Муравьи — одна из самых успешных групп животных на планете. Они могут обитать где угодно: от умеренной почвы до тропических лесов, пустынных дюн и кухонных прилавков. Это социальные насекомые, и их умение работать в команде уже давно считается одним из ключевых факторов, ведущих к успеху их колоний. Известно, что муравьи способны поднимать или перетаскивать предметы, во много раз превышающие их собственный вес. Но из-за того, что предыдущие исследования были сосредоточены на социальных аспектах колонии муравьев, изучению отдельного муравья не уделялось должного внимания. Теперь исследователи из Института науки и технологий Университета Окинавы (OIST) и Университета Сорбонны в Париже выяснили, почему муравьи обладают огромной силой. Результаты публикует журнал Frontiers in Zoology.
Ученые сделали рентгеновские снимки и создали трехмерные модели грудной клетки насекомых — центральной единицы их тела — чтобы проанализировать мышцы и внутренний скелет. Новое исследование выдвигает гипотезу о том, что потеря способности летать у группы муравьев-рабочих напрямую связана эволюцией их силовых способностей.
«Муравьи-рабочие произошли от летающих насекомых, — объясняет профессор Эван Экономо, возглавляющий отдел биоразнообразия OIST. — Мы всегда предполагали, что именно потеря возможности летать помогла им оптимизировать работу на земле».
Вообще возможность летать накладывает серьезные ограничения на телосложение. У летающих насекомых мускулы крыльев занимают большую часть грудной клетки — иногда более 50%. Это означает, что другие мышцы, которые используются для поддержки и движения головы, ног и живота, стеснены и прижаты к экзоскелету.
Но как только эти ограничения устранены, все пространство в грудной клетке становится открытым, что, как предполагают исследователи, позволяет оставшимся мышцам расшириться и реорганизоваться.
Предыдущие исследования в этой области были сосредоточены на внешнем строении муравьев. Однако с помощью технологий, доступных в OIST, ученые смогли получить подробную картину того, что происходит внутри грудной клетки. Исследователи провели подробный анализ двух отдаленно родственных видов муравьев, включая бескрылых муравьев-рабочих и летающих королев.
Ученые использовали передовые рентгеновские технологии для сканирования внутренней и внешней анатомии. Такие, например, как компьютерная томография, используемая в больнице, но с гораздо более высоким разрешением. На основе этих сканирований эксперты нанесли на карту все различные мышцы и смоделировали их в трехмерном формате. В результате получилось подробное изображение внутренней части грудной клетки. Затем они сравнили результаты исследований этих двух видов с рядом других муравьев и бескрылых насекомых.
Как и предполагалось, исследователи обнаружили, что потеря возможности летать позволила муравьям-рабочим удачно перестроить грудную клетку. «Внутри грудной клетки рабочего муравья все прекрасно интегрировано в крошечное пространство, — объяснил доктор Кристиан Петерс, ведущий автор этой статьи, который был профессором-исследователем в Университете Сорбонны. — Все три группы мышц увеличились в объеме, что дало рабочим муравьям больше силы и мощи. Также изменилась геометрия мышц шеи, которые поддерживают и двигают голову. Внутреннее крепление мышц также было другим».
Интересно, что, изучая бескрылых ос, ученые обнаружили: эти насекомые совершенно по-другому отреагировали на потерю возможности летать. Представители этого вида живут поодиночке и потребляют пищу тогда, когда находят. С другой стороны, муравьи — часть колонии. Они охотятся или собирают пищу, которую затем нужно отнести в гнездо для королевы и младших сородичей. Давление отбора, способствовавшее переносимости, было логичным.
На протяжении столетий муравьев изучали с точки зрения их поведения, экологии и генетики, но, как подчеркнули исследователи, причина их силы до сих пор оставалась без внимания. Следующим шагом является разработка более подробных биомеханических моделей функционирования различных групп мышц. Кроме того, ученые займутся аналогичными исследованиями нижней челюсти и ног.
Читать также
Исследование: экология Земли резко поменялась за последние 70 лет
Ученые поменяли структуру солнечной батареи и увеличили ее эффективность на 125%
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком