„Niedawno wraz z prof. Rolfem Beutelem, jednym z najwybitniejszych specjalistów od ewolucji owadów, popełniliśmy pracę na temat ewolucji, modyfikacji i biologicznych funkcji pokryw u chrząszczy - poinformował PAP dr inż. Jakub Goczał z Katedry Ochrony Ekosystemów Leśnych Uniwersytetu Rolniczego im. H. Kołłątaja w Krakowie. - Wykształcenie się pokryw uważane jest za kluczową innowację ewolucyjną wpływającą na bezprecedensowy sukces ewolucyjny chrząszczy - grupy, do której zaliczany jest obecnie niemal co czwarty znany nauce gatunek zwierzęcia. Oprócz historii powstania tej struktury, omówiliśmy niezwykłe funkcje, jakie może ona pełnić”.

Funkcji tych jest zaś, jak przypomina dr Goczał, bardzo wiele. Pokrywy mogą służyć np. do odzyskiwania wody z mgły, rozprostowywania narządu kopulacyjnego, komunikacji dźwiękowej, nurkowania czy przenoszenia symbiotycznych mikroorganizmów.

MAJĄ MILIONY LAT

Pokrywy, okrywy czy elytry to parzyste struktury powstałe z przekształcenia pierwszej pary owadzich skrzydeł. Są wyraźnie stwardniałe, bo ich podstawową rolą jest ochrona ciał oraz ochrona drugiej - błoniastej - pary skrzydeł, służącej do latania.

W swojej najnowszej publikacji dr Goczał oraz prof. Beutel podkreślili, że wytworzenie pokryw było przełomową adaptacją morfologiczną, która przyczyniła się do niebywałego sukcesu ewolucyjnego chrząszczy. Mimo tego wiedza na temat aspektów funkcjonalnych tych struktur jest wciąż niepełna, wręcz fragmentaryczna, i rozproszona w dużej liczbie opracowań.

„W artykule zsyntetyzowaliśmy dostępne obecnie informacje na temat ewolucji, rozwoju, modyfikacji i funkcji biologicznych tej kluczowej innowacji ewolucyjnej” - podkreślają autorzy. Przypominają, że pokrywy powstały najprawdopodobniej już w karbonie wskutek postępującej stopniowo sklerotyzacji przedniego skrzydła. Doszło do tego na skutek tzw. kooptacji: geny, które dotąd odpowiadały za zwiększone twardnienie naskórka innych części ciała, uległy „integracji" z genami skrzydeł. Presją sekwencyjną, która doprowadziła do tej transformacji, była prawdopodobnie eksploracja przez przodków współczesnych chrząszczy nowych mikrosiedlisk, w szczególności wąskich przestrzeni pod korą roślin drzewiastych. Dzięki skolonizowaniu nowej niszy ekologicznej chrząszcze zyskały stabilne środowisko o wysokiej wilgotności, w którym presja ze strony drapieżników oraz konkurencja o zasoby była mniejsza.

PRZYJMUJĄ TYSIĄCE POSTACI

Na przestrzeni milionów lat struktura ta ulegała dalszym zmianom morfologicznym i w wielu liniach współczesnych chrząszczy nie przypomina już „pierwowzoru”. Choć u zdecydowanej większości tych owadów pokrywy są bardzo dobrze rozwinięte i w pełni zakrywają odwłok, u niektórych mogą być ze sobą zrośnięte, czasami bogato rzeźbione (np. z kolcami) lub niezwykle ubarwione, pokryte szczecinami, a nierzadko również zredukowane (częściowo lub nawet całkowicie).

Wszystkie te modyfikacje mają swoje ewolucyjne uzasadnienie. I tak np. korzyścią ze zrośnięcia się ze sobą pokryw jest zminimalizowanie utraty wody lub/i większa ochrona mechaniczna, potrzebna do przetrwania kontaktu z niektórymi drapieżnikami. Autorzy przypominają niedawne badania nad wyjątkowo wytrzymałymi, niemal niezgniatalnymi, chrząszczami z rodziny Zopherinae, które dzięki nietypowej konstrukcji zazębiających się ze sobą szwów pokryw są w stanie wytrzymać ekstremalne obciążenia (np. przejazd samochodu po ich ciele).

PEŁNIĄ WIELE FUNKCJI

Chociaż podstawową funkcją pokryw jest ochrona mechaniczna tylnych skrzydeł oraz całego ciała, to analiza naukowców ujawnia, że w rzeczywistości pełnią one bardzo wiele ważnych ról. „I to właśnie potencjał pokryw do pełnienia tak wielu zadań w znacznej mierze przyczynił się do niezrównanego zróżnicowania chrząszczy” - podkreślają autorzy publikacji.

Podstawową rolą jest oczywiście ochrona. Badania pokazały, że osobniki z usuniętymi pokrywami doświadczają znacznie większych uszkodzeń skrzydeł błoniastych podczas ataków drapieżników, a ich śmiertelność jest dużo wyższa. Są także bardziej podatne na zranienie w przypadku upadków z dużych wysokości.

Rozmaite struktury zewnętrzne (np. kolce, guzki, ząbki), które mogą pojawiać się na powierzchni pokryw, odgrywają ważną rolę w obronie przed naturalnymi drapieżnikami. Tworzenie wyraźnych kolców grzbietowych u niektórych chrząszczy z rodziny stonkowatych może być odpowiedzią na presję ze strony niektórych drapieżników (np. płazów), a specjalnie ukształtowane ząbki na ciele korników mogą służyć do blokowania żerowisk przed drapieżnikami.

Czasami, jak to ma miejsce w przypadku chrząszczy z podrodziny Paussinae, elytry układają się w charakterystyczny kołnierz, dzięki któremu chrząszcze te mogą celnie rozpylać wydzielane przez siebie substancje obronne.

„Warto zauważyć, że ta mechaniczna funkcja ochronna jest znacznie ograniczona lub nawet nieobecna w niektórych grupach chrząszczy” - zaznaczają autorzy publikacji. Jak dodają, wśród takich zwierząt zidentyfikowano różne alternatywne strategie obronne, w tym ochronę chemiczną, mimikrę, utwardzanie innych fragmentów ciała lub ubarwienie odstraszające.

Ubarwienie pokryw jest zresztą jedną z najważniejszych strategii obronnych. Pomarańczowo-czarne, kontrastujące wzory chronią np. osobniki z rodziny omarlicowatych przed zjadającymi je ptakami, tak samo jak nakrapiane ciało biedronek, sugerujące drapieżnikom, że owady te są trujące lub nieprzyjemne w smaku.

Oprócz tego wygląd pokryw może pomagać w kamuflażu - dzięki unikalnej kombinacji wcięć, grzebieni i guzków owad może np. wyglądać na kawałek kory, a dzięki szorstkiej, owłosionej powierzchni pokryw może nawet wyhodować na nich własną uprawę mchów i porostów, zapewniających niezwykły kamuflaż.

Pokrywy spełniają także funkcję termoregulacyjną: pochłaniają część promieniowania w celu zwiększenia temperatury ciała lub - alternatywnie - odbijają je, aby zapobiec przegrzaniu. Zabezpieczają także skutecznie przez utratą wody z organizmu.

Z wodą ma związek jeszcze jedna, bardzo niezwykła, funkcja - u gatunków chrząszczy z rodziny czarnuchowatych, zamieszkujących pustynię Namib w południowo-zachodniej Afryce, wyspecjalizowane elytry wychwytują wodę z mgły. Stojąc na grzbietach wydm w charakterystycznej pozycji, owady pozyskują ciecz poprzez zwiększoną kondensację mgły na hydrofilowych szczytach guzków elytralnych, które z kolei są otoczone obszarami hydrofobowymi.

Elytry pomagają także w lataniu. Choć nie służą bezpośrednio do tego celu, stabilizują szybującego w powietrzu osobnika oraz zwiększają siłę nośną.

Dzięki pokrywom chrząszczom udało się również zasiedlić środowisko wodne: pokrywy umożliwiają pływanie, sterowanie, a nawet „przechowują” zapas powietrza do oddychania po wodą. Właściwości antyadhezyjne powierzchni pokryw niektórych chrząszczy pomagają nie tylko zagrzebywać się w glebie czy odchodach, w których żyją, ale także oczyszczać swoje żerowiska niczym łopatą.

Pokrywy umożliwiają także ich posiadaczom przenoszenie organizmów, z którymi żyją w symbiozie (np. grzybów).Pełnią także pomocniczą rolę podczas kopulacji - np. końcówki pokryw u niektórych chrząszczy są używane do przytrzymywania samicy podczas kopulacji, co ułatwia zapłodnienie. Zdarzają się gatunki, które używają pokryw do wydawania odgłosów godowych lub do swego rodzaju tańca godowego, polegającego na pocieraniu lub głaskaniu elytry samicy, a nawet bębnieniu w ich powierzchnię.

Jedną z funkcji pokryw jest także komunikacja między- oraz wewnątrzgatunkowa. Pocieranie ich innymi częściami ciała powoduje postawanie specyficznych dla danego gatunku dźwięków.

Widać wyraźnie, że pokrywy chrząszczy to niezwykle wielofunkcyjne i doskonałe wręcz biologiczne struktury. Zapewniły im wielki sukces ewolucyjny - przecież co czwarty znany nauce gatunek należy do tej właśnie grupy zwierząt. Co więcej, analiza funkcji biologicznych i morfologii pokryw może przyczynić się do szeregu praktycznych odkryć, np. w zakresie nowych ultralekkich materiałów o dużej wytrzymałości, powierzchni hydrofobowych i bakteriostatycznych, zmniejszenia tarcia materiałów w mediach takich jak gleba, woda czy powietrze, czy efektywnego pozyskiwania wody z powietrza w obszarach bardzo suchych.

Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz

kap/ agt/