破纪录的进化创新:强有力的,致命的,超快的一口咬下的陷阱颚蚂蚁

陷阱下巴蚂蚁

一项新的研究表明,形式的小变化可能导致功能创新突破。

  • 研究人员透露了蚂蚁的陷阱 - 颌骨 - 一种强大,超快和复杂的进化性状 - 从更简单的祖先下颚机制演变
  • 研究发现,这种夹颚机制在世界各地独立进化了7-10次
  • 陷阱钳函数能够仅通过颌骨形式的微小变化而发展,然后是不同陷阱钳口形式的演变
  • 研究人员发现,在不同的大陆上,同样的颌捕兽器也在独立进化,这表明了这种复杂特征进化的可重复性
  • 高速摄像摄影摄影摄影摄影摄影摄影摄影师是可重置的最快加速动物体系

强大而致命的,陷阱爪蚂蚁的叮咬在整个动物王国中着名。与正常的夹持钳口不同,依靠肌肉打开和关闭,陷阱钳口闩锁本身打开,像拉伸弹簧一样储存能量。释放时,蚂蚁的钳口在一个超快罢工中扣上他们的猎物。

颌骨陷阱是一项破纪录的进化创新,但科学家们仍然不明白这种复杂的机制是如何从更简单的祖先进化而来的。今天(2021年3月2日)出版PLOS生yabo124物学由冲绳理工研究生院(OIST)的Evan Economo教授和来自冲绳理工研究生院(OIST)的Douglas Booher博士领导的研究小组耶鲁大学,纽黑文CT,连同一个国际合作团队,已经展示了陷阱颌如何起源,然后在世界各地多样化多次。


该动画显示了在形式上的变化,因为陷阱-颚机制变得更加不同于祖先的形式。下颚(黄色)发育出小突起,可以附着在唇(紫色)上。唇状组织的功能从祖先的咬合颚的传感器转变为陷阱颚的门闩。控制下颌和唇状组织的头部肌肉在结构上发生了巨大的变化。

“生物学的核心问题之一是:复杂的事物是如何从简单的事物中产生的?”yabo124伊科诺莫教授说,他是OIST生物多样性和生物复杂性部门的负责人。“像夹爪这样的结构依赖于多个相互作用的部件才能正常工作。起初,我们很难理解这种复杂性是如何在进化过程中逐步产生的。然而,当我们仔细观察时,生物学家可以发现复杂的进化路径。”

许多长着陷阱嘴的蚂蚁属于Strumigenys属——一个分布广泛的群体,在全球热带和亚热带地区发现了900多种蚂蚁。

Economo教授说:“这个属包含了许多与捕颚类有密切关系的物种,无论它们是否存在,这给了我们一个真正独特的机会来了解它是如何出现的。”


高速摄像以每秒48万帧的速度捕捉运动,并以每秒30帧的速度(16000倍慢动作)回放。夹爪加速更快,达到更高的速度比简单的抓握机构。

研究团队提取并测序了与Alexander Mikheyev教授的生态和演化单位合作脱氧核糖核酸来自全球470个斯特鲁米斯蚂蚁物种,包括祖传夹持钳口和改进陷阱下颌的人。

研究人员重建了一棵显示物种间进化关系的树。然后,他们通过使用微ct扫描仪创建蚂蚁的3D图像和模型,分析了下颌机制。

研究人员发现,陷阱下颚机制在世界各地独立地发展了7-10次。

重要的是,颚的功能只需要非常小的形式变化就可以从夹持机构转变为陷阱机构。在功能发生变化后,陷阱颚蚁的头部开始进行大规模的肌肉重组,下巴的长度和张开的宽度也开始多样化。


陷阱下蚂蚁在下颚的长度和它打开的宽度上显示出显着的多样性。

“以前,我们认为所有陷阱钳口都具有不同的形式和发散功能,因此对于在开始时可能发生功能的变化是不那么明显或者是否首先需要对表单进行大量变化一个先决条件,“教授译员说。“但事实证明,那里有许多中间形式的陷阱滑轮机制,人们刚刚没有发现的人,其中一些只有祖先形式略微不同。”

研究人员与伊利诺伊大学的安德鲁·苏亚雷斯的实验室合作,他使用高速摄像机捕捉了Strumigenys蚂蚁的下颌运动。他们发现,在已知的任何能恢复到原来位置的动物身体部位中,夹颌兽的加速度是最快的。

“陷阱颚下颌骨的加速度是标准下颌骨的10万倍,”Economo教授说。“而且它们的闭合速度比人类眨眼的速度快数千倍。”

Strumigenys蚂蚁需要速度,使用它们的超快钳口挫败弹簧扣环的弹簧擒纵机构,他们最丰富的猎物。

目前还不清楚所有这些不同种类的蚂蚁是如何捕猎的,但拥有较短下颚的蚂蚁通常是被动的猎手,它们躲在落叶中,用下颚等待着对任何冒险靠近的毫无防备的猎物发出啪的一声。与此同时,长着长下颚的蚂蚁则是活跃的猎手,寻找猎物来攻击它们。

研究人员认为,蚂蚁如何使用他们的颌骨捕获猎物可能有助于解释陷阱下巴的形状的令人惊讶的多样性水平。在世界的每个地区,都在大陆层面和当地社区一级,都发现了长期和短暂的陷阱。

“这真的很引人注目,我们如何在不同的大陆中再次看到相同的变化。它说明了如何为生命的挑战找到类似的解决方案,“译员教授说。

目前尚不清楚的是,建造陷阱颚所需的潜在基因变化是否相同,或者蚂蚁是否以不同的方式实现了这些相似的结果。

为此,研究团队现在计划在世界各地序列代表斯特拉姆尼斯物种的基因组。“我们希望弥合我们在遗传和分子水平上看到的变化之间的差距,以及我们在形态学层面所看到的。那是下一个大项目。“

参考:“功能创新促进多元化形式进化的一个超速trap-jaw机制蚂蚁”由道格拉斯·b·波尔最早约书亚·c·吉布森Cong刘约翰·t·Longino布莱恩·l·费舍尔米兰简达,Nitish Narula, Evropi Toulkeridou,亚历山大·s . Mikheyev安德鲁诉苏亚雷斯和艾凡p . Economo 2 2021年3月,PLOS生yabo124物学
DOI: 10.1371 / journal.pbio.3001031

资金:冲绳科技学院研究生院校,日本促进科学,国家科学基金会,乌西苏美洲和加勒比学研究中的修补师范基金会

是第一个评论论“录制开展创新:强大,致命,超快咬伤陷阱·南蚂蚁”

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