» » Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Schistocerca gregaria[/i]" border=0 width="600"> Пустынная саранча Schistocerca gregaria. Изображение с сайта en.wikipedia.org Некоторые насекомые способны совершать" />

Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи


Schistocerca gregaria[/i]')">

Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи
Schistocerca gregaria[/i]" border=0 width="600">
Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Пустынная саранча Schistocerca gregaria. Изображение с сайта en.wikipedia.org


Некоторые насекомые способны совершать огромные (относительно своего роста) прыжки. Во многих случаях это обеспечивается особым белком резилином, обладающим удивительной эластичностью. Исследователи из Кембриджского университета обнаружили, что высокие прыжки саранчи также связаны с наличием резилина в задних коленках этого насекомого.

В 1960 г. датский зоолог Торкель Вайс-Фог (Torkel Weis-Fogh) впервые описал удивительный белок резилин (см. Resilin), который был найден им в эластичных сухожилиях стрекоз и крыловых сочленениях у саранчи. Он также продемонстрировал чрезвычайно эластичные свойства резилина: если сухожилия стрекозы растянуть в два раза от первоначальной длины и держать так в течение двух недель, а потом отпустить, то они вернутся к первоначальной длине и ничуть не «устанут». Резилин обладает гораздо более высокими свойствами эластичности, чем промышленная резина. После того как этот белок был описан, его стали находить у других насекомых, а кроме того, увлеченно исследовать его свойства. Например, резилин был найден в ротовом аппарате клопов, и именно благодаря ему ротовой насос у клопов работает столь эффективно. Этот белок обеспечивает высокий прыжок блохи и удивительно сложный механизм складывания задних крыльев у уховертки.

Резилин состоит из скрученных пептидных цепей, скрепленных флуоресцирующей аминокислотой тирозином. Именно поэтому резилин светится голубым в ультрафиолетовом свете, что дает возможность относительно легко его идентифицировать. Резилин не меняет своей структуры и свойств ни при сильном охлаждении, ни при нагревании до 125°С, на него не действует алкоголь и такие сильные свертыватели белков, как, например, формалин. Зато он быстро растворяется в протеолитических ферментах, таких как пепсин и трипсин.

В основе прыжка многих насекомых лежит механизм катапульты (один из способов перехода потенциальной энергии в кинетическую). Именно такой механизм используют блохи, некоторые цикадки, жуки, земляные блошки и саранчовые. Благодаря механизму катапульты, насекомые могут развивать значительные скорости. Блохи через 1 мс после начала прыжка достигают скорости 1 м/с, а цикадки, которые почти в 30 раз больше блох, могут достигать скорости 4,7 м/с. Перелетная саранча, которую можно считать уж совсем гигантом по сравнению с цикадками, через 20–30 мс после начала прыжка может достигать скорости 3 м/с.

Понятно, что прыжок саранчи обеспечивается ее весьма характерными задними прыгательными ногами. Но условия работы механизма катапульты требуют также определенных свойств нервной системы и строения тела насекомого. Во-первых, мышцы должны уметь медленно сокращаться, не двигая при этом конечность, после чего запасаемая энергия должна быстро высвобождаться непосредственно в момент прыжка. Это достигается в результате очень непростых моторных паттернов сгибателей и разгибателей голени. У саранчи эти паттерны можно разделить на три фазы. Первая соответствует полностью согнутой и прижатой к бедру голени — это можно сравнить с взведением курка. Во второй фазе обе мышцы — и сгибатель, и разгибатель голени — находятся в сокращенном состоянии, но голень продолжает быть прижатой к бедру. В третьей фазе мотонейрон сгибателя тормозится, и энергия, полученная в результате длительного сокращения мышцы-разгибателя, инициирует быстрое распрямление голени.

И во-вторых, энергия, которая образуется в результате длительных сокращений мышц, должна эффективно накапливаться, чтобы можно было затем быстро использовать ее во время прыжка. То есть вначале необходима жесткость структуры для сохранения энергии, а потом — эластичность для восстановления формы. До последнего времени считалось, что структуры, сохраняющие энергию для прыжка саранчи, — это темные базальные лопасти на задних бедрах (рис. 1), которые выгибаются во время прыжка в результате сокращений мощных мышц-разгибателей голени. Но жесткая кутикула (см. также Arthropod cuticle) насекомых не обладает эластичными свойствами, и большие нагрузки на нее должны бы приводить к поломке жестких структур. Резилин в конечностях саранчи не находили. Поэтому вопрос, а как же прыгает саранча, до последнего времени оставался открытым.


Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Рис. 1. Фотографии заднего колена саранчи с внутренней (А) и наружной (В) стороны. Желтым пунктиром обведены темные зоны верхних базальных лопастей, которые изнутри выстланы резилином (см. рис. 2). Непосредственно под ними — полупрозрачная область в форме треугольника, состоящая целиком из резилина. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology


Удивительно, что только в этом году английские исследователи из Кембриджского университета опубликовали работу, в которой описан механизм прыжка саранчи. Как читатель может догадаться, в задних коленках саранчи был обнаружен всё тот же белок резилин, но расположенный довольно хитрым образом.

Оказалось, что небольшое количество резилина входит в состав маленькой полупрозрачной области в центре каждой базальной лопасти бедра, о чём свидетельствует фотография, сделанная в ультрафиолетовом освещении (рис. 2А, В). Основное же количество резилина образует внутреннюю выстилку под темной кутикулой верхней базальной лопасти, а это можно увидеть только после удаления наружных покровов (рис. 2С, D). Возможно, именно поэтому данный белок не был обнаружен в более ранних исследованиях.


Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Рис. 2. Фотографии заднего колена саранчи, выполненные при белом и ультрафиолетовом свете, а затем совмещенные друг с другом. На интактных (неповрежденных) базальных лопастях видны треугольные области, содержащие резилин (А — внутренняя, В — наружная стороны бедра). После удаления кутикулы те поверхности, которые были под темными областями, также светятся голубым цветом, что говорит о присутствии резилина (C, D). Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology


Авторы провели изящный эксперимент, в котором показали, как меняется форма базальной лопасти в процессе прыжка. Для этого они имитировали прыгательное движение, электрически стимулируя быструю мышцу-разгибатель задней голени. Поскольку моторный паттерн этой мышцы хорошо изучен, исследователи подавали электрические стимулы на мышцу изолированной ноги с той же частотой, что и при естественном прыжке. Искусственная стимуляция приводила к деформации верхней базальной лопасти таким образом, что ее дистальный конец опускался вниз и на какой-то момент даже заслонялся нижней лопастью колена (рис. 3А). Когда стимуляция прекращалась, верхние лопасти быстро распрямлялись и возвращались в исходное состояние. Тот же эксперимент проделали, освещая препарат ультрафиолетом. Оказалось, что треугольник из резилина, который виден снаружи, сжимается в процессе электрической стимуляции и превращается в узкую полоску, а затем возвращается к своей исходной форме после прекращения стимуляции (рис. 3В).


Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Эластичный белок резилин всё-таки нашелся в задних коленях саранчи

Рис. 3. Движения и деформации наружной боковой лопасти бедра при электрической стимуляции мышцы-разгибателя, исследованные при белом свете (А) и при ультрафиолетовом освещении (B). Скорость съемки — 250 кадров в секунду; цифры на кадрах обозначают время в миллисекундах от начала стимуляции. Желтые кривые стрелочки слева (А) обозначают направление движения дистального конца верхней базальной лопасти, а желтые точки — положение дистального конца. На кадрах справа (В), сделанных в ультрафиолетовом свете, видно как треугольник из резилина сокращается и превращается в узкую полоску, но после прекращения стимуляции мышцы его форма восстанавливается. Изображение из обсуждаемой статьи в Journal of Experimental Biology


Авторы посчитали, что жесткие кутикулярные лопасти с подстилкой из эластичного резилина идеально сочетают жесткие и эластичные структуры, необходимые для эффективного сохранения энергии при обеспечении прыжка саранчи. Можно сказать, что данный белок выполняет в коленях саранчи ту же функцию, что выполняет строительный раствор в кирпичной стене, когда он не дает кирпичам расколоться при большой нагрузке. Однако структуры насекомых пока что гораздо изящнее тех, что созданы человеком, и имитировать их человек еще не в состоянии. Как оказалось, сложная конструкция, образованная из кутикулы и резилина, также лежит в основе пускового механизма прыжка у цикадок, которые являются весьма отдаленными родственниками саранчи. Таким образом, налицо очередное свидетельство того, что эволюционно успешные образования могут приобретаться независимо разными организмами.

Источник: Malcolm Burrows, Gregory P. Sutton. Locusts use a composite of resilin and hard cuticle as an energy store for jumping and kicking // Journal of Experimental Biology, 2012, published online 12.06.2012.

См. также:
Н. Резник. Таракан, который прыгает.

Варвара Веденина


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Крабы способны чувствовать боль

Могут ли животные чувствовать боль так, как чувствует ее человек? На этот вопрос не так просто ответить, поскольку животные часто не способны выразить свои чувства. Английским биологам удалось

Обнаружен белок, отвечающий за слияние мышечных клеток в мышечные волокна

При формировании мышц во время эмбрионального развития одним из ключевых событий является слияние мышечных клеток в единое многоядерное мышечное волокно. Однако механизм, координирующий это слияние,

В живых организмах обнаружены функционирующие шестеренки

Нимфы (личинки) мелких цикадовых насекомых Issus coleoptratus для синхронизации работы конечностей при прыжке используют зубчатую передачу. Благодаря такому простому механизму задние ноги насекомого
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна Юпитера