Насекомые-вредители и их личинки, такие как красный мучной хрущак (Tribolium castaneum), уничтожают до 20% хранящихся зерновых продуктов во всем мире, что делает их значительной угрозой для продовольственной безопасности. Их успех зависит от адаптации их движений к непредсказуемым, неоднородным средам, таким как мука. Tribolium хорошо развит как генетическая модельная система; однако мало что известно о его естественном перемещении и о том, как его нервная система координирует адаптивное движение. Теперь ученые раскрыли удивительный механизм, лежащий в основе извивания личинок красного мучного хрущака.
Исследователи из Университета Сент-Эндрюс, которые сосредоточились на движениях личинки красного малого хрущака, сообщают, что их выводы могут помочь в борьбе с заражением зерна и зерновой продукции, соответственно, и с угрозами продовольственной безопасности. Кроме того, движения личинок вдохновляют на новые идеи в области робототехники.
Исследование, опубликованное в журнале Journal of Experimental Biology, было проведено под руководством студентки четвертого курса Беллы Сюй Ин в сотрудничестве с докторами Маартеном Цвартом и Стефаном Пулвером в Школе психологии и нейронауки университета.
Команда обнаружила, что личинки красного мучного хрущака (Tribolium castaneum) лучше всего себя чувствуют на грубых, волокнистых поверхностях, таких как бумага и картон. На этих субстратах личинки используют волнообразную походку, которая начинается сзади и движется вперед, обеспечивая как эффективность, так и гибкость.
Когда личинки сталкиваются с более сложными условиями, такими как крутые склоны или необходимость прорыть туннель в муке - основном источнике пищи, они меняют тактику, полагаясь на крошечные структуры в задней части тела, называемые пигоподами, для захвата и стабилизации.
Дальнейшие эксперименты показали, что нарушение нейронных связей между передней и задней частями тела личинок серьезно затрудняет их способность лазать и рыть туннели. Это открытие подчеркивает важную роль задних брюшных структур в адаптации их движений к вызовам окружающей среды и показывает, что им нужен хвост, чтобы колонизировать запасы пищи.
Первый автор Белла Сюй Ин сказала: «Нечасто вам дают чистый лист и говорят: «Никто не знает, как эта штука движется, идите и узнайте! Это дало нам большую свободу в вопросах, которые мы могли задавать, чтобы удовлетворить наше любопытство как нейробиологов, изучающих двигательные системы, а также раскрыть основополагающие результаты, которые могли бы послужить основой для новых методов устойчивого сельского хозяйства».
Выводы в целом таковы: в отличие от многих гексапод, личинки красного мучного хрущака использовали двусторонне-симметричную, волнообразную походку сзади-наперед во время быстрого перемещения. На более низких скоростях координация внутри грудных сегментов нарушалась, хотя межсегментная координация оставалась нетронутой. Более того, личинки использовали конечные брюшные структуры (пигоподы) для поддержки сложных движений, таких как лазание по свесам. Размещение пигопода совпало с началом качания ног, что предполагает стабилизирующую роль в качестве адаптивных фиксирующих устройств.
Хирургическое повреждение соединения между грудными и брюшными ганглиями нарушило взаимодействие пигопода и привело к эскалации нарушений в локомоции по ровной местности, лазании и рытье туннелей. Эти результаты показывают, что эффективное движение у личинок Tribolium требует координации грудной клетки и брюшной полости, а походка личинки и задействование конечностей зависят от контекста.
«Наша работа представляет собой первый кинематический анализ локомоции личинки Tribolium и дает представление о ее нейронном контроле, создавая основу для будущих исследований управления движением у генетически управляемого жука, который ставит под угрозу глобальную продовольственную безопасность. В будущем мы хотели бы выяснить, какие типы нейронов и молекул связывают их мозг, ноги и пигоподы, чтобы помочь разработать более конкретные методы, которые подавляют их заражение, не нанося вреда самим посевам», - говорит Белла Сюй Ин.
Доктор Цварт сказал: «Было очень интересно погрузиться в мир личинок красного мучного хрущака и раскрыть изящные способы, которыми они адаптируют свои движения к жестким, постоянно меняющимся условиям. Наша работа не только раскрывает замечательную нейронную и биомеханическую стратегию, но и намекает на захватывающие новые подходы к повышению продовольственной безопасности и разработке гибких биороботов».
Доктор Пулвер сказал: «Это прекрасный пример того, как междисциплинарные исследования под руководством студентов в Сент-Эндрюсе могут генерировать идеи и оказывать влияние, выходящие за пределы Шотландии».
Эта работа показывает, что даже у мелких насекомых есть сложные двигательные стратегии для преодоления сложных условий. С учетом того, что потери зерна из-за вредителей, таких как красный мучной хрущак, оцениваются примерно в одну пятую часть во всем мире, понимание этих локомоторных стратегий открывает захватывающий потенциал для развития во многих областях.
Источник и фото: University of St Andrews.