Математик среди биологов: заметки с тегом функциональная морфология

Морфологическая адаптация центрической диатомовой Minidiscus comicus к крошечному размеру

Антон Лях — Sat, 02 Jan 2021 23:01:03 +0300

Некоторые биологические публикации достойны краткого пересказа. Вот одна из таких статей. Она рассказывает, как один из видов диатомовых водорослей меняет геометрию панциря, чтобы выжить при крошеных размерах.

***

Jewson D., Kuwata A., Cros L., Fortuno J.-M., Estrada M. (2016) Morphological adaptation to small size in the marine diatom Minidiscus comicus. Scientia Marina. 80 (S1): 89-96.

***

Объект исследования: центрическая диатомовая водоросль Minidiscus comicus.

Minidiscus comicus с римопортулой и фултопортулами. Переделка рис. 1 А, Б из [Jewson et al., 2016]

Minidiscus comicus относится к группе самых маленьких диатомовых. Его диаметр панциря меняется от 1,9 до 6 мкм.

Исходные положения.

Подавляющее большинство диатомовых после многократных делений становится меньше.
Уменьшение размеров приводит к закономерному уменьшению внутреннего объема панциря.
Существует некоторый критический минимальный объем, после которого одноклеточные организмы существовать не могут.
Если считать, что панцирь Minidiscus comicus имеет форму круглого цилиндра (как на рисунке), то при минимальных значениях диаметра (менее 3 мкм), объем панциря станет критическим. Но организмы живут при таких маленьких размерах. Значит они каким-то образом адаптируются.

Задача: выяснить, что происходит с морфологией панциря панциря Minidiscus comicus при уменьшении диаметра панциря.

Размерный спектр Minidiscus comicus из западной части Средиземного моря. Пунктирная линия соответствует значению диаметра, ниже которого клетки образуют ауксоспоры и восстанавливают первоначальный крупный размер. Переделка рис. 5 из [Jewson et al., 2016]

Результаты

Диаметр панциря Minidiscus comicus действительно уменьшается после многократных делений.
Однако, уменьшение диаметра приводит к изменению формы панциря: круглый цилиндр с плоскими створками → круглый цилиндр с выпуклыми створками → шар.

Адаптация формы панциря Minidiscus comicus к уменьшению диаметра панциря. Размерные отрезки соответствуют 1 мкм. Компиляция рис. 1, 3 и 4 из [Jewson et al., 2016]

Трансформация цилиндрического панциря в шарообразный позволяет избежать двукратного уменьшения объема панциря и сохранить достаточный для жизни внутренний объем панциря при крохотном диаметре.

Вычисленные объемы панциря Minidiscus comicus стремятся к объему шара, когда диаметр стремиться к двум микрометрам. Рис. 5 из [Jewson et al., 2016]

Авторы не выяснили

Какие еще виды диатомовых демонстрируют подобную морфологическую адаптацию.
Каким образом плоские створки становятся выпуклыми.

***

В целом — это прекрасный пример хорошо выполненной работы. Советую использовать в качестве образца.

С Новым годом.

Систематика — это рутина и гадание на кофейной гуще

Антон Лях — Wed, 01 Apr 2020 19:22:28 +0300

С точки зрения теории эволюции организм стремится приспособиться к окружающей среде. Для этого он отращивает разнообразные органы и обтачивает их морфологию в процессе борьбы за существование.

Морфологическая структура есть адаптация к окружающему миру

Так организм отращивает хвост, чтобы ловко отмахиваться от мух; рога, чтобы защищаться от врагов; копыта, чтобы быстро ходить по каменистой почве; дышит серой, потому что это энергетически выгодно.

Черт Алексея Монжалея

Если использовать линейную шкалу полезности адаптаций, то получим два крайних варианта. Морфологическая структура есть либо эффективно действующий инструмент, либо бесполезное приспособление. Последнее организму уже не нужно, но он от него еще не успел избавиться.

Детальное рассмотрение разнообразия эволюционных адаптаций можно найти в многочисленной литературе.

Если морфологическая структура выполняет какую-то функцию в жизнедеятельности организма, значит первейшая задача биолога — понять функциональную роль наблюдаемой структуры.

Понять — это ответить на вопрос как

Как работает морфологическая структура?
Какую пользу или вред она приносит?
Как она связана с другими частями?
Как она возникла?

В 95% случаев систематики отвечают на вопрос что.

Что я вижу?
Что за название у этой структуры?
Что писали про нее до меня?
Неужели комбинация найденных штук раньше в литературе нигде не упоминалась?
И что с этим делать?

Батеньки-родные, да я новый вид описал! Осталось встроить его в «естественную систему» классификации живых существ.

Блин, не встраивается. Все наперекосяк. Ну да ладно, наболтаю что-нибудь про своеобразный изгиб эволюционного пути развития жизни.

Эволюционные изгибы древа жизни. Круциал консидерейшенс

Систематик всего лишь выполняет рутинную работу. Он перелопачивают гору напечатанного материала с описаниями видов, чтобы проверить, есть ли у найденной комбинации морфологических структур (хоть) какое-то отличие от известных. Если отличие найдено, и, к тому же, подобные отличия описаны у авторитетов, значит зарегистрирован новый вид. Функцией практически никто не занимается.

Систематика — обычная рутина

Особенно хорошо подобная рутина видна среди систематиков-днк-рнк-штрихкодеров. Эволюционное (филогенетическое) дерево строит алгоритм, думать вообще не нужно.

На вопрос как пытается ответить функциональный морфолог. Он использует знания по физике, строит математические модели, ищет аналоги структур среди искусственных механизмов и живых организмов, рассуждает, выдвигает гипотезы, доказывает. В результате функциональный морфолог выясняет биофизическое значение морфологический структуры. Именно по этой причине работы функциональных морфологов интересно читать. В них видна мыслительная деятельность.

Функциональная морфология объясняет как работает морфология организма

Таким образом, систематик основывает исследования морфологических структур на рутинном поиске отличий, а функциональный морфолог — на применении естественных физических законов. Почему тогда право объяснять происхождение жизни отдано систематикам, а не функциональным морфологам? Ведь объяснения систематиков — всего-лишь гадание на кофейной гуще.

Глаза хитонов из кристалла арагонита

Антон Лях — Sat, 05 Dec 2015 00:58:29 +0300

Рассказ о том, как геометрическая модель помогла ученым понять работу глаз моллюсков.

Хитоны — это морские панцирные моллюски (класс Polyplacophora), обитатели приливно-отливной зоны. Они регулярно противостоят действию прибоя, поэтому приобрели обтекаемое тело покрытое восемью плотными щитками. Это тот самый панцирь-хитон, ставший названием моллюсков.

Хитон Tonicella lineata. Автор фото Дима Мельниченко

Щитки состоят из арагонита — кристаллической формы карбоната кальция (CaCO₃). По составу он идентичен кальциту — другой форме карбоната, но отличается от него строением кристаллической решетки. Многие живые организмы производят этот минерал в процессе биоминерализации. В частности из арагонита состоит перламутровый слой раковин моллюсков.

Боминерализация — образование твердых неорганических веществ живыми существами.

Щитки пронизаны тысячами узких каналов, где расположены отростки нервной системы. Они выполняют различные сенсорные функции, в том числе фоточувствительную. Часть отростков завершаются простым глазом, который содержит линзу, играющую роль хрусталика.

Простые глаза (оцеллии) содержат одну линзу

О глазах хитонов известно давно: H. N. Moseley описал их еще в 1885 году. Однако ученые долгое время не знали состава линзы-хрусталика. Полагали, что она сформирована из прозрачного белка кристаллина, как хрусталики подавляющего большинства животных. В 2011 году D. I. Speiser с соавторами доказали, что линзы хитонов состоят из арагонита, также, как и панцирь. Это первая находка арагонитовых линз в истории науки.

Хрусталик глаз хитонов — это монолитный кристалл арагонита

Арагонит обладает эффектом двойного лучепреломления — внутри кристалла свет расщепляется на два луча: обыкновенный и необыкновенный. Для них арагонит является средой с разными коэффициентами преломления n. Для обыкновенного луча n_α = 1,53; для необыкновенного n_β = 1,68.

Авторы провели эксперименты с панцирем вида Acanthopleura granulata. Они изучили строение арагонитовых линз и построили геометрическую модель сечения линзы. Сквозь модель, окруженную водой или воздухом, пропустили обыкновенные и необыкновенные лучи света. Оказалось, что в обеих средах один из лучей фокусируется в области сетчатки глаза моллюска.

Геометрическая модель арагонитовой линзы хитона: один из лучей света фокусируется в области сетчатки глаза моллюска в воздухе (слева, синий луч) и в воде (справа, красный луч). Рис. 4, D из статьи D.I. Speiser, D.J. Eernisse, S. Johnsen (2011)

Хитоны обитают в прибойной зоне. Они регулярно оказываются то в воде, то на открытом воздухе. Получается, что поведение лучей света в арагонитовых линзах помогает моллюскам видеть опасность на суше и на море.

Двойное лучепреломление арагонитовой линзы помогает видеть на суше и на море

Однако, не все хитоны имеют глаза. Вид Chaetopleura apiculata без глаз, но содержит фоторецепторы.

Авторы сравнили поведение хитонов с глазами и с фоторецепторами. Они показывали живым моллюскам темные круги на белом фоне или затеняли белый свет. Оказалось, что безглазый Ch. apiculata реагирует на незначительное изменение освещенности вызванное кругом и затенением. Глазастый A. granulata реагирует только на появление круга.

Авторы сделали вывод что A. granulata обладает пространственным зрением и различает объекты. Ch. apiculata ощущет интенсивность света, но объекты не видит и реагирует на любое затенение — даже на пробегающую по небу тучку. Значит он чаще дергается и тратит энергию, когда глазастый хитон спокоен. Таким образом глаза уменьшают вероятность ложных тревог и помогают моллюскам реагировать на непосредственную опасность.

Лучше всего глазастый хитон видит объекты с угловым размером 9°-12°

Глаза помогают хитонам различать непосредственную опасность

Авторы не смогли ответить на вопрос о наличии зрительного центра, который обрабатывает информацию от сотен глаз и формирует единую картинку. Возможно его нет, и каждый глаз хитона напрямую связан с центром реакции.

См. также

Одно из первых описания глаз хитонов. Moseley H.N. (1885) On the presence of eyes in the shells of certain Chitonidae and on the structure of these organs.

Speiser D.I., Eernisse D.J., Johnsen S. (2011) A chiton uses aragonite lenses to form images.

Заметка на Элементах «Минеральные глаза моллюсков хитонов способны различать форму объекта».