Se for deg at du kryper langs skogbunnen, og leder på leting etter litt sopp å tøye ned, når det ingensteds dukker opp en maur med svulmende øyne og et par lange, slanke, barberhøvelutstyrte mandibler trukket tilbake bak hodet . Du prøver å hoppe bort i sikkerhet, men skapningenes kjever er for raske - pisker rundt i et halvt millisekund, de impalerer deg fra to sider samtidig før du i det hele tatt har dratt et sted. Slik er en typisk opplevelse i det triste, korte livet til en springtail, byttedyr for de vilde ”felle-kjeve” maurene fra slekten Myrmoteras .
Felle-kjeve myrer har lenge vært en kilde til fascinasjon for Fred Larabee, en postdoktor ved Smithsonian's National Museum of Natural History og hovedforfatter av et banebrytende dokument om fysiologien til Myrmoteras- eksemplarer som ble publisert i dag i Journal of Experimental Biology . I studien tar Larabee og hans årskull mål om å svare på to distinkte spørsmål om disse sjeldne malaysiske insektene: nøyaktig hvor raske er deres dødelige kjever, og hvordan har det seg at de genererer sin kraft?
Myrmoteras - fra den greske for "uhyrlig maur" - er bare en rekke fellekjeven, og en uvanlig variant. Å samle fire hele kolonier for studien, to fra hver av to arter i slekten, krevde omfattende raring gjennom Bornean jungle leaf kull. Det som gjør fang-kjeveforskning så fascinerende for Larabee og andre myrmekologer (antbiologer) er den funksjonelle likheten som er observert mellom arter som utviklet seg helt uavhengig av hverandre.
"Fellekjever er virkelig bemerkelsesverdige, " sier Larabee, som bemerker at de har utviklet seg i fem distinkte maurgener i fem forskjellige former. “De har utviklet seg flere ganger innen maur. Å kunne se på en helt annen avstamning, et annet opphav til atferden og morfologien, gir deg en unik mulighet til å studere konvergent evolusjon - i utgangspunktet den gjentatte, parallelle utviklingen av dette [felle-kjeve-systemet]. "
Da han ble tilbudt sjansen til å jobbe med Myrmoteras - en slekt som det var kjent med lite dyrebare - var Larabee over månen. Han hadde jobbet med de mer vanlige fellekje -slektene Anochetus og Odontomachus før, men da han kjente til den konvergente evolusjonens natur, syntes han det var sannsynlig at Myrmoteras- maurene hadde utviklet den samme ondskapsfulle angrepsevnen på en helt annen anatomisk måte.
Larabee og hans medforfattere forventet at Myrmoteras mandible angrep ville være unikt, men omfanget av ulikhet med dem fra andre slekter kom overraskende.
For å måle vinkelhastigheten til maurenes forkrøplende kjevebeslag, stolte teamet på høyhastighetsfotografering.
"Vi brukte et kamera som kunne filme med 50.000 bilder per sekund for å bremse bevegelsen, " sier han, "og det var raskt nok til å kunne bremse det til å faktisk måle varigheten av en streik, og også toppfarten .”
På sitt raskeste beveger mandiblene seg med en lineær hastighet på 60 miles per time, og hele bevegelsen deres er fullført innen omtrent 1/700 av tiden det tar et menneske å blinke blikket.
Det som overrasket Larabee var imidlertid morsomt at dette resultatet ikke var så raskt. "Sammenlignet med andre maur med fellekjeve, er det ganske tregt, " sier han og ler. Faktisk er pincer-bevegelsen til myrer Odontomachus fullstendig dobbelt så rask.
Larabee antok at årsaken til den sammenlignende treghet i Myrmoteras kjeve streik må ha å gjøre med de anatomiske strukturer som muliggjør dem - emnet for den andre delen av forskningen hans.
I tillegg til den velprøvde metoden for å undersøke eksempler under et mikroskop for ledetråder om driften av deres felle-kjeve-system, brakte Larabees team en moderne teknologi som tidligere ikke ble testet i området for felle-kjeve-maurforskning: Røntgenmikro-CT-skanning.
I hovedsak en nedskåret versjon av CAT-skanningen du kan få på legekontoret, mikro-CT-teknikken gjør det mulig for forskere som Larabee å få et bedre inntrykk av de interne strukturene som finnes i et gitt eksemplar, og hvordan de er ordnet i tre- dimensjonalt rom.
"I et digitalt miljø, " sier Larabee, kunne han "se på strukturene og se hvordan de forholder seg til hverandre, og hvor muskler fester seg til mandibelen." Han er en stor talsmann for mikro-CT-teknologien, som gir betydelig innsikt uten å skade prøven. (Gitt at beste praksis for å studere arkiverte prøver ikke er å endre dem, kan mikro-CT vise seg å være en viktig velsignelse for Larabees museumskolleger fremover.)
Evolusjonsbiolog og entomolog Corrie Moreau, professor ved Chicagos feltmuseum for naturhistorie, er begeistret av den tekniske strengheten til Myrmoteras- forskningen, og av dens mulige implikasjoner for feltet.
"Den virkelige styrken til denne studien av Larabee, Gronenberg og Suarez, " sier hun, "er mangfoldet av verktøy og teknikker forfatterne brukte for å fullstendig forstå mekanismene som brukes av denne gruppen av maur for å oppnå kraftforsterkning."
Det Larabee fant med sin CT-analyse var at låse-, fjær- og utløsningsmekanismer som gjør det mulig for Myrmoteras å utføre sine kjeveangrep var sannsynligvis betydelig forskjellig fra deres ekvivalenter i fellekjeve-maur fra andre slekter.
Det mest spennende, kanskje, er låsemekanismen som holder kjevene fra hverandre når de ikke er i inngrep. Før et overgrep skilles Myrmoteras mandibles med utrolige 270 grader - i Anochetus og Odontomachus er denne vinkelen bare 180. Mikro-CT-avbildning kaster litt (høyenergi) lys på dette, noe som antyder at “de motstående spakene til to muskler å trekke på den mandible favoriserer mandibelen som holder seg åpen, på grunn av musklene som er festet til det mandible leddet. ”
Myrmoteras- konfigurasjonen er en bisarr. "Det er et låsesystem du ikke ser i andre feller kjeve-maur, " sier Larabee.
Røntgenfoto-mikro-CT-bilder gjorde Larabee og hans medforfattere i stand til å koble det de hadde observert i videoer og under mikroskopet med spesifikke muskelgrupper innenfor maurhodene. I dette bildet representerer blått den "raskere tettere muskel", antas å sette mandibelen i bevegelse, og rød den "sakte nærmere muskelen", som avslutter jobben. (Fredrick Larabee et al.) Denne uvanlige låsemetoden informerer om et annet aspekt ved kjeeangrepsapparatet: utløseren. I hodene til andre feller-kjeve-maur har utløsermuskelen - som gir mandiblene sitt opprinnelige dreiemoment - en tendens til å være liten. På grunn av måten låssystemet fungerer i Myrmoteras, er denne utløseren imidlertid betydelig kvisere, og er lett å se i CT-skanninger.
Sist, men ikke minst, er fjærmekanismen som gjør at Myrmoteras maur kan lagre den potensielle energien som blir kinetisk energi når de slipper løs. Larabee antar at en primær kilde til dette vårpotensialet er en lobe på baksiden av myrenes hoder, som i høyhastighetsfotograferingen ble sett til å deformere seg betydelig under angrep. Ytterligere forskning er nødvendig, men Larabee sier at "deformasjonen av hodet er så stor at vi mistenker at det må bidra til energilagring."
Alle disse forskjellige faktorene kommer sammen for å produsere en enkelt Myrmoteras- streik, som ligner på streikene fra andre langt-kastede felle-kjeve-slekter på makronivå, men allikevel helt idiosynkratiske på mikronivå. Og mens Myrmoteras- angrep ikke pakker en like stor wallop som for andre maur, er Larabee raske med å påpeke at de får jobben gjort.
"Et halvt millisekund er det ikke noe å nyse på når det gjelder hastighet, " sier han, "og det er nok raskt å fange en springtail." Selv med sine svakere apparater genererer Myrmoteras- maurene omtrent 100 ganger så mye kraft med det elastiske verktøyet de har utviklet seg enn de noen gang kunne gjennom direkte muskelhandling alene.
Hvorfor nøyaktig disse maurene utviklet denne evnen er uklart, men Larabee mener det har mye å gjøre med deres kvikke mål. "Du ender opp med disse våpenløpene mellom rovdyr og byttedyr, " sier han. “Hvis du er en gaselle, må du løpe fort, og det betyr at geparden kommer til å løpe enda raskere. Og jeg mistenker at det å ha byttedyr som er i stand til å rømme veldig raskt ”- i likhet med springtails” - “er et godt press for å velge disse virkelig raske rovdyrene.”
Moreau er optimistisk om at denne forskningen vil åpne døren for ytterligere henvendelser om den større, ofte forbløffende verden av konvergent evolusjon.
"Med så mange maur og andre organismer som er avhengige av kraftforsterkning for å fange byttedyr, " sier hun, undrer hun, "hvor mange måter kan denne effektive strategien utvikle seg over dyreriket? Og denne studien gir bedre forståelse av dette veldig interessante spørsmålet. ”
