Chitono moliuskų mineralinės akys gali atskirti objekto formą • Julija Kondratenko, Elena Naimarkas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Evoliucija, paleontologija, zoologija, biotechnologija

Vėžiagyvių moliuskų mineralinės akys gali atskirti objekto formą.

Pav. 1. A – chitonas Acanthopleura granulata. B – padidintos plokštelės priekinėje korpuso dalyje, juodos taškelės-akys išilgai krašto. C – padidintas kriauklės kraštas su aiškiais objektyvais rodyklės (baltos strėlės – vyresnės, pažeistos akys; juoda – naujesnis); juodą spalvą suteikia pigmento ląstelės po lęšiais; masto ilgis 200 mikronų Vaizdas iš straipsnio D. Speiser ir kt., 2011. Chitonas naudoja aragonesinius lęšius, kad suformuotų vaizdus

Shell shell čitonai Acanthopleura granulata unikalus – šimtai mažų akių su aragonito mineralo lęšiais pastatyti tiesiai į jo apsauginę šarą, leidžiantys molluską matyti visomis kryptimis. Mokslininkai ne tik suprato, kaip šios akys sutvarkytos, bet ir sugrąžino tai, ką moliusas mato su jų pagalba. Aragonito optinių lęšių buvimas chitonuose rodo, kad moliuskai jau yra trečioji gyvūnų rūšis (po trilobitų ir ophiur), kurie apeino organinių lęšių privalomąjį pobūdį.

"Wildlife" sukūrė daugybę nuostabių medžiagų, o mokslininkai vis dar stebisi savo pažangiais dizainais. Stikliniai kempinės spicules panašūs į pluoštą ir tam tikrais būdais yra pranašesni už žmogaus sukurtas šių medžiagų versijas (žr. V. C. Sundar ir kt., 2003 m. Stiklo kempinės skaidulinės optinės savybės). Radulos moliuskai Patella vulgata pasirodė esąs stipresnis už plieną ir Kevlarą (žr. "Dantų jūrų lėkštė" – labiausiai patvari gamtos medžiaga). Laukiniai gyvūnai turi puikią šilumos izoliaciją (žr. Blubber) ir higroskopinius audinius (žr. Sphagnum), struktūruotos spalvos medžiagas, kurių spalva teikiama ne pagal spalvą, bet mikroskopiniais paviršiaus nelygybėmis (žr. Struktūrinės spalvos).

Atsižvelgiant į atrankos spaudimą, daugelis gyvų būtybių naudojamų medžiagų yra tiesiog priverstos tapti vis tobulesnėmis. Jie turi turėti tam tikrą savybių derinį, pavyzdžiui, stiprumą ir lankstumą, jautrumą ir gebėjimą regeneruoti. Jei gyvam organizmui reikia kelių medžiagų savybių, kurių tuo pačiu metu neįmanoma pasiekti tobulumo, gamta pasirenka geriausią šių savybių derinį. Pvz., Internetas yra viena iš labiausiai patvarių medžiagų pasaulyje ir tuo pačiu metu yra labai elastinga. Apskritai, gyvieji organizmai gali būti naudojami technologijai, kurią inžinieriai turės praleisti daug metų, kad optimizuotų.

Nuostabus tokios daugiafunkcinės medžiagos pavyzdys buvo sukurtas vėžiagyvių, turinčių formos tuniką Acanthopleura granulata (1 pav.).Jos apvalkalo medžiaga tuo pačiu metu yra patvari, gebanti apsaugoti smulkų moliuskų kūną nuo plėšrūnų atakos ir … pastebimų. "Shell" Acanthopleura granulata – Tai unikalus šarvų su integruotomis gyvomis ląstelėmis pavyzdys, dėl kurio šimtai mažų akių, sudarančių korpuso struktūrą, gali matyti pasaulį. Naujausios žurnalo numerio publikacijos išleidimo rezultatai. Mokslas.

Mollusko apvalkalo struktūra buvo ištirta naudojant galingą sinchroninio rentgeno mikrotomografą (žr. Rentgeno mikrotomografiją). Kiekvienas auskaras yra kriaušės formos kamera, turinti kietą šarvo medžiagą. Skylė, su kuria fotoaparatas atidaromas į išorę, yra uždengtas skaidru objektyvu, kuris naudojamas kaip akies objektyvas. Skirtingai nuo daugelio gyvūnų lęšių, kuriuos sudaro epitelio ląstelės ir kristaliniai, chitoniniai lęšiai yra tikri aragonito mineralo kristalai. Už objektyvo danga yra padengta plonu medžiagos sluoksniu, daugiausia organiniu, sudarančiu ragenos analogą. Pagal lęšio sklaidytuvą ir akies kamerą buvo rasta sustiprinantys kalcio turtingos medžiagos sluoksniai, apeinantys vietą, kurioje yra gyvosios ląstelės,atlieka tinklainės vaidmenį. Išorinis aragonito lęšio paviršius yra visiškai lygus ir formos abipus išgaubtas parabolis (2 pav.).

Pav. 2 Akies ir lęšio mollusko įtaisas pagal rentgeno skenavimą. Ragenos – ragenos, lęšio lęšis, ICCM (intracamerinė kalcifikuota medžiaga) – kalcio turtinga tankio medžiaga. Mikraestetai, Megalestes (mikroskopai, megaloestetai) yra specifiniai jutimo organai, atstovaujantys kapsulėje esančią kamerą, kurioje yra jautrios ląstelės, kurios gali reaguoti į liestį ir tam tikras chemines medžiagas arba turi šviesos jautrumą (žr. Esthete). Fotografuojamuose megaloestetuose nėra objektyvų, kurie fokusuoja šviesą, todėl šie organai gali padėti tik nustatyti šviesos kryptį ir nematyti nuotraukos. Vaizdai iš diskusijos straipsnio Mokslas

Pažvelgęs per tokį objektyvą per mikroskopą, mokslininkai įsitikino, kad jis yra pakankamai skaidrus, kad pamatytų objekto kontūrus per jį. Tai buvo įmanoma net fotografuoti objektą vandenyje per šį objektyvą (3 pav.). Bet tai, ką mato moliuskas, yra visiškai kitoks klausimas. Visų atskirų moliuskų akių tankis ir jų bendras skaičius yra nedideli, taigi, jei perskaičiuotumėte vaizdą pagal "chitono" pikselių dydį, žuvis pasirodys gana silpna, nors ji ir toliau bus atpažįstama.Pasak mokslininkų, didžiausias atstumas, kuriuo moliuskas gali atskirti dvidešimt centimetrų žuvį, yra du metrai.

Pav. 3 Iš kairės į dešinę: žuvų profilis, vaizdas iš jo per lęšį iš moliuskų, taip pat modeliuojamas vaizdas (atstumas tarp šviesai jautrių akies tinklainės ląstelių yra laikomas taškų verte); šešiakampis atitinka vieną fotoreceptorių. Straipsnyje aptariama Mokslas

Kita chitono regėjimo galimybė yra susijusi su ekrano aiškumu, sutelkiant dėmesį. Skaidrumas priklauso nuo objektyvo fokusavimo padėties, palyginti su tinklainu, kuris, savo ruožtu, priklauso nuo kristalų savybių ir padėties. Kaip parodyta, lęšio kristalai yra orientuoti labai tvarkingai ir vienodai: pagrindinė kristalografinė ašis c esantis 45 ° kampu nuo objektyvo optinės ašies. Kristalai yra dideli, todėl mažėja šviesos sklaidos pjūviai, užtikrinantys maksimalią šviesos spindulių koncentraciją ant tinklainės.

Kas suteikia tokį neįprastą kristalų išdėstymą lęšiuke? Dėl aragonito kristalų dvigubo įbrėžimo rezultatas yra dvigubas vaizdas.Atstumas tarp dviejų vaizdų, yra tik tarp išmatuoto židinio nuotolio objektyvo skirtumas. Mokslininkai teigia, kad abu paveikslai "dirba": vienas – vandenyje, kitas – ore. Dėl vėžiagyvių, tokių dvilypumas nuomone gali būti naudinga, nes ji gyvena pakrantės potvynio zonoje, todėl yra kažkas į vandenį, ant žemės. Jei neryškus matymas trukdyti vėžiagyvių, tada jie būtų lengvai reguliuoti objektyvas kristalai poziciją į Kristalografinė ir optinės ašies suderinti, kaip tai padarė tuo metu trilobitai.

Elgesio eksperimentai taip pat patvirtino, kad paltai su tuo pačiu tikslumu ir noro atsakyti į vizualiai stimulas vandenyje ir ore (apie šiuos eksperimentus galima rasti straipsnyje D. Speiser ir kt., 2011. Chiton Naudoja aragonitas lęšius forma Vaizdai) . Tačiau, siekiant tiksliai nustatyti tinklainės poziciją (šviesai jautrios ląstelės), palyginti su objektyvo kol kas nėra įmanoma, taip, kad pelnas iš vaizdinę dvilypumas, arba jei norite, kurias nyksta fokusavimą ir astigmatizmas, yra tik logiška prielaida, ir ši hipotezė, pasak mokslininkų, tai būtų gerai patikrink

Įdomus klausimas yra tai, kaip moliuskai analizuoja vizualiuosius signalus iš šių ocelli, ar jie turi vizualų analitinį centrą. Nėra tiesioginio atsakymo į šį klausimą, bet galite šiek tiek pasekti mokslininkų. Yra ir kitų chitonų, kurie neturi akių ant apvalkalo, tačiau reakcijos greitis iki šviesos pokyčių ir pats fotoensitivity (kurį suteikia šviesai jautrios ląstelės, išsibarsčiusios virš kūno paviršiaus ir apvalkalo) yra žymiai aukštesnės nei didelių akių Acanthopleura granulata. Tačiau aklieji nereaguoja į figūrinius objektus, o tik į apšvietimo pasikeitimus. Tikriausiai tai buvo akių funkcija, kuri kažkaip pasirodė esanti paklausa A. granulatair jų nervų sistema vistiek gali reaguoti į objekto formą, kad akys ir pagerėjo evoliucijos eigoje.

Kristelių išsiplėtimas lęšiukuose, užsakytas kristalų interpoliavimas, tolygiai sklandus lęšių paviršius – visa tai kartu rodo, kad moliuskas nesvarbu, kaip jo išorinis vaizdas atspindi jo akis ir kad molluskas jį pamatys. Arba jis turi tam tikrą vaizdinės informacijos analizės centrą, nors ir primityviausią, arba jis, kaip kubelių želė, neuronų iš akių eina tiesiai į raumenis, todėl iškart reaguoja į regimąjį stimulą – taip sakant, nemąstydamas (žr.Kodėl medūzai turi sudėtingas akis? "Elements", 2006 10 12). Pastaruoju atveju įvairūs vizualiniai stimuliatoriai gali tiesiog konkretizuoti tiesioginį elgesio refleksą – pavyzdžiui, greitai pasislėpti po kriaukle, jei pasirodo tam tikros formos ir dydžio objektai. Daugybė skylių ir jų daugiau ar mažiau vienodos vietos ant apvalkalo pateikia išsamią apžvalgą, kuri gali būti labai naudinga tokiam lėtai judančiam gyvūnui kaip chitonui.

Korpuso medžiagoje esančios akies kameros žymiai sumažina jo stiprumą. Todėl akys, kaip silpnos šarvų vietos, yra grioveliuose tarp armuotų apvalkalo iškyšų. Be mechaninės apsaugos, šios iškyšos atlieka antakių ir blakstienų vaidmenį, uždengiant moliuskų akis nuo nešvarumų. Akivaizdu, kad dėl korpuso patvarumo kyla pavojus, kad chitonų akys negali tapti didesnės, nors didelės akys leistų moliuskams matyti labiau. Akys neauga per didelės apimties, kad nebūtų sukurta per daug rimtų pažeidimų. Galiausiai, kitas apsaugos lygis, leidžiantis moliusčiams gyventi su silpnomis akimis, įdėtais į jų kriaukles, yra akių išstūmimas. Mollusk gali sau leisti prarasti akis, nes jis turi keletą šimtų.Akys ant senesnių kriauklių dalių yra beveik visada pažeistos, tačiau tai nėra baisi, nes naujos visada auga pakaitinių šarvų plokščių kraštuose.

Medžiagos, jungiančios neorganinius komponentus ir gyvas ląsteles, gali būti naujas žodis technologijoje. Daugelis mokslinių tyrimų grupių jau dirba šia kryptimi: pavyzdžiui, kitą dieną žurnale Mokslas Buvo pranešta apie dirbtinį fotosintezės metodą, naudojant neorganinius ir mikrobinius komponentus (žr. Tian Zhang, 2015 m. Efektyviau).

* * *

Ir dabar mes stengsimės pažvelgti į aptariamo straipsnio priekinį užuolaidą, kuriame išdėstyta galimybė aptarti sudėtingų biomedžiagų perspektyvas, derinant mineralinius ir ne mineralinius komponentus. Jei tu galvoji apie tai, gamtoje yra daug panašių medžiagų, t. Y. Tiksliau, visi skeleto organizmai sujungia mineralinius ir ne mineralinius komponentus. Ir eidami į mikro lygį, ryšys tarp mineralinių ir organinių komponentų yra toks artimas, kad sunku įsivaizduoti vieną be kito. Kalbant apie mokslines diskusijas, bus aptarta kita šio straipsnio pusė – būtent, mineralinių lęšių nustatymas trečiojo tipo gyvūnams.

Kaip minėta aukščiau, beveik visuose gyvūnuose lęšiai susideda iš kristalinio kristalinio baltymo. Iki XXI amžiaus pradžios, ši absoliuti taisyklė buvo tik viena išimtis – trilobitai. Šiuo atžvilgiu trilobitai buvo laikomi unikaliu smalsumu vizijos evoliucijoje. Daugumoje trilobitų rūšių, be aklas formų, buvo veidų akys su daugybe kalcito lęšių (4 pav.). Lęšiai turėjo abipus išgaubtą formą, jose kalcito kristalai buvo nukreipti lygiagrečiai vienas kitam, kad kristalografinė ašis sutaptų su opine ašimi. Taigi pašalintas dvigubo lūžio efektas, būdingas tiek kalcitui, tiek aragonitui. Kai kuriose rūšyse, turinčiose akis su dideliais sferiniais lęšiais, apatinėje lęšių dalyje buvo specialus korekcinis aukštos Mg kalcito įterpimas su savo lūžio indeksu. Įdėklos forma yra tokia, kad pašalina sferinės aberacijos poveikį, todėl vaizdas yra aiškus, nepaisant sferinės objektyvo formos. Natūralu, kad šviesos formos ląstelės buvo po objektyvu.

Pav. 4 Trilobito akys su įvairių dydžių ir formų kalcito lęšiais. Nuotrauka iš www.trilobites.info

2001 m. Ophiuro, viena iš klasės dygiaodžių, staiga pasirodė, kad kalcito abipus išgaubtos lęšės ant šviesai jautrių ląstelių sluoksnio – savitų akių. Jie yra išsibarstę daugiau ar mažiau tolygiai per trapios kūno paviršių. Kalcito lęšių židinio nuotolis atitiko atstumą iki šviesai jautrių ląstelių sluoksnio, o objektyvo forma pasirodė tokia, kad pašalino dvigubo lūžio efektą. Iš to padaryta akivaizdi išvada, kad keistos lentikulinės formacijos yra regos auros organai. Po to, kai mokslininkai pradėjo ieškoti tokių struktūrų iškastiniuose odaiduose – ir, žinoma, rasta. Kaip paaiškėjo, akys ant kūno paviršiaus turėjo ir žvaigždžių, ir trapių žvaigždžių, gyvenančių Kreidos jūrose (5 pav.).

Pav. 5 Šiuolaikinio žmogaus akys (a-c), iškastinio kreidelio ophiur Stegophiura (df) ir krevetės negyvos rūšys (g-i) Visi jie turi vienodą struktūrą ir panašią formą. Nuotrauka iš straipsnio P. Gorzelak ir kt., 2014 m. Microlens masyvai sudėtingoje vizualinėje kreidinių oda

Ir 2011 m., Praėjus pakankamai nepastebėti, pasirodė pranešimas apie aragonito regos lęšius moliuskuose – trečiojo tipo gyvūnus, kurie apeino organinių lęšių privalomąjį pobūdį.Dabar, po straipsnio paskelbimo Mokslas, faktas, kad "akmenų" akys įgauna skirtingų rūšių gyvūnus, nepriklausomai vienas nuo kito, nebus ignoruojamos. Todėl trilobitai pasirodė esąs ne unikalus smalsumas, bet vienas iš galimų būdų, kaip įgyti skirtingų gyvūnų praktiką.

Kokios sąlygos yra reikalingos vizualiai evoliucijai, kad būtų atsižvelgta į optines kristalines savybes? Matyt, būtinai turi būti nusistovėję būdai dirbti su kalcio karbonato kristalais. Visais trimis atvejais ši sąlyga įvykdyta. Trilobitai su savo kalcitų organine lukštais (beje, vienintelė tokia nariuotakojų grupė) yra puikūs specialistai kuriant sudėtingas kalcito formas. Kiekvieno išliejimo metu, kaip ir skulptoriai, jie, kaip ir skulptoriai, turėtų iš naujo pastatyti savo išorines šarvus su visais išaugimais, smaigaliais ir kūgiais. Naudojant dygiaodžius, vidinis skeletas, padengtas geromis organinėmis žievelėmis, susideda iš didelių Mg kalcitų plokščių. Gyvūno augimas yra susijęs su tiksliu jų dydžio padidėjimu tam tikromis kryptimis. Tai taip pat reikalauja biocheminių įrankių dirbti su kalcio karbonatu.Kalbant apie chitonus, jų korpuso vidinio sluoksnio aragonito pamušalas gerai žinomas – tai perlų motina, turinti visas savo stipriąsias ir menines savybes. Taigi augimo ir gyvenimo metu jie taip pat gerai dirba, kad augtų kristalai tinkamoje ir tinkamoje formoje.

Trijų gyvūnų grupių darbo su kalcio karbonato kristalais metodai greičiausiai skiriasi (nors būtų įdomu tai patikrinti), bet apskritai tai yra puikus pavyzdys, kai vyksta konvergencinė lygiagrečioji evoliucija. Jei gyvūnai turi medžiagą su tam tikromis savybėmis ir įrankiais dirbti su ja (šiuo atveju šie biocheminiai įrankiai), tuomet evoliucija, jei reikia, lengvai sukuria panašią struktūrą iš gatavų blokų iš šios medžiagos. Kodėl ne?

Taigi, ginčydamos trilobitų akis, nebėra jokio reikalo kalbėti apie jų unikalumą. Tai regėjimo organas, kuris atsirado kaip šalutinis produktas, susijęs su labai nusistovėjusiais biocheminiais manipuliacijomis su kalcio karbonatu. Skirtingai nuo chitonų ir dygiaodžių, kurių akys silpnina apvalkalą, trilobitai to negalėjo sau leisti. Todėl jie sutelkė savo lęšius ir išdėstė akis ant galvos, vadinamųjų "ištemptų dygsnių" vietose.Ir jų lydėjimas prasidėjo akimis – lukštas sprogo tvarkingai savo forma, nesunaikindamas. Ir pats apvalkalas išliko toks pat stiprus, nepaisant akių buvimo. Tačiau nariuotakojų, skirtingai nuo chitonų ir dygiaodžių, nervų sistema yra daug tobulesnė. Todėl jie labai atsitiktinai turėjo dideles akis, esančias ant galvos.

Šių trijų gyvūnų grupių, kurios išrado akių mineralinius lęšius, palyginimas gali būti labai informatyvus evoliucinių procesų supratimui.

Šaltiniai:
1) Ling Li, Matthew J. Connors, Mathias Kolle, Grant T. England, Daniel I. Speiser, Xianghui Xiao, Joanna Aizenberg, Christine Ortiz. Chitono biomineralizuotų šarvų, turinčių integruotą vizualinę sistemą, daugiafunkcionalumas // Mokslas. 2015. V. 350. P. 952-956.
2) Danielis I. Speiser, Douglas J. Eernisse, Sonke Johnsen. Chitonas naudoja Aragonito lęšius formuojant vaizdus // Dabartinė biologija. 2011. V. 21. P. 665-670. DOI: 10.1016 / j.cub.2011.03.033.

Julija Kondratenko, Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: