O mușcătură puternică, mortală, foarte rapidă a unei furnici Trap-maxilar

Micile schimbări de formă pot duce la inovații în funcție, arată un nou studiu.

  • Cercetătorii au dezvăluit modul în care o capcană de furnici – o trăsătură evolutivă puternică, rapidă și complexă – a evoluat dintr-un mecanism vechi mai simplu al maxilarului
  • Studiul a constatat că mecanismul capcană-maxilar a evoluat de 7-10 ori independent la nivel mondial
  • Funcția maxilarului capcană a evoluat doar cu modificări minore în forma maxilarului, urmată de evoluția diferitelor forme de maxilar capcană
  • Cercetătorii au observat aceleași variații ale genelor capcane care evoluează independent pe diferite continente, demonstrând repetabilitatea evoluției acestei trăsături complexe
  • Videografia rapidă a arătat că maxilarul capcanei este cea mai rapidă și mai rapidă parte a corpului animalului înlocuibilă

Puternică și mortală, mușcătura de furnică capcană este renumită în tot regnul animal. Spre deosebire de aderența normală, care se bazează pe mușchii care se deschid și se închid, maxilarul capcanei se deschide singur, stocând energia ca un arc extins. Când au fost eliberați, gura furnicii s-a închis pe prada lor într-o lovitură foarte rapidă.

Genele capcane sunt o inovație evolutivă record, dar oamenii de știință încă nu înțeleg modul în care a evoluat acest mecanism complex al strămoșilor mai simpli. Acum, publicați astăzi (2 martie 2021) la PLOS Biology, o echipă de cercetare condusă de profesorul Evan Economo de la Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University și Dr. Douglas Booher din universitatea YaleNew Haven CT, împreună cu o echipă internațională de colaboratori, a arătat cum au apărut gurile capcană și apoi s-au diversificat de multe ori în întreaga lume.


Animația arată schimbările de formă pe măsură ce mecanismul de captare a maxilarului devine mai deviat de la forma antică. Gura (galbenă) dezvoltă proiecții mici care se pot fixa pe labrum (violet). Labrul se schimbă de la acționarea ca senzor în maxilarul antic la acționarea ca un zăvor în maxilarul capcanei. Mușchii din cap care controlează maxilarul și labrum suferă modificări majore în structura lor.

„Una dintre întrebările centrale din biologie este: cum vine ceva complicat din ceva simplu?” a spus profesorul Economo, care conduce Unitatea Biodiversitate și Biocomplexitate la OIST. „Structuri precum falca capcană se bazează pe mai multe părți interactive pentru a funcționa corect. La început, poate fi dificil să vedem cum poate apărea o astfel de complexitate prin schimbările treptate ale evoluției. Cu toate acestea, atunci când privim cu atenție biologii pot dezvălui căi evolutive către complexitate. ”

Multe specii de furnici cu guri de capcană fac parte din genul Strumigenys – un grup sălbatic diversificat, cu peste 900 de specii găsite în regiunile tropicale și subtropicale din întreaga lume.

„Acest gen captează multe specii strâns înrudite în care maxila capcană este prezentă sau absentă, ceea ce ne oferă o oportunitate foarte unică de a înțelege cum a apărut”, a spus profesorul Economo.


Videografia rapidă captează mișcarea cu o rată de 480.000 de cadre pe secundă (fps) și o redă la 30 fps (16.000x cu mișcare lentă). Capcana maxilarului accelerează mai repede și atinge viteze mai mari decât mecanismul de prindere mai simplu.

La OIST, în colaborare cu Unitatea de Ecologie și Evoluție a profesorului Alexander Mikheyev, a extras și secvențiat echipa de cercetare ADN din 470 specii de furnici Strumigenys la nivel mondial, inclusiv cele cu guri captive antice și cele cu guri de capcană modificate.

Cercetătorii au reconstituit un copac care arată relațiile evolutive dintre specii. Apoi au analizat mecanismul maxilarului folosind scanere micro-CT pentru a crea imagini 3D și modele ale furnicilor.

Cercetătorii au descoperit că mecanismul capcană-maxilar a evoluat de 7-10 ori independent la nivel mondial.

Important, doar o modificare foarte mică a formei a fost necesară pentru a modifica radical funcția maxilarului de la mecanismul de prindere la mecanismul de capcană. După ce s-a produs schimbarea funcției, capul unei capcane capcană a maxilarului a început apoi să sufere o restructurare și diversificare musculară masivă în lungimea maxilarului și cât de larg s-a deschis maxilarul.


Furnicile capcană-maxilar prezintă variații remarcabile în lungimea și lățimea maxilarului.

„Anterior, am crezut că fiecare gură de capcană avea o formă divergentă și o funcție divergentă, deci era mult mai puțin clar dacă schimbarea funcției ar putea avea loc la început sau dacă erau necesare multe modificări ale formei pentru prima condiție” A spus profesorul Economo. “Dar este clar că există multe forme intermediare din mecanismul capcană-maxilară pe care oamenii nu le identificaseră anterior, unele care sunt doar puțin diferite de forma antică.”

Cercetătorii au colaborat cu laboratorul lui Andrew Suarez de la Universitatea din Illinois, care a folosit videografie de mare viteză pentru a surprinde gurile în mișcare ale furnicilor Strumigenys. Au descoperit că gura capcanei are cea mai rapidă accelerare cunoscută a oricărei părți a corpului unui animal care poate reveni la poziția sa inițială.

„Accelerarea unei mandibule capcană-maxilară este de o sută de mii de ori mai mare decât mandibule standard”, a spus profesorul Economo. „Și se închid de mii de ori mai repede decât un ochi uman”.

Furnicile Strumigenys au nevoie de viteză, folosindu-și gura foarte rapidă pentru a bloca mecanismul de evacuare a arcului, cea mai numeroasă pradă.

Nu se știe încă cum vânează toate aceste specii diferite de furnici, dar furnicile cu guri mai scurte de capcană sunt în mod obișnuit vânători pasivi, ascunzându-se în așternutul de frunze, cu gurile care așteaptă să se prindă de orice pradă neștiută care se aventurează prea aproape. Între timp, furnicile cu guri de capcană mai lungi sunt vânători activi, care caută pradă pentru a lovi.

Cercetătorii cred că modul în care furnicile își folosesc gura pentru a prinde prada ar putea ajuta la explicarea nivelului surprinzător de variație a formei gurii capcanei. În fiecare regiune a lumii, la nivel continental și la nivelul comunității locale, există guri de capcană lungi și scurte.

„A fost cu adevărat izbitor cum am văzut aceleași variații evoluând de nenumărate ori pe diferite continente. Arată cât de repetabilă poate fi evoluția, găsind soluții similare provocărilor vieții ”, a spus profesorul Economo.

Ceea ce este mai puțin clar este dacă modificările genetice care stau la baza necesare pentru construirea maxilarului capcanei sunt aceleași sau dacă furnicile au obținut aceste rezultate similare în moduri diferite.

În acest scop, echipa de cercetare intenționează acum să secvențeze genomul speciilor reprezentative la nivel global de Strumigenys. „Vrem să eliminăm decalajul dintre schimbările pe care le vedem la nivel genetic și molecular și ceea ce vedem la nivel morfologic. Acesta este următorul mare proiect. ”

Referință: 2 martie 2021, PLOS Biology.
DOI: 10.1371 / journal.pbio.3001031

Finanțare: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, Japan Association for the Advancement of Science, National Science Foundation, fundația Tinker la UIUC Latin America and Caribbean Studies center

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Forțele evolutive competitive conduc la evoluția rapidă a Salamander Color

Salamandrele patate sunt o specie răspândită în estul Statelor Unite, care se întorc în iazuri temporare în primăvară pentru a se reproduce. Credit:...

Ce dezvăluie un râu glaciar deasupra stratului de gheață din Groenlanda și creșterea globală a nivelului mării

La marginea stratului de gheață din Groenlanda, unde ghețarii se topesc constant, apa curge peste tot printr-un sistem complicat de lacuri și cursuri de...

Producția de energie durabilă prin reducerea electrochimică

Credit ilustrativ: Cortland Johnson | PNNL Rezervele mici de biomasă, cum ar fi apele uzate, deșeurile alimentare și așchii de lemn, sunt adesea trecute...

Orientările privind distanța fizică trebuie actualizate pentru a reflecta noi științe

De Universitatea Northwestern 12 aprilie 2021 Dr. Robert Murphy a spus că ar trebui să putem merge pe trei picioare. Dr. Robert Murphy, director executiv al Institutului...

Lupii cenușii s-au adaptat perioadei de hrănire și au dispărut din era glaciară

Lupii cenușii călăresc cai în mediul de stepă mamut din Beringia în timpul Pleistocenului (acum aproximativ 25.000 de ani). Credit: Julius Tsotonii Lupii cenușii...

Newsletter

Subscribe to stay updated.