Низкий уровень кислорода запускает линьку у гусениц

Новое объяснение одного из самых загадочных процессов в природе — превращения гусеницы в бабочку или мотылька — можно описать как «задержку дыхания».

Исследование показывает, что дыхательная система гусеницы имеет фиксированный размер на каждой стадии развития, что ограничивает поступление кислорода. Ощущение нехватки кислорода, по-видимому, сигнализирует насекомому, что оно не может продолжать рост, не перейдя к следующей стадии развития через линьку.

Гусеницы линяют 4–5 раз, прежде чем превратиться во взрослую особь. Биолог из Университета Дьюка Фред Нейхаут из более ранних работ знал, что гусеницы табачного бражника (Manduca sexta) начинают линьку только при достижении критического веса — ровно в 4,8 раза больше, чем их вес сразу после предыдущей линьки.

Однако он и другие учёные не понимали, как гусеницы чувствуют, что достигли этого конкретного размера.

В новом исследовании Нейхаут и его аспирантка Вивиан Калье измерили размер дыхательной системы гусеницы. Они обнаружили, что трахейные трубки насекомого имеют фиксированный размер на каждой личиночной стадии. Другие части тела могут расти, но не дыхательная система. В результате насекомое в конечном итоге начинает задыхаться. Единственный способ продолжить развитие — сбросить старые трубки и отрастить новые, более длинные.

Впервые учёные выявили фактор — в данном случае нехватку кислорода, — регулирующий размер тела животного на определённых стадиях развития. Исследование опубликовано онлайн 22 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В новом исследовании учёные проверили влияние кислорода на размер тела гусениц, поместив личинок в герметичные боксы и подавая воздух с разным содержанием O₂. В условиях гипоксии гусеницы линяли при размерах тела значительно ниже критического веса. И, несмотря на удвоение массы тела в фазе роста, размер трахейных трубок не увеличивался.

Эти наблюдения позволяют предположить, что насекомые линяют, чтобы обеспечить соответствие между потребностью тканей в кислороде и возможностями дыхательной системы.

Исследование также проверило, могут ли гусеницы линять после обезглавливания. Даже без рта, чтобы есть, и мозга, выделяющего гормон линьки экдизон, насекомые всё равно сбрасывали экзоскелет и трахейные трубки.

По словам Нейхаута, табачные бражники, вероятно, секретируют гормон, инициирующий линьку, как в мозге, так и в брюшке, что объясняет линьку даже у обезглавленных насекомых. Однако секреция только из брюшка требует больше времени для накопления и запуска линьки.

Хотя исследование специфично для гусениц, оно не объясняет, почему люди вырастают до определённого размера. Однако, по словам Нейхаута, кислородный сенсор в брюшке гусеницы может быть связан с системой, производящей инсулиноподобные гормоны роста у человека. Его дальнейшее изучение может дать информацию о более широком биологическом процессе, влияющем на развитие разных организмов.