Немногие потенциальные жертвы имеют шанс противостоять грозным челюстям муравья-ловушки. В конфликтах между хищником и добычей скорость является решающим преимуществом, и эволюция дала этим насекомым преимущество с подпружиненными челюстями, которые закрываются - часто во время следующего приема пищи - с поразительной скоростью.
В августеВ 30-м выпуске Журнала экспериментальной биологии ученые Смитсоновского национального музея естественной истории представили первое механическое описание челюстей малоизвестной группы муравьёв-ловушек под названием Myrmoteras. В то время как по крайней мере четыре различные группы муравьев независимо развили системы, включающие защелку, пружину и спусковой крючок для приведения в действие их быстро движущихся челюстей, исследователи обнаружили, что челюсти муравьев Myrmoteras работают не так, как у любого другого известного муравья.
«Это очень интересный пример конвергентной эволюции», - сказал Фредрик Лараби, научный сотрудник музея, возглавлявший исследование. «Разные муравьи-ловушки имеют очень быстрые челюсти для выполнения одних и тех же задач, но эта группа развила их совершенно независимым образом».
Муравьи Myrmoteras живут в тропиках Юго-Восточной Азии, где они питаются в основном ногохвостами - крошечными членистоногими, которые взлетают в воздух, как блохи, когда обнаруживают угрозу. До встречи с добычей муравьи держат наготове свои длинные тонкие челюсти, раскрытые на 280 градусов. Зафиксировавшись в этом положении, челюсти накапливают упругую энергию. Когда их отпускают, они захлопываются за долю секунды. «Эти муравьи редко встречаются в природе, и их почти невозможно сохранить живыми в лаборатории», - сказал профессор энтомологии Университета Иллинойса Энди Суарес, который проводил исследование вместе с Larabee.
Раньше никто не знал, насколько быстро двигаются челюсти Myrmoteras, но, согласно новому исследованию, хищный удар муравья занимает всего около полмиллисекунды. Это в 700 раз быстрее, чем мгновение ока. Чтобы наблюдать за происходящим, Лараби и его коллеги снимали муравьев на высокоскоростную камеру, снимая 50 000 кадров в секунду. Измеряя движения челюстей между разными кадрами видео, они подсчитали, что смыкающиеся челюсти Myrmoteras достигают максимальной скорости около 50 миль в час.
Это быстрее, чем могли бы двигаться челюсти, если бы они приводились в движение только мышцами, сказал Лараби. Тем не менее, он значительно медленнее, чем челюсти других известных муравьев-ловушек. Муравьиные челюсти дальнего родственника Odontomachus достигают скорости, вдвое превышающей скорость Myrmoteras, что делает их удары одними из самых быстрых движений животных, когда-либо зарегистрированных. Известно, что эти более быстрые муравьи используют свои подпружиненные челюсти не только для того, чтобы поймать добычу, но и для того, чтобы убежать от опасности. Но муравьям Myrmoteras, похоже, не нужна такая скорость. «Они просто должны быть быстрее, чем твари, которых они пытаются съесть, а их челюсти достаточно быстры для поимки ногохвостов», - сказал он.
Чтобы понять, как Myrmoteras наносит свой усиленный удар, Лараби исследовал муравьев сначала под микроскопом, а затем с помощью микрокомпьютерной томографии (микро-КТ), системы трехмерной визуализации, которая использует рентгеновские лучи для визуализировать внутреннюю структуру мелких образцов. Его наблюдения позволили ему собрать воедино модель работы челюстей.
Larabee обнаружил особенность нижнечелюстного сустава муравья, которая позволяет его челюстям открываться. Перед ударом доля на затылке муравья сжимается, вероятно, действуя как пружина, нагруженная потенциальной энергией. Затем быстро сокращающаяся триггерная мышца освобождает челюсти и запасенную энергию, выполняя удар.
«Что интересно, так это то, что расположение мышц и то, как челюсти запираются, полностью отличаются от других изученных муравьев-ловушек», - сказал Лараби. «Кажется, это совершенно уникальная эволюция этой системы».
В прошлом году ученые Смитсоновского института обнаружили систему челюстей-ловушек у необычной группы пауков, обитающих в Южной Америке и Новой Зеландии. Пружинные системы также отвечают за молниеносные прыжки и прыжки кузнечиков, сверчков и блох. Эти системы разнообразны и эволюционировали за счет различных структурных адаптаций, что подчеркивает, насколько выгодными могут быть высокоскоростные движения. В будущих исследованиях Лараби продолжит исследовать разнообразие этих систем, изучая, как структура механизмов челюстей-ловушек различных муравьев коррелирует с их скоростью и производительностью. Новый микро-КТ-сканер высокого разрешения в музее позволит ученым проводить еще более подробные анатомические анализы.
Лараби изучал муравьев Myrmoteras в качестве научного сотрудника Питера Бака в музее. Программа стипендий Питера Бака обучает следующее поколение ученых, поддерживая аспирантов и докторантов в реализации их исследовательского видения, чтобы понять природу и культуру с помощью исследовательского персонала музея, коллекций и объектов.
Larabee сотрудничал с учеными из Университета Аризоны и коллегами из Университета Иллинойса в проведении этого исследования.