Proprietà meccaniche, grado di sclerotizzazione e composizione elementare del mulino gastrico nel gambero rosso di palude Procambarus clarkii (Decapoda, Crostacei)

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17799 (2022) Citare questo articolo

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Il mulino gastrico di Decapoda è una caratteristica unica, che comprende denti, ossicini stabilizzatori e setole di smistamento delle particelle. Coinvolta nella frammentazione e smistamento del cibo, questa struttura funge da interfaccia tra l'organismo e il suo ambiente. Poiché le proprietà dei materiali completano la morfologia e contengono informazioni sulla funzione e sulle preferenze trofiche, forniamo qui una base per ulteriori ricerche comparative sui mulini gastrici. Per i componenti del mulino gastrico del gambero rosso adulto Procambarus clarkii, abbiamo studiato (a) la microstruttura tramite microscopia elettronica a scansione, (b) la composizione elementare mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, (c) le eterogeneità nelle proprietà dei materiali e il grado di abbronzatura (autofluorescenza) mediante microscopia confocale a scansione laser e (d) le proprietà meccaniche di durezza ed elasticità mediante la tecnica di nanoindentazione. La morfologia e la microstruttura sono state precedentemente descritte per questa specie, ma le proprietà meccaniche e l'autofluorescenza non sono state studiate prima. Poiché l'epicuticola e l'esocuticola possono essere analizzate individualmente, è possibile determinare i gradienti delle proprietà del materiale, con valori decrescenti dalla superficie interagente verso l'interno. Infine, siamo stati in grado di mettere in relazione i dati sulle proprietà meccaniche con la composizione elementare e il grado di concia. Abbiamo scoperto che l'epicuticola dei denti è tra i materiali biologici più duri e rigidi negli invertebrati a causa dell'incorporazione di elevate proporzioni di silicio.

All'interno degli Artropodi, i crostacei mostrano, con circa 67.000 specie descritte, una straordinaria diversità nella struttura corporea, che ha permesso loro di colonizzare quasi tutti gli habitat1. Ciò è accompagnato dalla capacità di nutrirsi di una varietà di tipi di cibo con proprietà meccaniche distinte2,3 e dall'evoluzione di appendici specializzate come mandibole, mascelle o maxilipedi, che elaborano il cibo meccanicamente2,4,5,6,7. I Decapodi, inoltre, hanno sviluppato un intestino anteriore specializzato e complesso, che comprende, oltre all'esofago, la camera cardiaca e quella pilorica dello stomaco. La camera cardiaca immagazzina il cibo ingerito e inoltre lo frammenta meccanicamente. Ciò avviene mediante un complesso insieme di ossicini stabilizzatori e denti interagenti, chiamati "mulino gastrico" [ad esempio, 8,9,10,11,12]. Dopo la frammentazione, le particelle di cibo vengono trasportate nella camera pilorica, passando attraverso le valvole cardiopiloriche, che funzionano come barriera e ossicolo masticatorio4. La camera pilorica è ricoperta di setole, che consentono solo alle particelle fini di raggiungere le ghiandole dell'intestino medio e di smistare quelle più grossolane nell'intestino posteriore.

Per quanto riguarda i componenti del mulino gastrico sono state eseguite ottime analisi anatomiche, morfologiche ed anche elementari13,14,15,16. Inoltre, il mulino gastrico è stato studiato alla luce della determinazione dell'età17,18,19,20,21 e della comunicazione22. Poiché questa parte dello stomaco è morfologicamente diversa23,24, è stata avviata una discussione25 in corso sulla misura in cui le forme dei componenti del mulino gastrico riflettono gli adattamenti agli alimenti e alle abitudini alimentari4,10,26,27,28,29,30,31, 32 o vincoli filogenetici4,5,33,34,35.

Gli adattamenti agli alimenti, tuttavia, non si riflettono solo nella morfologia delle strutture per la manipolazione degli alimenti, ma anche nelle loro proprietà materiali. I materiali biologici sono il risultato di un'evoluzione di lunga durata e generalmente compositi con eterogeneità o gradienti, che contribuiscono alla funzione [per la revisione vedi 36]. La conoscenza delle proprietà dei materiali integra la morfologia e dà origine a una profonda comprensione della funzione e anche, quando le strutture alimentari vengono studiate comparativamente, delle specializzazioni trofiche. Per le strutture di alimentazione degli invertebrati, solo pochissimi studi che confrontano più taxa alla luce della specializzazione trofica implementano sia le proprietà dei materiali che la morfologia [per i denti di mosca, vedi 37; per le proboscidi a farfalla, vedere38 e per i denti radulari, vedere39,40,41,42,43.