Cum evită un mare pescar loviturile în timpul scufundării? Poate fi în genele lor – Ars Technica

Există multe specii diferite de kingfishers, iar cei care mănâncă pește vânează scufundându-se în mod repetat cu capul întâi în apă atunci când observă prada gustoasă fără a suferi leziuni cerebrale, cum ar fi contuzii. Se dovedește că kingfisherul care se scufundă are mai multe gene modificate legate de dieta și structura creierului, potrivit A. Hârtie nouă A fost publicat în revista Communications Biology – în special mutații ale genelor asociate cu proteinele tau care ajută la stabilizarea structurii celulelor nervoase, deși pot fi dăunătoare dacă se acumulează prea mult.

„Am învățat multe despre proteinele tau când eram managerul comoției cerebrale pentru echipa de hochei a fiului meu.” a spus coautorul Shannon Hackett, curator asociat al păsărilor la Field Museum. „Am început să mă întreb, de ce nu mor marii pescari pentru că creierul lor se transformă în ciupercă? Trebuie să existe ceva ce fac care să îi protejeze de efectele negative ale aterizării repetate pe cap pe suprafața apei.

Nu este prima dată când oamenii de știință se gândesc la această întrebare, nu doar pentru kingfishers, ci și pentru alte păsări ca ei. nebun Și ciocănitoare. De exemplu, fizicienii de la Virginia Tech Gannet a studiat scufundările În 2014 (publicându-și constatările În 2016), care își pliază aripile înapoi în timp ce se scufundă și lovește apa cu tot corpul pentru a captura prada sub apă. Din punct de vedere al fizicii, vorbim despre un corp elastic care lovește suprafața apei cu viteze de până la 55 mile pe oră. Presiunea generată de trecerea de la mediul aerian la mediul de apă mai dens exercită o forță enormă asupra corpului păsării, cu un efect asemănător cu uraganele care lovesc apa. Cu toate acestea, în ciuda stresului pus pe corpul lor, gannets (cum ar fi kingfishers) efectuează această ispravă din nou și din nou fără răni, în special contuzii.

Asa de Sunny Jung și echipa lui El a smuls un gannet decedat de la Muzeul de Istorie Naturală al Instituției Smithsonian și l-a înghețat, apoi a aruncat în mod repetat pasărea în rezervoare de apă în timp ce surprindea procesul cu camere de mare viteză. (Corpul dezasamblat a fost prea flexibil pentru a fi folosit în experimente.) Ei au realizat, de asemenea, modele imprimate 3D de gannets pe baza scanărilor CT ale specimenelor lor și au repetat experimentele, permițându-le să schimbe diferite proprietăți.

Ei au descoperit că a doua etapă a traiectoriei de scufundare a fost zona de pericol pentru pasărea scufundatoare – când capul este complet scufundat în apă, dar corpul este încă în aer – deoarece produce o forță de compresiune foarte puternică asupra gâtului. Gannets au gâturile foarte lungi (jumătate din lungimea corpului lor), care se pot îndoi cu ușurință dacă păsările se scufundă mai repede decât o anumită viteză; Gannetul a descoperit locul perfect pentru siguranță. Ei beneficiază de o protecție suplimentară din cauza formei ascuțite a ciocului lor, ceea ce reduce forța asupra corpului.

Kingfishers au, de asemenea, ciocuri cu forme distinctive: conuri lungi și înguste care pot intra în apă fără a crea o undă de presiune sub suprafață. in spate În 2005inginerii care au proiectat celebrele trenuri glonț din Japonia Adaptați-le designul Pe baza de ciocuri de kingfisher. Jumătate din linia Sanyo Shinkansen este alcătuită din secțiuni de tuneluri, iar trenurile care se grăbesc în tunel cu viteze foarte mari generează valuri puternice de presiune atmosferică similare cu undele de presiune produse de păsările care se scufundă. În cazul trenurilor, vârfurile de sunet și vibrațiile rezultate pot face călătoria inconfortabilă. Schimbarea formei nasului trenurilor, astfel încât să semene cu ciocul unui martin pescar, a redus presiunea aerului cu 50%, permițându-le în același timp să mărească viteza cu 10%.

Oamenii de știință de la Universitatea Bangor au confirmat studiu 2019 Importanța formei ciocului în protejarea martinilor pescari la scufundări. Studiul respectiv a folosit, de asemenea, modele imprimate 3D, în acest caz, modele ale ciocurilor mai multor specii diferite de kingfisher, atât specii care se scufundă, cât și care nu fac scufundări. Ei au măsurat modul în care viteza de intrare s-a schimbat la impactul cu apa și au ajuns la concluzia că formele de cioc mai lungi și mai înguste au fost cele mai eficiente. Acest lucru a însemnat că kingfisherul verde și roșu a fost cel mai bun (după standardele echipei Bangor), cu kingfisherul Amazon și kingfisherul de mal pe locul doi, respectiv al treilea.

Acest ultim studiu a investigat influențele genetice din spatele capacității pescarilor de a se scufunda fără a se răni. Anterior, doi co-autori (Gina McCullough și Michael Andersen de la Universitatea din New Mexico) au folosit analiza ADN-ului pentru a arăta că kingfishers au evoluat astfel încât să se poată scufunda și să mănânce pește de mai multe ori, mai degrabă decât să descende dintr-un strămoș comun. „Faptul că există atât de multe tranziții către scufundări este ceea ce face această colecție atât de fascinantă și puternică, din perspectiva cercetării științifice.” spuse Hackett. „Dacă o trăsătură a evoluat în mai multe momente diferite în mod independent, atunci ai capacitatea de a găsi o explicație cuprinzătoare pentru ce sa întâmplat.”

Hackett și colegii ei au reușit să analizeze ADN-ul a 30 de specii diferite de kingfisher (atât în ​​scufundări, cât și fără scufundări), datorită colecției extinse de mostre de țesut a Field Museum, care au fost păstrate înghețate în azot lichid. După ce și-a secvențial întregul genom, echipa a comparat apoi miliarde de perechi pentru a găsi orice diferențe genetice împărtășite între scafandri și scafandri în special.

Printre cele mai interesante descoperiri: mutații în gena MAPT, care codifică proteinele tau. Funcționarea corectă a acestei gene Poate fi diluat comoție În ciocănitoareDe exemplu, același lucru pare să fie valabil și pentru kingfisher, împreună cu evoluția adaptivă Forma ciocului Și Forma creierului. „Aceleași gene care mențin neuronii din creierul tău drăguți și organizați sunt lucrurile care eșuează atunci când primești comoții cerebrale repetate, dacă ești fotbalist sau dacă ai Alzheimer.” spuse Hackett. „Cred că există un fel de presiune selectivă puternică asupra acelor proteine ​​pentru a proteja creierul păsărilor într-un fel.”

Următorul pas este să încercăm să determinăm efectul acestor mutații genetice asupra proteinelor care sunt produse, precum și mecanismele care stau la baza modului în care aceste modificări protejează creierul de contuzii. Ei ar dori, de asemenea, să investigheze în continuare descoperirea surprinzătoare că mărimea efectivă a populației fluctuează mai mult pentru pescarii care locuiesc pe insule decât pentru cei care trăiesc pe continente, deoarece această constatare s-a bazat pe doar trei specii de scufundări găsite pe insule și, prin urmare, este oarecum slabă.

DOI: Communication Biology, 2023. 10.1038/s42003-023-05359-z (Despre ID-urile digitale).