Datum: 14.04.2021

Evoluce nejrychlejších čelistí na světě

Kusadla některých skupin mravenců jsou známa tím, že mají jeden z nejrychlejších pohybů v přírodním světě. Nicméně vývoj mechanismu umožňujícího jejich pohyb byl dosud málo známý. V inovativní studii publikované v Plos Biology vědci pod vedením D. Boohera (USA) a E. Economa (Japonsko) ve spolupráci s M. Jandou z našeho institutu odhalili, že mechanismus pohybu vznikl několikrát a teprve později následovala diverzifikace tvaru dolní čelisti.

Illustrace: Rozmanitost kusadel a jejich mechanismu u mravenců rodu Strumigenys, což je pantropický, rozmanitý rod predátorů žijící v hrabance pralesů. (A) Mnoho druhů má normální čelisti, kterými uchopí a drží svou kořist. Některé druhy mají sklapovací čelisti adaptované na vyšší výkon, které používají k úderům a omračování kořisti. Existují formy s krátkými čelistmi (S-TRAP) a s dlouhými čelistmi (L-TRAP). (B) Mechanismus této sklapovací čelisti zahrnuje modifikaci labra a bazálního mandibulárního výběžku do západky, která aretuje čelisti v otevřené poloze, přičemž následné uvolnění svalů na labrum způsobí rychlé uzavření dolní čelisti. (C) S dolní čelistí v zajištěné poloze tvoří labrum a bazální mandibulární výběžky západkový mechanismus, který je řízen rotací labra v sagitální rovině.

Zkoumali jsme vývoj biomechanické inovace, mechanismu, který připomíná západku a pružinu ovládající pohyb dlouhých čelistí mravenců. Hledali jsme odpověď na dvě zásadní evoluční otázky: jak se mění forma a funkce systému během vývoje nových komplexních znaků a zda tyto inovace a jejich rozmanitost jsou opakovatelné v čase a prostoru.

Pomocí kombinace metod zahrnující rekonstrukci fylogeneze pro 470 druhů, rentgenové mikrotomografie a vysokorychlostního videa jsme zjistili, že mechanismus těchto čelistí se vyvinul nezávisle 7 až 10krát v jediném rodu mravenců (Strumigenys). To vedlo k opakované evoluci různých forem na různých kontinentech. Mechanismus „západky a pružiny“ umožňuje o 6 až 7 řádů větší zrychlení čelisti ve srovnání s jednoduššími systémy ostatních mravenců. V současnosti se jedná o nejrychleji zaznamenané zrychlení pohybu dokumentované z živočišné říše. Zjistili jsme, že k největší morfologické diverzifikaci došlo po vývoji mechanismů „západky a pružiny“, které se vyvinuly prostřednictvím drobných přeskupení struktur ústních částí.  Toto zjištění, kdy postupné změny ve formě vedou ke změně funkce, následované velkou morfologickou reorganizací kolem nové funkce, poskytuje model pro pochopení evoluce složitých biomechanických vlastností, jakož i vhledů do toho, proč se mechanismus tolikrát vyvinul nezávisle na celém světě.

Publikace: Booher DB, Gibson JC, Liu C, Longino JT, Fisher BL, Janda M, Narula N, Toulkeridou E, Mikheyev AS, Suarez AV, Economo EP, (2021) Functional innovation promotes diversification of form in the evolution of an ultrafast trap-jaw mechanism in ants. PLOS Biology 19: e3001031.  https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001031

Zpět

 

KONTAKT

Biologické centrum AV ČR, v.v.i.
Entomologický ústav
Branišovská 1160/31
370 05 České Budějovice

NAJÍT PRACOVNÍKA