Stel je voor dat je door de bosbodem kruipt, werkeloos op zoek naar een beetje schimmel om op te kauwen, wanneer uit het niets een mier verschijnt met uitpuilende ogen en een paar lange, slanke, met scheermesjes uitgeruste onderkaken teruggetrokken achter zijn hoofd . Je probeert in veiligheid te springen, maar de kaken van het wezen zijn te snel - ze zwiepen in een halve milliseconde rond, ze duwen je van twee kanten tegelijk voordat je ergens naartoe bent gegaan. Dit is een typische ervaring in het trieste, korte leven van een springstaart, een prooi naar keuze voor de wilde "valkaken" -mieren van het geslacht Myrmoteras .
Val-kaakmieren zijn al lang een bron van fascinatie voor Fred Larabee, een postdoctoraal onderzoeker bij het Smithsonian's National Museum of Natural History en hoofdauteur van een baanbrekend artikel over de fysiologie van Myrmoteras- exemplaren die vandaag zijn gepubliceerd in het Journal of Experimental Biology . In de studie proberen Larabee en zijn cohorten twee verschillende vragen over deze zeldzame Maleisische insecten te beantwoorden: hoe snel zijn hun dodelijke kaken en hoe genereren ze hun kracht?
Myrmoteras - uit het Grieks voor 'monsterlijke mier' - is maar één soort valkakenmieren, en een ongewone variëteit daarbij. Het verzamelen van vier hele kolonies voor de studie, twee van elk van de twee soorten binnen het geslacht, vereiste een uitgebreide zoektocht door Bornean junglebladafval. Wat onderzoek naar valkaken zo fascinerend maakt voor Larabee en andere myrmecologen (mierenbiologen) is de functionele overeenkomst die is waargenomen tussen soorten die volledig onafhankelijk van elkaar evolueerden.
"Val-kaken zijn echt opmerkelijk, " zegt Larabee, die opmerkt dat ze zich hebben ontwikkeld in vijf verschillende mier geslachten in vijf verschillende vormen. “Ze zijn meerdere keren geëvolueerd binnen mieren. In staat zijn om naar een compleet andere afkomst, een andere oorsprong van het gedrag en de morfologie te kijken, geeft je een unieke kans om convergente evolutie te bestuderen - in feite de herhaalde, parallelle evolutie van dit [valkaak] -systeem. ”
Toen de kans werd geboden om met Myrmoteras te werken - een geslacht waarover weinig bekend was - was Larabee dolblij. Hij had eerder gewerkt met de meest voorkomende valkaken geslachten Anochetus en Odontomachus, maar wetende de aard van convergente evolutie, vond hij het aannemelijk dat de Myrmoteras- mieren hetzelfde kwaadaardige aanvalsvermogen hadden ontwikkeld via een geheel ander anatomisch middel.
Larabee en zijn co-auteurs verwachtten dat de onderkaakaanval van Myrmoteras uniek zou zijn, maar de mate van ongelijkheid met die van andere geslachten kwam als een verrassing.
Om de hoeksnelheid van de verlammende kaakslag van de mieren te meten, vertrouwde het team op snelle fotografie.
"We gebruikten een camera die met 50.000 beelden per seconde kon filmen om de beweging te vertragen, " zegt hij, "en dat was snel genoeg om het te kunnen vertragen om de duur van een slag daadwerkelijk te meten, en ook de pieksnelheid .”
Op hun snelst bewegen de onderkaken met een lineaire snelheid van 60 mijl per uur, en hun hele beweging is voltooid binnen ongeveer 1 / 700ste van de tijd die een mens nodig heeft om met zijn ogen te knipperen.
Amusant genoeg was het wat Larabee verraste dat dit resultaat niet zo snel was. "In vergelijking met andere valkakenmieren is het behoorlijk langzaam", zegt hij lachend. De tangbeweging van Odontomachus- mieren is inderdaad twee keer zo snel.
Larabee veronderstelde dat de reden voor de relatieve traagheid van de kaakaanvallen van Myrmoteras te maken moet hebben met de anatomische structuren die hen mogelijk maken - het onderwerp van het tweede deel van zijn onderzoek.
Naast de beproefde methode om specimens onder een microscoop te onderzoeken op aanwijzingen over de werking van hun val-kaaksysteem, heeft Larabee's team een moderne technologie toegepast die eerder niet was getest op het gebied van val-kaak mierenonderzoek: de X-ray micro-CT-scan.
In wezen een verkleinde versie van de CAT-scan die u op het kantoor van de arts zou kunnen ontvangen, stelt de micro-CT-techniek onderzoekers zoals Larabee in staat een beter beeld te krijgen van de interne structuren die aanwezig zijn in een bepaald exemplaar en hoe deze zijn gerangschikt in drie- dimensionale ruimte.
"In een digitale omgeving, " zegt Larabee, was hij in staat om "naar de structuren te kijken en te zien hoe deze zich tot elkaar verhouden, en waar spieren zich hechten aan de onderkaak." Hij is een groot voorstander van de micro-CT-technologie, die belangrijke inzichten biedt zonder het specimen schade te berokkenen. (Gezien het feit dat best practices voor het bestuderen van gearchiveerde specimens niet zijn om ze te veranderen, zou micro-CT een grote zegen kunnen zijn voor de toekomstige museumcollega's van Larabee.)
Evolutionair bioloog en entomoloog Corrie Moreau, professor aan het Field Museum of Natural History in Chicago, is enthousiast over de technische strengheid van het Myrmoteras- onderzoek en de mogelijke implicaties voor het veld.
"De echte kracht van deze studie door Larabee, Gronenberg en Suarez, " zegt ze, "is de diversiteit aan hulpmiddelen en technieken die de auteurs gebruikten om de mechanismen die deze groep mieren gebruikt om vermogensversterking te bereiken, volledig te begrijpen."
Wat Larabee met zijn CT-analyse ontdekte, was dat de vergrendelings-, veer- en triggermechanismen waarmee Myrmoteras zijn kaakaanvallen uitvoert waarschijnlijk allemaal aanzienlijk verschillen van hun equivalenten in valkakenmieren van andere geslachten.
Het meest intrigerend is misschien het vergrendelingsmechanisme dat de kaken uit elkaar houdt wanneer ze niet zijn ingeschakeld. Voorafgaand aan een aanval worden de onderkaken van Myrmoteras gescheiden door een ongelooflijke 270 graden - in Anochetus en Odontomachus is deze hoek slechts 180. Micro-CT-beeldvorming werpt hier wat (energierijk) licht op, wat suggereert dat “de tegenovergestelde hefbomen van twee spieren door aan de onderkaak te trekken, blijft de onderkaak open, vanwege de manier waarop de spieren aan het onderkaakgewricht zijn bevestigd. ”
De configuratie van Myrmoteras is bizar. "Dat is een sluitsysteem dat je niet ziet in andere valkakenmieren, " zegt Larabee.
Met röntgen-micro-CT-beelden konden Larabee en zijn co-auteurs wat ze in video's en onder de microscoop hadden waargenomen, koppelen aan specifieke spiergroepen in de kop van de mieren. In deze afbeelding vertegenwoordigt blauw de "snel dichterbijzijnde spier", waarvan wordt aangenomen dat het de onderkaak in beweging zet, en rood de "langzaam dichterbijzijnde spier", die het karwei afmaakt. (Fredrick Larabee et al.) Deze ongewone vergrendelingsmethode informeert een ander aspect van het kaakaanvalapparaat: de trigger. In de hoofden van andere valkakenmieren is de triggerspier - die de onderkaken van hun oorspronkelijke koppel voorziet - meestal klein. Vanwege de manier waarop het sluitsysteem in Myrmoteras werkt, is deze trigger echter aanzienlijk vleziger en is deze gemakkelijk te onderscheiden in de CT-scans.
Last but not least is het veermechanisme waarmee Myrmoteras- mieren de potentiële energie opslaan die kinetische energie wordt wanneer ze loslaten. Larabee veronderstelt dat een primaire bron van dit veerpotentieel een lob is aan de achterkant van de kop van de mieren, waarvan bij hoge snelheid fotografie tijdens aanvallen aanzienlijk vervormde. Aanvullend onderzoek is vereist, maar Larabee zegt dat "de vervorming van het hoofd zo groot is dat we vermoeden dat dit moet bijdragen aan de energieopslag."
Al deze verschillende factoren komen samen om een enkele staking van Myrmoteras te produceren, vergelijkbaar met de stakingen van andere verre valkaken op macroniveau, maar uiterst idiosyncratisch op microniveau. En hoewel Myrmoteras- aanvallen niet zo groot zijn als die van andere mieren, wijst Larabee er snel op dat ze de klus klaren.
"Een halve milliseconde is niets om in te niezen qua snelheid, " zegt hij, "en het is snel genoeg om een springstaart te vangen." Zelfs met hun zwakkere apparaat genereren Myrmoteras- mieren ongeveer 100 keer zoveel kracht met de elastische gereedschappen die ze hebben geëvolueerd dan ooit tevoren, alleen door directe spieractie.
Waarom precies deze mieren deze mogelijkheid ontwikkelden, is onduidelijk, maar Larabee denkt dat het veel te maken heeft met hun behendige doelen. "Je eindigt met deze wapenwedloop tussen roofdieren en prooi, " zegt hij. “Als je een gazelle bent, moet je snel rennen, en dat betekent dat de cheetah nog sneller zal rennen. En ik vermoed dat het hebben van prooien die heel snel kunnen ontsnappen "- zoals springstaarten -" een goede druk is om te kiezen voor deze echt snelle roofdieren. "
Moreau is optimistisch dat dit onderzoek de deur zal openen voor verder onderzoek naar de grotere, vaak verbazingwekkende wereld van convergente evolutie.
"Met zoveel mieren en andere organismen, afhankelijk van vermogensversterking om prooi te vangen, " vraagt ze zich af, "Hoeveel manieren kan deze effectieve strategie evolueren in het dierenrijk? En deze studie draagt mooi bij aan ons begrip van deze zeer interessante vraag. "
