Schemi complessi di circolazione dell'emolinfa nelle ali delle cavallette

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 313 (2023) Citare questo articolo

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I sistemi viventi di un insetto – circolazione, respirazione e un sistema nervoso ramificato – si estendono dal corpo all'ala. La circolazione emolinfatica nell’ala è fondamentale per idratare i tessuti e fornire nutrienti ai sistemi viventi come gli organi sensoriali attraverso l’ala. Nonostante il ruolo fondamentale della circolazione emolinfatica nel mantenere una sana funzione delle ali, le ali sono spesso considerate cuticole "senza vita" e i flussi rimangono in gran parte non quantificati. La microscopia a fluorescenza ad alta velocità e il tracciamento delle particelle dell'emolinfa nelle ali e nel corpo della cavalletta Schistocerca americana hanno rivelato un flusso dinamico in ogni vena delle ali anteriori e posteriori. Il sistema globale forma un circuito, ma il comportamento del flusso locale è complesso e presenta tre tipi distinti: flusso pulsatile, aperiodico e "che perde". I cuori dell'ala toracica attirano l'emolinfa dall'ala a frequenze più lente rispetto al vaso dorsale; tuttavia, la velocità di ritorno dell'emolinfa (nel vaso posteriore) è più veloce di quella del vaso dorsale. Per caratterizzare la meccanica del flusso interno dell'ala, abbiamo mappato i parametri di flusso adimensionali attraverso le ali, rivelando regimi di flusso viscoso. Le ali sostengono comportamenti degli insetti ecologicamente importanti come l'impollinazione e la migrazione. L'analisi del sistema circolatorio delle ali fornisce un modello per studi futuri che indagano l'emodinamica critica necessaria per sostenere la salute delle ali e il volo degli insetti.

Le ali degli insetti sono spesso considerate come cuticole morte e senza vita, ma un'ala funzionante e sana è indissolubilmente legata al flusso circolatorio attivo al loro interno1,2,3. L'emolinfa, il sangue di un insetto, serve a idratare i tessuti, fornire nutrienti ai sistemi nervoso e respiratorio e a far circolare le cellule coinvolte nella funzione immunitaria, fornendo una funzione fisiologica fondamentale in tutti gli insetti4,5,6. Questi sistemi si estendono e si ramificano anche nelle ali, necessitando di nutrimento da parte dell'emolinfa, come nel corpo7,8. Il flusso di emolinfa è coinvolto anche nello sviluppo degli insetti, fungendo da strumento idraulico durante la crescita, la metamorfosi, l'eclosione e l'espansione delle ali9,10. All'interno dell'ala stessa, la circolazione emolinfa è necessaria per gli organi viventi e le strutture sensoriali11, come gli organi che producono odori sulle ali dei lepidotteri8 e migliaia di peli sensoriali distribuiti sulle ali delle libellule6,12,13. I tessuti strutturali incorporati nelle vene delle ali, come la resilina14,15, dipendono dall'idratazione dell'emolinfa, fornendo all'ala viva bagnata proprietà meccaniche diverse rispetto a un'ala secca e morta, dimostrando il ruolo essenziale della circolazione per il volo degli insetti16. Infatti, in condizioni di essiccazione, la cuticola degli insetti diminuisce drasticamente in tenacità17. Tuttavia, mentre le proprietà strutturali e aerodinamiche delle ali degli insetti sono relativamente ben studiate18, i sistemi viventi interni alle ali – e il flusso che li alimenta – sono stati ampiamente ignorati, nonostante la loro importanza fondamentale per l’ecologia e l’evoluzione degli insetti.

Alcune tendenze generali riguardanti la circolazione nelle ali sono ben comprese. In 14 ordini di insetti, ci sono due principali modelli di flusso negli insetti a riposo: flusso tortuoso (unidirezionale: simile a un circuito) e flusso di marea (bidirezionale: in tutte le vene contemporaneamente e poi fuori)7,19,20. Le ali delle zanzare, ad esempio, mostrano un flusso tortuoso all'interno delle loro minuscole ali su scala millimetrica, guidato da un cuore alare toracico indipendente che attira l'emolinfa dall'ala in modo pulsante21. I lepidotteri, al contrario, mostrano il flusso delle maree in alcune specie; la falena gigante dell'Atlante (Attacus atlas), con un'apertura alare di 30 cm, utilizza più cuori delle ali toraciche, sacche d'aria toraciche e trachee che si estendono nelle vene per spingere e quindi tirare l'emolinfa attraverso tutte le vene delle ali19. Studi recenti su lepidotteri più piccoli hanno rivelato un flusso di marea in una specie (Vanessa cardui) ma un flusso tortuoso in altre due (Satyrium caryaevorus e Parrhasius m-album) con organi che producono odori nelle ali8, suggerendo che i modelli di flusso possono funzionare per servire specifiche strutture alari. .