aprovechar los rayos X de gran alcance en la nueva técnica para estudiar las funciones de los animales

Museo Field, los investigadores del laboratorio Argonne descubrir mecanismo de la respiración de insectos

Los investigadores brilló un rayo de sincrotrón de rayos X Advanced Photon Source a través de la cabeza y el tórax de este escarabajo madera, Platynus decentis, para ver la compresión y expansión de los tubos traqueales. Ellos descubrieron que los insectos respiran rápidamente de una manera similar a los pulmones. Tubos traqueales son visibles en la unión entre la cabeza y el tórax.

Fotografía: Marcos Westneat, cortesía de The Field Museum

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CHICAGO - Los científicos han descubierto un nuevo mecanismo de respiración de insectos sorprendente que es análoga a la ventilación pulmonar en seres humanos.

"El descubrimiento de este aspecto fundamental de la biología respiratoria de los insectos podría revolucionar el campo de la fisiología de insectos", dice Mark Westneat, curador adjunto de zoología en el Museo Field y autor principal de un estudio que se publicará en el artículo de portada de la Ciencia enero 24,.

Insectos - el grupo más numeroso y diverso de animales - no tienen pulmones. En cambio, tienen un sistema de tubos internos llamados tráqueas que se sabe que el intercambio de oxígeno a través de mecanismos pasivos, lentos, incluida la divulgación. Pero este estudio demuestra que los escarabajos, grillos, hormigas, mariposas, cucarachas, libélulas y otros insectos también utilizan ciclos rápidos de compresión traqueal y expansión en su cabeza y el tórax al respirar.

Compresión traqueal no se encontró para todos los tipos de insectos estudiados, pero para aquellos en los que se encontró patrones de compresión variaron dentro de los individuos y entre las especies. Las tres especies estudiadas más de cerca (el escarabajo de la madera, cricket casa y la hormiga carpintero) de cambio hasta el 50% del aire en sus tubos principales traqueales aproximadamente cada segundo. Esto es similar a la de intercambio de aire de una persona haciendo ejercicio moderado.

Nueva técnica prometedora

Hasta ahora, no ha sido posible ver movimiento en el interior de insectos vivos. Este problema se ha resuelto mediante el uso de un sincrotrón, que genera una de las vigas más fuertes de rayos x en el mundo, para obtener vídeos de rayos x de la vida, insectos respirar.

"Esta es la primera vez que alguien ha aplicado esta tecnología para estudiar los insectos de vida", dice el co-autor Wah-Keat Lee, un físico del Laboratorio Nacional de Argonne.



Las imágenes de rayos X del escarabajo de la madera, Platynus decentis, tomada en la Fuente Avanzada de Fotones, el Laboratorio Nacional de Argonne. Superior: tubos traqueales escarabajo totalmente expandido. Baja: tubos traqueales escarabajo totalmente comprimidos. Las imágenes son alrededor de 0,5 segundos de diferencia. Escarabajos y otros insectos pueden inhalar y exhalar la mitad del volumen de su gran tráquea, similar al volumen de los pulmones humanos durante el ejercicio leve.

Fotografía: Marcos Westneat, cortesía de The Field Museum

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Un sincrotrón es un grande, circular, el acelerador de partículas. El uno en Argonne, llamado el Fuente Avanzada de Fotones, tiene una circunferencia de aproximadamente un kilómetro y acelera los electrones casi a la velocidad de la luz. Hacer esto genera radiación, incluyendo rayos X que son más de mil millones de veces más intensa que la fuente de rayos X convencional. Con la radiación sincrotrón, las estructuras que los investigadores una vez desconcertados ahora se pueden analizar con precisión.

Hace unos dos años, utilizando una técnica de imagen mejorada fase-, Lee puso una hormiga muerta en el camino del haz de rayos X y se sorprendió al ver imágenes increíblemente detalladas de los órganos internos de la hormiga. Se realizaron búsquedas en el Internet para un biólogo que podía interesarle, y él y Museo Field científicos han estado trabajando juntos desde entonces.

Un aspecto de la técnica que hace que los videos tan revelador es realce de bordes, que resalta los bordes de algunos órganos internos. Este efecto se debe a las propiedades especiales de los haces de rayos x en las instalaciones del sincrotrón, como la Fuente Avanzada de Fotones. "Es casi como si partes de la anatomía se han esbozado en lápiz, como un dibujo en un libro para colorear", explica Lee.

Este trabajo abre la posibilidad de desarrollar una nueva y poderosa técnica para el estudio de la forma en que viven función animales, añade.

De hecho, Westneat, Lee y sus coautores ya están apuntando el sincrotrón en las fauces de los insectos para ver cómo se mastican. "La mayor parte de las doce piezas móviles en el mecanismo de la mandíbula de un insecto son internos, por lo que nuestra incapacidad de ver el interior de la vida, los insectos nos ha impedido entender cómo mover estas partes trabajan juntas," dice Westneat.

Por el camino, Westneat prevé utilizar vídeos de rayos X de sincrotrón para estudiar una amplia variedad de funciones animales, la biomecánica y los movimientos. Nuevos descubrimientos sobre la función de los animales pueden tener amplias implicaciones. Por ejemplo, la respiración traqueal activo en la cabeza y el tórax de los insectos puede haber jugado un papel importante en la evolución de la locomoción terrestre y el vuelo de los insectos, y un requisito previo para la entrega de oxígeno a los sistemas sensoriales complejas y el cerebro, dicen los autores.

Esto no sólo ayudará a los científicos a aprender más sobre los animales estudiados, sino también proporcionan información sobre la salud humana. Por ejemplo, el estudio de cómo las larvas de peces se mueven sus esqueletos podría arrojar luz sobre la forma de tratar lesiones en la médula espinal en humanos. Del mismo modo, el estudio de las paredes de los vasos sanguíneos en ratones y los corazones minúsculos en escarabajos (cada escarabajo tiene de ocho a diez corazones) podría arrojar luz sobre la forma de tratar la presión arterial alta.

"Principios básicos de mamíferos, peces o insectos fisiología y función podrían tener implicaciones importantes para el cuidado de la salud", dice Westneat. "Tenemos la intención de desarrollar esta técnica novedosa para una gama de aplicaciones que mejorará en gran medida nuestro conocimiento de cómo diminuta animales viven y función."