Найдены сходства мышечной механики шмеля и человека

Шмель совершает несколько сотен взмахов крыльями за секунду

(фото Sffubs/Wikimedia Commons).

Рентген шмеля

(фото Science/AAAS).

Чтобы удержаться в воздухе, насекомые совершают быстрые движения крыльями. Комар, к примеру, за секунду делает около 500 взмахов. За этим непросто уследить, и потому мышечная механика насекомых долгое время была предметом споров биологов.

Недавно учёные из Японского исследовательского института синхротронного излучения (SPring-8) рассмотрели в молекулярных деталях взмах крыльев живого шмеля и выяснили, что нет никакого секрета полёта насекомых. Их механизм сокращения мышц во многом похож на то, как это делают позвоночные животные.

"На протяжении многих лет мы были уверены в том, что насекомые не сокращают мышцы, отвечающие за взмахи крыльев, в отличие от позвоночных. Под вопросом лишь оставалась уникальность этого механизма", — говорит биофизик Хироюки Ивамото (Hiroyuki Iwamoto).

У человека мышцы сокращаются в момент получения сигнала от двигательных нервов. Под воздействием этого импульса ионы кальция высвобождаются из мышечных оболочек и ловятся белками тропонинами на актинах (белках мышечных волокон). Из-за этого нити актина начинают вращаться и связываются с двигательными белками миозинами.

Шмель совершает несколько сотен взмахов крыльями за секунду (фото Sffubs/Wikimedia Commons).

Затем молекулы миозина образуют петли и актиновые нити провоцируют сокращение мышц. Этот механизм требует крайне больших энергозатрат, к тому же для совершения слишком быстрых поступательных движений, таких как взмахи крыльев насекомых, необходимы огромные запасы кальция.

Вместо этого нервы шмеля активируют мышцы единожды за время полёта, после чего они колеблются спонтанно. Эти самоподдерживающие колебания индуцируются так называемой "активацией растяжения", благодаря которой сила генерируется одной из двух несинфазно работающих пар мышц. Мышцы, работающие в противовес активным, укрепляются при растяжении и оттягивают крыло назад.

Механизм активации растяжения очень похож на работу сердечной мышцы человека, только в отличие от последней, сигналы кальция для него не требуются.

"Поскольку у насекомых нет необходимости постоянно посылать кальциевые сигналы, частота взмахов крыльями практически неограничена", — поясняет Ивамото.

Однако, этот процесс на молекулярном уровне так и не был изучен. Наиболее вероятную версию происходящего выдвинули учёные в 1979 году. Согласно этой теории, активация растяжения возрастает из-за того, что при растяжении мышц больше молекул миозина связываются с актинами.

Рентген шмеля (фото Science/AAAS).

Но недавно биологи предположили, что дело скорее в уникальности организмов насекомых, содержащих специфическую форму тропонина, не требующую активации ионами кальция.

В своём новом исследовании Ивамото и его коллега Наото Яги (Naoto Yagi) проследили за изменениями в структуре молекулярных двигательных компонентов во время полёта шмеля. Правда, насекомые не совсем летали: учёные приклеили их к концу узкой алюминиевой трубки.

При помощи рентгеновских лучей и высокоскоростной камеры, способной сделать до 5000 кадров в секунду, Ивамото и Яги рассмотрели все изменения и реорганизации белковых молекул в мышцах шмеля.

В результате эксперимента, исследователи сделали вывод, что в летательных мышцах насекомых молекулы миозина начинают вращаться при растяжении, благодаря чему ткани становятся сильнее. Иными словами, активация растяжения есть фундаментальное свойство взаимодействия актина и миозина — то же самое наблюдается и в организме любого позвоночного, в том числе и человека.

Добавим, что предыдущие попытки провести подобный эксперимент оканчивались получением не слишком точных результатов, поскольку использовалась камера, способная сделать лишь 40 кадров за секунду.

Подробнее о результатах работы японских биофизиков можно почитать журнале Science.

Также по теме:
Раскрыты секреты смертоносной тактики японских пчёл
Учёные открыли сходные эволюционные изменения у многих видов насекомых
У шмелей обнаружена способность ориентироваться по электрическим сигналам
Энтомологи открыли у мух необычную связь между нейронами