У насекомых, стоящих в эволюционном ряду очень высоко, нейросекреторные и гормональные факторы достигают высокого развития и представлены в виде особых морфологических структур.
В эволюционном аспекте нейросекреторные и гормональные факторы в классе насекомых являются надстройкой, дающей ряд преимуществ для обладающих ими организмов. Их появление в историческом развитии класса явилось ароморфозом, обусловившим новые возможности для приспособления организмов к неблагоприятным сочетаниям абиотических факторов среды, благодаря приобретению ими широкой амплитуды переходных физиологических состояний между физиологической активностью и физиологическим покоем, неизмеримо повысивших экологическую пластичность особей, популяций и видов.
Де Вильде раньше других обратил внимание на значение прилежащих тел (Corpora allata) в формировании имагинальной диапаузы колорадского жука, заметив, что во время диапаузы их размеры приблизительно в 2 раза меньше, чем в состоянии активной жизнедеятельности. Сделав пересадки прилежащих тел от диапаузирующих жуков размножающимся и наоборот, де Вильде получил в первом случае синдром диапаузы, а во втором реактивацию жуков. Он же впервые заметил, что С. allata, по-видимому, активируются нейросекреторными клетками мозга и отметил значение фотопериодизма в индукции и становлении диапаузы у жука.
В последующие 20 лет участие нейросекреторных и гормональных факторов и роль фотопериодизма в формировании диапаузы у колорадского жука широко и детально изучались как де Вильде, так и его многочисленными учениками и сотрудниками. В результате комплексной, хорошо поставленной работы установлен ряд новых фактов и сложилось ясное представление о роли нейросекреторных и гормональных факторов в качестве активаторов метаболизма и зависимости состояния нейросекреторных клеток и гормональных желез от фотопериодизма, температуры и некоторых других абиотических факторов внешней среды.
Так как вся работа профессора де Вильде и его школы проходила и на жуках, развивавшихся в лабораторных (камерных) условиях, то несколько затруднительно сравнивать получаемую при этом диапаузу с ее природными модификациями. Ближе всего, хотя и не вполне идентична, она по-видимому, к зимней диапаузе колорадского жука, с которой ее и следует сопоставлять.
Основными морфологическими структурами, реагирующими на фотопериодизм, оказались три группы нейросекреторных клеток (одна медиальная и две латеральных), расположенные в протоцеребруме жука. Среди них выделены клетки семи типов: А—, A1, В—, С—, D —, Е — и L —. Эти клетки отличаются от обычных нейронов размерами и циклично-изменяющимся окрашиванием протоплазмы их ядер. Их изучение показало, что продуцируемый клетками А —, A1, В —, С — и L — секреторный материал транспортируется в Corpora cardiaca и временно депонируется в axon-terminalis этих желез. Для двух типов нейросекреторных клеток мозга: D — и Е — пути транспорта секрета пока не ясны. Кардиальные железы содержат также собственный секреторный материал, физиологическая роль которого еще недостаточно изучена. Некоторые аксоны, идущие от мозга, образуют в кардиальных железах сплетение и далее продолжаются в прилежащие тела.
Изучая функциональное значение ретроцеребрального комплекса, включающего нейросекреторные клетки мозга, парные прилежащие тела (Corpora allata) и парные кардиальные тела (Corpora cardiac), де Вильде и его сотрудники произвели многочисленные варианты пересадок и удаления прилежащих и кардиальных тел от активных, размножающихся жуков к диапаузирующим и наоборот. Удаляя у активных жуков, развивавшихся при длинном дне прилежащие или кардиальные тела, они получали полный синдром диапаузы: прекращалась яйцекладка, происходило интенсивное преддиапаузное питание, во время которого в теле жуков откладывалось большое количество жира; потребление кислорода резко падало, а дыхательный коэффициент превышал единицу; жуки зарывались в почву и становились неподвижными. В таком состоянии они находились 4—5 месяцев (максимум 210 дней). Подсадка таким жукам прилежащих тел от активных жуков вела к их быстрой активации и при соответствующем питании — к размножению. При удалении только прилежащих тел и при удалении как прилежащих, так и кардиальных тел разницы в реакции жуков не найдено.
При определении в гемолимфе титра ювенильного гормона, производимого прилежащими телами, оказалось, что при вылуплении жуков независимо от длины дня, при которой протекало развитие, он близок к нулю. С 1-го по 5-й день имагинальной жизни титр ювенильного гормона в гемолимфе заметно повышается. У жуков, содержащихся в условиях короткого дня, титр ювенильного гормона далее резко падает и достигает минимума к началу диапаузы.
У жуков длинного дня титр ювенильного гормона продолжает повышаться до начала размножения и поддерживается на высоком уровне во время размножения.
С окончанием диапаузы титр ювенильного гормона увеличивается и к моменту начала яйцекладки его уровень приближается к тому, который характерен для развивавшихся при длинном дне молодых самок. Аллатектомия или короткий день (10 час/сут) давали близкий эффект. Реимплантация диапаузирующим жукам С. allata от активных восстанавливала их активную жизнедеятельность. Еще в первые годы работы с колорадским жуком де Вильде пришел к заключению, что его диапауза обусловлена дефицитом секрета прилежащих тел. Позже экспериментально было показано, что длинный день активирует С. allata через медиальные нейросекреторные клетки мозга, тогда как короткий день такого влияния не оказывает. По-видимому, первым акцептором, активируемым длинным днем и тормозимым коротким, являются нейросекреторные клетки мозга. Предполагается, что С. allata постоянно нуждаются в их активации со стороны нейросекреторной системы мозга и что эта система не активна во время диапаузы.
Изучая морфофункциональные изменения нейросекреторных клеток мозга, Шуневельд установил, что гомориположительные клетки (в особенности А-клетки) при наступлении диапаузы и во время нее обнаруживают характерные изменения: у жуков короткого дня при наступлении диапаузы они заполняются гомориположительными включениями, которые после 1-2 недель диапаузы имеют вид гроздьев или связок. Общие размеры клеток и объем их ядер в это время значительно уменьшаются, и их аксоны не содержат или содержат очень немного гомориположительного материала. В процессе прохождения диапаузы картина меняется, и через 2-3 месяца диапаузы при температуре 25° транспорт нейросекрета по аксонам возобновляется. В состоянии активной жизнедеятельности у жуков, вступающих в период репродукции, при длинном дне нейросекреторные клетки увеличены в размерах и имеют мелкие, рассеянные гомориположительные включения. Такие же включения имеются и в аксонах, позволяя предполагать активный транспорт секреторного материала из клеток.
Штегви с помощью электронной микроскопии показал, что, когда содержание ювенильного гормона в гемолимфе высоко, полное развитие летательных мышц у колорадского жука происходит в течение первых 12 дней имагинальной жизни. Развитие летательных мышц у этого вида начинается еще в конце метаморфоза куколки и межфибриллярные трахеи имеются уже на ранних этапах развития крыловой мускулатуры. Летательные мышцы жука развиваются параллельно холинэргической системе мозга, что, по-видимому, связано с постэмбриональным созреванием нервной системы. Образование митохондрий сопровождается высокой активностью протеинсинтезирующей системы, и развитие летательных мышц сопровождается резким повышением активности митохондриальных энзимов. При определении активности энзимов, содержащихся в митохондриях летательных мышц колорадского жука в преддиапаузный период, обнаружено все три основных типа метаболизма: гликолиз, окисление жирных кислот и трикарбоксильный кислый цикл.
Изучая активность некоторых ферментов в летательных мышцах молодых жуков, развивавшихся при длинном дне, в течение первых 15—20 дней имагинальной жизни, Корт обнаружил, что активность: 1) глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (Эмбден — Мейергофов путь) увеличивается с 16 до 140; 2) глицеролмонофосфатдегидрогеназы (α-глицерофосфатный цикл) повышается с 8 до 80; 3) лактатдегидрогеназы (гликолиз) остается на низком уровне; 4) сукцинатдегидрогеназы (цикл Кребса) возрастает с 0,5 до 17; 5) α-глицеролмонофосфатоксидазы (α-глицерофосфатный цикл) повышается с 0 до 9,5; 6) β-гидроксил-ацилкоэнзим-А-дегидрогеназы (окислительная цепь жирных кислот) поднимается с 17 до 118; 7) митохондриальной малатдегидрогеназы (цикл Кребса) повышается с 50 до 700, а 8) цитоплазматической малатдегидрогеназы с 130 до 530 мкм/час на грудку. У таких же жуков, но развивающихся при коротком дне, начиная с 9-го дня имагинальной жизни, активность всех приведенных выше энзимов, кроме глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (7) и сукцинатдегидрогеназы (4), понижается и к 14—20-му дню падает в 8— 10 раз, приближаясь вновь к малым или близким нулевым величинам, бывшим при вылуплении жуков. Активность сукцинатдегидрогеназы и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы у короткодневных жуков продолжает увеличиваться, т. е. повышается роль реакций типа Эмбден — Мейергофа и α-глицерофосфатного цикла. С наступлением диапаузы в крыловой мускулатуре жуков происходит полная деградация саркозом, которые регенерируют только после окончания диапаузы. С наступлением диапаузы газообмен жуков резко уменьшается, что частично может быть отнесено за счет дегенерации летательных мышц.
С наступлением диапаузы активность сначала митохондриальных энзимов, а затем и цитоплазматических понижается. Активность оксидативного фосфорилирования в саркозомах также понижается. Во время диапаузы колорадского жука цитохром аа3, b и с из митохондрий летательных мышц фактически исчезает, тогда как у активных жуков они хорошо представлены. У диапаузирующих жуков значительно увеличен анаэробный гликолиз. После окончания диапаузы активность энзимов в летательных мышцах жука снова восстанавливается.
Обсуждая физиологические причины дегенерации летательных мышц в подготовительный к диапаузе период, де Корт полагает, что в нем участвуют не только нервные, но и гуморальные факторы. Понижение гормональной деятельности во время формирования диапаузы сопровождается уменьшением скорости синтеза протеина, которое при продолжающемся питании жуков способствует депонированию в их теле резервных материалов и в особенности жиров. Во время диапаузы синтез протеинов отсутствует.
Низкая активность цитохромоксидазы, пероксидазы, полифенолоксидазы в теле зимующих в природе жуков, сопровождающаяся постоянно низким содержанием нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) в жировом теле, удерживается в течение всего зимнего периода (диапауза — олигопауза — весенний восстановительный период) вплоть до весеннего пробуждения жуков в апреле-мае, отражая степень торможения аэробной части их тканевого дыхания.