Mruganie ma kluczowe znaczenie dla oka. W ten sposób zwierzęta oczyszczają oczy, chronią je, a nawet komunikują się. Ale jak i dlaczego powstało mruganie? Naukowcy z Georgia Institute of Technology, Seton Hill University i Pennsylvania State University badali poskoczka błotnego, amfibię, która spędza większość dnia na lądzie, aby lepiej zrozumieć, dlaczego mruganie jest podstawowym zachowaniem dla życia na lądzie.
Chociaż poskoczki błotne są daleko spokrewnione z czworonogami, grupą obejmującą ludzi i inne czteronożne kręgowce, naukowcy wierzyli, że badanie ryb może ujawnić, w jaki sposób mruganie ewoluowało, gdy te zwierzęta zaczęły poruszać się na lądzie.
Zespół badawczy, w skład którego wchodziło kilku studentów, opublikował swoje odkrycia w artykule „The Origin of Blinking in Both Mudskippers and Tetrapods Is Linked to Life on Land” w Proceedings of the National Academies of Science.
„Porównując anatomię i zachowanie poskoczków błotnych z zapisem kopalnym wczesnych czworonogów, twierdzimy, że mruganie pojawiło się w obu grupach jako przystosowanie do życia na lądzie” – powiedział Tom Stewart, adiunkt w Penn State i autor artykułu . „Wyniki te pomagają nam zrozumieć naszą własną biologię i postawić cały zestaw nowych pytań dotyczących różnorodności zachowań związanych z mruganiem, które obserwujemy u żywych gatunków”.
Rozbijanie Miga
Poskoczki błotne mrugają, zasysając oko w dół do oczodołu. Ewolucja tego zachowania nie wymagała jednak ewolucji wielu nowych części, takich jak nowe mięśnie czy specjalne gruczoły. Zamiast tego błotniaki wykorzystują swój istniejący zestaw mięśni oczu w nowy sposób.
„To bardzo ekscytujący wynik, ponieważ pokazuje, że ewolucję nowego, złożonego zachowania można osiągnąć przy użyciu stosunkowo podstawowego zestawu struktur” – powiedział Brett Aiello, były pracownik habilitowany w Agile Systems Lab, a obecnie adiunkt w Seton Wzgórze.
Następnie zespół badawczy postanowił ustalić, dlaczego poskoczki błotne mrugają. W serii eksperymentów odkryli, że poskoczki błotne mrugają w trzech głównych funkcjach: zwilżania, czyszczenia i ochrony oka. Te funkcje są również powodem, dla którego ludzie i inne lądowe kręgowce mrugają.
„Odkryliśmy, że jedno zachowanie można wdrożyć, aby wykonać trzy złożone, odrębne funkcje” – powiedział Aiello. „Wyniki te nie tylko pomagają ludziom zrozumieć naszą własną historię, ale także pomagają nam ponownie ocenić adaptacje niezbędne do głównych przemian w ewolucyjnej historii kręgowców, takich jak przejście z wody na ląd”.
Mruganie to nie tylko wyjątkowe pytanie badawcze, ale także ważny mechanizm do zrozumienia, według Saada Bhamli, adiunkta w Georgia Tech’s School of Chemical and Biomolecular Engineering i autora artykułu.
„Wszyscy mrugamy bez zastanowienia, a zrozumienie, dlaczego mrugamy, jest tak piękną zagadką tuż przed naszymi oczami” – powiedział Bhamla. „Dzięki naszym badaniom nad poskoczkami błotnymi oraz przeprowadzaniu analiz biofizycznych i morfologicznych ujawniamy, w jaki sposób mruganie spełnia wiele funkcji związanych z przystosowaniem się do życia poza wodą”.
Angażujący Absolwenci
Aby zbadać takie otwarte pytania, naukowcy zaangażowali program Vertically Integrated Projects (VIP), który umożliwia studentom prowadzenie długoterminowych projektów badawczych na dużą skalę w ramach zajęć w Georgia Tech.
„Struktura kursu VIP pozwala studentom naprawdę polegać na własnej kreatywności i kierować projektem w kierunkach, które są dla nich najbardziej ekscytujące” — powiedział Aiello. „Pomaga naszym studentom zdobyć umiejętność rozwiązywania nieznanych problemów w terenie, gdy się pojawiają – wiele osób zostaje naukowcami, aby pchnąć badania tam, gdzie nikt wcześniej nie próbował”.
Struktura VIP jest z natury multidyscyplinarna. Chociaż Aiello jest biologiem, większość studentów była inżynierami i wniosła odpowiednią wiedzę. Manognya Sripathi była magistrem inżynierii biomedycznej z wykształceniem informatycznym i zaoferowała swoje wyjątkowe doświadczenie w rozwiązaniu problemu poskoczka błotnego.
„Użyłem moich umiejętności informatycznych, aby zebrać surowe dane, przeanalizować je i wykreślić za pomocą programów takich jak MATLAB lub Python” – powiedział Sripathi. „Użyłem również umiejętności inżynierskich, aby pomóc zbudować sprzęt eksperymentalny, co pozwoliło nam zastosować metody inżynieryjne do badania problemu biologicznego w wyjątkowy sposób”.
Przeprowadzka poza Mudskippers
Badania te nie tylko poszerzyły wiedzę o poskoczkach błotnych, ale także przyczyniły się do określenia przyszłych aspiracji każdego ucznia. Na przykład na trajektorię Kendry Washington wpłynęły dwa semestry, które spędziła w laboratorium.
„Program VIP zbliżył mnie do obszarów programowania i urządzeń na mojej specjalizacji z inżynierii biomedycznej i utwierdził mnie w przekonaniu, dlaczego wybrałam drugorzędną dziedzinę informatyki” — powiedziała. „Kontynuowałem tę fuzję poprzez późniejsze staże i badania, a teraz pracuję z monitorowaniem hemodynamicznym. Ale w pewnym sensie nadal pomagam scharakteryzować fizjologię poprzez programowanie”.
VIP poszerzył również wiedzę i doświadczenie naukowe uczniów, które wyniosły ich daleko poza laboratorium. Hajime Minoguchi, absolwent inżynierii biomedycznej, dzięki swojemu doświadczeniu w klasie pracuje obecnie jako inżynier ds. badań i rozwoju integracji systemów.
„Praca w takim interdyscyplinarnym zespole pozwoliła mi nauczyć się rozumieć i przekazywać pomysły między dyscyplinami, co pozwoliło mi być bardziej wszechstronnym inżynierem” — powiedział Minoguchi. „Moja praca wymaga dogłębnego zrozumienia biologii, obwodów elektrycznych, oprogramowania, oprogramowania układowego, interakcji mechanicznych i fizyki. To doświadczenie VIP odegrało kluczową rolę w osiągnięciu sukcesu w mojej obecnej pracy”.
Badania są znacznie większe niż suma jego części i przynoszą lepsze zrozumienie ewolucji, zauważył Simon Sponberg, profesor nadzwyczajny w Szkole Fizyki i Szkole Nauk Biologicznych.
„Mruganie jest odbiciem większego pytania” – powiedział Sponberg. „Jak doszło do głównych przemian ewolucyjnych, które umożliwiły organizmom zamieszkanie w zasadzie w każdym środowisku na tej planecie? Dowiedzieliśmy się, że nie potrzebujesz ewolucji wielu wyspecjalizowanych mięśni lub gruczołów; ewolucja może majstrować przy strukturach, które już tam są, pozwalając na ich użycie w nowy sposób i do nowego zachowania”.