Челюсти пустынной саранчи затачиваются сами собой

 

Акулы теряют зубы всю жизнь, заменяя их на новые, тогда как человеку достаются только два наших набора. Зубы грызунов растут всю жизнь, и их приходится стачивать, чтобы предотвратить травмы.

Новое исследование, опубликованное в журнале Interface Focus, теперь поместило в набор самозатачивающихся еще одно животное — пустынную саранчу  (Schistocerca gregaria).

Ульрике  Вегст, доцент кафедры физики Северо-Восточного университета, обнаружила, что экзоскелеты саранчи накапливают концентрацию цинка в нижних челюстях, что делает их «лопатообразный ротовой аппарат» (согласно исследованию) более твердым по отношению к окружающей кутикуле.

Экзоскелет саранчи состоит из хитина, волокнистого материала общего как для насекомых, так и для ракообразных.

Хитин животного варьируется в зависимости от использования. В некоторых частях тела требуется гибкость (например, вокруг челюстей, которые необходимо открывать и закрывать), а в других — значительная твердость.

Известно, что цинк увеличивает жесткость, твердость и износостойкость чисто полимерной кутикулы насекомых. У S. gregaria положение обогащенных цинком режущих областей мандибул относительно друг друга позволяет предположить, что нижние челюсти образуют ножницеобразный режущий инструмент, который затачивается, когда ротовой аппарат сдвигается друг относительно друга во время кормления.

 Исследование, проведенное в сотрудничестве с биологом Оливером Бетцем из Тюбингенского университета и Питером Клотенсом из Европейской лаборатории синхротронного излучения, показало, как обогащенные цинком части челюстей саранчи затачиваются при использовании.

Челюсти саранчи мало чем отличаются от человеческих челюстей: одна челюсть слегка перекрывает другую, хотя саранча открывается и закрывается горизонтально.

Когда две половинки сдвигаются друг с другом, обогащенные цинком края заостряют друг друга.

Вегст, специализирующийся на материаловедении , обнаружил выраженную «цинковую кромку» вдоль нижней челюсти с помощью двухэнергетической рентгеновской томографии.

Преимущество такого способа заключается в его интенсивности: «Мы можем уменьшить спектр до очень узкой энергии. Фактически, мы можем сделать его монохроматическим», — говорит Вегст. Материалы по-разному поглощают рентгеновские лучи, и благодаря узкости луча томографа исследователи могли использовать процесс субтрактивной визуализации, чтобы «с одной стороны измерить количество цинка», говорит Вегс, и «более легко увидеть, как он распределяется в трех измерениях».

Построив трехмерную модель челюстей саранчи, Вегст смог затем определить, как более твердые передние края челюстей саранчи при использовании срезают более мягкий хитин вокруг них, сохраняя тем самым более острый край. 

«То, что я пытаюсь получить здесь, в своей режущей кромке, — это высокая твердость», которая сможет противостоять высокоабразивным древесным материалам, — говорит Вегст. Чтобы «обеспечить, чтобы режущие кромки оставались острыми как можно дольше», продолжает она, «можно добиться, если одна из этих кромок будет тереться о другую. Таким образом, каждый раз, когда она что-то режет, она также затачивается».

Но износ неизбежен, несмотря на этот «очень умный механизм», как его называет Вегст. Со временем край изнашивается, но, как отмечает Вегст, саранча регулярно сбрасывает свой экзоскелет, заново отращивая хитиновый внешний панцирь и твердый, обогащенный цинком ротовой аппарат. «Представьте, что вы используете тупой нож вместо острого», — утверждает Вегст. «На резку уходит больше энергии, поэтому для животного, которому нужно есть и сохранять энергию, эффективный режущий механизм на самом деле является стратегией выживания. Если у меня тупые режущие инструменты – а я получу свой новый нож через шесть недель – Возможно, я буду голодать между делом».

«Животное, у которого есть механизм самозатачивания, имеет преимущество, — продолжает она, — но для саранчи также обходится дорого» потреблять столько цинка, сколько ей нужно, и распределять его по соответствующим участкам экзоскелета. «Это баланс, который организм, кажется, поддерживает», поддерживая эффективное распределение «только в тех областях, где цинк больше всего необходим».

Как цинк попадает в челюсти и как саранча потребляет его в достаточном количестве, остается открытым вопросом для дальнейших исследований.