Саранча, выращенная в условиях высокой гравитации, становится невероятно сильной
Саранче требуется поразительно мало времени, чтобы приспособиться к изменению гравитационных условий. Ученые поместили целую группу насекомых в устройство, имитирующее дополнительную гравитацию, и заметили, что их экзоскелеты и ноги стали сильнее всего за несколько недель. Исследование было опубликовано в Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
Однако лишь до определенного момента: при слишком сильном дополнительном давлении саранча становилась слабее и погибала во все большем количестве по мере приложения большей симулированной гравитации.
Тем не менее, исследования показывают, как экзоскелеты насекомых могут адаптироваться к различным условиям, и предоставляют информацию, которую мы можем использовать при разработке биоматериалов.
Мы знаем, что когда мы изменяем гравитацию, физическая система может измениться в ответ. Млекопитающие в условиях микрогравитации Международной космической станции теряют плотность костей и мышц. Растения охотно реагируют на изменения силы тяжести, будь то более сильные или слабые.
Но большинство животных на Земле – около 80 процентов – имеют экзоскелет из кутикулы. Это членистоногие, как морские, так и наземные, и то, как их твердые панцири реагируют на механическое воздействие высокой гравитации, по мнению биологов Карен Стамм и Яна-Хеннинга Диркса из Бременского университета прикладных наук.
Итак, они приступили к исправлению этой дыры в наших знаниях с помощью специального устройства, разработанного специально для изучения насекомых в условиях высокой гравитации.
Это устройство представляет собой специально разработанную центрифугу. Во время вращения центробежная сила действует на все, что находится внутри, создавая дополнительное давление, аналогичное эффекту гравитации.
Исследователи смогли настроить свою центрифугу для создания определенных гравитационных условий. Нормальное ускорение силы тяжести Земли на уровне моря обозначается 1g. Исследователи смогли умножить это значение до 8g. Следующим шагом было посмотреть, какое влияние это окажет на насекомых.
Исследователи приобрели почти взрослых особей вида Locusta migratoria и поместили их в центрифугу после последней линьки – когда они сбрасывают один экзоскелет и появляются с новым блестящим мягким взрослым скелетом, который со временем развивается и затвердевает. Каждую группу саранчи помещали в центрифугу на две недели, пока их экзоскелет не затвердел.
Было три группы: 3g, 5g и 8g, а также контрольная группа 1g, с которой исследователи могли сравнить своих гипергравитационных насекомых. Центрифуга работала непрерывно – она останавливалась только раз в 3 дня, максимум на 15 минут, в целях ухода.
Скорость гибели саранчи была довольно интересной. Для контрольной группы 1 г выживаемость составила 76 процентов.
Этот показатель немного увеличился для группы 3g: его достиг 81 процент саранчи.
Но затем выживаемость резко упала: только 51 процент саранчи из группы 5g пережили две недели, а из группы 8g выжили лишь жалкие 7 процентов саранчи с 8g.
Влияние на толщину экзоскелета насекомых и силу их ног, казалось, вполне соответствовало этой тенденции.
При 3g у насекомых были значительно более сильные ноги, чем у насекомых при 1g. А вот на 5г и 8г толщина кутикулы уменьшилась. И, кроме того, саранча 8g теряет массу тела. Не похоже, что это было для них очень хорошее время.
Но результаты впервые показывают, как насекомые могут адаптироваться и изменять свое тело к более высокой механической нагрузке.
Это имеет значение для разработки биоматериалов, а также для нашего понимания эволюции самой жизни во всех ее великолепных формах.
«Наши результаты показывают, что саранча, подверженная гипергравитации, по-видимому, способна откладывать кутикулу с различными механическими свойствами в ходе онтогенеза», — пишут исследователи. «Это указывает на то, что способность биологического материала адаптироваться к механической нагрузке, ранее известная только для эндоскелетов и высших растений, по-видимому, также присутствует у насекомых и, возможно, даже у всех членистоногих. Таким образом, эта способность может быть фундаментальной концепцией почти всех форм скелета и – принимая во внимание разнообразные пути эволюции экзо- и эндоскелетов и растений – может быть широко распространенной конвергентной эволюционной чертой всех несущих нагрузку скелетных биоматериалов».