Introducción

desde el descubrimiento de la rata crestada Africana, lophiomys imhausi , el significado adaptativo de las especializaciones del roedor, notablemente su coloración peculiar y comportamiento generalmente lento, ha escapado a una explicación satisfactoria ., La capacidad de exponer un patrón de pelaje negrita en blanco y negro ha invitado a la especulación sobre la imitación de puercoespines espinosos Hystricidae o zorillas Ictonyx striatus (Mustelidae). De hecho, se ha considerado que Lophiomys ejemplifica un raro ejemplo de mimetismo batesiano entre mamíferos con la zorilla como modelo . Si bien es posible que una cara piebald y rayas de flanco podrían tener suficiente semejanza con el patrón de la Zorrilla para disuadir a algunos depredadores, lophiomys es probablemente una copia demasiado pobre de la Zorrilla para calificar como su imitador., Además, comúnmente se pasa por alto que la rata crestada normalmente es discreta y que su largo pelaje de punta gris envuelve completamente su cuerpo (figura 1). Sus flancos blancos y negros solo quedan expuestos cuando el animal es perturbado o excitado.

la creencia de que Lophiomys es venenosa ha estado vigente durante mucho tiempo en Kenia . De particular interés es un tracto de pelos que son de estructura única., Hemos confirmado la sugerencia de que este tracto de pelos puede adquirir propiedades tóxicas y afirmamos aquí que, junto con otras adaptaciones conductuales, morfológicas y anatómicas especializadas, han llevado a una defensa poderosa, muy inusual para un mamífero. La quema del pelaje se desencadena por interferencia externa o ataque al animal, con lo cual las bandas blancas y negras de los pelos más largos a cada lado de la línea lateral afectan los contornos del tracto en un diseño blanco y negro en negrita., Una rata agravada tira de su cabeza hacia atrás en sus hombros y gira su tracto acampanado hacia su adversario como si solicitara activamente un ataque. Esta visualización puede o no estar acompañada de vocalizaciones.

un complejo de rasgos defensivos en la rata crestada habría evolucionado contra los depredadores naturales; sin embargo, las observaciones más confiables sobre su eficiencia y efectividad han venido de numerosos informes de encuentros con perros domésticos. Un perro, al ver una rata con cresta después de que el primero había sobrevivido a un supuesto encuentro cercano a la muerte, mostró todos los signos de aversión temerosa (Pág., Bengough 2010, observación inédita). Varias descripciones de los síntomas exhibidos por los perros que han mordido a Lophiomys van desde una leve falta de coordinación, espuma en la boca y signos de angustia general hasta colapso y muerte rápida, aparentemente por insuficiencia cardíaca (M. Coverdale 2008, observaciones no publicadas). Una autopsia de un perro envenenado describió membranas mucosas pálidas y glóbulos blancos con gránulos tóxicos, coagulación sanguínea defectuosa y sangrado generalizado asociado (S. Ghalay 2009, observación no publicada)., En dos casos, los perros que fueron vistos para haber atacado a una rata crestada tomó semanas para recuperarse de síntomas graves e incapacitantes (M. Coverdale & T. Hobbs 2008, observaciones no publicadas).

estos informes y anécdotas demuestran que aunque hay poca o ninguna evidencia de la rata perforando físicamente cualquier tejido, su defensa es sorprendentemente efectiva contra depredadores mamíferos más grandes. Las adaptaciones que imponen la disuasión y los detalles de los mecanismos involucrados son igualmente sorprendentes.,

el equivalente más cercano a este fenómeno reportado hasta la fecha se refiere a los erizos (Erinaceus europeus) masticando las glándulas parótidas de sapos Bufo y untando la mezcla resultante de saliva y veneno de sapo en sus espinas . Mientras que este autoanuncio es conocido entre los erizos para hacer pinchazos de espinas de erizo más doloroso e irritante, no hay, hasta ahora, ninguna evidencia de efectos letales/terminales en el depredador. El efecto principal de tal comportamiento y uso de sustancias parece ser aumentar el dolor y la incomodidad infligidos por las espinas., En el caso de Lophiomys, no hay evidencia de que la respuesta a las toxinas dependa de cualquier tipo de herida. El simple contacto entre las membranas mucosas de la boca del depredador y la toxina en los pelos de la rata parecería suficiente para precipitar síntomas de envenenamiento agudo. La investigación adicional puede revelar una patología por la cual las células de la membrana mucosa se impregnan directamente sin la necesidad de herir realmente a un agresor. Por ejemplo, la posibilidad de que la saliva de Lophiomys pueda introducir agentes facilitadores tales como cardenólidos no polares merece investigación., A diferencia del erizo, que se basa en sus espinas para efectos disuasorios y punitivos, la exposición de Lophiomys a mordeduras dañinas parece haber seleccionado para un conjunto de estructuras atenuantes. Estos incluyen un cráneo blindado, vértebras agrandadas y piel densa y gruesa, además de un comportamiento intrépido, todo lo cual implica la dependencia de una forma de disuasión que debe ser extremadamente rápida para no ser consistentemente más costosa y peligrosa para la presa que para el depredador.,

aunque la estructura bruta de los pelos de flanco ha sido descrita bajo microscopía de baja potencia, y su posible función discutida , algunas características más detalladas de la microestructura de estos pelos bajo microscopio electrónico de barrido (SEM) fueron descritas por primera vez por Stoddart , quien, al igual que Kingdon , sugirió que los pelos podrían adaptarse para absorber las secreciones de un aparente «cinturón de tejido glandular flecos tanto por encima como por debajo de pelos rígidos cortos» que se encuentran «en la base de la cresta y se extienden a lo largo de toda su longitud» (P. 552 en)., La caracterización General del pelo dorsal por encima de los tractos de pelo flanco como una «cresta» es engañosa en la medida en que el pelo denso y largo crece sobre la mayor parte del cuerpo. Un lophiomys excitado se describe más acertadamente como «separando» el pelaje a lo largo de sus flancos, en lugar de «levantar su cresta». Además, los pelos especializados del flanco no «flanquean» una supuesta área glandular, sino que están, en cambio, densamente pero vagamente enraizados en un tracto en forma de hoja de piel aparentemente diferenciada que se estrecha desde detrás de las orejas para terminar sobre el ángulo pélvico-femoral., Notando la estructura única y compleja de los pelos del flanco de Lophiomys, Stoddart sugirió que los olores acre podrían servir para proteger al animal de los depredadores. Para la nariz humana, Lophiomys no huele fuerte y se ha notificado que los perros no muestran signos de ser disuadidos hasta que se ha hecho contacto oral real con la rata. Esto implica que la ausencia de señales olfativas y la disuasión deben ser aprendidas por el depredador del contacto directo con la rata o de individuos que observan las reacciones de otros depredadores.,

morfología del cabello

mientras que las estructuras glandulares subyacentes al tracto de flanco aún no se han demostrado, se necesita una descripción más exacta y detallada de los pelos, especialmente a la luz de su ahora conocida función de retención de toxinas. Hemos investigado la estructura y función de los pelos altamente especializados de la rata crestada en este contexto. En lugar de crecer en la base mal definida de una ‘cresta’, los pelos crecen a lo largo de dos líneas laterales que recorren los flancos (figura 1a)., El animal expone estos tractos de pelo algo más corto (media 28 mm, rango 18-32 mm) por medio de músculos dérmicos especialmente modificados (figura 1B). Estos músculos levantan el largo pelaje del animal (Media 46 mm, rango 38-52 mm y externamente gris) hacia arriba por encima de la línea lateral, mientras que al mismo tiempo desvía el pelaje hacia abajo por debajo de la línea lateral.

el pelo se separa no solo en respuesta a la perturbación, sino también para permitir que el animal aplique veneno a los pelos de costado especializados., Cuando se nos presentaron trozos de rama y raíz de Acokanthera, observamos a una rata crestada atrapada en la naturaleza que roía y masticaba la corteza y «esclavizaba» selectivamente el pelaje de la línea lateral entre ataques repetidos de roer y masticar. Tal masticación parece liberar la ouabaína de la corteza y mezclarla con la saliva para formar un coloide grueso, que luego se aplica específicamente solo a los pelos de la línea lateral. Los fragmentos de corteza que caen al suelo mientras se aplica el coloide son cuidadosamente recogidos y masticados nuevamente., Durante un período de 5 días, se observaron tres episodios cortos separados de masticación de corteza, seguidos de la aplicación del coloide. Este individuo ignoró las hojas y la fruta verde cruda de Acokanthera tanto como alimento como material para la masticación. Se ha visto que otros individuos ‘acicalan’ cuidadosamente sus tractos de pelo del flanco, pero en ausencia de cualquier material vegetal y sin ningún estímulo obvio.

Cuando está relajado, el largo pelaje gris cubre las líneas laterales y, en gran medida, protege las líneas de la luz y repele la lluvia moderada., Si las toxinas en los pelos de la línea lateral son sensibles a la luz o solubles en agua, como parece probable, entonces el aislamiento de ambos elementos puede ser un papel tan importante para el cabello largo como mantener al roedor caliente o hacerlo menos visible.

examinamos la estructura de los pelos de la línea lateral bajo el microscopio electrónico de luz y SEM, y hemos descubierto que el cabello ejemplifica la optimización única y excepcional y la economía de la estructura para el secuestro y la entrega de toxinas ., La porción central de cada eje principal desarrolla un cilindro exterior delgado pero fuerte perforado por abundantes vacuolas (figura 2). Este cilindro perforado encierra hebras fibrilares que permanecen en su mayoría separadas, pero pueden adherirse entre sí o al cilindro exterior a lo largo de tramos cortos. Estas largas fibrillas son numerosas y acumulativamente actúan como una ‘mecha’, como hemos demostrado (figura 2d) y observado con nuestro espécimen cautivo. De hecho, a medida que el coloide se aplica al cabello, se puede observar un giro casi instantáneo del brillo reflectante a la invisibilidad opaca, lo que sugiere una rápida absorción., En el material suplementario electrónico, un cortometraje demuestra dicha absorción a través de la acción capilar a lo largo del interior de cada cilindro de pelo (material suplementario electrónico, video S1). Una vez que un cabello se ha saturado, el coloide parece secarse como una secreción semi-viscosa (figura 2a). El enrejado Abierto de los pelos asegura que los pelos procesados o «arreglados» no se puedan tocar sin entrar en contacto con el coloide/secreción venenosa.

hace más de 120 años, Arnaud extrajo y aisló ouabain, un glucósido cristalino de la corteza y las raíces del árbol Acokanthera. Utilizado para envenenar flechas en Somalilandia, se ha hecho famoso como el arma preferida por los cazadores de elefantes de África Oriental . Durante más de dos siglos, el extracto de corteza también encontró uso como tratamiento clínico contra la insuficiencia cardíaca congestiva . La actividad de Ouabain, como para todos los glucósidos cardiacos, viene de su capacidad de inhibir el Na+ / K+-ATPase, así aumentando grandemente la fuerza de contracciones del músculo cardiaco .,

contenido del cabello

nuestro estudio piloto de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) de los compuestos encontrados dentro de los pelos sugiere fuertemente la presencia de ouabaína (figura 3). Específicamente, la ouabaína parece ser el ingrediente activo transferido de la corteza al cabello, ya que nuestros espectros tenían picos fuertes en 1530, 916, 880 y 796 cm-1 y carecían de picos más típicos para el acovenósido, que es otro compuesto tóxico que a veces se encuentra en la corteza de Acokanthera., Además, nuestros espectros mostraron firmas indicativas de compuestos adicionales como ligninas o taninos, lo que sugiere que una investigación más detallada es probable que elucide un sistema de extracción natural selectivo impulsado por el comportamiento masticatorio de las ratas y la química salival. Es importante destacar que los espectros FT-IR de la corteza de Acokanthera y de los compuestos en la parte activa del cabello de Lophiomys son muy similares. Esto confirma nuestra afirmación de que los compuestos se untaron en el pelaje lateral de la rata derivado de la corteza de Acokanthera.,

aunque es clave para su toxicidad única, los pelos de línea lateral altamente modificados de la rata crestada no son su única modificación morfológica interesante. Por ejemplo, un estudio del cráneo del animal sugiere que el contacto directo con depredadores ha seleccionado para blindaje adicional del cerebro (figura 4)., El cráneo ha invitado una comparación con la cabeza acorazada de una tortuga y ha ganado una supuesta subespecie el nombre L. I. testudo. Los márgenes del frontal, escamoso y parietal se han extendido alrededor de la órbita y sobre el cráneo para crear un «casco craneal», mientras que las densas espinillas óseas (osteoblastos rugosos) se extienden sobre el puente de la nariz y la mayoría de las superficies externas del occipucio. Estas características craneales son únicas entre los roedores., Elaboración superficialmente similar ocurre en la región cigomática de la paca Agouti paca, donde una posición alrededor de la cavidad bucal apoya la hipótesis de que esta tiene más de una función acústica que protectora. Por el contrario, la elaboración ósea en cráneos de Lophiomys cubre o rodea los tejidos sólidos, el cerebro, las fosas nasales, los ojos y los músculos temporales.

otras adaptaciones

Además, hay otras modificaciones macro-morfológicas interesantes asociadas con la toxicidad de la rata. Por ejemplo, el animal tiene una dermis inusualmente densa, dura y de textura estrecha, que puede interpretarse como predador seleccionado. La piel es resistente a todos los dientes, garras o picos menos a los más afilados., La piel fresca de un espécimen de Lophiomys mostró moretones consistentes con que la rata había sido atacada previamente por perros, pero los dientes de los perros eran incapaces de penetrar la dermis dura o los perros desistieron antes de que sus dientes pudieran desgarrarse. Las especializaciones específicas de la especie incluyen una columna vertebral alargada con tres vértebras torácicas adicionales y una vértebra lumbar adicional que forma una columna vertebral excepcionalmente robusta y flexible. Todas las vértebras tienen cuerpos agrandados y espinas cortas (figura 1C)., La clavícula está altamente atrofiada, lo que permite una movilidad excepcional de las escápulas anchas, posiblemente mejorando la protección del cuello y el tórax anterior. Un estómago excepcionalmente grande y débilmente saculado es único entre los roedores , lo que implica una fisiología compleja para el procesamiento de material vegetal, similar a la de un fermentador de forestómaco que digiere fibras. Sin embargo, tal conclusión estaría viciada por el hecho de que las partes de plantas fácilmente digeridas son la principal fuente de nutrición . La observación de que los alimentos no fibrosos son la norma se ha confirmado a partir de un amplio análisis de las heces en la naturaleza (J., Kingdon 2010, observación inédita). Esto podría implicar otras funciones, aún desconocidas, para el tracto digestivo de Lophiomys. Dado que cantidades sustanciales de material muy venenoso con frecuencia entran en la boca del roedor, aunque temporalmente, es plausible que la desintoxicación pueda estar entre las especializaciones del tracto digestivo de Lophiomys.

posiblemente, una clave para futuros estudios de la capacidad del animal para lidiar con la toxicidad de la corteza de Acokanthera para su propia salud son las glándulas salivales de las ratas con cresta, que son inusualmente grandes para su taxón., Debido a que la saliva de algunos mamíferos produce proteínas que se unen a los polifenoles de las plantas , es posible que las secreciones salivales de Lophiomys se adapten para aumentar o procesar la ouabaína (y posiblemente otras toxinas de las plantas) de maneras significativas pero actualmente desconocidas, entre ellas la mejora de la capacidad de la toxina para permear las células. Entre algunos invertebrados insensibles a la ouabaína, la ubicación de un sitio de unión a la ouabaína en la secuencia de ADN se ha reducido a una sola sustitución de aminoácidos (asparagina por histidina) en la posición 122 del gen de la subunidad α De Na+/K+-ATPasa ., Posiblemente, alguna adaptación similar evita que la ouabaína dañe las funciones celulares de la rata. La ingestión de ouabaína en la boca no presenta ningún riesgo visible para la rata, pero queda por dilucidar qué papel desempeñan las glándulas salivales (o el tracto digestivo) en esta inmunidad. Una vez que los fundamentos fisiológicos y genéticos de la inmunidad de Lophiomys se entienden completamente, podría haber implicaciones para las aplicaciones moleculares o farmacológicas en terapias médicas humanas.,

en términos de entender la evolución a largo plazo del cabello especializado, una filogenia reciente identificó cuatro subdivisiones muroides principales, y asignó a Lophiomys su propio linaje cercano a la divergencia entre Gerbillinae y Murinae. Entre los primeros se encuentra una radiación distinta de proto-gerbilinas con pelo modificado: los ratones espinosos (Acomys), las ratas de enlace (Deomys) y los ratones de pelo cepillado (Lophuromys)., Aunque no se puede prever una afinidad muy estrecha entre estos géneros y Lophiomys, ello plantea la posibilidad de que la elaboración incremental del pelo dorsal o del flanco pueda tener orígenes evolutivos muy antiguos , particularmente si se puede demostrar una ventaja selectiva en relación con los depredadores, como hacemos aquí para Lophiomys.

conclusiones

nuestra confirmación de toxicidad por adquisición en Lophiomys sugiere que el conjunto superficialmente Aleatorio de peculiaridades que hemos enumerado puede explicarse como adaptaciones conectadas por el hilo evolutivo de la selección de depredadores., Sin un aumento regular de toxinas en los flancos, un cráneo con dosel, una dermis densa y un esqueleto reforzado serían insuficientes para disuadir a los depredadores. Tanto para la rata como para el depredador, el patrón de flanco audaz (y memorable) representa una señal costosa . Los costos significativos para Lophiomys sugerirían que la supervivencia de la rata continuará dependiendo de los suministros fácilmente disponibles de ouabain dentro del área de distribución de las especies apocynacae del noreste de África.,

mientras que los detalles de esta extraordinaria relación entre mamíferos y plantas requieren más trabajo de campo y de laboratorio, nuestras observaciones ejemplifican el poder de la depredación para seleccionar defensas muy inusuales en especies presas y, en este caso, la asombrosa integración de un gran conjunto de comportamientos con estructuras complejas. El comportamiento de la rata en presencia de un depredador dirige la atención y el ataque de este último hacia un área específica bien anunciada, donde le espera una sorpresa dolorosa y venenosa., La modificación microestructural de los pelos que crecen dentro de esta área específica (presumiblemente evolucionados por pequeños incrementos) les permite servir como receptáculos excepcionalmente eficientes para el veneno autoaplicado. Del mismo modo, la adaptación química de la saliva y los tejidos probablemente maximiza la disuasión al depredador, al tiempo que evita o minimiza el daño autoinfligido por las toxinas. Finalmente, las modificaciones macroestructurales de elementos separados de la anatomía de todo el cuerpo (piel y esqueleto) han evolucionado para hacer más probable la supervivencia atrayendo y luego «manejando» las mordeduras de un depredador.,

métodos resumen

la microscopía se realizó utilizando un microscopio de disección Olympus SZ40 con una cámara digital Canon A640. Las muestras para los estudios SEM se cubrieron utilizando un objetivo AuPd para 180 s (resultando en una capa de 6-10 nm) y se tomaron imágenes utilizando un Neoscopio Jeol (Nikon, Reino Unido) bajo alto vacío a 10 o 15 keV.

para la adquisición de espectros, utilizamos un espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier Nicolet 6700 equipado con un detector MCT-A refrigerado por nitrógeno líquido junto con un accesorio de reflectancia total atenuada de diamante de rebote único (ATR) (Thermo Electron Corp.,, Madison, WI, USA). Los espectros se adquirieron a una resolución de 4 cm−1 de 6000 a 500 cm−1 Utilizando una apodización Happ-Genzel, una corrección de fase Metz y sin relleno cero. Los espectros se obtuvieron de un promedio de 64 escaneos a una velocidad de espejo s−1 de 5,0632 cm. Todas las operaciones espectrales se realizaron utilizando Omnic 7.3 (Thermo Scientific, Madison, WI, USA). Los espectros fueron ni deconvolucionados ni suavizadas; la única corrección se aplica un desplazamiento a 4000 cm−1 y una normalización de la intensidad. Los espectros de ouabaína y acovenósido se registraron a partir de una película delgada fundida a partir de una solución acuosa en el cristal ATR., Se obtuvo el espectro del extracto de corteza de Acokanthera sumergiendo la corteza en agua desmineralizada a 70°C durante 10 h antes de lanzar la solución sobre el cristal ATR. El extracto de pelo de lophiomys imhausi se preparó lavando varios pelos con agua desmineralizada. Ambos extractos fueron purificados usando filtros de tamaño de poro de 0.2 µm bajo vacío. Los espectros de cabello sin lavar y lavados se adquirieron presionando directamente diferentes partes de los pelos de las muestras con un yunque en el cristal ATR.,

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