Сложные закономерности циркуляции гемолимфы в крыльях кузнечика

Биология связи, том 6, Номер статьи: 313 (2023) Цитировать эту статью

1644 Доступа

27 Альтметрика

Подробности о метриках

Живые системы насекомого — кровообращение, дыхание и разветвленная нервная система — простираются от тела к крылу. Циркуляция гемолимфы в крыле имеет решающее значение для увлажнения тканей и снабжения питательными веществами живых систем, таких как органы чувств по всему крылу. Несмотря на решающую роль циркуляции гемолимфы в поддержании здоровой функции крыльев, кутикула крыльев часто считается «безжизненной», а потоки гемолимфы остаются в значительной степени неизмеримыми. Высокоскоростная флуоресцентная микроскопия и отслеживание частиц гемолимфы в крыльях и теле кузнечика Schistocerca americana выявили динамический поток в каждой жилке передних и задних крыльев. Глобальная система образует контур, но локальное поведение потока сложное и демонстрирует три различных типа: пульсирующий, апериодический и «утечочный» поток. Сердца грудных крыльев вытягивают гемолимфу из крыла с более медленной частотой, чем спинной сосуд; однако скорость возврата гемолимфы (в заднем крыле) выше, чем в спинном сосуде. Чтобы охарактеризовать механику внутреннего потока крыла, мы нанесли на карту безразмерные параметры потока по крыльям, выявив вязкие режимы потока. Крылья поддерживают экологически важное поведение насекомых, такое как опыление и миграция. Анализ системы кровообращения крыльев обеспечивает основу для будущих исследований по изучению критической гемодинамики, необходимой для поддержания здоровья крыльев и полета насекомых.

Крылья насекомых часто воспринимаются как мертвая, безжизненная кутикула, но функционирующее и здоровое крыло неразрывно связано с активным кровообращением внутри него1,2,3. Гемолимфа, кровь насекомых, служит для гидратации тканей, снабжения питательными веществами нервной и дыхательной систем, а также циркуляции клеток, участвующих в иммунной функции, обеспечивая критически важные физиологические функции у всех насекомых4,5,6. Эти системы распространяются и разветвляются и на крыло, что требует питания гемолимфой, как и в теле7,8. Поток гемолимфы также участвует в развитии насекомых, служа гидравлическим инструментом во время роста, метаморфоза, закрытия и расширения крыльев9,10. Внутри самого крыла циркуляция гемолимфы необходима для живых органов и сенсорных структур11, таких как органы производства запаха на крыльях чешуекрылых8 и тысячи сенсорных волосков, распределенных по крыльям стрекозы6,12,13. Структурные ткани, встроенные в жилки крыла, такие как резилин14,15, зависят от гидратации гемолимфы, придавая увлажненному живому крылу другие механические свойства, чем высушенному мертвому крылу, что демонстрирует важную роль кровообращения для полета насекомых16. Фактически, при высыхании прочность кутикулы насекомых резко снижается17. Однако, хотя структурные и аэродинамические свойства крыльев насекомых относительно хорошо изучены18, внутренние живые системы внутри крыльев – и поток, который их снабжает – в значительной степени игнорировались, несмотря на их решающую важность для экологии и эволюции насекомых.

Некоторые общие тенденции, касающиеся циркуляции в крыльях, хорошо понятны. Среди 14 отрядов насекомых существует два основных типа потока у отдыхающих насекомых: кольцевой поток (односторонний: кольцевой) и приливный поток (двусторонний: во все жилки одновременно, а затем наружу)7,19,20. Крылья комаров, например, демонстрируют кольцевой поток внутри своих крошечных крыльев размером в миллиметр, приводимый в движение независимым сердцем грудного отдела крыла, которое пульсирующим образом вытягивает гемолимфу из крыла21. Чешуекрылые, напротив, демонстрируют приливные течения у некоторых видов; гигантская моль атласская (Attacus atlas) с размахом крыльев 30 см использует множественные грудные сердцевины крыльев, грудные воздушные мешки и трахеи, идущие в вены, чтобы проталкивать, а затем вытягивать гемолимфу через все жилки крыла19. Недавние исследования на более мелких чешуекрылых выявили приливный поток у одного вида (Vanessa cardui), но кольцевой поток у двух других (Satyrium caryaevorus и Parrasius m-album) с органами, производящими аромат, в их крыльях8, что позволяет предположить, что модели потока могут функционировать для обслуживания определенных структур крыльев. .