Søstjernelarver skaber komplekse vandhvirveler at spise og løbe

Kig ind i en tidevandsbassin langs kysten, og du kan se en søstjerne klamre sig stille til en sten. Men det sikre voksenalder kommer på bekostning af en rystende larverejse. Små søstjernelarver - hver mindre end et ris - bruger 60 dage og 60 nætter på at padle i det åbne hav, fodring for at akkumulere den energi, der er nødvendig for at metamorfose til den velkendte stjerneform.

Undervejs skal larverne afveje mellem padling på jagt efter mad og blive udmattet af rejsen. Nu i en Naturfysik papir et team ledet af Stanford bioingeniør Manu Prakash har afsløret den smukke og effektive mekanisme, der gør det muligt for disse ydmyge væsner at overleve til voksenalderen.

"Vi har vist, at naturen udstyrer disse larver til at røre vandet på en sådan måde, at de skaber hvirvler, der tjener to evolutionære formål:at flytte organismerne sammen og samtidig bringe mad tæt nok til at gribe, sagde Prakash, en adjunkt i bioingeniør og nylig MacArthur Foundation "genial" tilskudsvinder.

Ved hjælp af eksperimentelle teknikker, der fanger den visuelle skønhed og matematiske grundlag for denne mekanisme, forskerne viser, hvordan søstjernelarvernes form og form muliggør de funktioner, der er nødvendige for at understøtte livet.

"Når vi ser mærkelige og smukke former i naturen, bringer vi dem tilbage til laboratoriet og spørger, hvorfor de udviklede sig på denne måde, "Prakash sagde." Det er det perspektiv, vi bringer til biologi:at matematisk forstå, hvordan fysik former livet. "

William Gilpin, første forfatter på papiret og en kandidatstuderende i Prakash Lab, sagde, at disse fund kaster lys over lignende evolutionære udfordringer, der involverer snesevis af marine hvirvelløse dyr, der er relateret til søstjernelarver på en central måde.

"Evolution søger at tilfredsstille grundlæggende begrænsninger, "Sagde Gilpin." Den første løsning, der virker meget ofte, vinder. "

Komplekse hvirvler

Disse forsøg begyndte i sommeren 2015 på Stanfords Hopkins Marine Station i Pacific Grove, Californien. Forskerne tog et kursus i embryologi, da de begyndte at spekulere over den evolutionære grundlag for søstjernelarvens form - hvorfor endte den med at se ud som den gjorde.

At bringe denne nysgerrighed tilbage til laboratoriet, gruppen studerede organismerne på en systematisk måde, fodre larverne med næringsalger og observere deres bevægelser med videoaktiverede mikroskoper.

"Vores første eureka -øjeblik kom, da vi så de komplekse hvirvler flyde rundt om disse dyr, "sagde Vivek Prakash (ingen relation), en postdoktor i bioingeniør og tredje medlem af teamet. "Det var smukt, uventet og fik os alle tilsluttet. Vi ville finde ud af, hvordan og hvorfor disse dyr lavede disse komplekse strømme. "

Gilpin sagde, at hvirvlerne var forvirrende, fordi de tilsyneladende ikke gav nogen evolutionær mening. Det tog meget energi at skabe spiralstrømme af vand; altså en larve med kun tre imperativer - foder, flytte og vokse - måtte have en grund til at bruge en sådan indsats.

Orkester af øjenvipper

Når forskerne fandt ud af, hvordan larverne fik vandet til at hvirvle, den forståelse førte dem til hvorfor, og eksperimentet nulstillede en af ​​evolutionens mest udbredte strukturer, cilia, fra det latinske ord for øjenvipper.

Forestil dig, at ciliaerne på en søstjernelarve ligner de årer, der kan bruges til at ro en gammel kabysse - bortset fra at hver larve har omkring 100, 000 årer, arrangeret i, hvad forskere kalder ciliary bands, der omgiver organismen i et mønster, der er langt mere komplekst end nogen kabys årer.

Ro -metaforen antyder den kompleksitet, forskerne fandt, da de studerede, hvordan disse 100, 000 øjenvipper padlede larven gennem vand.

Ligesom årer, cilia havde tre potentielle handlinger:fremad, vende og stoppe. Og ligesom med årer, cilia bevægede sig i forskellige synkroniserede mønstre for at skabe forskellige bevægelser. Formentlig orkestreret af dets nervesystem, larven slår sine 100, 000 øjenvipper i bestemte mønstre, når de vil fodre, for at hvirvle vandet på en måde, der bringer alger tæt nok til at gribe fat. Derefter, med en anden flagren af ​​øjenvipper, larven skaber et nyt mønster af hvirvler og sætter fart.

Forskerne indså, at de observerede en aktiv og tidligere ukendt mekanisme, der forbedrede larvens odds for overlevelse. Den fysiske struktur af søstjernelarven, styret af dets nerver, giver den mulighed for at foretage afvejninger mellem foder og hastighed-dvæler, når alger er rigelige, derefter springer af, hvis næringsstoffer vokser knappe.

Da de overvejede konsekvenserne af disse fund, forskerne antog, at denne feed -versus -speed -mekanisme sandsynligvis anvendes på andre hvirvelløse larver, der - skønt de er forskellige fra søstjernelarver i form - alligevel vides at have lignende ciliære bånd. I fremtidige forsøg planlægger Stanford -forskerne at bruge de samme teknikker til at studere disse andre larveformer. Det, de håber at lære, er, hvordan evolution har taget en bestemt mekanisme, ciliary bandet, og løste den samme feed-versus-speed trade-off i snesevis af forskellige former og former.

"Det er det, vi gør i mit laboratorium, "Sagde Prakash, "se efter grundlæggende principper, som vi kan udtrykke i ligninger for at beskrive skønheden, mangfoldighed og funktioner i forskellige livsformer. "

Prakash er også medlem af Stanford Bio-X og Stanford ChEM-H og tilknyttet Stanford Woods Institute for the Environment.