Как возникают ключевые инновации в животном мире? Чтобы изучить этот вопрос, эксперт по гекконам Тимоти Хайэм, адъюнкт-профессор биологии Калифорнийского университета в Риверсайде, возглавил группу биологов-эволюционистов для изучения рода карликовых гекконов Gonatodes. В процессе исследователи обнаружили геккона, Gonatodes humeralis, который, по их мнению, дает «моментальный снимок» эволюции адгезии у гекконов.
«Сцепляющий аппарат геккона, одно из самых впечатляющих нововведений, демонстрируемых позвоночными, интенсивно изучается в течение последних 16 лет и представляет значительный интерес для нанотехнологов и биомиметиков», - сказал Хайэм.«Но почти ничего не известно о происхождении этой адгезивной способности. G. humeralis, найденный в Южной Америке, показывает, как могла возникнуть адгезионная способность геккона. Наш комплексный анализ этого геккона показывает, что неожиданно у него появились микроскопические волоски, называемые щетинки под его пальцами, которые позволяют ему делать что-то совершенно отличное от всех других гекконов рода Gonatodes: цепляться за гладкие поверхности, такие как листья, без всей сложной структуры пальцев, которая типична для гекконов, которыми мы являемся. более знакомы. В лаборатории этот геккон может карабкаться по гладким вертикальным поверхностям, используя свою зарождающуюся клейкую систему."
Higham объяснил, что щетинки взаимодействуют с поверхностями через силы притяжения Ван-дер-Ваальса. Таким образом, относительно простое выражение щетинок на пальцах G. humeralis обеспечивает огромное преимущество в секторах среды обитания, типичных для гладких наклонных поверхностей с низким коэффициентом трения, таких как листья и скользкие стебли, что позволяет G.humeralis, чтобы избежать хищников, занимая среду обитания, которую другие представители рода не могут. В то время как он может надежно прикрепляться к вертикальным побегам бамбука, например, другие виды рода Gonatodes обычно взбираются на грубые стволы деревьев, скалы, упавшие пальмы и передвигаются по земле - местам, где их хищники изобилуют.
«Относительно простая адгезивная система G. humeralis свидетельствует о том, что небольшие изменения в форме могут значительно повлиять на функциональные результаты и экологические ниши, которые можно использовать», - сказал Хайэм. «Этот геккон, якобы лишенный подушечек, предлагает нам моментальный снимок - ключевую промежуточную стадию - эволюции аппарата адгезии. Он говорит нам: «Смотрите, вот как гекконы с подушечками пальцев начали приобретать адгезию».
Кроме того, результаты показывают, что происхождение адгезии у гекконов было постепенным и привело к серьезным изменениям в экологии и функциях. Они также предполагают, что тонкие морфологические изменения могут вызвать быструю эволюцию.
Результаты исследования опубликованы 29 сентября в Биологическом журнале Линнеевского общества.
Щетинки G. humeralis короткие и простые по сравнению с таковыми у гекконов с подушечками, таких как токайские гекконы. Щетинки расположены рядом с усиливающими трение «шипиками» - небольшими выступами, не играющими роли в слипании, которые находятся под ногами у многих ящериц и гекконов. Авторы утверждают, что щетинки G. humeralis являются результатом трансформации шипиков.
«До сих пор мы не видели геккона с зачатками адгезивной системы», - сказал Хайэм. «Из всех нововведений, наблюдаемых в животном мире, нам редко удается увидеть их зачатки. Наши открытия служат хорошим доказательством против идей разумного замысла. Эволюция происходит поэтапно, как показывает «моментальный снимок», о котором мы сообщаем. Сложность не начните со сложности. Небольшие модификации, однако, могут привести к сложности. Ключевые инновации могут возникать небольшими пошаговыми шагами и приводить к процессам обратной связи, которые приводят к более сложным представлениям таких систем. Наше исследование предлагает дополнительные экспериментальные доказательства того, что это правда».
Хигэм и его коллеги обнаружили образцы G. humeralis в Тринидаде и Французской Гвиане. Сначала они использовали сканирующую электронную микроскопию для изучения микроанатомии под пальцами гекконов и морфометрии, чтобы сравнить их с близкими родственниками. После этих первоначальных наблюдений команда изучила этот вид и другие в лаборатории, используя комбинацию высокоскоростного видео для измерения движения и датчиков силы для количественной оценки способности цепляться, обнаружив, что только G. humeralis может генерировать силу цепляния и подниматься по вертикальному гладкому акрилу.
"Наша работа может заинтересовать исследователей в области нанотехнологий и биомимикрии, потому что она исследует вопрос: "Каковы минимальные структурные модификации для обеспечения адгезии?" Роботы, вдохновленные гекконами, как правило, имеют полностью развитые системы адгезии. Но так ли это необходимо? Наша работа показывает, что для создания хорошей системы адгезии требуется не так уж много, и, следовательно, это может помочь упростить наш подход к биомимикрии и воссозданию адгезии в лаборатории.."