Представьте, что вы ползете по дну леса, бездельничая, ища немного грибка, чтобы покушать его, когда из ниоткуда появляется муравей с выпученными глазами и пара длинных, тонких, оснащенных лезвием бритвы мандибул, оттянутых назад за его головой., Вы пытаетесь отскочить в безопасное место, но челюсти существа слишком быстрые - вращаясь за полмиллисекунды, они пронзают вас с двух сторон сразу, прежде чем вы вообще куда-нибудь уйдете. Таков типичный опыт грустной короткой жизни весеннего хвоста, жертвы выбора для диких муравьев-ловушек рода Myrmoteras .
Муравьи-ловушки уже давно привлекают Фреда Лараби, научного сотрудника Смитсоновского национального музея естественной истории и ведущего автора новейшей статьи о физиологии образцов Myrmoteras, опубликованной сегодня в Журнале экспериментальной биологии . В этом исследовании Лараби и его когорты стремятся ответить на два разных вопроса об этих редких малазийских насекомых: как точно их смертоносные челюсти и как они генерируют свою силу?
Myrmoteras - от греческого «чудовищный муравей» - это всего лишь одна разновидность муравьев-ловушек, причем довольно редкая. Сбор четырех целых колоний для исследования, по две от каждого из двух видов в пределах рода, потребовал обширных поисков в сорняках джунглей Bornean. Что делает исследование ловушек и челюстей настолько привлекательным для Лараби и других мирмекологов (муравьи-биологов), так это функциональное сходство, наблюдаемое между видами, которые эволюционировали совершенно независимо друг от друга.
«Челюсти действительно замечательны», - говорит Лараби, отмечая, что они развились в пять разных видов муравьев в пяти различных формах. «Они эволюционировали несколько раз в муравьях. Возможность взглянуть на совершенно иную родословную, другое происхождение поведения и морфологию дает вам уникальную возможность изучить конвергентную эволюцию - в основном повторяющуюся параллельную эволюцию этой системы [ловушки-челюсти] ».
Когда ему предложили возможность поработать с Мирмотерасом - родом, о котором мало что было известно, - Лараби был на седьмом небе от счастья. Раньше он работал с более распространенными родами ловушек и челюстей Anochetus и Odontomachus, но, зная природу конвергентной эволюции, он считал правдоподобным, что муравьи- мирмотерасы развили такую же способность к яростной атаке совершенно другими анатомическими средствами.
Лараби и его соавторы ожидали, что атака на нижней челюсти Myrmoteras будет уникальной, но степень ее отличия от атак других родов стала неожиданностью.
Чтобы измерить угловую скорость удара муравья, наносящего вред, команда использовала высокоскоростную фотографию.
«Мы использовали камеру, которая могла снимать со скоростью 50 000 кадров в секунду, чтобы замедлить движение, - говорит он, - и это было достаточно быстро, чтобы можно было замедлить ее, чтобы фактически измерить продолжительность удара, а также максимальную скорость «.
Чаще всего мандибулы движутся с линейной скоростью 60 миль в час, и все их движение завершается примерно за 1/700 от времени, которое требуется человеку, чтобы моргнуть глазами.
Забавно, однако, что застало Лараби врасплох, что этот результат не был таким быстрым. «По сравнению с другими муравьями-ловушками, он довольно медленный», - говорит он со смехом. В самом деле, движение клещей муравьев-одонтомахов в два раза быстрее.
Лараби предположил, что причина сравнительной медлительности челюстных ударов Мирмотераса должна быть связана с анатомическими структурами, которые им позволяют - предмет второй части его исследования.
В дополнение к проверенному методу исследования образцов под микроскопом, чтобы понять, как работает их система «ловушка-челюсть», команда Лараби применила современную технологию, ранее не опробованную в области исследований муравья-ловушки: Рентгеновское микро-КТ.
По сути, это сокращенная версия CAT-сканирования, которую вы можете получить в кабинете врача. Метод микро-КТ позволяет исследователям, таким как Лараби, лучше понять внутренние структуры, присутствующие в данном образце, и то, как они расположены в трех мерное пространство.
«В цифровой среде, - говорит Лараби, он смог« посмотреть на структуры и увидеть, как они связаны друг с другом и где мышцы прикрепляются к нижней челюсти ». Он является огромным сторонником технологии микро-КТ, который обеспечивает существенное понимание, не причиняя вреда образцу. (Учитывая, что лучшая практика для изучения архивных образцов - не изменять их, микро-КТ может оказаться главным благом для коллег музея Лараби в будущем.)
Эволюционный биолог и энтомолог Корри Моро, профессор Чикагского полевого музея естественной истории, взволнован технической строгостью исследования Myrmoteras и его возможными последствиями для этой области.
«Настоящая сила этого исследования Лараби, Гроненберга и Суареса, - говорит она, - заключается в разнообразии инструментов и методов, которые авторы использовали для полного понимания механизмов, используемых этой группой муравьев для достижения усиления мощности».
Что обнаружил Лараби с помощью своего КТ-анализа, так это то, что механизмы блокировки, пружины и спускового механизма, которые позволяют Myrmoteras выполнять свои атаки челюсти, вероятно, значительно отличались от их эквивалентов у муравьев-ловушек других родов.
Возможно, наиболее интригующим является запирающий механизм, который держит челюсти отдельно, когда они не задействованы. До нападения челюсти Myrmoteras разделены невероятными 270 градусами - у Anochetus и Odontomachus этот угол составляет всего 180. Микро-КТ-изображения проливают некоторый (высокоэнергетический) свет на это, предполагая, что «противоположные рычаги двух мышц растяжение нижней челюсти способствует тому, что нижняя челюсть остается открытой, благодаря тому, как мышцы прикрепляются к нижнему челюстному суставу ».
Конфигурация Myrmoteras является странной. «Это система блокировки, которую вы не видите у других муравьев-ловушек», - говорит Лараби.
Рентгеновские микро-КТ-снимки позволили Лараби и его соавторам связать то, что они наблюдали на видео и под микроскопом, с определенными группами мышц в головах муравьев. На этом изображении синий представляет «быструю более близкую мышцу», которая, как полагают, приводит в движение нижнюю челюсть, и красный - «медленную более близкую мышцу», которая завершает работу. (Фредрик Лараби и др.) Этот необычный метод блокировки сообщает другой аспект устройства атаки челюсти: спусковой крючок. В головах других муравьев-ловушек челюстная мышца, которая обеспечивает нижним челюстям первоначальный крутящий момент, имеет тенденцию быть небольшой. Однако из-за того, как в Myrmoteras функционирует система блокировки, этот триггер значительно более мощный и легко распознается при сканировании КТ.
И последнее, но не менее важное - это пружинный механизм, который позволяет муравьям Мирмотераса накапливать потенциальную энергию, которая становится кинетической энергией, когда они освобождаются. Лараби выдвигает гипотезу о том, что основным источником этого пружинного потенциала является лепесток в задней части головы муравьев, который на высокоскоростной фотографии заметно деформировался во время атак. Требуются дополнительные исследования, но Лараби говорит, что «деформация головы настолько велика, что мы подозреваем, что это должно способствовать накоплению энергии».
Все эти различные факторы объединяются, чтобы произвести один удар Myrmoteras, подобный ударам других широко распространенных родов ловушек и челюстей на макроуровне, но совершенно уникальным на микроуровне. И хотя атаки Myrmoteras не дают такого большого эффекта, как у других муравьев, Лараби быстро указывает, что они выполнили свою работу.
«Полмиллисекунды - это не то, что нужно чихать с точки зрения скорости, - говорит он, - и достаточно быстро поймать хвостик». Даже с их более слабым аппаратом муравьи- мирмотерасы генерируют в 100 раз больше энергии с помощью упругих инструментов, которые у них есть. эволюционировал, чем когда-либо мог, благодаря непосредственному мышечному действию.
Почему именно эти муравьи развили эту способность, неясно, но Лараби считает, что это во многом связано с их ловкими целями. «Вы заканчиваете гонками вооружений между хищниками и добычей», - говорит он. «Если вы газель, вам нужно быстро бегать, а это значит, что гепард будет бегать еще быстрее. И я подозреваю, что наличие добычи, способной очень быстро убежать »- как весенние хвостики -« является хорошим давлением для выбора этих действительно быстрых хищников ».
Моро надеется, что это исследование откроет дверь для дальнейших исследований в более широком, часто удивительном мире конвергентной эволюции.
«С таким большим количеством муравьев и других организмов, которые полагаются на усиление силы, чтобы захватить добычу, - говорит она, - задается вопросом, - Сколько путей может развиться эта эффективная стратегия в животном мире? И это исследование приятно дополняет наше понимание этого очень интересного вопроса ».
