Pluskwiak zatrzymujeżywność w pół drogi, żeby zrobić miejsce dla mikrobów

Autor: Ed Yong
Twój przewód pokarmowy jest długą, ciągłą rurą. Żywność wchodzi z jednej strony, zostaje strawiona i obdarta ze składników odżywczych i wypychana z drugiego końca. Tak jest u mrówek i słoni, lwów i lwów morskich, jastrzębi i motyli. Ale nie u tarczówkowatych, rodziny z podrzędu pluskwiaków o kształcie tarcz. W jelitach tych spijających sok roślinny owadów, żywność wchodzi jednym końcem, zostaje strawiona i obdarta ze składników odżywczych… a potem zatrzymuje się. Nigdy nie przepływa do tylnej części przewodu pokarmowego. Ta część narządu została przekształcona z miejsca trawienia w apartamentowiec dla mikrobów.
Nasze jelita także pełne są bakterii i innych mikrobów, ale żyją one wśród nurtów żywności i pomagają nam strawić nasze posiłki. Pluskwiaki tarczówkowate urządzone są zupełnie inaczej. Ich przewód pokarmowy składa się z kilku uszeregowanych komór. Pierwsze trzy (M1, M2 i M3 na rysunku poniżej) są do składowania i trawienia żywności i do absorbowania składników odżywczych. Czwarta (M4 i M4B) składa się z wielu rozgałęziających się woreczków i krypt gęsto wypełnionych symbiotycznymi bakteriami.

Obecnie, Tsubasa Ohbayashi i Yoshitomo Kikuchi z Uniwersytetu Hokkaido w Japonii odkryli, że to rozdzielenie jest wymuszone przez specjalny narząd – skrajnie wąski korytarz (CR na rysunku), który oddziela komory trzecią i czwartą. Jest cienki i niepozorny, i dlatego nikt go wcześniej nie zauważył. Odgrywa jednak żywotną rolę: pozwala pewnym bakteriom na skolonizowanie tylnej połowy przewodu pokarmowego, trzymając żywność i inne mikroby w części przedniej.

To odkrycie mówi o dwóch najważniejszych stronach partnerstwa między zwierzętami i mikrobami. Pierwszą jest konflikt. Nawet korzystne bakterie nie są wyłącznie dobrem. Mają własne interesy ewolucyjne i mogą spowodować gospodarzom poważne problemy, jeśli dostaną się do niewłaściwych części ciała. Trzeba je więc powstrzymać i kontrolować. Robimy to ścianą śluzu, który pokrywa nasze jelita, i komórkami odpornościowymi, które patrolują tę ścianę. Inne zwierzęta mają specjalne przegródki, w których przechowują bakterie. Tylna polowa przewodu pokarmowego pluskwiaka jest przykładem takiego wyspecjalizowanego zakwaterowania.

To doprowadza nas do drugiej sprawy: selektywności. Mikroby, które żyją w ciałach zwierząt, nie są tymi samymi mikrobami, które znajdują się w otaczającym zwierzę środowisku. Tylko niektóre gatunki mogą dobrze czuć się w zwierzęcym gospodarzu i tylko niektórym się na to pozwala. U pluskwiaków tylko jedna bakteria o nazwie Burkholderia może skolonizować przewód pokarmowy. (Nie jest całkiem jasne, co Burkholderia robi dla swojego gospodarza, ale wiemy, że jest ważna, bo owady, które jej nie mają, nie mogą dorosnąć do pełnych rozmiarów i umierają wcześnie.)

Nowoodkryty korytarz u pluskwiaków jest odpowiedzialny za tę skrajną selektywność. Stanowi sortownię symbiontów. W zeszłym roku zespół Kikuchiego nakarmił młode tarczówkowate gatunku Riptortus pedestris bakteriami Burkholderia, oznakowanymi świecącą, zieloną cząsteczką. Zobaczyli, że bakterie ustawiły się w kolejkę u wejścia do wąskiego korytarza i przez kilka godzin przepychały się przez niego. Robi to tylko Burkholderia. Inne bakterie nie potrafią odbyć tej samej podróży.

Nie potrafi tego także ani żywność, ani płyny. Niedawno zespół podał pluskwiakom wodę zabarwioną na czerwono. Fala czerwieni powoli przechodziła przez jelita i całkowicie zatrzymała się u wejścia do ciasnego korytarza. Czymkolwiek jest ten narząd, nie przepuszcza żywności, płynów i większości mikrobów.  

Badając go pod mikroskopem zespół odkrył jego tajemnicę. Przede wszystkim, jest niemożliwie wąski: zaledwie kilka milionowych części metra szerokości. Jest także wypełniony śluzem, który działa jak fizyczny korek. Tylko Burkholderia może się przez to przebić, częściowo dlatego, że jest świetnym pływakiem. Popycha się silnym, podobnym do bicza ogonem, zwanym wicią. Kiedy zespół Kikuchiego manipulował ze zmutowaną Burkholderia, nie udało im się odtworzyć porządnej wici i te szczepy nie potrafiły przedostać się przez korytarz.

Inne bakterie jednak, takie jak E.coli i B.subtilis mają własne wici, a jednak też nie potrafią przedostać się. Musi być coś jeszcze, co tamuje im drogę i nikt nie wie, co to może być. Jest możliwe, że tylko Burkholderia wytwarza enzym, który rozkłada śluz, a więc zarówno płynie, jak drąży tunel. Albo też Burkholderia może być wyjątkowo odporna na enzymy trawienne i antybakteryjne substancje chemiczne, które uwalnia pluskwiak, by powstrzymać inne mikroby.

Jest możliwe, że zarówno owad, jak bakteria, mają swoje role do odegrania w zapewnieniu wierności tego partnerstwa. Tak samo może być z innymi naturalnymi sojuszami. Śliczna kałamarniczka hawajska (Euprymna scolopes) jest skolonizowana przez jeden gatunek świecącej bakterii o nazwie Vibrio fishceri, którą przechowuje w kryptach w ciele. Mimo mnóstwa bakterii, które kłębią się w otaczającym morzu, tylko V.fischeri potrafi wejść i skolonizować krypty kałamarniczki. Jak pisałem poprzednio, ta selektywność zależy zarówno od kałamarniczki, jak od mikroba.

Kałamarniczka i owad mają jeszcze jedną rzecz wspólną: każde nowe pokolenie pobiera swoje mikroby ze środowiska. Selektywność jest więc dla nich naprawdę ważna. Potrzebne im są bardzo precyzyjne sposoby wyciągnięcia właściwego partnera z otaczającego środowiska. To samo dotyczy większości gatunków tarczówkowatych i dlatego, jak się wydaje, ten korytarz istnieje u wszystkich około 40 tysięcy członków tej rodziny.

Jedyne wyjątki także dowodzą reguły. Niektóre pluskwiaki tarczówkowate wyewoluowały bardzo specyficzne metody przekazywania swoim dzieciom odpowiednich, korzystnych mikrobów. Jedne kładą kapsułki pełne mikrobów obok jajeczek. Inne pokrywają jajeczka pełnym bakterii śluzem. Tak czy inaczej, młode pluskwiaki mają gwarancję, że znajdą właściwe mikroby, więc sortujące symbionty korytarze są mniej użyteczne. I, jak to się często dzieje w ewolucji, zaniknęły one. Kiedy te pluskwiaki dorastają, ich korytarz kurczy się do nitki i obie połowy przewodu pokarmowego są zasadniczo oddzielone.

Jak więc wydalają odchody? Eksperyment zespołu Kikuchiego z czerwonym zabarwieniem żywności ujawnił odpowiedź. Żywność zostaje zaabsorbowana w przedniej części przewodu pokarmowego, wysłana od owadziego odpowiednika nerek, a następnie przesłana z powrotem do tego samego końca w postaci odchodów. Być może jest to najwyraźniejszy sygnał, że te mikroby mają znaczenie. By dać im dach nad głową pluskwiaki musiały zmienić całą trasę żywności w swoich ciałach, omijając czwartą komorę, w której zamieszkują bakterie.

Not Exactly Rocket Science, 31 sierpnia 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu

 

Dlaczego świecące rekiny świecą

Autor: Ed Yong

W oceanach istnieje około 550 gatunków rekinów. Około dwanaście procent z nich świeci.

Te świecące ryby należą do dwóch grup: rekiny liksa i Etmopterus. Są to małe stworzenia, nie dłuższe niż 50 centymetrów, żywią się małymi rybami, kałamarnicami i skorupiakami. Żyją w głębi oceanu, co znaczy, że wiemy bardzo mało o tym, jak żyją. Cokolwiek jednak robią, najwyraźniej robią to dobrze. „To jest jedna z odnoszących największe sukcesy grup rekinów”, mówi Julien Claes z Catholic University w Louvain. Jeden tylko rodzaj, Etmopterus -  zawiera 38 różnych gatunków. “A nowe odkrywamy co parę lat”.

Claes przez dziesięć lat badał te nieuchwytne ryby i powoli zaczynał rozumieć cel ich świecenia. Światło pochodzi z wielu małych narządów zwanych fotoforami, które mieszczą się na ich brzuchach, a czasami także na bokach. Nikt nie wie, jak te narządy wytwarzają światło, ale Claes i jego zespół zbliżają się do odpowiedzi na pytanie dlaczego to robią.

Światło małego rekina Squaliolus aliae. Zdjęcie: Jerome Mallefet

Światło małego rekina Squaliolus aliae. Zdjęcie: Jerome Mallefet

Najpierw pokazali, że rekiny używają światła jako kamuflażu. Mimo że żyją w niezmiernie ciemnych głębinach, każdy drapieżnik obserwujący je od dołu, będzie w stanie dostrzec ich sylwetkę na tle resztek światła słonecznego padającego z góry. Ale poświata z ich brzuchów odpowiada dokładnie temu nadchodzącemu z góry światłu i zamazuje ich sylwetkę. Po prostu nie rzucają cienia.

Następnie zespół pokazał, że przynajmniej jeden gatunek, kolczak czarny, używa światła jako ostrzeżenia. Ma dwa ostre kolce za płetwami grzbietowymi, które są oświetlone rzędem fotoforów umieszczonych w niezwykłym miejscu – Claes nazwał je szablami świetlnymi. Razem ze specjalistą wzroku i optyki, Dan-Erikiem Nilssonem, pokazał, że oświetlone kolce widać z odległości 3-4 metrów, co jest doskonałą odległością, by odstraszyć zbliżającego się  drapieżnika bez ujawniania obecności rekina.

Wreszcie, zespół sądzi, że niektóre Etmopterus rozmawiają także ze sobą przy użyciu światła. Większość gatunków ma fotofory tylko na brzuchach i prawdopodobnie używa ich wyłącznie do kamuflażu. Ale rekiny Etmopterus mają także fotofory na bokach i wzory różnią się zależnie od gatunku. Być może służą jako oznaki tożsamości, pomagając rekinom znaleźć innych członków tej samej grupy. (Z pewnością jest to cenna umiejętność, bo często znajduje się kilka tych gatunków na tym samym obszarze.)

Claes wiedział, że jego pomysł ma sens, kiedy obserwował schwytanego kolczaka czarnego pływającego w basenie. Nagle zauważył, że światło z boków ryby wydawało się włączać i wyłączać: „Pomyśleliśmy: o mój boże, te rekiny potrafią migać! Potem zrozumieliśmy, że jest to iluzja optyczna. Fotofory wytwarzają bardzo wąski promień, widoczny tylko pod pewnymi kątami. Kiedy pływają, wyginają ciała na lewo i prawo, zamieniając to, co w rzeczywistości jest ciągłym strumieniem światła, w coś, co wygląda jak światło stroboskopowe. Naprawdę masz wrażenie, że migają jak świetliki”, mówi Claes. A to, jego zdaniem, wyglądało jak komunikacja.

Przyznaje, że “testowanie komunikacji zwierząt głębokomorskich, takich jak świecące rekiny, jest niezwykle trudne i niemal niemożliwe”. Jego zespół musiał więc uciec się do innych metod. Pracując znowu z Nilssonem potwierdzili, że kolczaki czarne mogą z rozsądnej odległości wyraźnie widzieć znaki na bokach innych ryb.

Rekin

Pokazali następnie, że rekiny Etmopterus z fotoforami na bokach rozdzieliły się na nowe gatunki znacznie szybciej niż te, które miały fotofory tylko na brzuchu. To właśnie można przewidzieć, jeśli światło rzeczywiście działa jako oznaka tożsamości. Te znaki, pozwalając rekinom rozpoznawać własny gatunek, zapewniają, że nie ma krzyżowań z innymi. A bez krzyżówek oddzielający się dopiero gatunek stanie się bardziej oddzielony, szybko tworząc bujne drzewo rodowe z nowymi, błyszczącymi gałęziami.

Claes mówi: “Pierwsze świecące rekiny prawdopodobnie używały narządów świetlnych tylko do kamuflażu. Potem jakaś zmiana genetyczna pozwoliła niektórym narządom świetlnym na przesunięcie się wyżej, na boki, a to pozwoliło ich właścicielom na łatwiejsze dostrzeganie członków własnego gatunku. Kiedy żyjesz w wiecznej ciemności w głębi morza, możliwość zasygnalizowania twojej obecności [innym osobnikom twojego rodzaju], stanowi wielką korzyść”.

Not Exactly Rocket Science, 28 lipca 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu

 

Ten chrząszcz niszczy twoją kawę przy pomocy bakterii

Autor: Ed Yong

Piszę książkę o partnerstwie między zwierzętami i mikrobami. Podczas pisania konsumuję nieprzyzwoite ilości kawy, takie ilości, że dedykacja książki mogłaby brzmieć: „Kawie z podziękowaniem”. Tak więc piszę ten post z mieszanymi uczuciami, bo traktuje on o zwierzęciu, które rujnuje kawę przy pomocy bakterii.
Kornik Hypothenemus hampei jest małym, czarnym chrząszczem, długości zaledwie kilku milimetrów. Samice borują dziury w jagodach kawy i składają jaja w nasionach w środku – w tych częściach, które znamy jako „ziarna kawowe”. Larwy pożerają nasiona, kiedy się wykluwają i niszczą je. W samej Brazylii jego wyczyny powodują około 300 milionów dolarów strat rocznie i rozprzestrzenił się do wszystkich produkujących kawę narodów na całym świecie. Ten maleńki szkodnik jest największym zagrożeniem dla twojego rozkosznego kubka kawy.

Kornik Hypothenemus hampei. Zdjęcie: L. Shyamal (CC BY-SA 3.0)

Kornik Hypothenemus hampei. Zdjęcie: L. Shyamal (CC BY-SA 3.0)

Te chrząszcze są jedynymi zwierzętami, które mogą odżywiać się wyłącznie ziarnami kawy. Inne mogą od czas do czasu przekąsić nasiona lub inne części kawowca, ale nie poświęcają się wyłącznie temu zadaniu. Jest po temu powód: kofeina. Ten stymulant przyciąga wielu z nas do kawy, ale skutecznie odstrasza zwierzęta roślinożerne. Nie tylko ma gorzki smak, ale przy dawkach znajdujących się w nasionach kawy może zatruć i sparaliżować każdego zbłąkanego owada. To znaczy, każdego owada poza kornikiem H. hampei. Jako larwa jest on, praktycznie rzecz biorąc, skąpany w kofeinie, a jednak przeżywa. Nie odstraszają go nawet najbogatsze w kofeinę ziarna.

Javier Ceja-Navarro z Lawrence Berkeley National Laboratory odkrył jego sekret: ma w jelitach bakterię, która detoksyfikuje kofeinę.

Kiedy karmił chrząszcze ziarnami kawy i analizował ich odchody, nie mógł znaleźć żadnych śladów kofeiny. Żadnych. Coś w ich jelitach całkowicie zniszczyło potencjalną truciznę. Oczywistym kandydatem wydawała się bakteria, więc Ceja-Navarro podał chrząszczom antybiotyki. Tym razem, kiedy jadły ziarna kawy, ich odchody pełne były kofeiny. A kiedy miały okazję rozmnażać się, zupełnie im to nie wyszło. Większość ich jaj i larw zginęła niemal od razu i żadne nie przetrwało do dorosłości.

Zespół Ceja-Navarro pod kierownictwem Eoina Brodie, odkrył, że bakterie w jelitach kornika H. hampei są różne w różnych krajach, ale pewne gatunki pojawiały się wszędzie. Przynajmniej tuzin z nich może rosnąć na kofeinie i na niczym innym, a jedna – Pseudomonas fulva była w tym szczególnie dobra. Był to jedyny mikrob z genem o nazwie ndmA, który rozpoczyna proces metabolizowania kofeiny.

Kiedy Ceja-Navarro podał P. fulva poddanym kuracji antybiotykowej chrząszczom, przywrócił ich zdolność metabolizowania kofeiny. Niemniej owady nadal nie mogły się rozmnażać, co sugeruje, że inne bakterie także wpływają na ich zdrowie i zdolność wytrzymania trujących posiłków.

Owoce kawy

Nie jest jasne, czy to odkrycie pomoże farmerom uprawiającym kawowce. Opryskiwanie kawowców antybiotykami byłoby naprawdę okropnym pomysłem, ale może istnieją łagodniejsze sposoby zerwania sojuszu między chrząszczami a ich odtruwającymi mikrobami.

Detoksyfikacja jest tylko częścią sukcesu kornika H. hampei. Jest także trawienie. Jagody kawy to w 60 procentach węglowodany, a ponieważ larwy nie jedzą niczego innego, potrzebny im jest jakiś sposób na rozłożenie tych dużych cząsteczek.

W 2012 r. Ricardo Acuña z Cenicafé, kolumbijskiego centrum badań nad kawą, odkrył sztuczkę tego chrząszcza dzięki zbadaniu genów, które są włączone w jego jelitach. Jeden z nich – HhMAN1 – wyróżniał się z dwóch powodów. Po pierwsze, tworzy białko o nazwie mannanaza, które rozkłada galaktomannan, jeden z głównych węglowodanów w owocach kawy. Po drugie, nie spodziewamy się mannanazy u owadów.

Acuña odkrył, że wersja HhMAN1 u chrząszczy jest najbliżej spokrewniona z genami z bakterii. Upewnił się, że nie zsekwencjonował jakiegoś zanieczyszczającego próbkę mikroba i rzeczywiście, nie zrobił tego: HhMAN1 był otoczony przez inne geny typowe dla owadów i było jasne, że jest bona fide częścią genomu chrząszcza.

Tak więc, w pewnym momencie swojej historii, te chrząszcze ukradły gen bakterii, być może tym samym, które żyją w ich jelitach. Ten gen jest teraz permanentną częścią ich genomu i pozwala im na trawienie węglowodanów, które znajdują się w owocach kawy.

Bakterie pomogły więc kornikowi H. hampei na dwa sposoby – przez podarowanie kiedyś w odległej przeszłości genu na trawienie i przez użyczanie swojej mocy odtruwania obecnie. Wzmocniony siłą mikrobów ten chrząszcz stał się szkodnikiem na skalę światową i, hm,  królewskim problemem dla naszego espresso.

 

Not Exactly Rocket Science, 14 lipca 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu

Rozmowy między dzbanecznikiem a nietoperzem

Autor: Ed Yong

Wyobraźcie sobie nietoperza, który leci przez dżunglę w Borneo. Woła, że szuka miejsca na spędzenie nocy. A roślina mu odpowiada.

Tą rośliną jest Nepenthes hemsleyana – roślina mięsożerna, która nie bardzo radzi sobie z jedzeniem mięsa. Jest to dzbanecznik i jak u wszystkich jej krewnych liście ukształtowane są w formę dzbanka. Mają być pułapkami. Owady powinny je badać, spadać ze śliskiego brzegu i topić się w stawie płynu na dnie dzbanka. Dzbanek wypuszcza następnie enzymy trawienne, żeby rozłożyć trupy i zaabsorbować ich azot, którego jest bardzo mało w bagnistej glebie, gdzie rosną te rośliny.

Ale N. hemsleyana ma bardzo duże dzbanki, w których jest dziwnie mało płynu i które nie uwalniają żadnych oczywistych wabików owadów. Kiedy zaś Ulmar Grafe z University of Brunei Darussalam zajrzał im do środka, zobaczył siedmiokrotnie mniej owadów niż w innych dzbanecznikach.Zamiast tego znalazł małe nietoperze.

Grafe zwerbował na pomoc Caroline i Michaela Schönerów z University of Greifswald, zespół małżeński, który pracuje z nietoperzami. Razem znajdowali raz za razem ten sam gatunek – Kerivoula hardwickii  - mieszkające wewnątrz tych roślin i nigdzie indziej. W niektórych wypadkach były tam maluchy przytulone do rodziców.

Roślina przystosowała się na przyjęcie tych lokatorów: to dlatego ich dzbanki są obszerniejsze niż przeciętnie i mają mało płynu. Nietoperze zaś odpłacają im się swoimi odchodami. Odchody nietoperza – guano – są bogate w azot i zespół badaczy odkrył, że zaopatruje to dzbaneczniki w jedną trzecią ich potrzeb. Ta mięsożerna roślina porzuciła już właściwie zabijanie owadów i utrzymuje się z wynajmowania lokali.

Wszystko to opublikowano w 2011 r. Od tego czasu Schönerowie i Grafe odkryli inną niezwykłą stronę relacji między nietoperzem i dzbanecznikiem. „Zaczęło się to, kiedy szukaliśmy tych roślin w lesie – opowiada Michael Schöner. – Mieliśmy masę trudności. Roślinność jest gęsta a dzbaneczniki zielone”.

Problem powinien być jeszcze gorszy dla nietoperzy. Nawigują przez echolokację: wydają wysokie piski i „widzą” świat w odbijającym się echu. „W tych lasach dostajesz odbicie od wszystkiego, od każdej rośliny, od każdego liścia, jaki tam jest” – mówi Schöner. Żeby było jeszcze trudniej, nietoperz musi odróżnić N. hemsleyana od blisko spokrewnionego, podobnego w kształcie i znaczne częściej występującego gatunku, który nie nadaje się na zamieszkanie. Jak to robią?

W Ameryce Południowej są kwiaty, które mają podobny problem: zapylają je nietoperze, ale w jakiś sposób muszą ściągnąć je do siebie w całym zatłoczeniu lasu deszczowego. Robią to przez zamianę kwiatów w anteny sonarowe, które odbijają zawołania echolokacyjne nietoperza. Schönerowie zastanawiali się, czy dzbanecznik także wyewoluował akustyczne „kocie oczka”.

Skontaktowali się z Ralphem Simonem z University of Erlangen-Nürnberg, który przybył z robotem – głową nietoperza.

Ma ona centralny głośnik i dwa mikrofony, które wyglądają jak uszy nietoperza. Używał jej do bombardowania dzbanecznika ultradźwiękami z różnych kierunków i mierzenia siły echa.

Zespół odkrył, że tylna ściana N. hemsleyana – odcinek, który łączy wieczko z komorą główną – jest niezwykle szeroka, wydłużona i zakrzywiona. Jest jak antena paraboliczna. Silnie odbija nadchodzące ultradźwięki w kierunku, z którego nadeszły na dużym obszarze. Inne dzbaneczniki, które żyją w tym samym środowisku, nie mają takiej struktury. Zamiast tego ich tylne ścianki odbijają przychodzące zawołania na strony. Tak więc, kiedy nietoperz Kerivoula hardwickii  zasypuje las wysokimi piskami, echo odbite od N. hemsleyana powinno wyróżniać się jak latarnia.

Czy to właśnie dzieje się? Dla sprawdzenia zespół zmodyfikował reflektory dzbanecznika. Powiększali je po bokach, doklejając części; zmniejszali je, obcinając boki nożyczkami; i odcinali je całkiem (podtrzymując wieczko wykałaczkami). Potem ukryli zmodyfikowane rośliny w krzewach, które umieścili w namiocie z nietoperzami.

Nietoperz i dzwoneczekNietoperzom zabierało znacznie mniej czasu znajdowanie dzbaneczników o powiększonych lub niezmodyfikowanych reflektorach niż o przyciętych lub amputowanych. Kiedy zaś miały wybór, na ogół wchodziły do tych, które miały naturalne, niezmienione reflektory. Silne echo zdawało się je przyciągać, ale kiedy były już blisko, dokonywały rozważniejszej decyzji w sprawie tego, czy znalazły właściwy gatunek.

Zespół odkrył także, że Kerivoula hardwickii  wydaje zawołania o najwyższym dźwięku kiedykolwiek zarejestrowanym u nietoperzy. Nie potrzebują tak wysokich frekwencji do polowania i inne polujące na owady nietoperze nawet się nie zbliżają do tej wysokości dźwięku. Zespół sądzi, że te dźwięki nadają się szczególnie do wykrywania celów w zatłoczonym środowisku. Przy tych piskach nietoperza i reflektorach rośliny partnerzy mogą odnaleźć się w najbardziej nieprawdopodobnych okolicznościach. Nietoperz dostaje dom, a dzbanecznik nagrodę z odchodów.

Not Exactly Rocket Science, 9 lipca 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu

Ogon ćmy i nietoperze

Autor: Jerry Coyne

Saturniidae jest dużą rodziną ciem (około 2300 gatunków) i jest także rodziną dużych ciem, włącznie z niektórymi największymi i najpiękniejszymi na świecie.

Samica ćmy Actias luna
Oto jedna z nich: Actias luna; ta ćma jest samicą. Proszę zauważyć dwie cechy tego owada: długie „ogony” na tylnych skrzydłach i oczka pawie na tych samych skrzydłach. Jest jeszcze jedna cecha, której nie widać: podobnie jak jętki, dorosłe wykluwają się bez części gębowej, a więc nie mogą jeść. Żyją tylko po to, by kopulować i stworzyć następne pokolenie, i umierają w tydzień po wydostaniu się z kokonu.

 

Wiadomo było od pewnego czasu (dzięki eksperymentom), że pawie oczka służą do zdezorientowania drapieżników, głównie ptaków, które je atakują i choć mogą uszkodzić skrzydła, nie dziobią w głowę i tułów, dając dziobniętej ćmie szansę ucieczki. Jest w tym oczywista korzyść selekcyjna. (U niektórych łuskoskrzydłych pawie oczka mogą także odstraszyć napastnika, bo przypominają oczy groźnych ptaków, takich jak sowy.)
Ale o co chodzi z tymi długimi ogonami? Nowy artykuł w Proceedings of the National Academy of Sciences (US) autorstwa Jesse Barbera i kolegów (odnośnik poniżej; darmowe streszczenie i pdf) sugeruje, że pomagają dezorientować drapieżne nietoperze. Podobnie jak większość ciem, Saturniidae na ogół latają w nocy, a więc są obiektem polowań zwierząt, które nie widzą zbyt dobrze: w tym nietoperzy! Nietoperze polują przy pomocy sonaru i autorzy sprawdzali hipotezę, że „ogony” ciem, które kręcą się i ruszają podczas lotu, stanowią atrakcję dla nietoperzy. Nietoperze atakują je i zostawiają tułów w spokoju. Pojawiła sie hipoteza, że te ogony wyewoluowały, by pomóc ćmom w ucieczce przed drapieżnikami.
Badacze wpuścili ćmy Actias luna razem z mroczkami brunatnymi (Eptesicus fuscus) do zaciemnionego i dźwiękoszczelnego pomieszczenia i filmowali w podczerwieni, co się dzieje,  (oraz przysłuchiwali się również przy pomocy ultra czułych mikrofonów). Mieli tam osiem nietoperzy i 162 ćmy, jak również ćmy „kontrolne”. W każdej próbie wpuszczali do pomieszczenia jedną nienaruszoną ćmę Actias luna, jedną Actias luna z usuniętym ogonem, jak również kontrolną ćmę omacnicowatą. Dla wygody filmowania ćmy były przywiązane do sufitu długimi włóknami monofilament. Actias luna i mroczki brunatne nie żyją w tych samych miejscach w przyrodzie, więc nietoperze polowały na ćmy, których nigdy przedtem nie „widziały”.
Oto wyniki podane w tym artykule, pokazujące, że ćmy z ogonami miały znacznie większe szanse przeżycia takiego eksperymentu (można także obejrzeć pięć filmów,< które pokazują zachowania nietoperzy). Podkreślenie w poniższym jest moje:


Nietoperze schwytały 34,5% (liczba obecnych ciem; n = 87) Actis luna i 81,3% (n = 75) ciem bez ogonów – przewaga w przeżyciu 46,8% dla ciem z ogonami na tylnych skrzydłach (Fig. 1). Regresja logistyczna układów mieszanych ujawniła, że ćma bez ogona ma 8,7 razy większe prawdopodobieństwo [przedział ufności (CI) = 2,1–35,3] złapania niż ćma z ogonami.
Podczas każdej sesji dawaliśmy nietoperzowi jedną nienaruszoną Actias luna, jedną A. luna z usuniętym ogonem i 1-2 ćmy omacnicowate jako kontrolę. Ćmy kontrolne były chwytane w 97,5% (n = 136) przypadkach.

Nietoperze mniej więcej w połowie przypadków atakowały ogony nienaruszonych ciem, a kiedy to robiły, udawało im się złapać ćmę tylko w 4% wypadków. Kiedy jednak atakowały tułów ćmy z zachowanym ogonem równie często udawało im się ją zabić, jak wtedy, kiedy atakowały ćmy z usuniętymi ogonami (72%).
Choć te wyniki są silną wskazówką, że ogony mogły wyewoluować, by pomóc ćmom w umknięciu nietoperzowi, jest tu kilka zastrzeżeń.


1. Być może trudniej było złapać ćmy z ogonami po prostu dlatego, że były większe niż ćmy bez ogonów.
 Mroczki brunatne łapią ćmy przez objęcie ich skrzydłem, a następnie zagarnięcie do jamy gębowej. Być może, jest po prostu trudniej złapać w ten sposób ćmy z ogonami, a więc ogony nie wyewoluowały, by dezorientować nietoperze, ale by trudniej było je zgarniać. Dla sprawdzenia tego autorzy dali nietoperzom inne ćmy z rodziny Saturniidae, które nie mają ogonów (Antheraea polyphemus), ale mają jeszcze większe ciała i skrzydła niż Actias luna, co sugeruje, że większa powierzchnia ma znaczenie, ale efekt nie był wystarczająco duży, by wyjaśnić różnicę między całą ćmą i ćmą z usuniętym ogonem. Jednak prawdopodobieństwo, że ogony mają znaczenie poza zwiększeniem rozmiaru, nie było imponujące: wartość p (prawdopodobieństwo, że ogony nie mają prawdziwego znaczenie poza tym, które pojawia się przypadkowo) była marginalnie znacząca – mniej niż 5%. Jest to znaczące statystycznie, ale niezbyt imponujące.


2. Być może, istnieją inne naciski selekcyjne, które wyjaśniają ogony u ciem. 
Jednym z proponowanych wyjaśnień jest to,że pomagają ćmom lepiej latać. Autorzy przeanalizowali latanie ciem nienaruszonych i ciem z obciętymi ogonami i stwierdzili, że zmieniła się tylko częstotliwość uderzeń skrzydłami z 10 do 11 HZ (czymkolwiek to jest) – ale twierdzą, że nie zmieniła się żadna cecha lotu, która mogłaby pomóc ćmom w unikaniu drapieżników.
No dobrze, to już jest coś. Ale co z doborem płciowym? Czy długie ogony mogą być atrakcyjne dla samic, samców lub jednych i drugich? Autorzy uważają to za mało prawdopodobne, ponieważ samce i samice mają ogony o podobnych wymiarach (cechy dobrane płciowo często różnią się wielkością lub złożonością między płciami i zazwyczaj samce mają większe lub bardziej złożone cechy). Ponadto ćmy kopulują w nocy i nie używają wizualnych wskazówek przy łączeniu się w pary. U niektórych gatunków ciem samce mają jednak dłuższe ogony niż samice, ale autorzy mówią, że może to być spowodowane nie doborem płciowym, ale naciskiem ze strony drapieżników: samce spędzają więcej czasu na lataniu niż samice, bo latają w poszukiwaniu samic, a więc są pod większym naciskiem unikania drapieżników. Brzmi to trochę jak powoływanie się na szczególne okoliczności.
W sumie sądzę jednak, że autorzy mają rozsądny argument na to, że ogony utrudniają ataki  drapieżników, chociaż miło byłoby zobaczyć eksperymenty z innymi gatunkami ciem z ogonami. Ponadto, niska istotność tych wyników, szczególnie w testach na hipotezę o wymiarach ciała, jest nieco niepokojąca. Niemniej wyniki są lepsze niż zwykłe popatrzenie na ćmy i wymyślenie adaptacyjnej opowieści bez przetestowania jej! Było bardzo trudno przeprowadzić ten eksperyment.
Wreszcie, autorzy chcieli wiedzieć, jak wiele razy ogony Saturniidae wyewoluowały niezależnie. Zestawili drzewo rodowe grupy używając pięciu genów jądrowych i jednego mitochondrialnego, a następnie nałożyli na to rozmiary ogonów. Drzewo filogenetyczne + diagram rozmiarów ogonów pokazane poniżej pokazuje wyraźnie, że długie ogony wyewoluowały w tej grupie niezależnie co najmniej cztery razy (zacienione na szaro części drzewa). Dałem oryginalny podpis (nie spolszczony. MK), żebyście zobaczyli, co znaczą kolory:

ML molecular phylogeny of saturniid moths showing multiple independent origins of hindwing tails. Filled black circles indicate origin of tails. Open circles indicate losses. Branch colors indicate length of hindwing tail from absent (blue) to >50 mm (red), based on Phytools continuous character evolution analyses. Numbers by branches are bootstrap values. Gray shading denotes groups that have spatulate tails and contain species with tail lengths greater than 37.5 mm (the average for A. luna, n = 10). The images of saturniid moths used in these experiments are labeled: (A) A. luna and (B) A. polypheumus. Bold type and asterisks denote species that have tails longer than 37.5 mm. In combination with our bat–moth interaction data, this phylogeny suggests that tails serving a clear anti-bat function have evolved 4 times. Three additional origins of very short tails, of uncertain function, are also apparent.

ML molecular phylogeny of saturniid moths showing multiple independent origins of hindwing tails. Filled black circles indicate origin of tails. Open circles indicate losses. Branch colors indicate length of hindwing tail from absent (blue) to >50 mm (red), based on Phytools continuous character evolution analyses. Numbers by branches are bootstrap values. Gray shading denotes groups that have spatulate tails and contain species with tail lengths greater than 37.5 mm (the average for A. luna, n = 10). The images of saturniid moths used in these experiments are labeled: (A) A. luna and (B) A. polypheumus. Bold type and asterisks denote species that have tails longer than 37.5 mm. In combination with our bat–moth interaction data, this phylogeny suggests that tails serving a clear anti-bat function have evolved 4 times. Three additional origins of very short tails, of uncertain function, are also apparent.

Można to zakończyć klasycznym banałem często używanym przy wnioskach z badań naukowych: “Potrzebne są dalsze badania”. Niemniej wiemy nieco więcej niż wiedzieliśmy przedtem i te wyniki mogą prowadzić innych do odkrycia dodatkowych i nieoczywistych strategii przeciwko drapieżnikom wśród ciem. Jak to do znudzenia powtarzamy w grze Darwina: „Ewolucja jest mądrzejsza od ciebie”.

Why evolution is true, 18 luty 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle wListach z naszego sadu.

Skaczący DNA i ewolucja ciąży

Autor: Ed Yong

Dziobak

Mniej więcej dziesięć lat temu Vincent Lynch napisał e-mail do Franka Grutznera i poprosił o próbkę tkanki ciężarnego dziobaka. Został uprzejmie spławiony.

Po mniej więcej ośmiu latach Grutzner zgłosił się do Lyncha. Jego zespół ma tkanki dziobaka, którego zagryzł jakiś pies. Mają macicę. Czy Lynch nadal chce kawałek?

“O rany, jasne!”

Dziobak był ostatnią, krytyczną częścią projektu, o którego wykonaniu Lynch, pracujący obecnie na University of Chicago, marzył od czasu, kiedy był studentem. Chciał badać ewolucję ciąży u ssaków, a konkretnie, zmiany genetyczne, które przekształciły stworzenia składające jaja (takie jak dziobak), w stworzenia, które rodzą żywe młode (jak my).
Dziobak ma krótką ciążę. Płód siedzi w macicy 2 do 3 tygodni, otoczony cienką skorupką jaja i odżywiany prymitywnym łożyskiem. Następnie wyłania się jako jajo. Torbacze, jak kangury i koala, także mają krótkie ciąże. Ale matki rodzą żywe młode, które żyją sobie w torbach aż podrosną. Inne ssaki – łożyskowce – trzymają swoje dzieci w macicy tak długo, jak to możliwe, odżywiając je poprzez skomplikowane łożysko. Ich ciąże potrafią być maratońskie – u słonia do dwóch lat.
Przeskok od składania jaj do żywych porodów był olbrzymi. Ssaki musiały przejść od trzymania pokrytego skorupką embriona przez kilka tygodni, do odżywiana płodu przez długie miesiące. Żeby zrozumieć, jak dokonały tego skoku, Lynch porównywał 13 różnych zwierząt, w tym składające jaja, takie jak dziobak; torbacze, takie jak opos krótkoogonowy; oraz łożyskowce, takie jak pies, krowa i pancernik. Skatalogował wszystkie geny, które każdy gatunek włącza w macicy podczas ciąży. Porównał następnie te różne zestawy, żeby dojść do tego, kiedy ssaki zaczęły (lub przestały) używać tych genów podczas rozmnażania.
Odkrył tysiące różnic, znacznie więcej niż się spodziewał. Na przykład, setki genów biorą udział w tworzeniu minerałów skorupki jaja; są aktywne w macicy dziobaka, ale milczące w macicach ssaków żyworodnych. I odwrotnie, torbacze i łożyskowce zaczęły aktywować setki genów biorących udział w tłumieniu układu odpornościowego i w przekazywaniu sygnałów hormonalnych między matką i płodem.
To wszystko ma sens. Embrion dziobaka jest podczas swojego krótkiego pobytu w macicy oddzielony od matki – i jej układu odpornościowego – przez skorupkę. „To jakby embrion miał płaszcz” – mówi Lynch. Kiedy ssaki wyewoluowały żyworodność, płaszcz zniknął i powstał problem. Każdy płód ma tylko połowę tych samych genów, co matka, więc układ odpornościowy matki uznaje tę grudkę rosnącej tkanki za potencjalne zagrożenie. Wczesne torbacze i łożyskowce – aby obywać się bez jaj w skorupkach – musiały wyewoluować sposoby opanowania reakcji immunologicznych, ale tylko w macicy. Potrzebne im także były sposoby wymiany sygnałów z embrionami. „Płód musi móc powiedzieć, Hej, tutaj jestem, a mama musi móc odpowiedzieć, Acha, no to w porządku” – mówi Lynch.
Jego badanie pokazuje, że zrobiły to przez zmianę przeznaczenia olbrzymiej liczby genów, które już miały swoje role w innych narządach, takich jak jelita, mózgi i krwiobieg. Ale jak? Jak zwierzę angażuje gen – lub tysiące genów – w innym narządzie?
Odpowiedź obejmuje skaczący DNA. Wiele odcinków genomu potrafi wyciąć się z otaczającego DNA i wkleić się gdzie indziej. Inne potrafią skopiować się i wstawić duplikaty w nowe miejsca. Te sekwencje są pasożytami genomowymi – reprodukują się, często kosztem swoich gospodarzy. Jeśli zakłócają funkcjonowanie innych genów w miejscu lądowania, mogą spowodować raka i inne choroby. Czasami jednak usadawiają się tam, gdzie są użyteczne.
Pomyśl o skaczącym DNA jak o podczerwonym czujniku w telewizorze. Czujnik rozpoznaje bodziec – sygnał z twojego pilota – i włącza telewizor. Wyobraź sobie, że czujnik robi tysiące kopii samego siebie i jakoś wmontowuje je w urządzenia w całym domu. Teraz, kiedy naciskasz pilota, ożywa telewizor, ale także zapalają się światła, pralka zaczyna chodzić, komputer włącza się i radio zaczyna grać. Przez powielanie i szerzenie czujnika zapewniasz, że ten sam bodziec włącza teraz wiele rzeczy.
To właśnie zdarzyło się podczas ewolucji ciąży, tylko bodźcem nie jest tam podczerwony sygnał, ale hormon o nazwie progesteron. U przodków ssaków łożyskowych skaczący DNA zaśmiecił genom sekwencjami, które rozpoznaje progesteron. Pozwoliły one temu jednemu hormonowi na włączanie olbrzymiej liczby nowych genów w macicy. I zrobiły to w czasie bardzo krótkim jak na standardy ewolucyjne, jak wylicza Lynch, tylko około miliona lat.


Craig Lowe
 ze Stanford University mówi, że przez dziesięciolecia naukowcy snuli teorie, że skaczący DNA mógłby zrobić coś takiego, ale Lynch pokazał, że rzeczywiście tak było. Lowe podejrzewa także, że inni naukowcy posłużą się tą samą metodą do badania ewolucji cech podobnych do ciąży, które początkowo wydają się przytłaczająco skomplikowane.
Istotnie, to właśnie od początku było motywacją Lyncha. Ciekawiło go, jak ewolucja tworzy całkowicie nowe struktury. „Niezbyt dobrze rozumiemy, jak powstaje coś zupełnie innego – mówi. – Łatwo wyobrazić sobie, jak adaptujesz zmiany na bazie istniejącej struktury, żeby otrzymać tylko nieco inną, jak zamiana płetwy w rękę lub w skrzydło nietoperza. Ale jak zaczyna się kończyna?”
Odpowiedź niemal z pewnością dotyczy używania istniejących genów w nowy i innowacyjny sposób. „Czy dzieje się to powoli i krok za krokiem, czy też można mieć duże zmiany genomowe, które reorganizują rzeczy większymi skokami? Nasza praca sugeruje, że możliwe są większe skoki”.

Not Exactly Rocket Science, 29 stycznia 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu.

Dlaczego te dziwaczne owady sygnalizują ostrzeżenie po ataku?

Autor: Ed Yong

Kate Umbers wędrowała po Górach Śnieżnych w Australii jesienią 2008 r., kiedy nagle zobaczyła swojego pierwszego górskiego pasikonika – owada wielkości kciuka o kolorze i fakturze martwego liścia. “Rozpoznałam go ze zdjęć z przewodników i podniosłam, pełna podniecenia – opowiada. – Natychmiast zwymiotował i rozbłysnął jaskrawymi kolorami”.
Pasikonik górski
Podkreśliła słowo jaskrawe,ponieważ burobrązowa osłonka skrzydeł otworzyła się i ujawniła jaskrawe pasy czerwone, czarne i jaskrawoniebieskie. Niepokaźny liść nagle przekształcił się w krzykliwą ozdobę na choinkę.

Wiele zwierząt robi coś podobnego. Kiedy zagrożenie zbliża się, błyskają jaskrawymi kolorami, pokazują zmyłkowe imitacje oczu, przybierają postawę agresywną i strzelają paskudnymi chemikaliami. Syczą, grzechoczą, parskają i wyginają się. Te widowiska nazywane są pokazami dejmatycznymi i podobno mają zmylić lub zastraszyć drapieżnika. W szczególności jaskrawe kolory często są krzyczącą informacją: „JESTEM TRUJĄCY; NIE JEDZ MNIE”. U niektórych zwierząt te twierdzenia są blefem. U górskiego pasikonika są autentycznym ostrzeżeniem – ten owad pełen jest paskudnie smakujących chemikaliów.

Umbers zauważyła jednak coś niezwykłego w jego pokazach: pasikonik błyskał kolorami tylko po ataku.

“Uderzyło mnie, jak łatwo było je złapać i jak niewielki stawiały opór – opowiada. – Czekały z ujawnieniem swojej broni do momentu, kiedy zostały schwytane”.

Razem z Johanną Mappes, o której pracy pisałem wcześniej, Umbers starannie  przetestowała 40 schwytanych pasikoników. Stwierdziła, że niemal nigdy nie uciekały się do pokazów, kiedy stukała piórem obok ich głowy, delikatnie na nie dmuchała lub machała nad nimi książką, żeby symulować przelatującego ptaka. Ujawniały swoje ostrzegawcze kolory tylko na dotyk, kiedy je szturchała lub próbowała podnieść.

Nie miało to sensu. Zwierzęta mają używać pokazów dejmatycznych, żeby uniknąć ataku. Nie pomaga wrzask: „Jestem niebezpieczny”, kiedy dziób już się na tobie zaciska, albo zęby już wbijają się w twój bok. „Nie tylko wydaje się to całkiem nieskuteczną strategia, ale jest sprzeczne z rozumowaniem o tym, jak działają pokazy dejmatyczne – mówi Umbers. – Nie ma teorii, która pozwalałaby na taką adaptację, a jednak one tak właśnie się zachowują”.

“Jest to eleganckie badanie, które sugeruje, że mogliśmy źle odczytywać pewne rodzaje sygnałów zwierzęcych i źle rozumieć rozmaite techniki obrony przez zaskoczenie” – mówi Mike Speed z University of Liverpool.

Pasikonik górski w terenie

Umbers podejrzewa, że owad może dawać priorytet kamuflażowi przed szokiem. Zlewa się z otoczeniem, a gdyby ujawnił swoje barwy, natychmiast zniszczyłby własny kamuflaż. Warto byłoby to robić, gdyby kolory działały zgodnie z zamierzeniem. Jeśli jednak drapieżnicy niezbyt często natykają się na te pasikoniki, mogą nie wiedzieć, co znaczą te ostrzeżenia i zaatakować. Podczas gdy wiele zwierząt używa pokazów dejmatycznych, by rozproszyć uwagę drapieżnika i dać sobie czas na ucieczkę, te pasikoniki są okropnie niezdarne podczas  ucieczki. Brakuje im potężnych nóg, by odskoczyć, jakie mają ich krewni, a samice w ogóle nie potrafią latać. Mają jednak bardzo twardą pokrywę.

Tak więc strategia tego pasikonika wydaje się być następująca: ukrywać się tak długo, jak to możliwe, ufać, że twarda pokrywa wytrzyma pierwsze uderzenie; i mieć nadzieję, że łyk obrzydliwych chemikaliów odstraszy napastnika. „Ten gatunek zestawia to, co najlepsze z obu światów, przemykając się ostrożnie i nosząc solidną pałkę” – mówi Tom Sherratt z Carleton University

Ale dlaczego kolory? Umbers sądzi, że mogą one wzmacniać odrzucającą naturę obrzydliwego smaku owada. Sheratt zgadza się z tym i zauważa, że inne zwierzęta łączą w ten sposób chemikalia i sygnały. Niektóre gąsienice, na przykład, wymiotują trującymi substancjami i wydają cmokające dźwięki, kiedy się je dotyka.

Umbers próbuje teraz dojść, kto właściwie zjada te pasikoniki – najbardziej prawdopodobnymi kandydatami są kruki i sroki – i jak te drapieżniki reagują na różne aspekty obrony owada.

“Zaskakujące pokazy wydają się dość powszechne w naturze, ale są bardzo mało badane – mówi Martin Stevens z University of Exeter. – Nie jest jasne, co właściwie sprawia, że są skuteczne – ich nagłość, nowość, anomalia, spektakularne barwy. To badanie jest więc dobrym początkiem do zrozumienia tego problemu”.

Not Exactly Rocket Science, 18 grudnia 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu.

A tu macie link do krótkiego filmiku: Mountain katydid flashes its warning colours