Анатомично сравнение на главите на два вида мравки Formica и Brachyponera
От Адриан Рихтер
Морфологията, един от най-старите клонове на биологията, датиращ от J. W. Goethe (Richter et al. 2014), се състои от изследване на формата и структурата на организмите. Морфологичните изследвания започнаха с описанието на органите и обяснението на направените наблюдения. Биолозите се стремят да разберат как и защо живите организми са изградени по този начин. Морфология.
Организмите си взаимодействат с околната среда чрез различни части на тялото си, като устните части (връзка) и двигателните органи. В резултат на това проучването на връзките между структурата и функциите на части от тялото на изчезнали или настоящи видове дава възможност да се разбере тяхното поведение, тяхната екология и тяхното развитие от фенотипна гледна точка (всички черти, наблюдавани в организма). Поради тази причина тази дисциплина остава актуална в ерата на молекулярните инструменти.
Мравките представляват най-разнообразната група социални насекоми с близо 14 000 описани вида (Bolton 2020).
Тяхното социално поведение и екологично господство правят тези насекоми привлекателен модел за изучаване в много дисциплини, включително морфология. Въпреки това, знанията в тази област остават много фрагментирани, много сиви зони продължават да съществуват в таксономичната литература и за тази, свързана с екологията и поведението. Всъщност повечето от проучванията са фокусирани главно върху външната морфология (вж. Напр. Keller 2011).
По отношение на вътрешните органи, последните изследвания обръщат голямо внимание на жлезистата система в ущърб на мускулатурата (Billen, 1993). Към днешна дата най-обширното изследване на мускулатурата на главата на мравките датира от повече от сто години и е извършено от Джон Лъбок (Lubbock, 1877) и френския ентомолог и анатом Шарл Жанет (Janet, 1905), който публикува множество изследвания върху анатомията на различни части на тялото на няколко вида мравки (Фигура 1).
Дипломният ми проект цели да предостави нова и подробна информация за морфологичната еволюция на главите на няколко вида мравки. Наскоро, в партньорство с екип от морфолози, специализирани в мравки и еволюционни биолози, публикувах първата статия от този проект (Richter et al., 2020). Анализирахме главите на два универсални вида (неспециализирана диета) от две клади (различни еволюционни родове): Formica rufa (вид видове от семейство Formicidae) за кладата Formicoids и Brachyponera luteipes (семейство Formicidae) за клада Poneroids.
Материали и техника
Ние сме комбинирали съвременни методи, рядко използвани в този тип проучвания и техники, използвани в продължение на няколко десетилетия или дори век.
Най-традиционната техника разчита на подготовката на хистологични срези с помощта на микротом. Насекомото е потопено в течна смола (аралдит), която прониква във всички органи и тъкани. След като се втвърди, смолата се нарязва на ленти с дебелина 1 µm. След това срезовете се оцветяват с метиленово синьо, за да станат видими различните тъкани. Наблюденията бяха направени с помощта на микроскоп, разкриващ хистологични подробности като вътрешна тъкан на жлезата (Фигура 2а).
Фигура 2: Пример за различните технологии, използвани по време на проучването (приложени тук към Formica rufa): A) глава, получена чрез сканираща електронна микроскопия - B) хистологична секция - C) секция, получена с помощта на CT-Scan скенер - D) 3D реконструкция на анатомията на главата (Източник: Richter et al., 2020)
За да се наблюдава повърхността на тялото, най-подходящо е прибягването до сканиращ електронен микроскоп, първият търговски модел, датиращ от 1965 г. Принципът се състои в покриване на тялото на насекомото със златни частици чрез пръскане, след което върху него се проектира електронен лъч. . Анализът на отразените електрони осигурява изображение с висока разделителна способност (Фигура 2b).
Иновативният аспект на нашето проучване се крие в компютърната томография. Той включва 3D сканиране на животното с рентгенови лъчи, за да се развие триизмерно изображение на морфологичните структури (2D фигура и видеоклипове в долната част на статията).
Срещнати трудности
Едно от основните предизвикателства в сравнителната анатомия е терминологията. За да се интерпретират резултатите, наблюдавани при няколко вида, е важно да се използват едни и същи термини за едни и същи структури. За да направите това, е необходимо да се идентифицират хомоложни структури, особено тези от общ прародител (например човешките ръце и крилата на птиците идват от предния край на общ прародител).
В мирмекологичната литература, тъй като много термини не се основават на хомологии, сравнението с други насекоми е трудно. Например, храносмилателният тракт на главата е изграден от фаринкса, образувайки смукателна помпа в предната част на главата и тънък хранопровод в задната част. Въпреки това, при насекомите дисталната част на фаринкса винаги е маркирана от мястото на вмъкване на два мускула (предния фронто-букален мускул и фонто-оралния мускул) и от наличието на ганглий в челната позиция (част централна нервна система). Тази структура, наречена „анатомично отваряне на устата“, предлага добри маркери за хомология, защото е сходна независимо от групите насекоми, дори филогенетично отдалечени.