Пенницы всосали сок растений под рекордным давлением больше одного мегапаскаля
Канадские зоологи выяснили, что слюнявые пенницы, мелкие насекомые из подотряда цикадовых, во время всасывания древесного сока создают давление более одного мегапаскаля. Этого хватило бы, чтобы всосать жидкость с помощью трубочки для коктейля высотой сто метров. Необычный навык пенниц позволяет им питаться соком ксилемы, который движется по проводящей системе растений от корней к листьям и находится под сильным отрицательным давлением. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
Многие виды насекомых питаются соками растений, высасывая их с помощью хоботков. В большинстве случаев они потребляют богатый органикой флоэмный сок, движущийся от листьев к нефотосинтезирующим органам. Лишь в подотряде цикадовых (Auchenorrhyncha) есть виды, рацион которых состоит исключительно из сока ксилемы — жидкости, которая поднимается от корней к листьям и состоит в основном из воды и растворенных в ней неорганических соединений. Питательность такого корма очень низкая, так что цикадовым пришлось обзавестись сложным фильтровальным аппаратом в кишечнике, который позволяет выделять из ксилемного сока более 99 процентов содержащихся в нем сахаров и аминокислот. Тем не менее, эта жидкость настолько бедна органикой, что питающимся ей насекомым приходится за день высасывать, отфильтровывать и выделять в 100-1000 раз больше сока, чем они весят. Неудивительно, что обычно они целыми днями кормятся и мочатся.
Дополнительная проблема заключается в том, что ксилемный сок находится под сильным отрицательным давлением до 1,1 мегапаскаля — благодаря этому он и поднимается вверх по стеблю. Чтобы высасывать его из сосудов, по которым он циркулирует, тем более в таких объемах, как это делают цикадовые, нужно прикладывать огромные усилия (для сравнения, флоэмный сок находится под положительным давлением, так что насекомым достаточно просто добраться до сосуда, пробить его стенку хоботком и начать пить). Хотя у цикадовых есть мощный мышечный (цибариальный) насос, который помогает всасывать жидкости, предыдущие подсчеты, основанные на строении ротового аппарата кровососущих клопов Rhodnius prolixus, показывали, что он не может создавать давление свыше 0,3-0,4 мегапаскалей — а этого явно недостаточно, чтобы преодолеть давление в сосудах ксилемы. В попытке разрешить этот парадокс некоторые специалисты даже высказывали мнение, что отрицательное давление внутри ксилемы не такое значительное, как считалось ранее.
Команда зоологов во главе с Филипом Мэтьюсом (Philip G. D. Matthews) из Университета Британской Колумбии решила подойти к данной проблеме с другой стороны и более тщательно изучить анатомию и метаболизм цикадовых. Они сосредоточили внимание на пеннице слюнявой (Philaenus spumarius), которая распространена в Северной Африке и Евразии и завезена в Северную Америку. Исследователи поймали несколько взрослых особей данного вида, обезглавили их и проанализировали строение цибариального насоса с помощью микрокомпьютерной томографии. Измерив длину саркомеров в мышцах-расширителях, исследователи пришли к выводу, что пенница, всасывающая сок, создает давление в 1,3±0,2 мегапаскаля. Это выше, чем давление в сосудах ксилемы, а значит, достаточно, чтобы высасывать из них сок. По словам авторов, если бы человек создавал такое же давление, он мог бы всасывать жидкость с помощью трубочки для коктейля высотой сто метров.
Воспользовавшись проточной респирометрией нескольких пенниц и проанализировав видеозаписи их кормления на бобовых растениях, Мэтьюс и его соавторы рассчитали уровень метаболизма этих насекомых. Он составил в среднем 48,7 микроватт. Затем исследователи увеличили уровень отрицательного давления внутри сосудов ксилемы, обработав корни растения полиэтиленгликолем. В результате частота работы цибариального насоса немного увеличилась с 0,89 до 0,97 герца,, а средний уровень метаболизма в цибариальном насосе пенниц вырос с 25,5 до 39,3 микроватта. Это значит, что чем сильнее отрицательное давление в ксилеме, тем больше усилий приходится прикладывать пенницам, чтобы его преодолеть.
Ксилемный сок — одна из наименее питательных жидкостей в организме растения. Например, плотность энергии в жидкости из ксилемы томата составляет 12,3-39,9 джоуля на кубический сантиметр. Тем не менее, расчеты показывают, что питающаяся ей пенница может удовлетворить свои энергетические потребности более чем на сто процентов, даже если тратит значительную часть энергии на работу цибариального насоса.
Больше узнать о проводящей системе растений и попытках специалистов воспроизвести принцип ее действия вы можете из нашего материала «Инспирировано буком».
Сергей Коленов
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.