Гіпергравітація зробила екзоскелет сарани міцнішим

Тривалий вплив умов гіпергравітації на сарану може вплинути на структуру екзоскелета комахи. Це показав експеримент у центрифузі. Сарана пристосовувалася до невеликого перевантаження: стегна комахи збільшилися в розмірах, а ноги стали міцнішими.

Багато біологічних матеріалів, таких як кістка, дерево, добре адаптуються до фізичних навантажень і стають міцнішими. Здатність до такої адаптації, наприклад, кісток добре показує модель американського лікаря і хірурга Гарольда Фроста, яку він назвав механостатом. Модель описує зміну кісток (ремоделювання) залежно від сил, які впливають на них.

Фрост стверджував, що навантаження на кістку запускає процес ремоделювання. На думку вченого, існують три види таких навантажень:

• “Відмирання”, коли знижується кісткова маса і міцність кісток;
• “Збереження”, коли кісткова маса і міцність кісток залишаються незмінними;
• “Імпульсне навантаження”, коли збільшуються кісткова маса і міцність кісток.

На етапі як “відмирання”, так і “збереження” ремоделювання замінює кістковий матеріал і усуває мікротріщини. На етапі “імпульсного навантаження” механічний вплив на кістку запускає реорганізацію додаткового кісткового матеріалу.

Іншими словами, Фрост показав, що кістки пристосовуються до механічних змін, навантаження їх тільки зміцнює. Ту ж саму думку набагато раніше висловлював німецький лікар Юліус Вольф.

Поки що модель механостата застосовували тільки до вивчення міцності внутрішніх скелетів амфібій, птахів, рептилій і ссавців, які становлять приблизно 20 відсотків від загального числа видів тварин на землі. До недавнього моменту механостат не використовували для дослідження екзоскелетів членистоногих, які представляють інші 80 відсотків видів тварин.

Цей недолік спробувала виправити група вчених із Бременського університету прикладних наук (Німеччина) під керівництвом Карена Стамма (Karen Stamm). Дослідники розібралися в питанні, чи можуть тварини з екзоскелетами так само добре пристосовуватися до навантажень, як і тварини з внутрішніми скелетами. Результати роботи опубліковані в журналі Proceedings of the Royal Society B.

У деяких комах є щось на кшталт зовнішньої твердої захисної “броні”, тонкого, але дуже міцного покриву, що складається з хітину, – кутикула. Цей екзоскелет захищає комаху від механічного і частково хімічного впливу. Кутикула має міцність, яку можна порівняти з металом (при порівнянні на одиницю ваги).

Така “броня” є у сарани. Саме на неї звернув увагу Стамм.

Вчені вирощували сарану (Locusta migratoria) протягом кількох тижнів у спеціально розробленій центрифузі, що імітувала гіпергравітацію – прискорення, яке створювало для комахи аналог сили тяжіння, що є більшою за звичайну.

Експериментальна установка (центрифуга) для збільшення фізичного навантаження на екзоскелети комах / © Karen Stamm
Загалом Стамм і його колеги провели чотири випробування: за перевантаження в 1 g, яке не передбачало використання центрифуги, і за перевантажень у 3 g, 5 g і 8 g – уже в центрифузі. Через два тижні після дослідів учені досліджували задні пари ніг сарани і перевірили, яка сила потрібна для їхнього згинання.

Команда Стамма виявила, що у комах, які зазнавали перевантаження в 3 g, ноги були в 1,7 раза міцнішими, ніж у сарани, яка зазнавала перевантаження в 1 g. Біомеханічні вимірювання та рентгенівська мікротомографія засвідчили, що у першої групи стегно збільшилося приблизно на 67 відсотків.

У сарани, яка зазнала перевантаження в 5 g, міцність кінцівок залишалася майже такою ж, як у групи, яка зазнала перевантаження в 1 g. Сарана, перевірена при перевантаженні у 8 g, у більшості випадків гинула (не гинули ті комахи, яким давали “перерви на обід”, але жодних фізіологічних змін у них не спостерігалося).

Вчені підсумували, що результати їхньої роботи можуть допомогти відповісти на фундаментальні питання про те, як біологічні матеріали загалом пристосовуються та еволюціонують в умовах стресу, а також допоможуть інженерам у розробці матеріалів, здатних адаптуватися до різних умов експлуатації.

У майбутніх дослідженнях Стамм і його колеги спробують дізнатися, у яких ще комах може спостерігатися цей ефект, а також намагатимуться з’ясувати механізми, що стоять за цими змінами.