Механические свойства, степень склеротизации и элементный состав желудочной мельницы красного болотного рака Procambarus clarkii (Decapoda, Crustacea)

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 17799 (2022 г.) Цитировать эту статью

1074 доступа

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Желудочная мельница Decapoda — уникальная особенность, состоящая из зубов, стабилизирующих косточек и щетинок для сортировки частиц. Эта структура, участвующая в фрагментации и сортировке пищи, служит интерфейсом между организмом и окружающей средой. Поскольку свойства материала дополняют морфологию и содержат информацию о функциях и трофических предпочтениях, мы предоставляем основу для дополнительных сравнительных исследований желудочных мельниц. Для компонентов желудочной мельницы взрослого красного болотного рака Procambarus clarkii изучены: а) микроструктура методом сканирующей электронной микроскопии, б) элементный состав методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, в) неоднородности свойств материала. и степень загара (автофлуоресценция) с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и (d) механические свойства, твердость и эластичность с помощью метода наноиндентирования. Морфология и микроструктура этого вида ранее были описаны, но механические свойства и автофлуоресценция ранее не изучались. Поскольку эпикутикулу и экзокутикулу можно анализировать индивидуально, можно определить градиенты свойств материала, значения которых уменьшаются от взаимодействующей поверхности к внутренней части. Наконец, нам удалось связать данные о механических свойствах с элементным составом и степенью дубления. Мы обнаружили, что эпикутикула зубов является одним из самых твердых и жестких биологических материалов у беспозвоночных из-за высокого содержания кремния.

Среди членистоногих ракообразные (около 67 000 описанных видов) демонстрируют необычайное разнообразие строения тела, что позволило им колонизировать почти все среды обитания1. Это сопровождается способностью питаться различными типами пищи с различными механическими свойствами2,3, а также развитием специализированных придатков, таких как нижние челюсти, максиллы или максилипеды, которые механически перерабатывают пищу2,4,5,6,7. Кроме того, у десятиногих развилась специализированная и сложная передняя кишка, которая включает, помимо пищевода, сердечную и пилорическую камеры желудка. Камера сердца хранит поступившую пищу и дополнительно механически ее фрагментирует. Это осуществляется с помощью сложного комплекса стабилизирующих косточек и взаимодействующих зубов, получившего название «желудочная мельница» [например, 8,9,10,11,12]. После фрагментации частицы пищи транспортируются в пилорическую камеру, минуя кардиопилорические клапаны, которые выполняют функцию барьера и жевательной косточки4. Пилорическая камера покрыта щетинками, которые позволяют лишь мелким частицам достигать желез средней кишки и направляться в заднюю кишку.

Что касается компонентов желудочной мельницы, были проведены превосходные анатомические, морфологические, а также элементные анализы13,14,15,16. Кроме того, желудочная мельница изучалась с точки зрения определения возраста17,18,19,20,21 и коммуникации22. Поскольку эта часть желудка морфологически разнообразна23,24, это вызвало постоянную дискуссию25 о том, в какой степени формы компонентов желудочной мельницы отражают адаптацию к продуктам питания и привычкам питания4,10,26,27,28,29,30,31, 32 или филогенетические ограничения4,5,33,34,35.

Однако адаптация к пищевым продуктам отражается не только в морфологии структур, предназначенных для обработки пищевых продуктов, но и в их материальных свойствах. Биологические материалы являются результатом длительной эволюции и, как правило, представляют собой композиты с неоднородностями или градиентами, которые способствуют выполнению функции [обзор см. в 36]. Знания о свойствах материала дополняют морфологию и дают начало глубокому пониманию функций, а также — при сравнительном изучении структур питания — трофических специализаций. Что касается структур питания беспозвоночных, лишь очень немногие исследования, сравнивающие несколько таксонов с точки зрения трофической специализации, учитывают как свойства материала, так и морфологию [для зубов мух, см. 37; о хоботках-бабочках см. 38, а о радулярных зубах см. 39,40,41,42,43.