Introduzione

Dal momento che la scoperta dell’Africa crested ratto, Lophiomys imhausi , il significato adattivo del roditore specializzazioni, in particolare la sua particolare colorazione e generalmente pigro comportamento, è sfuggito a una spiegazione soddisfacente ., La capacità di esporre un audace modello di pelliccia in bianco e nero ha invitato speculazioni sul mimetismo di istrici spinosi Hystricidae o zorillas simili a skunk Ictonyx striatus (Mustelidae). Infatti, Lophiomys è stato tenuto a esemplificare un raro esempio di mimetismo batesiano tra i mammiferi con la zorilla come modello . Mentre è possibile che una faccia pezzata e strisce laterali possano avere una somiglianza sufficiente con il modello di zorilla per scoraggiare alcuni predatori, Lophiomys è probabilmente una copia troppo povera dello zorilla per qualificarsi come sua mimica., Inoltre, è comunemente trascurato che il ratto crestato è normalmente poco appariscente e che la sua lunga pelliccia dalla punta grigia avvolge completamente il suo corpo (figura 1). I suoi fianchi bianchi e neri sono esposti solo quando l’animale è disturbato o eccitato.

La convinzione che Lophiomys sia velenoso è stata a lungo attuale in Kenya . Di particolare interesse è un tratto di peli che sono di struttura unica., Abbiamo confermato il suggerimento che questo tratto di peli possa acquisire proprietà tossiche e qui affermiamo che esse, insieme ad altri adattamenti comportamentali, morfologici e anatomici specializzati, hanno portato ad una potente difesa, altamente insolita per un mammifero. La svasatura della pelliccia è innescata da interferenze esterne o attacchi all’animale, dopo di che la fascia bianca e nera dei peli più lunghi su entrambi i lati della linea laterale influisce sui contorni del tratto in un audace disegno di “bersaglio” bianco e nero., Un ratto aggravato tira indietro la testa nelle spalle e gira il suo tratto svasato verso il suo avversario come se sollecitasse attivamente un attacco. Questo display può o non può essere accompagnato da vocalizzazioni.

Un complesso di tratti difensivi nel ratto crestato si sarebbe evoluto contro i predatori naturali; tuttavia, le osservazioni più affidabili sulla loro efficienza ed efficacia sono venute da numerose segnalazioni di incontri con cani domestici. Un cane, vedendo un ratto crestato dopo che il primo era sopravvissuto a un presunto incontro di pre-morte, mostrò ogni segno di spaventosa avversione (P., Bengough 2010, osservazione inedita). Diverse descrizioni dei sintomi esibiti dai cani che hanno morso Lophiomys vanno da lieve mancanza di coordinazione, schiumatura della bocca e segni di disagio generale al collasso e alla morte rapida, apparentemente da insufficienza cardiaca (M. Coverdale 2008, osservazioni inedite). Un’autopsia di un cane avvelenato ha descritto membrane mucose pallide e globuli bianchi con granuli tossici, coagulazione del sangue difettosa e sanguinamento generalizzato associato (S. Ghalay 2009, osservazione non pubblicata)., In due casi, i cani che hanno attaccato un ratto crestato hanno impiegato settimane per riprendersi da sintomi gravi e invalidanti (M. Coverdale & T. Hobbs 2008, osservazioni inedite).

Questi rapporti e aneddoti dimostrano tutti che, sebbene ci sia poca o nessuna prova del ratto che perfora fisicamente qualsiasi tessuto, la sua difesa è sorprendentemente efficace contro i predatori di mammiferi più grandi. Gli adattamenti che impongono la deterrenza e i dettagli dei meccanismi coinvolti sono altrettanto sorprendenti.,

L’equivalente più vicino a questo fenomeno riportato fino ad oggi riguarda i ricci (Erinaceus europeus) che masticano le ghiandole parotidi dei rospi Bufo e spalmano la risultante miscela di saliva e veleno di rospo sulle sue spine . Mentre questo auto-annointing è noto tra i ricci per rendere le punture dalle spine del riccio più dolorose e irritanti, non vi è, ancora, alcuna prova per effetti letali/terminali sul predatore. L’effetto primario di tale comportamento e uso di sostanze sembra essere quello di aumentare il dolore e il disagio inflitto dalle spine., Nel caso di Lophiomys, non vi è alcuna prova che una risposta alle tossine dipenda da qualsiasi tipo di ferita. Il semplice contatto tra le mucose della bocca del predatore e la tossina nei peli del ratto sembrerebbe sufficiente a far precipitare i sintomi di avvelenamento acuto. Ulteriori ricerche possono rivelare una patologia per cui le cellule della membrana mucosa sono permeate direttamente senza la necessità di ferire effettivamente un aggressore. Ad esempio, la possibilità che la saliva di Lophiomys possa introdurre agenti facilitanti come i cardenolidi non polari merita un’indagine., A differenza del riccio, che si basa sulle sue spine sia per effetti deterrenti che punitivi, l’esposizione di Lophiomys a morsi dannosi sembrerebbe essere stata selezionata per una serie di strutture attenuanti. Questi includono un cranio corazzato, vertebre ingrossate e pelle densa e spessa, oltre a un comportamento senza paura, il che implica la dipendenza da una forma di deterrenza che deve essere estremamente rapida per non essere costantemente più costosa e pericolosa per la preda che per il predatore.,

anche se il lordo struttura di fianco capelli è stato descritto in condizioni di bassa potenza microscopia, e la sua possibile funzione discusso , alcune caratteristiche più dettagliata della microstruttura di questi peli sotto il microscopio elettronico a scansione (SEM) furono descritti da Stoddart , che, come Kingdon , suggerito che i capelli potrebbe essere adattato per assorbire le secrezioni da un apparente‘, cintura di tessuto ghiandolare frange sia sopra che sotto da brevi rigida peli’ che si trovano ‘alla base della cresta e si estendono tutta la sua lunghezza ” (p. 552 )., La caratterizzazione generale dei peli dorsali sopra i tratti dei capelli del fianco come una “cresta” è fuorviante in quanto i capelli densi e lunghi crescono sulla maggior parte del corpo. Un Lophiomys eccitato è più appropriatamente descritto come ‘separando’ la pelliccia lungo i fianchi, piuttosto che’alzando la cresta’. Inoltre, i peli del fianco specializzati non “frange” una presunta area ghiandolare, ma sono, invece, densamente ma vagamente radicati in un tratto a forma di foglia di pelle apparentemente differenziata che si assottiglia da dietro le orecchie per terminare sopra l’angolo pelvico-femorale., Notando la struttura univocamente complessa dei peli dei fianchi di Lophiomys, Stoddart suggerì che gli odori pungenti potessero servire a proteggere l’animale dai predatori. Per il naso umano, Lophiomys non ha un forte odore e nei cani non è stato segnalato alcun segno di scoraggiamento fino a quando non è stato effettuato un contatto orale effettivo con il ratto. Ciò implica che l’assenza di spunti olfattivi e la deterrenza devono essere apprese dal predatore dal contatto diretto con il ratto o da individui che osservano le reazioni di altri predatori.,

Morfologia dei capelli

Mentre le strutture ghiandolari sottostanti il tratto laterale devono ancora essere dimostrate, è necessaria una descrizione più esatta e dettagliata dei peli, specialmente alla luce della loro ormai nota funzione di ritenzione delle tossine. Abbiamo studiato la struttura e la funzione dei peli altamente specializzati del ratto crestato in questo contesto. Invece di crescere alla base mal definita di una “cresta”, i peli crescono lungo due linee laterali che attraversano i fianchi (figura 1a)., L’animale espone questi tratti di peli un po ‘ più corti (media 28 mm, gamma 18-32 mm) per mezzo di muscoli dermici appositamente modificati (figura 1b). Questi muscoli erigono la lunga pelliccia dell’animale (media 46 mm, gamma 38-52 mm ed esternamente grigia) verso l’alto sopra la linea laterale, mentre contemporaneamente deviano la pelliccia verso il basso sotto la linea laterale.

I capelli vengono separati non solo in risposta al disturbo, ma anche per consentire all’animale di applicare veleno ai peli del fianco specializzati., Una volta presentati con pezzi di ramo e radice di Acokanthera, abbiamo osservato un ratto crestato selvatico vivente per rosicchiare e masticare la corteccia e selettivamente ‘schiavizzare’ la pelliccia laterale tra ripetuti attacchi di rosicchiare e masticare. Tale masticazione sembra liberare l’ouabain dalla corteccia e mescolarlo con la saliva per formare un colloide grossolano, che viene poi applicato specificamente solo ai peli della linea laterale. Frammenti di corteccia che cadono a terra mentre si applica il colloide vengono accuratamente raccolti e masticati di nuovo., Per un periodo di 5 giorni, sono stati osservati tre brevi periodi separati di masticazione della corteccia, seguiti dall’applicazione del colloide. Questo individuo ha ignorato le foglie e il frutto verde crudo di Acokanthera sia come cibo che come materiale per la masticazione. Altri individui sono stati visti attentamente ‘sposo’ loro tratti di capelli fianco, ma in assenza di qualsiasi materiale vegetale e senza alcun stimolo evidente.

Quando è rilassato, la lunga pelliccia grigia copre i tratti della linea laterale e, in larga misura, protegge i tratti dalla luce e respinge la pioggia moderata., Se le tossine nei peli della linea laterale sono affatto sensibili alla luce o solubili in acqua, come sembra probabile, allora l’isolamento da entrambi gli elementi può essere altrettanto importante per i capelli lunghi come mantenere il roditore caldo o renderlo meno cospicuo.

Abbiamo esaminato la struttura dei peli della linea laterale sia al microscopio elettronico leggero che al SEM, e abbiamo scoperto che i capelli esemplificano un’ottimizzazione e un’economia di struttura uniche ed eccezionali per il sequestro e la consegna delle tossine ., La porzione centrale di ciascun albero principale sviluppa un sottile ma robusto cilindro esterno perforato da abbondanti vacuoli (figura 2). Questo cilindro perforato racchiude fili fibrillari che rimangono per lo più separati, ma possono aderire l’uno all’altro o al cilindro esterno lungo brevi tratti. Queste lunghe fibrille sono numerose e agiscono cumulativamente come uno’ stoppino’, come abbiamo dimostrato (figura 2d) e osservato con il nostro esemplare in cattività. Infatti, quando il colloide viene applicato sui capelli, si può osservare un capovolgimento quasi istantaneo dalla lucentezza riflettente all’invisibilità opaca, che suggerisce un rapido assorbimento., Nel materiale supplementare elettronico, un breve filmato dimostra tale assorbimento attraverso un’azione capillare lungo l’interno di ciascun cilindro capillare (materiale supplementare elettronico, video S1). Una volta che un capello è diventato saturo, il colloide sembra asciugarsi come una secrezione semi-viscosa (figura 2a). Il reticolo aperto dei peli assicura che i peli elaborati o “curati” non possano essere toccati senza contattare il colloide/secrezione velenoso.

Oltre 120 anni fa, Arnaud estrasse e isolò ouabain, un glicoside cristallino dalla corteccia e dalle radici dell’albero di Acokanthera. Usato per avvelenare le frecce in Somaliland, è diventato famoso come l’arma preferita dai cacciatori di elefanti dell’Africa orientale . Per più di due secoli, l’estratto di corteccia ha anche trovato uso come trattamento clinico contro l’insufficienza cardiaca congestizia . L’attività di Ouabain, come per tutti i glicosidi cardiaci, deriva dalla sua capacità di inibire la Na+/K+-ATPasi, aumentando così notevolmente la forza delle contrazioni muscolari cardiache .,

Contenuto dei capelli

La nostra spettroscopia a infrarossi a trasformata di Fourier (FT-IR) studio pilota dei composti trovati all’interno dei capelli suggerisce fortemente la presenza di ouabain (figura 3). In particolare, ouabain sembra essere il principio attivo trasferito dalla corteccia ai capelli poiché i nostri spettri avevano picchi forti a 1530, 916, 880 e 796 cm−1 e mancavano di picchi più tipici dell’acovenoside, che è un altro composto tossico a volte trovato nella corteccia di Acokanthera., Inoltre, i nostri spettri hanno mostrato firme indicative di composti aggiuntivi come lignine o tannini, suggerendo che un’indagine più dettagliata potrebbe chiarire un sistema di estrazione naturale selettivo guidato dal comportamento masticatorio dei ratti e dalla chimica salivare. È importante sottolineare che gli spettri FT-IR della corteccia di Acokanthera e dei composti nella parte attiva dei capelli di Lophiomys sono molto simili. Ciò conferma la nostra asserzione che i composti slathered sulla pelliccia laterale-linea del ratto hanno derivato dalla corteccia di Acokanthera.,

Mentre la chiave per la sua tossicità unica, i peli della linea laterale altamente modificati del ratto crestato non sono la sua unica modifica morfologica interessante. Ad esempio, uno studio sul cranio dell’animale suggerisce che il contatto diretto con i predatori ha selezionato una schermatura extra del cervello (figura 4)., Il cranio ha invitato un confronto con la testa corazzata di una tartaruga e ha guadagnato una presunta sottospecie il nome L. i. testudo. I margini del frontale, squamoso e parietale si sono estesi intorno all’orbita e sopra il cranio per creare un “casco cranico”, mentre i “brufoli” ossei densi (osteoblasti rugosi) si estendono sopra il ponte del naso e la maggior parte delle superfici esterne dell’occipite. Queste caratteristiche craniche sono uniche tra i roditori., Un’elaborazione superficialmente simile si verifica nella regione zigomatica della paca Agouti paca, dove una posizione attorno alla cavità buccale supporta l’ipotesi che questa abbia più una funzione acustica che protettiva. Al contrario, l’elaborazione ossea nei teschi di Lophiomys copre o circonda i tessuti solidi, il cervello, i passaggi nasali, gli occhi e i muscoli temporali.

Altri adattamenti

Inoltre, ci sono altre interessanti modificazioni macro-morfologiche associate alla tossicità del ratto. Ad esempio, l’animale ha un derma insolitamente denso, duro e strutturato, che può essere interpretato come predatore selezionato. La pelle è resistente a tutti, ma il più acuto dei denti, artigli o becchi., La pelle fresca di un esemplare di Lophiomys ha mostrato lividi coerenti con il ratto che era stato precedentemente azzannato dai cani, ma i denti dei cani non erano in grado di penetrare nel derma duro o i cani hanno desistito prima che i loro denti potessero lacerarsi. Le specializzazioni specie-specifiche includono una colonna vertebrale allungata con tre vertebre toraciche extra e una vertebra lombare extra che formano una spina dorsale eccezionalmente robusta e flessibile. Tutte le vertebre hanno ingrandito i corpi e le spine corte (figura 1c)., La clavicola è altamente atrofizzata, consentendo alle ampie scapole un’eccezionale mobilità, possibilmente migliorando la protezione del collo e del torace anteriore. Uno stomaco eccezionalmente grande e debolmente sacculato è unico tra i roditori , il che implica una fisiologia complessa per la lavorazione del materiale vegetale, simile a quella di un fermentatore di forestomach che digerisce le fibre. Tuttavia, una tale conclusione sarebbe viziata dal fatto che le parti di piante facilmente digeribili sono la principale fonte di nutrimento . L’osservazione che gli alimenti non fibrosi sono la norma è stata confermata da un’ampia analisi delle feci in natura (J., Kingdon 2010, osservazione inedita). Ciò potrebbe implicare altre funzioni, ancora sconosciute, per il tratto digestivo di Lophiomys. Dato che notevoli quantità di materiale molto velenoso entrano frequentemente nella bocca del roditore, anche se temporaneamente, è plausibile che la disintossicazione possa essere tra le specializzazioni del tratto digestivo di Lophiomys.

Forse, una chiave per futuri studi sulla capacità dell’animale di affrontare la tossicità della corteccia di Acokanthera per la propria salute sono le ghiandole salivari dei ratti crestati, che sono insolitamente grandi per il loro taxon., Poiché la saliva di alcuni mammiferi produce proteine che si legano ai polifenoli vegetali, è possibile che le secrezioni salivari di Lophiomys siano adattate per aumentare o elaborare ouabain (e possibilmente altre tossine vegetali) in modi significativi ma attualmente sconosciuti, tra cui il miglioramento della capacità della tossina di permeare le cellule. Tra alcuni invertebrati insensibili alla ouabaina, la posizione di un sito di legame alla ouabaina sulla sequenza del DNA è stata ridotta a una singola sostituzione aminoacidica (asparagina per istidina) alla posizione 122 del gene Na+/K+-ATPasi α-subunità ., Forse, un adattamento simile impedisce a ouabain di danneggiare le funzioni cellulari del ratto. L’ingestione di ouabain in bocca non presenta alcun rischio visibile per il ratto, ma quale ruolo le ghiandole salivari (o il tratto digestivo) giocano in questa immunità rimane da chiarire. Una volta che i fondamenti fisiologici e genetici dell’immunità di Lophiomys sono completamente compresi, ci potrebbero essere implicazioni per le applicazioni molecolari o farmacologiche nelle terapie mediche umane.,

In termini di comprensione dell’evoluzione a lungo termine dei capelli specializzati, una recente filogenesi ha identificato quattro principali suddivisioni muroidi e assegnato a Lophiomys un proprio lignaggio vicino alla divergenza tra Gerbillinae e Murinae. Tra i primi c’è una radiazione distinta di proto-gerbilline con peli modificati: i topi spinosi (Acomys), i ratti link (Deomys) e i topi a pelo pennello (Lophuromys)., Mentre nessuna affinità molto stretta tra questi generi e Lophiomys può essere prevista, solleva la possibilità che l’elaborazione incrementale di peli dorsali o laterali possa avere origini evolutive molto antiche , in particolare se si può dimostrare un vantaggio selettivo in relazione ai predatori, come facciamo qui per Lophiomys.

Conclusioni

La nostra conferma della tossicità per acquisizione in Lophiomys suggerisce che la suite superficialmente casuale di peculiarità che abbiamo elencato può essere spiegata come adattamenti collegati dal filo evolutivo della selezione dei predatori., Senza l’aumento regolare delle tossine ai fianchi, un cranio a baldacchino, un derma denso e uno scheletro rinforzato sarebbero tutti insufficienti per scoraggiare i predatori. Sia per il ratto che per il predatore, il modello di fianco audace (e memorabile) rappresenta un segnale costoso . Costi significativi per Lophiomys suggerirebbero che la sopravvivenza del ratto continuerà a contare su forniture prontamente disponibili di ouabain all’interno della gamma delle specie Apocynacae dell’Africa nord-orientale.,

Mentre i dettagli di questa straordinaria relazione tra mammiferi e piante richiedono ulteriori lavori sul campo e in laboratorio, le nostre osservazioni esemplificano il potere della predazione di selezionare difese molto insolite nelle specie di prede e, in questo caso, sorprendente integrazione di una grande serie di comportamenti con strutture complesse. Il comportamento del ratto in presenza di un predatore indirizza l’attenzione e l’attacco di quest’ultimo verso un’area specifica ben pubblicizzata, dove attende una sorpresa dolorosa e velenosa., La modifica microstrutturale dei peli che crescono all’interno di questa specifica area (presumibilmente evoluta da piccoli incrementi) consente loro di fungere da recipienti eccezionalmente efficienti per il veleno auto-applicato. Allo stesso modo, l’adattamento chimico della saliva e dei tessuti probabilmente massimizza la deterrenza al predatore, evitando o riducendo al minimo l’autolesionismo dalle tossine. Infine, le modifiche macrostrutturali di elementi separati dell’anatomia di tutto il corpo (pelle e scheletro) si sono evolute per rendere più probabile la sopravvivenza attirando e poi “gestendo” i morsi di un predatore.,

Riepilogo dei metodi

La microscopia è stata eseguita utilizzando un microscopio da dissezione Olympus SZ40 con una fotocamera digitale Canon A640. I campioni per gli studi SEM sono stati rivestiti utilizzando un target AuPd per 180 s (risultando in uno strato di 6-10 nm) e ripresi utilizzando un Neoscopio Jeol (Nikon, UK) sotto alto vuoto a 10 o 15 keV.

Per l’acquisizione degli spettri, abbiamo utilizzato uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier Nicolet 6700 dotato di un rilevatore MCT-A raffreddato ad azoto liquido e di un singolo accessorio ATR (Bounce diamond Attenuated Total Reflectance) (Thermo Electron Corp.,, Madison, WI, Stati Uniti d’America). Gli spettri sono stati acquisiti con una risoluzione di 4 cm−1 da 6000 a 500 cm-1 utilizzando un’apodizzazione Happ-Genzel, una correzione di fase Metz e nessun riempimento zero. Gli spettri sono stati ottenuti da una media di 64 scansioni a 5,0632 cm di velocità dello specchio s−1. Tutte le operazioni spettrali sono state eseguite utilizzando Omnic 7.3 (Thermo Scientific, Madison, WI, USA). Gli spettri non erano né deconvolti né smussati; l’unica correzione applicata era un offset a 4000 cm-1 e una normalizzazione dell’intensità. Gli spettri di ouabain e acovenoside sono stati registrati da un film sottile gettato da una soluzione acquosa sul cristallo ATR., Abbiamo ottenuto lo spettro di estratto di corteccia di Acokanthera immergendo la corteccia in acqua demineralizzata a 70 ° C per 10 h prima di gettare la soluzione sul cristallo ATR. L’estratto di capelli di Lophiomys imhausi è stato preparato lavando diversi capelli con acqua demineralizzata. Entrambi gli estratti sono stati purificati utilizzando filtri di dimensione dei pori da 0,2 µm sotto vuoto. Spettri di capelli non lavati e lavati sono stati acquisiti premendo direttamente diverse parti di peli del campione con un’incudine sul cristallo ATR.,

Note a piè di pagina