As larvas da estrela-do-mar criam ondas complexas de água para comer e correr


As larvas da estrela-do-mar criam ondas complexas de água para comer e correr

Pequenas larvas de estrelas de mar empregam um mecanismo de sobrevivência complexo e desconhecido, envolvendo verticilos de água que trazem comida para eles ou aceleram-nos para melhores áreas de alimentação.




Espreite em uma piscina de maré ao longo da costa e você pode ver uma estrela do mar se agarrar em silêncio a uma rocha. Mas essa idade adulta segura vem às custas de uma jornada larvando angustiante. Pequenas larvas de estrelas - cada uma menor que um grão de arroz - gastam 60 dias e 60 noites remando o mar aberto, alimentando-se para acumular a energia necessária para metamorfosear a forma de estrela familiar.

Ao longo do caminho as larvas devem fazer trade-offs entre remando em busca de comida e se tornar esgotado pela viagem. Agora em um papel da física da natureza , uma equipe conduzida pelo bioengineer Manu Prakash de Stanford revelou o mecanismo bonito e eficiente que permite que estas criaturas humble sobreviva à idade adulta.

"Nós mostramos que a natureza prepara essas larvas para agitar a água de tal maneira que crie vórtices que servem a dois propósitos evolutivos: mover os organismos ao longo enquanto simultaneamente trazendo comida perto o suficiente para agarrar", disse Prakash, professor assistente de bioengenharia e Recente MacArthur Foundation "gênio" conceder vencedor.

Usando técnicas experimentais que capturam a beleza visual e os fundamentos matemáticos desse mecanismo, os pesquisadores mostram como a forma ea forma das larvas de estrelas-do-mar permitem as funções que são necessárias para sustentar a vida.

"Quando vemos formas estranhas e bonitas na natureza, as trazemos de volta para o laboratório e perguntamos por que elas evoluíram dessa maneira", disse Prakash. "Essa é a perspectiva que trazemos para a biologia: compreender matematicamente como a física molda a vida".

William Gilpin, primeiro autor do estudo e estudante de pós-graduação no Prakash Lab, disse que essas descobertas lançam luz sobre desafios evolutivos semelhantes envolvendo dezenas de invertebrados marinhos que estão relacionados a larvas de estrelas-mar de maneira fundamental.

"A evolução procura satisfazer restrições básicas", disse Gilpin. "A primeira solução que funciona muito frequentemente ganha."

Vórtices complexos

Essas experiências começaram no verão de 2015 na Estação Marinha de Hopkins, em Stanford, em Pacific Grove, Califórnia. Os pesquisadores estavam fazendo um curso sobre embriologia quando começaram a se questionar sobre os fundamentos evolucionários da forma da larva das estrelas-do-mar - por que isso acabou olhando como o fez.

Levando essa curiosidade de volta ao laboratório, o grupo estudou os organismos de forma sistemática, alimentando as larvas de algas nutrientes e observando seus movimentos com microscópios habilitados para vídeo.

"Nosso primeiro momento eureka veio quando vimos os vórtices complexos fluindo em torno desses animais", disse Vivek Prakash (sem relação), um pós-doutorado em bioengenharia e terceiro membro da equipe. "Isso foi lindo, inesperado e todos nós ficamos viciados. Queríamos descobrir como e por que esses animais fizeram esses fluxos complexos. "

Gilpin disse que os vórtices eram intrigantes porque pareciam não ter nenhum sentido evolucionário. Levou muita energia para criar fluxos espirais de água; Assim, uma larva com apenas três imperativos - alimentar, mover e crescer - tinha que ter uma razão para gastar esse esforço.

Orquestra de cílios

Uma vez que os pesquisadores descobriram como as larvas fizeram o redemoinho da água, essa compreensão os levou ao porquê, e o experimento se concentrou em uma das estruturas mais prevalentes da evolução, os cílios, da palavra latina para cílios.

Imagine que os cílios de uma larva de estrela-do-mar são como os remos que podem ser usados ??para remontar uma antiga cozinha - exceto que cada larva tem cerca de 100.000 remos, dispostos no que os pesquisadores chamam de bandas ciliares que ceifam o organismo em um padrão muito mais complexo do que qualquer Remos da galera.

A metáfora do remo enfatiza a complexidade que os pesquisadores encontraram ao estudar como essas 100.000 cílios remavam a larva através da água.

Como remos, os cílios tinham três ações potenciais: frente, reverso e paragem. E assim como com os remos, os cílios moviam-se em diferentes padrões sincronizados para criar diferentes movimentos. Presumivelmente orquestrada pelo seu sistema nervoso, a larva bate seus 100.000 cílios em certos padrões quando quer se alimentar, de modo a girar a água de uma forma que traga algas suficientemente perto para agarrar. Então, com um flutter diferente das pestanas, a larva cria um teste padrão novo dos whorls e das velocidades fora.

Os pesquisadores perceberam que estavam observando um mecanismo ativo e previamente desconhecido que melhorou as probabilidades de sobrevivência da larva. A estrutura física da larva da estrela-do-mar, controlada por seus nervos, permite-lhe fazer trade-off de alimentação-contra-velocidade - persistente sempre que as algas são abundantes, então lançando fora se os nutrientes crescem escassos.

Ao considerar as implicações desses achados, os pesquisadores levantaram a hipótese de que esse mecanismo de alimentação versus velocidade provavelmente se aplica a outras larvas de invertebrados que - embora diferentes das larvas de estrela-do-mar na forma - são, no entanto, conhecidas por terem bandas ciliares similares. Em experimentos futuros os pesquisadores de Stanford planejam usar as mesmas técnicas para estudar essas outras formas larvais. O que eles esperam aprender é como a evolução tomou um certo mecanismo, a faixa ciliar, e resolveu o mesmo feed-versus-velocidade trade-off em dezenas de diferentes formas e formas.

"É o que fazemos no meu laboratório", disse Prakash, "procure princípios fundamentais que possamos expressar em equações para descrever a beleza, diversidade e funções de diferentes formas de vida".

Prakash é também um membro de Stanford Bio-X e Stanford ChEM-H e uma filial do Instituto Stanford Woods para o Meio Ambiente .

Este trabalho foi apoiado em parte pela Iniciativa de Pesquisa da Universidade Multidisciplinar do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e pela National Science Foundation.

Fonte
Texto:Starfish larvae create complex water whorls to eat and run
Nota: O conteúdo editado e traduzido para estilo e tamanho.