изменение освещенности. Поэтому личинки, ползая на какой-либо поверхности, размахивают вправо и влево заостренным передним концом тела с фоторецепторами, определяя возможные направления движения от света. Если свет ярче слева, то она ползет вправо. А в ответ на усиление освещенности, личинка усиливает скорость поворота головы.

Восприятие  магнитного поля.   Экспериментально установлено, что в большинстве случаев тела насекомых, в том числе мух, представляет собой магнитный диполь. Если их высушенные тела поместить на поплавке или подвесить на нитке, они развернутся вдоль магнитного меридиана, как магнитная стрелка. И хотя многое еще не ясно, сделано предположение, что такая «стрелка» и составляет основу живого магнитного компаса. Благодаря нему мухи при посадке используют магнитную ориентацию. Исследованиями установлено что домовые мухи, находясь в помещении, предпочитают садиться в направлении оси север-юг и восток-запад.

Устройства для  осуществления движений

Как известно, муха относится к чрезвычайно подвижным насекомым. Она прекрасно летает и проворно бегает по любым поверхностям.

Органы движения.  Многие насекомые наделены высокоскоростными и маневренными летательными аппаратами. Виртуозами в полете славятся  не только стрекозы, но и некоторые мухи. Обыкновенная комнатная муха обеспечена всеми необходимыми устройствами и обладает удивительной способностью производить точно скоординированные, управляемые действия. Она может взлетать без разбега, мгновенно останавливать свой быстрый полет, зависать в воздухе, летать вверх ногами и даже назад. За считанные  секунды она может продемонстрировать множество сложных фигур высшего пилотажа, в том числе петлю. Кроме того, мухи способны в воздухе выполнять такие действия, которые другие насекомые могут делать только на земле, например, на лету почистить лапки.

Великолепное устройство органов движения мухи позволяет ей  осуществлять быстрый бег и легкое передвижение по любым поверхностям, в том числе гладким, отвесным и даже по потолку. Нога мухи заканчивается парой коготков и подушечкой между ними. Благодаря  такой целесообразной «конструкции» она проявляет поразительную способность ходить по таким поверхностям, на которых иные насекомые не могут даже просто удержаться. Причем коготками она цепляется за малейшие неровности на плоскости, а для передвижения по зеркально гладкой поверхности служат подушечки, покрытые пустотелыми волосками. Через эти специальные «шланги» из особых желез выделяется маслянистый секрет. Создаваемые им силы поверхностного натяжения прекрасно удерживают муху на стекле.

В помощь целенаправленному движению.    У мух, как и у пчел, нет четко специализированных органов гравитации. Но для регулирования движения они всегда определяют направление силы тяжести по совместным показателям многочисленных механорецепторов. Эти рецепторы входят в систему анализаторов мух, благодаря которым определяются нагрузки в сочленениях усиков, груди с головой, брюшком и шестью ногами.

Кожные рецепторы мух образуют богатое и сложное информационное поле. Если их контактно стимулировать, то можно вызвать направленное движение насекомого, связанное с его безусловными рефлексами. При помощи жужжалец мухи воспринимают угловые ускорения и повороты. А в качества статолита у мух работает массивная голова, которая держится на тонкой шее. Эти органы участвуют в постоянном рефлекторном контроле быстрых движений.

Мухи демонстрируют интересный рефлекс контрповорота благодаря способности ощущать повороты при движении с помощью сенсорных систем конечностей и сегментов тела. Это помогает насекомым поддерживать постоянное направление движения. Так, после выхода из Г–образного лабиринта, они сразу же  поворачивают в сторону, которая противоположна изгибу коридора.

Возможности организма

Для мух характерна многочисленность видов, и эти, казалось бы, незащищенные живые существа широко распространены на территории от полярных областей до экватора. Это возможно благодаря широкому диапазону разновидностей их организма, соответствующих каждому виду.

Обитание в широком диапазоне условий.   Для того, чтобы жить в самых разнообразных условиях – и в солнечных саваннах, и в теплых влажных тропических лесах, и  холодной тундре, – организм мух каждого вида имеет свои специфические возможности. Одним из многочисленных примеров целесообразного строения организма для жизни в исключительно суровой среде  служат некоторые виды мух, живущих только на Аляске. Они обладают удивительной способностью выдерживать температуру до –600С. Мухи, конечно, замерзают, но их организм специально обустроен таким образом, что кристаллы льда образуются только снаружи, не повреждая клеток, органов и тканей. При потеплении эти насекомые быстро «оживают».

Жизнь в нефти.   Не менее удивительным примером уникального устройства для проживания в самых сложных условиях является организм калифорнийской нефтяной мухи. Он обеспечивает ее активную жизнедеятельность в емкостях и лужах на поверхности земли с густой сырой нефтью. Муха питается насекомыми, прилипшими к поверхности пленки, и ее организм прекрасно для этого оснащен. Во-первых, кишечник мухи «предусмотрительно» заселен бактериями-симбионтами, которые расщепляют парафин нефти и обеспечивают его усвоение. Во-вторых, у этой мухи особенные подушечки тоненьких ножек, что позволяет ей свободно бегать по нефтяной пленке, не прилипая к ней. В то же время прикосновение любой другой частью тела для нее довольно опасно. В-третьих, личинки этой мухи тоже обладают всем необходимым для нахождения в нефти и питания прилипшими насекомыми. Например, программа инстинктивного поведения заставляет их поднимать над поверхностью нефти кончики специальных  дыхательных трубок, чтобы не задохнуться.

Уникальная выживаемость личинки».   У самых красивых мух журчалок, или сирфид, водяную личинку называют «крыской». Эта серенькая личинка с длинным «крысиным хвостом» удивительно вынослива в самой загрязненной воде. Она также наделена уникальной выживаемостью в концентрированной сулеме (20 ч), абсолютном спирте (2,5 ч), чистой уксусной кислоте (1 ч). А тоненький хвостик личинки служит ей телескопической антенной.