Как появились крылья у насекомых
Родственные связи: учёные разгадали загадку происхождения крыльев у насекомых
Учёные Морской биологической лаборатории (MBL) при Чикагском университете (США) разгадали загадку происхождения крыльев у насекомых. Об этом сообщается в журнале Nature Ecology & Evolution.
Определить, как появились крылья у насекомых, удалось в результате генетического исследования. По мнению главного автора работы — научного сотрудника MBL Хезер Брюс, одна из причин, по которой раньше не получалось разгадать эту загадку, было слишком позднее (около 2010 года) признание генетического родства насекомых и ракообразных.
«Ранее, исходя из морфологии, все относили насекомых к надклассу многоножек, куда входят также двупарноногие и губоногие. Однако изучение многоножек не даёт ответа на вопрос о том, как у насекомых сформировались крылья. Поэтому крылья насекомых было принято считать новыми структурами, которые появились у насекомых и не имеют аналогов у их предков. А всё потому, что исследователи искали предков насекомых не там», — отметила Хезер Брюс.
Хезер Брюс и её коллеги утверждают, что около 300 млн лет назад дальние ракообразные предки насекомых вышли из моря на сушу, где под воздействием новых условий жизни начали эволюционировать. В результате сегменты ног, наиболее близкие к телу, стали частью внешней оболочки самого тела, вероятно, чтобы существам было проще балансировать. Далее эти сегменты переместились на спину, где позже сформировали крылья.
Для доказательства своей теории учёные MBL сравнили сегменты ног небольшого рачка Parhyale с сегментами ног мухи дрозофилы и жука хрущака. В исследовании был использован метод CRISPR-Cas9 — «генетические ножницы».
У всех исследованных видов они выявили и «отключили» общие гены, отвечающие за формирование сегментов ног. Однако у рачка Parhyale остался дополнительный, наиболее близкий к телу седьмой сегмент ноги, и учёные стали искать его следы у насекомых.
В литературных источниках Хезер Брюс нашла выдвинутую ещё в 1893 году гипотезу, что насекомые включили в состав тела свою проксимальную (ближайшую к телу) часть ноги. А затем обнаружила теорию 1980-х годов, по которой эти сегменты ног у насекомых впоследствии переместились на спину и образовали крылья.
«Меня поразило, что эти старые теории нашли подтверждение в моих геномных и эмбриональных исследованиях», — подытожила Брюс. По её мнению, давнюю загадку было бы невозможно решить без современных генетических инструментов.
Биологи прояснили происхождение крыльев у насекомых
Биологам удалось прояснить, каким образом в ходе эволюции у насекомых появились крылья. Ученые установили, что древние щетинохвостки, от которых, как считается, произошли все современные насекомые, использовали усики для планирования при прыжках с деревьев. Об этом сообщает Science NOW, а статья ученых опубликована в журнале Biology Letters.
Основным объектом изучения биологов были современные щетинохвостки Archaeognatha meinertellidae, которые обитают в Перу. По строению они очень похожи на обитавших на Земле 390 миллионов лет назад предков современных насекомых. У них имеется шесть ног, панцирь, а на теле и хвосте располагаются продолговатые выросты (напоминающие усики), за которые щетинохвостки и получили свое имя. Один из выростов прикрепляется к грудному сегменту панциря.
В рамках опытов ученые выловили более 200 экземпляров A. meinertellidae. Затем они разделили их на шесть групп. Одну оставили нетронутой, а у насекомых из оставшихся пяти удалили фрагменты их хвостового «оперения». Затем насекомых сбрасывали с большой высоты, а их полеты снимались на камеру (видео одного из опытов доступно здесь)
В результате ученым удалось установить, что в 90 процентах случаев нетронутые насекомые успешно планировали. При этом из оставшихся потеряли способность скользить по воздуху только насекомые, у которых был удален вырост, произрастающий из грудного сегмента тела A. meinertellidae.
Ученые отмечают, что, согласно теории о возникновении крыльев у сухопутных насекомых, сначала у этих организмов должно было появиться одно протокрыло. Основным возражением является следующее: одно крыло не приносит эволюционной выгоды, так как не появляется новой способности к полету. Последние результаты биологов показывают, что это не так.
Полеты насекомых
На хвостовых щетинках можно неплохо планировать, даже не имея крыльев. Чтобы доказать это, энтомологи устроили насекомым «десант без парашютов».
О том, как насекомые освоили полет, ученым рассказали бескрылые представители этого класса — древесные прыгающие щетинохвостки. Наблюдая за их поведением, Стефен Яновиак (Stephen P. Yanoviak) – энтомолог из Арканзасского университета в Литтл-Роке (University of Arkansas at Little Rock) с коллегами предположил, как у насекомых появились крылья.
Происхождение крыла у насекомых остается загадкой для ученых, так как в их распоряжении нет ископаемых переходных форм. Одна гипотеза (наземная) говорит, что крыло возникло из грудных выростов древних шестиногих беспозвоночных. В соответствии с другой (водной), крыло развилось из жабр водных организмов после того, как они попали на сушу.
Древесные прыгающие щетинохвостки (Archaeognatha) – одни из самых примитивных, древних насекомых, сохранившиеся до нашего времени. Они живут в тропических лесах, где служат пищей для муравьев, пауков и птиц. Щетинохвостки сидят на ветвях и стволах деревьев и при приближении хищника спрыгивают вниз.
Насекомый десант
Стефен Яновиак изучал древесных щетинохвосток в Перу, в Панаме и Габоне. Энтомологи слегка посыпали насекомых оранжевым порошком, чтобы их было лучше видно, и помещали в пластиковый стаканчик, держа его на расстоянии 1−2 метра по горизонтали от ствола дерева. Все это происходило под пологом тропического леса на высоте не менее 15 метров.
Вытряхивая щетинохвосток из стаканчика, ученые отслеживали при помощи видеокамеры траекторию полета насекомых. Все опыты проводились в полный штиль.
В качестве контроля биологи использовали других щетинохвосток под названием сахарные чешуйницы. Они живут не на деревьях, а недалеко от земли. У них тоже есть три щетинки на хвосте, более короткие. Эти насекомые планировать не могли и беспомощно падали вниз.
Аэродинамика на щетинках
Древесным щетинохвосткам хвостовые щетинки помогают контролировать свое перемещение в воздухе. Щетинки выполняют функцию руля и выравнивают положение тела насекомого относительно центра тяжести. Чтобы оценить их роль, ученые подвергли некоторых щетинохвосток обрезанию. Они калечили насекомых по-разному: отрезали левую щетинку, центральную или правую, укорачивали все наполовину и, наконец, оставляли все щетинки нетронутыми, но отрезали головные антенны.
Успех планирования щетинохвосток с ампутированными щетинками сравнивали с результатом контрольных насекомых. Контрольные достигали ближайшего дерева в 90%, а у ампутантов успех снижался в разной степени — в зависимости от того, что им отрезали. Хуже всего пришлось тем, у кого все щетинки обрезали наполовину – они достигали цели лишь в 40% случаев.
Индекс крутизны вертикального снижения у контрольных насекомых составлял в среднем 0,4, а у ампутированных он снижался до 0,18. Это означало, что они планировали вниз намного более круто.
Как появились крылья
Биологи полагают, что планирование и маневрирование с использованием хвостовых щетинок лежало в основе эволюции полета у насекомых. Древним бескрылым насекомым, жившим в девонском периоде, приходилось спрыгивать со стволов древесной растительности, достигавших пятиметровой высоты. Так что необходимо было научиться аэродинамике.
Эти бескрылые насекомые дали начало летающим, считают авторы работы. Летуны, по-видимому, появились в позднем палеозое с расцветом разнообразия наземных экосистем. Под пологом древнего леса располагались органы размножения растений и грибов – спорангии, привлекающие насекомых как источник пищи. Хочешь достать – научись летать. К тому же в это время появилось много насекомоядных хищников, от которых приходилось спасаться.
Ученые считают, что их исследование доказывает правоту наземной гипотезы происхождения крыла. Боковые грудные выросты, по-видимому, оказались еще более удобными для полета, чем хвостовые щетинки. Хотя при этом, говорят ученые, крылья могли играть и другую роль – например, служить для терморегуляции.
Крылья насекомых
Крылья насекомых – придатки двух задних сегментов груди (или одного из них), представляющие собой парные выросты стенки тела и предназначенные для перемещения насекомых по воздуху.
Содержание:
Происхождение крыльев
На сегодняшний день большинство исследователей склоняются к мнению, что крылья насекомых возникли из боковых выростов тергитов груди (нотумов). Существуют и другие теории их появления, например, происхождение от трахейных жабр, однако паранотальная гипотеза в наибольшей степени объясняет расположение, структуру и механизм работы крылового аппарата летающих представителей Класса. [3]
Во многих случаях придатки тела насекомых представляют собой видоизмененные конечности, однако к крыльям это не относится. [4]
Муха-сирфида
Муха-сирфида, одно из самых быстро летающих насекомых.
В отличие от других представителей животного мира, которые также обладают способностью к полету (птицы, летучие мыши), насекомые не «пожертвовали» ради пары крыльев соответствующей парой ног. Вместе с тем, они обладают самыми совершенными возможностями для перемещения по воздуху. [3] Самые сильные летуны среди птиц могут путешествовать без отдыха по многу часов и даже дней, однако некоторые из них не способны самостоятельно создавать силы для полета: для этого им требуется прыжок (скворец), разбег (лебедь), свободное падение (кондор) или подбрасывание на гребне волны (морские чайки). Этим животным зачастую нужны особые условия, которые они не всегда могут создать самостоятельно. [5] В отличие от них, большинство насекомых сами инициируют полет, могут мгновенно сниматься с места и порой достигают очень значительной скорости передвижения (учитывая размеры тела). Например, муха – сирфида (фото) может не только медленно лететь и «зависать» в воздухе, но и перемещаться так быстро, что ее движение сложно уловить взглядом. [2]
Строение крыла
Каждое крыло представляет собой видоизмененную складку стенки тела и берет начало от места соединения тергита и плейрита соответствующего сегмента груди. Его основание окружено эластичной сочленовой мембраной, благодаря чему оно может двигаться относительно тела, приводимое в движение летной мускулатурой. [3]
На первый взгляд, крылья насекомых, всегда довольно хрупкие и нередко прозрачные, выглядят как добавочные образования вроде волос у человека или копыт у животных: создается ощущение, что это просто склериты, которые не обладают чувствительностью и не несут в себе внутренних анатомических структур. Однако крыло состоит из двух слоев, между которыми находится щель, представляющая собой продолжение внутренней полости тела. [1]
По всей поверхности крыла располагаются пересекающиеся трубчатые утолщения – жилки: в них лежат нервные волокна и трахеи. [3] Между жилками находятся ячейки; у относительно примитивных насекомых (поденки, веснянки) пространства ячеек заполнены мелкой густой сетью тонких жилок и анастомозов, которые образуют архедиктион – «первичную сеть», характерную для предковых форм насекомых. [1]
Биологи прояснили происхождение крыльев у насекомых
Биологам удалось прояснить, каким образом в ходе эволюции у насекомых появились крылья. Ученые установили, что древние щетинохвостки, от которых, как считается, произошли все современные насекомые, использовали усики для планирования при прыжках с деревьев. Об этом сообщает Science NOW, а статья ученых опубликована в журнале Biology Letters.
До настоящего момента существовали две основные гипотезы возникновения способности к полету у насекомых. Согласно одной, крылья достались им от морских предков. Согласно другой, способность летать зародилась на суше. Новое исследование подтверждает вторую гипотезу.
Основным объектом изучения биологов были современные щетинохвостки Archaeognatha meinertellidae, которые обитают в Перу. По строению они очень похожи на обитавших на Земле 390 миллионов лет назад предков современных насекомых. У них имеется шесть ног, панцирь, а на теле и хвосте располагаются продолговатые выросты (напоминающие усики), за которые щетинохвостки и получили свое имя. Один из выростов прикрепляется к грудному сегменту панциря.
В рамках опытов ученые выловили более 200 экземпляров A. meinertellidae. Затем они разделили их на шесть групп. Одну оставили нетронутой, а у насекомых из оставшихся пяти удалили фрагменты их хвостового «оперения». Затем насекомых сбрасывали с большой высоты, а их полеты снимались на камеру (видео одного из опытов доступно здесь).
В результате ученым удалось установить, что в 90 процентах случаев нетронутые насекомые успешно планировали. При этом из оставшихся потеряли способность скользить по воздуху только насекомые, у которых был удален вырост, произрастающий из грудного сегмента тела A. meinertellidae.
Ученые отмечают, что, согласно теории о возникновении крыльев у сухопутных насекомых, сначала у этих организмов должно было появиться одно протокрыло. Основным возражением является следующее: одно крыло не приносит эволюционной выгоды, так как не появляется новой способности к полету. Последние результаты биологов показывают, что это не так.