Біологія
Біологія

Мікроскопічні утвори втримали хвіст ящірок від випадкового відкидання

Дослідники з ОАЕ та США запропонували своє бачення того, як хвіст ящірок відокремлюється від тіла при загрозі життю і при цьому не відкидається під час звичайної щоденної активності. Їхні досліди вказали на мікроструктуру м'язових волокон хвоста у місці відриву із наявністю мікроскопічних пористих грибоподібних структур, які сприяють від'єднанню хвоста лише за умови його відгинання вбік під вольовим контролем тварини. Дослідження оприлюднене в журналі Science.

Pierre Bamin / Unsplash

Pierre Bamin / Unsplash

Що зацікавило вчених у відкиданні ящіркою хвоста?

Вміння ящірок відкидати хвіст у разі небезпеки є багатьом відомим фактом. Це процес, завдяки якому рептилія може рятуватися від хижака, залишаючи нападникові лише частинку хвоста, що відволікатиме його поки вона втікає. Але попри те, що явище вже давно досліджується, все ще достеменно невідомо, який механізм забезпечує відкидання, або автотомію, хвоста. Попередні дослідження вказували, що хребет ящірок має слабкі зони, на самих хребцях або між ними, які дуже чутливі до перелому при їх зовнішньому пошкодженні, наприклад, схопленням хижаком, або внутрішньому, тобто стисканням м'язів хвоста самої ящірки. Це пояснює легкість та швидкість від'єднання хвоста, але не те, яким чином він зберігає свою міцність у буденному житті. Все ж, коли мова йде про порятунок, то позбування частини тіла є розумним рішенням, але коли загрози життю немає, то втрата важливого хвоста радше шкодить. Тож інженери та біологи з Нью-Йоркського університету в Абу-Дабі та Університету Ферлі Дікінсона вирішили дослідити, що стоїть за механізмом автотомії хвоста ящірок.

Як вивчали ящірок?

Щоб розібратися в особливостях сполучення хвоста, науковці проаналізували будову трьох видів плазунів, яким властива автотомія: напівпалого жовто-зеленого гекона (Hemidactylus flaviviridis), єгипетського тонкопалого гекона (Cyrtopodion scabrum) та бахромисту ящірку Шмідта (Acanthodactylus schmidti). Хвости рептилій після автотомії науковці детально розглянули за допомогою технологій комп'ютерної мікротомографії та сканувальної електронної мікроскопії, а також високошвидкісної зйомки процесу відкидання хвоста.

То що надає хвостам міцність та легкість відкидання водночас?

Вже раніше вчені помічали, що на місці відриву у відкинутого хвоста стирчать вісім пучків м'язових волокон, розташованих по колу. Натомість на рані, що залишилися на тілі тварини, наявні вісім відповідних отворів, або кишень, із яких м'язові пучки вийшли при автотомії. Було зрозуміло, що ця структура, схожа за принципом на вилку в розетці, відіграє якусь роль у відкиданні хвоста. Але лише у новій роботі вдалося зрозуміти, яку саме.

Мікрозображення вказали, що м'язові волокна в мікроскопічному масштабі покриті крихітними грибоподібними структурами, які мають нанорозмірні пори та іноді кульки. Водночас на іншій частині хвоста, що на тілі ящірки, в гладеньких кишенях знайшли відбитки шапочок цих утворів. Тобто два кінці хвоста в наномасштабі не скріплювалися міцно по типу замочка, а лише контактували поверхнями: верхівки грибоподібних структур на поверхні м'язових волокон торкалися гладкої поверхні кишень, чого виявилося достатньо для адгезії.

Вивчення хвоста H. flaviviridis. А) Місце автотомії та сегментований хвіст. В) Зображення сканувального електронного мікроскопа місця автотомії на боці відкинутої частини хвоста (зліва) та частини з боку тварини (справа). С) Моделювання мікроструктури хвоста. Navajit S Baban et al. / Science, 2022

Вивчення хвоста H. flaviviridis. А) Місце автотомії та сегментований хвіст. В) Зображення сканувального електронного мікроскопа місця автотомії на боці відкинутої частини хвоста (зліва) та частини з боку тварини (справа). С) Моделювання мікроструктури хвоста. Navajit S Baban et al. / Science, 2022

Щоб з'ясувати детальніше, як така мікроструктура сприяє зчепленню, науковці побудували модель хвоста ящірок із полімеру полідиметилсилоксану. Моделювання показало, що стабільності та гнучкості хвоста сприяють самі грибоподібні тіла, що розподіляють навантаження на більшу площу, зокрема проміжки між цими утворами та нанопори на їхній поверхні. Коли при звичайній активності плазуна у якомусь місці хвоста виникає мікротріщина, то пустоти в мікроструктурі її спиняють, розсіюючи енергію поширення тріщини й не даючи хвостові відірватися (автори пояснюють це механізмом Кука-Гордона). А в'язке внутрішнє середовище тканин сприяє утворенню рідинних містків між мікроскопічними утворами та поверхнею кишень, що ще більше посилює адгезію. Однак коли ящірка самостійно хоче ампутувати хвіст при загрозі, вона згинає його вбік під кутом, при якому навантаження нерівномірно розподіляється, мікроструктура не може стримувати просування тріщини, і завдяки цьому зрештою хвіст від'єднується від тіла. Це узгоджується з відеоспостереженням за геконом, яке показало, що простого тягнення за хвоста недостатньо для його від'єднання, і автотомія відбувається лише після різкого згинання. Тому якщо схопити тварину так близько до тіла, що вона не зможе зігнути хвіст, його відокремлення не стається.