Экзоскелеты насекомых становятся прочнее при повышенной механической нагрузке

Учёные из Высшей школы Бремена (HSB) с помощью центрифуги показали, что экзоскелеты насекомых становятся прочнее, если их выращивать при повышенной механической нагрузке. Это фундаментальное знание важно для лучшего понимания эволюции кутикулы, кости и многих биологических материалов.

Типичная черта большинства биологических материалов — способность реагировать на механическую нагрузку. Например, деревья, раскачивающиеся на ветру, укрепляются, добавляя больше древесины, чтобы выдерживать силы. Аналогично, скелетные структуры человека и других позвоночных способны как добавлять, так и удалять костный материал, оптимизируя свои механические свойства.

Однако у большинства животных на Земле есть кутикулярный экзоскелет. До сих пор не было известно, могут ли эти экзоскелеты также реагировать на механическую нагрузку, или же кости позвоночных и древесина уникальны в этом отношении с эволюционной точки зрения.

Чтобы ответить на этот фундаментальный биологический вопрос, учёные из рабочей группы «Биологические структуры и биомиметика» Высшей школы Бремена (HSB) выращивали саранчу в течение нескольких недель в большой центрифуге или снабжали её небольшими специально разработанными «рюкзаками». Затем исследователи измерили жёсткость ног и использовали рентгеновскую микротомографию для анализа структуры кутикулы.

Исследование опубликовано в Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

«Впервые нам удалось напрямую показать, что экзоскелет насекомых способен реагировать на механическую нагрузку, — сказала доктор Карен Штамм, проводившая исследование в Центре инноваций в области биомиметики (BIC) HSB в рамках своей докторской диссертации. — После двух недель в центрифуге при трёхкратной силе тяжести их собственного веса ноги саранчи стали жёстче, а структура кутикулы отличалась от таковой у саранчи, жившей при нормальной гравитации».

«Способность адаптироваться к механической нагрузке до сих пор была известна только для костных эндоскелетов и растений, — сказал профессор Ян-Хеннинг Диркс, руководитель рабочей группы «Биологические структуры и биомиметика» в HSB. — Наши результаты показывают, что наши кости не уникальны в своей способности реагировать на механическую нагрузку. Это фундаментальное знание может помочь нам лучше понять эволюционные пути многих биологических материалов и скелетных систем».