Ученые разобрались в работе муравьиного «усилителя челюстей»
Американские ученые изучили механизм работы челюстей муравьев из рода мирмотерасов. Для этого они записали на видео представителей двух колоний мирмотерасов во время захвата еды с использованием мандибул и изучили их внутреннее и внешнее строение. Ученые выяснили, что мирмотерасы могут закрывать челюсти за 0,62 миллисекунды, а механизм усиления силы удара является уникальным среди ему подобных. Статья опубликована в журнале Journal of Experimental Biology.
Скорость — один из фундаментальных аспектов выживания в животном мире, помогающий как добывать пищу, так и спасаться от неприятеля. Скорость чаще всего ограничена мышечным потенциалом конечностей, однако, у некоторых животных в процессе эволюции развились специальные механизмы увеличения силы. Например, механизмы усиления позволяют ракам-богомолам иметь очень мощные лапы, которые помогают им быстро перемещаться и эффективно атаковать противника. Некоторые виды муравьев используют такие механизмы для повышения силы внешних челюстей-мандибул (жвал), позволяя им захватывать добычу или скрываться от противника. Среди четырех известных родов муравьев с таким механизмом самым малоизученным является род мирмотерасов (лат. Myrmoteras), который обитает в Юго-восточной Азии.
Авторы новой работы изучили скорость движения и мышечный механизм, отвечающий за усиление мандибул муравьев-мирмотерасов. Движения мандибул при захвате были сняты при помощи высокоскоростной видеокамеры, снимающей со скоростью 50 тысяч кадров в секунду, а внутреннее и внешнее строение механизма усиления жвал было изучено при помощи компьютерной микротомографии (x-ray microtomography) и стереомикроскопа post mortem.
Анализ скорости движения мандибул показал, что в спокойном состоянии мирмотерасы держат челюсти открытыми на 280 градусов, а при захвате добычи закрывают их, в среднем, за 0,62 миллисекунды, а отношение силы к массе их мандибул равно 21 кВт/кг. Эти показатели почти в два раза меньше, чем у другого рода муравьев с «усиленными» мандибулами (одонтомахусов), однако, по мнению ученых, такой силы и скорости мирмотерасам достаточно для того, чтобы эффективно охотиться, а сама скорость и сила объясняется тем, что их мандибулы длиннее и тоньше, чем у одонтомахусов.
Анализ внутренней и внешней морфологии мандибул в закрытом и открытом состоянии помог выявить строение механизма усиления, а также его работу. Так, мандибула муравья прикреплена к мышечной структуре головы при помощи аподемы — хитинового покрова. Групп, отвечающих за движения мандибул, две: открывающая и закрывающая. Закрывающая группа мышц занимает четверть всего объема головы муравья, и подразделяется на две части: «быструю» закрывающую мышцу, состоящую из часто сокращающихся мышечных тканей, и «медленную» — из мышечных тканей, сокращающихся медленнее.
Ученые выяснили, что за механизм усиления отвечает пружинящий механизм, находящийся в задней части головы муравья. Медленно сокращающиеся мышечные ткани «заряжают» пружинящий механизм, а часто сокращающиеся — запускают его. Такой сложный механизм усиления мандибул является уникальным: другие представители подобных видов муравьев, в основном, имеют непружинящие механизмы, состоящие только из двух отдельных мускулов — закрывающего и открывающего.
О том, как другие муравьи, одонтомахусы, используют мандибулы для того, чтобы спасаться от врагов, вы можете прочитать в нашей заметке.
Елизавета Ивтушок
Ученые впервые вызвали партеногенез геномным редактированием
Генетики из американских и британских университетов обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил. Они внесли точечные изменения в мушиные гены, влияющие на текучесть мембран (Desat2), образование центриолей (Polo) и скорость пролиферации (Myc). Мухи-самки из созданной генетической линии успешно вступали в половое размножение, но были при этом способны к партеногенезу как минимум на протяжении двух поколений. Исследование опубликовано в журнале Current Biology. Партеногенез — развитие живых организмов из неоплодотворенной яйцеклетки — широко распространен среди животных. На филогенетическом древе чисто партеногенетические виды нередко соседствуют с практикующими «обычное» половое размножение. Иногда и вовсе удается описать спорадические случаи появления партеногенеза у отдельных представителей непартеногенетических видов. Следовательно, генетическая подоплека партеногенеза может возникать быстро по эволюционным меркам и должна быть в этом случае относительно несложной. Но конкретные молекулярные механизмы партеногенеза часто остаются нерасшифрованными. У мух, неспособных к партеногенезу, яйцо приостанавливается на стадии метафазы I мейоза, а дальнейшее развитие (завершение деления, отделение полярных телец и дальнейшие митотические деления) продолжается лишь после оплодотворения. Но встречаются и факультативно партеногенетические линии, в которых партеногенетические потомки составляют от десятых долей до десяти процентов популяции. Доктор Алексис Сперлинг (Alexis L. Sperling) из Кембриджского Университета с коллегами из американских университетов Мемфиса и Калифорнийского технологического исследовала механизм возникновения факультативного партеногенеза у мух вида Drosophila mercatorum. Генетики отобрали и секвенировали геномы и транскриптомы факультативно и облигатно партеногенетических штаммов D. mercatorum и сопоставили их между собой. При партеногенезе была изменена экспрессия 44 генов, связанных в основном с формированием центриолей и регуляцией клеточного цикла. Несмотря на то, что предки D. mercatorum и более изученной D. melanogaster разошлись более 40 миллионов лет назад, данные сравнительной геномики позволяют воссоздавать на более известном модельном объекте изменения, обнаруженные в геноме менее известного. Ученые воссоздали у D. melanogaster выявленные изменения активности генов, прибегая к CRISPR-редактированию генома, дупликациям генов, введению в геном генов антисмысловых РНК или энхансерных последовательностей. Самый высокий уровень партеногенеза был зарегистрирован в группах трансгенных D. melanogaster, у которых была повышена активность генов Polo (регулятор образования центриолей) или Myc (регулятор клеточного цикла), либо понижена активность генов Slmb (убиквитиновая лигаза, способствующая деградации Myc) и Desat2 (фермент, синтезирующий ненасыщенные жирные кислоты и регулирующий текучесть мембран). У каждого третьего облигатно партеногенетического яйца D. mercatorum полярные тельца или женские пронуклеусы вступали в митотические деления, давая начало эмбрионам (такая же картина наблюдалась в каждом восьмом случае факультативно партеногенетических линий). Количество полярных телец, способных спонтанно вступать в митоз (и тем самым формировать эмбрион) повышалось при повышении активности генов Myc и Polo. При этом многие мухи из партеногенетических линий после целлюляризации становятся недиплоидными (чаще всего, триплоидными) из-за нарушения образования веретена деления. Ученые получили 21 тысячу мух-самок D. melanogaster, гомозиготных по мутантным аллелям генов Polo, Myc и Desat2, и содержали их в отсутствии самцов. В общей сложности самки дали 143 взрослых потомка (в среднем 0,7 потомка на 100 мух), а у тех, в свою очередь, появилось два партеногенетических взрослых потомка второго поколения (1,4 процента от численности предыдущего поколения). Таким образом, линия животных, способных к партеногенезу на протяжении нескольких поколений, была впервые получена при помощи геномного редактирования. На основании полученных данных авторы предполагают следующий механизм факультативного партеногенеза. Повышение текучести мембран (цитоплазматической и мембраны эндоплазматического ретикулума) влияет на формирование центра организации микротрубочек и, следовательно, веретена деления. Его образование упрощает вступление в митоз. Такие изменения могли стать эволюционно выгодным приобретением при расселении мух в более холодные регионы (повышение текучести мембран, связанное со снижением активности десатураз, улучшает выживаемость мух при низких температурах). Впрочем, детали возникновения партеногенетических линий мух пока не до конца изучены — судя по диспропорции между небольшими изменениями в геноме и выраженным транскриптомным изменениями, часть изменений у партеногенетических D. mercatorum может носить эпигенетический характер (важность эпигенома для партеногенеза ранее была показана в эксперименте на мышах). О медийной шумихе вокруг возможности партеногенеза у человека и о генетических предпосылках к нему читайте в нашем материале «Половинка себя».