Froghoppers sunt super-sugarii lumii animale

Pentru a atinge o sursă improbabilă de nutriție, insectele suficient de mici pentru a sta pe o gumă de șters trebuie să suge mai tare decât orice creatură cunoscută.

Philaenus spumarius broașterii străpung plantele cu gura pentru a se hrăni exclusiv cu seva de xilem, un fluid format în mare parte din apă care se mișcă prin instalațiile interne ale plantelor. Nu numai că substanța este în mare parte lipsită de nutrienți, dar este și sub presiune negativă, asemănătoare cu un vid. Sugerea sevei necesită o putere de aspirație echivalentă cu cea a unei persoane care bea apă dintr-un pai lung de 100 de metri.

O astfel de performanță părea atât de improbabilă pentru micile insecte, încât unii oameni de știință s-au pus la îndoială dacă seva de xilem ar putea fi într-adevăr sub astfel de presiuni negative. Dar atât dovezile biomecanice, cât și cele metabolice sugerează că broașterii pot produce presiuni negative mai mari de un megapascal, raportează cercetătorii pe 14 iulie în Proceedings of the Royal Society B.

„Este incredibil de impresionant. [The scientists] a folosit o serie de tehnici pentru a aborda o problemă de lungă durată”, spune Jake Socha, un biomecanist la Virginia Tech din Blacksburg, care nu a fost implicat în lucrare. „Aceste insecte sunt foarte bine adaptate pentru a genera” presiuni negative extreme.

Problema este de lungă durată, deoarece măsurarea presiunilor negative este dificilă. În interiorul xilemului, seva este trasă ca o sfoară, prinsă într-o remorcheră între pământul spongios și frunzele aerisite. Perforarea plantei cu sonde de presiune poate rupe cu ușurință acea tensiune internă, așa că oamenii de știință folosesc de obicei o metodă mai indirectă. Prin tăierea unei părți a unei plante și prin lipirea capătului cu frunze într-o cameră de presiune cu tulpina ieșită în afară, cercetătorii pot crește presiunea exercitată pe exteriorul plantei până când aceasta depășește pur și simplu presiunea internă a plantei, iar seva de xilem curge din tulpină. . Această strategie sugerează că presiunile negative ale sevei de xilem pot depăși un megapascal.

Faptul că micuțele broaște și alte insecte se hrănesc cu seva de xilem a stârnit scepticismul cu privire la aceste măsurători, spune Philip Matthews, fiziolog comparativ la Universitatea British Columbia din Vancouver. Elefanții, de exemplu, generează doar 0,02 megapascali de presiune negativă atunci când aspiră cantități mari de apă prin trunchi (SN: 6/3/21), meschin în comparație cu broașterii.

Unii oameni de știință cred că „este prea costisitor din punct de vedere energetic să extragi aceste lucruri, asta [xylem pressures] nu poate fi atât de negativ”, spune el. „Trebuie să fie ușor de extras dacă [froghoppers are] va supraviețui cu ceva atât de diluat.”

Sceptici față de sceptici, Matthews și colegii săi au căutat să măsoare abilitățile de suge ale broaștelor prin două abordări, una biomecanica și una metabolică. Froghoppers produc putere de aspirație cu o structură asemănătoare unei pompe în cap, în care mușchii trag de o membrană pentru a genera presiuni negative, asemănătoare unui piston. Folosind scanări micro-CT a patru insecte, cercetătorii au măsurat lungimea și capacitatea de rezistență a acestor structuri și apoi au calculat potențialul de sugere al insectelor folosind formula fizică simplă a presiunii egale cu forța împărțită pe suprafață. În principiu, echipa a descoperit că froghoppers pot produce presiuni negative de la 1,06 la 1,57 megapascali.

„În mod clar, pot genera aceste tensiuni, așa că trebuie să se hrănească la tensiunile xilemului în jurul acestui nivel”, spune Matthews. „Nu ai evolua o capacitate atât de masivă decât dacă ai fi folosit-o.”

Echipa a validat această estimare mai abstractă calculând cât de multă energie cheltuiesc broaștele în timp ce sug plantele de fasole, mazăre sau lucernă. Acea energie ar trebui să fie proporțională cu presiunile pe care insectele trebuie să le depășească în plante. Prin plasarea broaștelor de hrănire în camere care măsoară dioxidul de carbon expulzat, cercetătorii ar putea calcula rata metabolică a insectelor. Echipa a folosit, de asemenea, camere pentru a urmări cât de lichid au excretat bug-urile.

Odată ce broaștele au început să sugă, rata lor metabolică a crescut cu 50 până la 85% din ratele de repaus, iar insectele excretau mai mult decât atunci când erau în repaus, au descoperit cercetătorii. Efortul este „ca a alerga la un maraton”, spune Matthews. „Ei mișcă o cantitate enormă de fluid… Dacă o insectă ar fi de mărimea unui om, ar face pipi 4 litri de lichid pe minut.”

Chiar dacă seva de xilem este în mare parte apă, există suficienți nutrienți pentru a stimula capacitatea uriașă a broaștelor, estimează cercetătorii. „Ei obțin un câștig net de energie”, spune coautorul studiului Elisabeth Bergman, fiziolog comparativ și de la Universitatea din Columbia Britanică.

Bergman și colegii bănuiesc că puterea de aspirație a broaștelor și a altor specialiști în seva de xilem poate fi de neegalat în rândul animalelor. Pur și simplu nu există alte contexte în care alimentele sunt închise sub presiuni negative atât de mari, spune Bergman. „Acești bug-uri mici sunt doar niște mașini de aspirat minunate.”