Unique hunting strategies of the dragonflies and exceptionally high level of eicosapentaenoic acid in brain lipids: Is there a connection?

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Многочисленные публикации последних лет свидетельствуют об уникальных поведенческих стратегиях, которые используют стрекозы в охоте на мелких летающих насекомых. В отличие от классического преследования, повторяющего движение жертвы, стрекозы используют тактику перехвата добычи, действуя с высокой точностью и скоростью [1–7]. В 2015 г. в журнале Nature была опубликована работа, в которой авторами была применена сложная система оценки движения тела стрекозы и поворота ее глаз, фиксирующая положение жертвы в момент времени. Результаты показали, что мозг стрекозы способен моделировать траекторию движения летящего объекта, с огромной скоростью вычисляя ее изменения и рассчитывая угол атаки [1]. Стрекозы оказались первыми беспозвоночными, у которых была выявлена способность к моделированию. Эта стратегия позволяет им добиваться поимки жертвы в 97% случаев [4]. В мозге стрекозы Hemicordulia tau были идентифицированы зрительные нейроны, получившие название Small Target Motion Detector (STMD) – детекторы движения малых мишеней [2, 8]. Эти нейроны, локализованные в третьем нейропиле оптических долей, обеспечивают выбор мелких движущихся объектов охоты из всего объема зрительной информации, оценивают их размеры и скорость передвижения, организуя поведение перехвата жертвы с учетом возможного изменения траектории ее движения. Проведенные авторами электрофизиологические эксперименты и компьютерное моделирование позволили установить, что даже очень незначительные отклонения в траектории движения одного выбранного целевого объекта при игнорировании изменений в общем зрительном фоне драматически меняют ответы этих нейронов из-за сложных тормозных и стимулирующих взаимодействий внутри рецептивного поля.

Наблюдение за стрекозами в природе и экспериментальные исследования их физиологии свидетельствуют о высокоорганизованной регуляции процесса полета и преследования жертвы. Их полет характеризуется очень высокой скоростью (до 60 км в час), огромной точностью и быстрой маневренностью. Стрекозы способны летать в разных направлениях (вперед, вбок и назад), менять угол наклона крыльев и мгновенно зависать в воздухе на длительное время, что не встречается у других насекомых. При этом в отличие от большинства других насекомых, каждое крыло иннервируется независимо, и мышцы, приводящие в движение каждое крыло, работают отдельно. Сложные задачи идентификации, отслеживания, предсказания и преследования цели решаются с помощью великолепно развитой зрительной системы. Большое число отдельно функционирующих омматидиев, число которых достигает 30000, маленький угол между ними, большой диаметр фасеток обеспечивают стрекозам отличное зрение и визуальный контроль пространства почти на 360 градусов, что позволяет великолепно различать мелкие движущиеся объекты на пестром фоне среди многочисленных отвлекающих факторов [9].

Сложный репертуар предсказательных стратегий преследования, оптическое устройство сложных сферических глаз, скорость обработки зрительной информации при относительно небольшом числе нейронов, нестандартная организация зрительно-моторных механизмов управления крыловыми мышцами позволяет предположить наличие у взрослых стрекоз не только структурно-функциональных, но и биохимических особенностей структуры ЦНС, связанных с таким сложным поведением. И такая особенность стрекоз, отличающая их не только от других наземных насекомых, но и от собственной стадии личинки, есть – исключительно высокий уровень в мембранных липидах головного мозга содержания эйкозапентаеновой кислоты (ЕРА, С20:5ω3) [10] – представителя длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) омега-3 ряда, важнейших структурно-функциональных компонентов фосфолипидов мембран мозга всех позвоночных животных.

Многочисленные работы последних лет, полученные главным образом на млекопитающих, свидетельствуют о важной роли длинноцепочечных омега-3 ПНЖК в нейро- и синаптогенезе, формировании новых нейронных сетей, синаптической пластичности, памяти и поведения [11–16]. Целью данной статьи является попытка автора найти убедительные аргументы в пользу существования взаимосвязи между сложным поведением стрекоз и обработки зрительной информации с высоким уровнем эйкозапентаеновой кислоты в липидах мозга.

Особенности состава ПНЖК в липидах наземных насекомых

Хорошо известно, что в тканях наземных насекомых, в отличие от наземных моллюсков или ракообразных, длинноцепочечные ПНЖК обнаруживаются в крайне незначительных количествах или не обнаруживаются вообще, а спектр полиеновых жирных кислот представлен только 18-атомными – линолевой (С18:2ω6) и альфа-линоленовой (С18:3ω3) кислотами, присутствующими в различных соотношениях [17–20]. Значительные количества арахидоновой кислоты, принадлежащей к омега-6 ряду (С20:4ω6), удается выявить лишь при анализе отдельных классов фосфолипидов в некоторых органах наземных насекомых, таких как мозг [21], репродуктивные ткани самцов и самок [22] и зрительные органы [23]. Так же как у других животных, у насекомых арахидоновая кислота является субстратом синтеза эйкозаноидов, регулирующих процессы иммунной защиты, репродукции, функционирования выделительной системы [24]. Длинноцепочечные (С ≥ 20) ПНЖК омега-3 ряда, основными представителями которых у позвоночных животных являются докозагексаеновая (DHA, C22:6ω3) и в значительно меньшей степени эйкозапентаеновая (ЕРА, С20:5ω3) кислоты, у наземных насекомых практически отсутствуют. Некоторые авторы рассматривают этот факт как выработанную насекомыми в ходе эволюции стратегию защиты от повреждающего воздействия окислительного стресса, к которому чрезвычайно чувствительны жирные кислоты с большим числом двойных связей [17]. Учитывая особенности организации трахейной системы насекомых, обеспечивающую прямую доставку кислорода к тканям, и исключительно высокую метаболическую активность при совершении мышечной работы, показанную для многих насекомых [25], такая гипотеза кажется вполне обоснованной.

Липиды амфибиотических насекомых содержат большое количество ЕРА

В отличие от наземных насекомых, липиды тканей амфибиотических или чисто водных видов насекомых содержат значительные количества ЕРА [26], получая ее из трофических цепей пресноводных экосистем, в которых основными продуцентами омега-3 ПНЖК являются диатомовые, криптофитовые, динофитовые микроводоросли [27, 28]. Амфибиотические насекомые аккумулируют ЕРА на личиночной стадии своего развития, которая происходит в водной среде. Имагинальные формы многих амфибиотических видов прекрасно освоили воздушное пространство. И самый яркий пример в этом ряду – стрекозы. Их крыловые мышцы, как и у всех насекомых, снабжаются кислородом через трахейную систему, совершают интенсивную мышечную работу, в том числе при длительных перелетах и миграциях, и содержат при этом высокие количества ЕРА, имеющую в своей структуре 5 двойных связей [10, 26, 29–31]. По этой причине стрекозы, благодаря относительно крупным размерам тела и способности к дальним миграциям, рассматриваются как один из наиболее мощных источников экспорта омега-3 ПНЖК в трофические цепи наземных экосистем [29, 31]. Высокий уровень ЕРА у активно летающих стрекоз и других амфибиотических насекомых на стадии имаго противоречит гипотезе “стратегической защиты от окислительного стресса” и свидетельствует о том, что имагинальные формы, по всей вероятности, обладают развитыми механизмами защиты полиеновых жирных кислот от окислительного повреждения.

ЕРА – основная жирная кислота омега 3 ряда в липидах мозга стрекоз

Хорошо известно, что в мозгу различных млекопитающих, независимо от их систематической принадлежности, характера питания, образа жизни и способности к биосинтезу длинноцепочечных жирных кислот, количество и состав С20–22 омега-3 ПНЖК в фосфолипидах мозга очень схож [32]. Даже у дельфинов, питающихся морской пищей, богатой омега-3 кислотами, он мало чем отличается от такового у наземных травоядных или хищников. В фосфолипидах мозга всех исследованных млекопитающих среди ПНЖК омега-3 ряда доминирует С22:6ω3, а содержание ЕРА составляет не более 1% [27].

Жирнокислотный состав фосфолипидов мозга имаго стрекозы Aeschna grandis L., обычного представителя прибрежной энтомофауны Северного полушария, демонстрирует исключительно высокий уровень ЕРА и лишь следовые количества DHA во всех исследованных классах фосфолипидов [10] (табл. 1). Исключение составляет лишь сфингомиелин, который, так же как у всех других животных, ввиду своей особой структуры и мембранной локализации вообще не содержит ПНЖК [33]. Особенно высоко содержание ЕРА в плазмалогенной и диацильной формах фосфатидилэтаноламина (44 и 38% от суммы всех жирных кислот соответственно), фосфатидилсерине (32%) и фосфатидилинозите (28%). Такого количества ЕРА при анализе фосфолипидов целого мозга не обнаружено ни у одного из исследованных видов наземных животных. По сумме омега-3 ПНЖК в фосфолипидах мозга стрекозы значительно превосходят млекопитающих. Так, например, в диацильной форме фосфатидилэтаноламина, одном из самых ненасыщенных фосфолипидов у всех животных, суммарное количество омега-3 ПНЖК (18:3 + 20:5 + 22:5 + 22:6) в мозгу разных представителей млекопитающих составляет примерно 20–25% от суммы всех жирных кислот [32], а в мозгу стрекозы – 38%, представленных исключительно ЕРА (табл. 1). Высокое содержание ЕРА обнаружено в глазах стрекоз Sympetrum flaveolum [34], в то время как DHA практически отсутствовала, тогда как у рыб и млекопитающих ее содержание в фоторецепторных клетках достигает очень высоких величин.

Таблица 1. Содержание суммарных и отдельных фосфолипидов (в мг фосфолипидов/г сырой ткани и в % от суммы соответственно) и эйкозапентаеновой кислоты (в % от суммы всех жирных кислот) в головном мозгу личинки и имаго стрекозы Aeschna grandis L. (модифицировано по данным работы [10]). ND – не обнаружены

Переход стрекоз от стадии личинки к имаго сопровождается резким увеличением ЕРА в фосфолипидах мозга и значительным усложнения поведения

Удивительные результаты демонстрирует сравнение количества ЕРА в фосфолипидах мозга взрослых стрекоз и личинок (нимф) последнего возраста (табл. 1). Личинки стрекоз, представители трофических систем пресных водоемов, питаются пищей, богатой омега-3 ПНЖК (мелкие беспозвоночные, мальки рыб), тогда как пищей взрослых стрекоз являются наземные насекомые – мухи, мелкие чешуекрылые, комары, в которых эти жирные кислоты практически отсутствуют [20]. Тем не менее, содержание ЕРА в фосфолипидах мозга взрослых особей оказывается значительно выше, чем у личинок. В диацильной форме фосфатидилэтаноламина и в фосфатидилсерине ее содержание почти в 4 раза выше у взрослых форм, чем у личинок, в фосфатидилинозите и фосфатидилхолине – почти в 2 раза. Эта разница будет еще более выраженной, если учесть количественные различия в содержании отдельных классов фосфолипидов у личинки и имаго, например, увеличении количества фосфатидилэтаноламина- наиболее ненасыщенного фосфолипида, у взрослых форм (табл. 1).

По всей вероятности, ЕРА в тканях взрослых стрекоз имеет личиночное происхождение [29, 31]. Способность к длительному удержанию ценных для организма омега-3 ПНЖК, полученных в ходе личиночного развития, была показана и у насекомых с полным превращением, у которых на стадии куколки происходит полная структурная реорганизация тканей. Так, если в пищевой рацион гусениц восковой моли Galleria melonella добавить ЕРА, то она обнаруживается в фосфолипидах бабочек [35]. Хотя способность взрослых стрекоз синтезировать ЕРА de novo из более коротких предшественников, таких как альфа-линоленовая кислота, не изучалась, наиболее вероятным представляется предположение, что в процессе подготовки линьки личинки на имаго происходит избирательное перенаправление ЕРА в фосфолипиды ЦНС из других тканей. Основным донором ЕРА может являться пул жирных кислот, аккумулированных в ходе длительного личиночного развития в жировом теле, ключевом координаторе липидного метаболизма у насекомых [36], функционально аналогичном печени и жировой ткани позвоночных. По нашим данным содержание ЕРА в жировом теле личинки стрекозы A. grandis составляет 15.6% в фосфолипидах и 6.8% в триацилглицеринах [10]. Показано, что под действием 20-гидроксиэкдизона, стероидного гормона, стимулирующего линьку и метаморфоз насекомых, происходит усиление липолиза в жировом теле, которое сопровождается увеличением содержания неэстерифицированных жирных кислот в гемолимфе. Максимальная интенсивность этих процессов, регулируемых изменением экспрессии генов, задействованных в регуляцию липидного метаболизма, отмечается на стадии линьки [36, 37].

Онтогенез стрекоз дает редкий пример усложнения поведения, способов получения и обработки сенсорной информации в связи с драматическими изменениями в характере среды обитания, передвижения в пространстве, охраны территории, способов добывания и характера пищи, которое обычно несвойственно насекомым с неполным метаморфозом. Личинки стрекоз малоподвижны, имеют слаборазвитое зрение, живут в мутной воде или зарываются в ил, в охоте используют выжидательную стратегию, ориентируясь главным образом на осязание и обоняние, обеспечиваемыми развитыми антеннами [38]. Хотя структура основных центров мозга стрекоз принципиально схожа у личинок и имаго, и предполагается, что поступающая различными сенсорными путями информация обрабатывается одними и теми же центрами мозга [39], у взрослых форм снижается количество обонятельных и механочувствительных сенсилл, значительно падает доля обоняния и резко возрастает роль зрения. Особое развитие приобретают грибовидные тела, основной ассоциативный центр мозга, отвечающий за зрение и координацию локомоции [40]. Показано, что зрительные доли, которые образуют фронтально-латеральные части протоцеребрума, достигают у взрослых стрекоз 80% от общего объема надглоточного ганглия [41]. Очевидно, что кардинальное усложнение поведения у взрослых стрекоз по сравнению с личинкой должно приводить к формированию новых нейронных сетей, обеспечивающих мгновенную переработку сложной зрительной информации и высокую скорость управления локомоторными действиями, обеспечивающими высокоэффективную стратегию охоты. В пользу этого предположения свидетельствуют также наши данные о более высоком количестве общих фосфолипидов на грамм ткани мозга у взрослых форм по сравнению с личинкой (табл. 1), что косвенно указывает на возрастание массы мембранных структур – числа отростков, а возможно и тел нейронов у взрослых стрекоз.

“Когнитивные эффекты” омега-3 ПНЖК у позвоночных и беспозвоночных животных

Наблюдаемая избирательная аккумуляция ЕРА в фосфолипидах нервной системы при переходе от стадии личинки к имаго, по всей вероятности, важна для формирования новых нейронных сетей, обеспечивающих усложнение поведения. В пользу этого заключения свидетельствует огромный объем экспериментальных данных, полученный на млекопитающих, об аккумуляции в мозгу С20 омега-3 ПНЖК, главным образом DHA, в период пренатального развития [15, 16, 42, 43] и их важнейшей роли в созревании мозга ‒ обеспечении процессов нейрогенеза, нейрональной и синаптической пластичности, формирования памяти и поведения [11 ‒ 14]. Обратные процессы – старение организма, нейродегенерация, напротив, сопровождаются снижением содержания омега-3 ПНЖК в структурах мозга [44]. ЕРА и DHA задействованы в увеличении числа нейронов, стимуляции образования дендритных шипиков, синаптических контактов, разветвления и роста отростков нервных клеток [45 ‒ 48]. Их действие связано с поддержанием необходимой жидкостности липидного бислоя, регуляцией соотношения “упорядоченных” (липидных рафтов) и “неупорядоченных” мембранных доменов, увеличением экспрессии синаптических белков [47, 48], обеспечением везикулярного транспорта в синапсах и регуляцией высвобождения нейротрансмиттеров [49], со стимуляцией продукции нейротрофического фактора мозга (BDNF) [50], а также с противовоспалительными и многими другими эффектами. У млекопитающих в эндотелиальных клетках гематоэнцефалического барьера идентифицированы специфические белки-транспортеры Mfsd2a, обеспечивающие быстрый транспорт ЕРА и DHA в составе лизофосфатидилхолина в мозг [51]. Особенно велика роль омега-3 кислот у млекопитающих в гиппокампе, ответственным за формирование эмоций, консолидацию пространственной памяти, необходимой для навигации. Недостаток омега-3 ПНЖК в рационе животных приводит к уменьшению числа и размеров нейронов гиппокампа [52], нарушению функционирования G-белок связанных рецепторов и потенциал-зависимых ионных каналов [53, 54]. Дефицит этих жирных кислот вызывает уменьшение поступления глюкозы в структуры мозга [55], снижение пространственной памяти, поведения, способности к обучению, нарушению зрения, психомоторных функций [50, 52, 56], а у человека приводит к развитию болезни Альцгеймера [14].

Роль омега-3 ПНЖК показана в структурно-функциональном развитии мозга птиц. При добавлении DHA в пищу птенцов происходит ее накопление в структурах мозга [57], что приводит к ускорению их когнитивного развития [58, 59]. Нарушение синаптической функции при дефиците омега-3 ПНЖК выявляется уже у беспозвоночных. Так, на свободноживущей нематоде Caenorhabditis elegans, способной синтезировать 20-атомные омега-3 ПНЖК [60], с помощью различных экспериментальных подходов было установлено, что у мутанта по гену fat3, кодирующего ∆6 десатуразу, ответственную за синтез жирных кислот с тремя и более двойными связями, было нарушено образование синаптических везикул и снижена продукция нейротрансмиттеров [61]. На моделях дрозофилы показано, что экзогенные ЕРА и DHA оказывают нейропротективное действие, препятствуя развитию ингибирующих эффектов бипиридиновых гербицидов на экспрессию белков, обеспечивающих выживание нейронов и синаптическую стабильность, а также на функционирование митохондрий в нейронах [62]. На медоносных пчелах было показано, что изменение величины соотношения омега-3/омега-6 жирных кислот в пище в пользу омега-3 улучшает их способность к обонятельному и тактильному ассоциативному обучению [63].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные выше факты позволяют предположить, что увеличение содержания ЕРА в фосфолипидах мозга взрослых стрекоз по сравнению с личинкой может являться важным, хотя, разумеется, не единственным механизмом, участвующим в обеспечении значительно более сложного поведения, предсказательных стратегий преследования добычи, переработки зрительной информации. По всей вероятности, селективная аккумуляция ЕРА в структурах мозга взрослых стрекоз, которая происходит даже при отсутствии ее поступления с пищей, призвана обеспечить формирование значительно более сложных нейронных сетей. У млекопитающих эту функцию в процессе пренатального развития мозга выполняет, главным образом, DHA, содержание которой значительно выше, чем ЕРА. По какой-то причине у насекомых, в том числе и у амфибиотических, в отличие от большинства беспозвоночных и позвоночных животных, DHA практически отсутствует, и даже при ее добавлении в пищу, как это было показано на дрозофилах, она быстро метаболизируется в ЕРА [64]. Возможно, что увеличение ненасыщенности жирных кислот на одну двойную связь подвергает наземных насекомых большему риску окислительного стресса. Анализ генома дрозофил выявил отсутствие элонгаз и десатураз, необходимых для превращения ЕРА в ДГК [64].

В последнее время интерес клинической медицины к специфической роли ЕРА в функционировании ЦНС сильно возрос. Хотя у млекопитающих она менее активно включается в липиды мозга и более интенсивно подвергается бета-окислению [65], обнаружены ее многочисленные самостоятельные эффекты в ЦНС, независимые от превращения ЕРА в DHA [11, 66, 67]. Введение в диету ЕРА приводило к улучшению способности крыс к обучению и значительно улучшала память у животных с моделью болезни Альцгеймера [49]. На нейронах гиппокампа и in vivo на моделях крыс с когнитивным дефицитом показано, что фосфатидилэтаноламин, обогащенный ЕРА (особенно его плазмалогенная форма), действуя через BDGF/CREB сигнальный путь обладает антиапоптотическим действием, стимулирует экспрессию белков синаптических окончаний, количество дендритов и образование дендритных шипиков [66]. Доказано, что именно ЕРА обладает терапевтическим потенциалом у человека при лечении депрессии, биполярных расстройств, шизофрении и других психических заболеваний [68–70], в основе которого лежит обеспечиваемая этой жирной кислотой модуляция синаптической пластичности [11]. Тем не менее, понять специфичность функций ЕРА на моделях млекопитающих довольно сложно ввиду потенциальной возможности ее метаболического превращения в DHA. Наблюдаемое в ходе онтогенеза стрекоз резкое накопление ЕРА в фосфолипидах мозга, сопровождающееся значительным усложнением поведения насекомых, можно рассматривать как удивительный “природный эксперимент”, демонстрирующий корреляцию количества ЕРА в липидах мозга и степень когнитивного развития в отсутствие других длинноцепочечных жирных кислот омега-3 ряда.

ВКЛАД АВТОРОВ

Подбор литературы, написание текста были осуществлены автором лично.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств Государственного задания Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук (№ 075–00967–23–00). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Автор данной работы заявляет, что у нее нет конфликта интересов.

作者简介

R. Parnova

编辑信件的主要联系方式.
Email: rimma_parnova@mail.ru
俄罗斯联邦, Saint-Petersburg

参考

补充文件