Introdução

Desde a descoberta do Africano crested rat, Lophiomys imhausi , adaptável ao significado de roedores especializações, nomeadamente a sua peculiar coloração e geralmente lento comportamento, escapou explicação satisfatória ., The ability to expose a bold black and white fur pattern has invited speculation about mimicry of spiny porcupines Hystricidae or skunk-like zorillas Ictonyx striatus (Mustelidae). De fato, Lophiomys tem sido mantido para exemplificar um raro exemplo de mimetismo batesiano entre mamíferos com o zorilla como um modelo . Embora seja possível que uma face emparelhada e listras do flanco possam ter semelhança suficiente com o padrão de zorilla para deter alguns predadores, Lophiomys é provavelmente uma cópia muito pobre do zorilla para se qualificar como seu mímico., Além disso, é geralmente ignorado que o rato-de-crista é normalmente discreto e que o seu longo pêlo de ponta cinzenta envolve completamente o seu corpo (figura 1). Seus flancos negros e brancos só são expostos quando o animal é perturbado ou excitado.

a crença de que Lophiomys é venenosa há muito tempo que existe no Quénia . De particular interesse é um trato de cabelos que são de estrutura única., Nós confirmamos a sugestão de que este trato de Pelos pode adquirir propriedades tóxicas e afirmamos aqui que eles, juntamente com outras adaptações comportamentais, morfológicas e anatômicas especializadas, levaram a uma defesa poderosa, altamente incomum para um mamífero. A queima da pele é desencadeada por interferência externa ou ataque ao animal, após o que a faixa branca e preta dos cabelos mais longos em ambos os lados da linha de efeitos laterais contornos do trato em um desenho “alvo” branco e preto., Um rato agravado puxa sua cabeça para trás em seus ombros e vira seu trato inflamado em direção ao seu adversário como se ativamente solicitando um ataque. Esta exibição pode ou não ser acompanhada por vocalizações.um complexo de traços defensivos no rato crista teria evoluído contra predadores naturais; no entanto, observações mais confiáveis sobre sua eficiência e eficácia vieram de inúmeros relatos de encontros com cães domésticos. Um cão, ao ver um rato crista após o primeiro ter sobrevivido a um encontro de quase morte, mostrou todos os sinais de aversão temível (P., Bengough 2010, observação não publicada). Várias descrições de sintomas exibidos por cães que morderam Lophiomys variar de leve a falta de coordenação, boca-a formação de espuma e sinais de aflição geral colapso e morte rápida, aparentemente de insuficiência cardíaca (M. Coverdale 2008, observações não publicadas). Uma autópsia de um cão envenenado descreveu membranas mucosas pálidas e glóbulos brancos com grânulos tóxicos, coagulação defeituosa do sangue e hemorragia generalizada associada (S. Ghalay 2009, observação não publicada)., Em dois casos, cães que foram vistos ter atacado um rato crista levou semanas para se recuperar de sintomas graves e incapacitantes (M. Coverdale T. Hobbs 2008, observações não publicadas).estes relatórios e anedotas demonstram que, embora haja pouca ou nenhuma evidência do rato furar fisicamente qualquer tecido, a sua defesa é surpreendentemente eficaz contra predadores de mamíferos maiores. As adaptações que impõem a dissuasão e os pormenores dos mecanismos envolvidos são igualmente surpreendentes.,

O mais próximo equivalente a este fenómeno relatado até à data diz respeito aos ouriços (Erinaceus europeus) que mastigam as glândulas parótidas de Bufo sapos e arrastam a mistura resultante de saliva e veneno de sapo para as suas espinhas . Embora esta auto-unção seja conhecida entre os ouriços para fazer carrapatos dos espinhos de ouriço mais dolorosos e irritantes, não há, até agora, nenhuma evidência de efeitos letais/terminais sobre o predador. O efeito primário de tal comportamento e uso de substâncias parece ser o aumento da dor e desconforto infligido pelas espinhas., No caso de Lophiomys, não há evidência de que uma resposta às toxinas seja dependente de qualquer tipo de ferida. O mero contacto entre as membranas mucosas da boca do predador e a toxina nos cabelos do rato parece suficiente para precipitar sintomas de intoxicação aguda. Outras pesquisas podem revelar uma patologia através da qual as células mucosas da membrana são permeadas diretamente sem a necessidade de realmente ferir um agressor. Por exemplo, a possibilidade de que a saliva de Lophiomys possa introduzir agentes facilitadores como cardenolides não polares merece investigação., Ao contrário do ouriço, que depende de seus espinhos para efeitos dissuasivos e punitivos, a exposição de Lophiomys a mordidas prejudiciais parece ter selecionado para um conjunto de estruturas atenuantes. Estes incluem blindados crânio, ampliada vértebras, e densa e espessa da pele, além de ser destemido comportamento, tudo o que implica a dependência de uma forma de dissuasão, que deve ser extremamente rápido de ação, a fim de não ser consistentemente mais caro e perigoso para a presa do que para o predador.,

Embora a estrutura bruta de flanco cabelos tem sido descrito em condições de pouca potência, microscopia, e a sua possível função discutidas , alguns mais detalhados características da microestrutura desses cabelos em microscópio eletrônico de varredura (MEV) foram descritas pela primeira vez por Stoddart , que, como Kingdon , sugeriu que os cabelos podem ser adaptadas para absorver secreções de um aparente ‘cinto de tecido glandular franja ambos acima e abaixo, curta dura cabelos’ que estão ‘na base do escudo, e estender a todo o seu comprimento” (p. 552 in )., A caracterização geral do cabelo dorsal acima do flanco dos cabelos como uma “crista” é enganosa, uma vez que o cabelo longo e denso cresce sobre a maior parte do corpo. Um Lophiomys excitado é mais apropriadamente descrito como “separar” o pelo ao longo de seus flancos, em vez de “elevar sua crista”. Além disso, os pelos especializados do flanco não “franjas” uma suposta área glandular, mas são, em vez disso, densamente, mas vagamente enraizada em um trato em forma de folha de pele aparentemente diferenciada que se espalha para longe de trás das orelhas para terminar sobre o ângulo pélvico-femoral., Observando a estrutura única e complexa dos pelos flancos de Lophiomys, Stoddart sugeriu que odores pungentes poderiam servir para proteger o animal dos predadores. Para o nariz humano, Lophiomys não tem um cheiro forte e os cães não mostram sinais de ser dissuadidos até que o contacto oral real com o rato tenha sido feito. Isto implica que a ausência de sinais olfativos e a dissuasão devem ser aprendidas pelo predador a partir do contato direto com o rato ou de indivíduos observando as reações de outros predadores.,ainda que as estruturas glandulares subjacentes ao tracto flanco ainda não tenham sido demonstradas, é necessária uma descrição mais precisa e detalhada dos pêlos, especialmente à luz da sua função conhecida de retenção de toxinas. Investigamos a estrutura e função dos cabelos altamente especializados do rato-crista neste contexto. Em vez de crescer na base mal definida de uma ‘crista’, Os pêlos crescem ao longo de duas linhas laterais que atravessam os flancos (figura 1a)., O animal expõe estes traços de cabelo um pouco mais curto (média de 28 mm, Intervalo de 18-32 mm) através de músculos dérmicos especialmente modificados (figura 1b). Estes músculos erguem o comprimento do animal (média de 46 mm, Alcance de 38-52 mm e cinzento externo) para cima acima da linha lateral, enquanto simultaneamente desviam a pele para baixo abaixo da linha lateral.

O cabelo é dividido não só em resposta a perturbações, mas também para permitir que o animal para aplicar veneno para os pêlos do flanco especializados., Quando presenteados com pedaços de ramo e raiz de Acokanthera, observamos um rato de crista Selvagem vivo a roer e mastigar a casca e seletivamente “esclavagista” o pêlo lateral entre repetidos golpes de roer e mastigar. Tal masticação parece libertar o ouabain da casca e misturá-lo com saliva para formar um colóide grosseiro, que é então aplicado especificamente apenas aos pelos laterais. Fragmentos de casca que caem no chão ao aplicar o colóide são cuidadosamente recolhidos e mastigados novamente., Ao longo de um período de 5 dias, três pequenas batidas separadas de mastigação da casca, seguidas pela aplicação do colóide, foram observadas. Este indivíduo ignorou folhas e frutos verdes crus de Acokanthera tanto como alimento e como material para mastigação. Outros indivíduos têm sido vistos cuidadosamente “pentear” seus cabelos flancos, mas na ausência de qualquer material vegetal e sem qualquer estímulo óbvio.quando a pele cinzenta, descontraída e longa, cobre as faixas laterais e, em grande medida, protege as faixas da luz e repele a chuva MODERADA., Se as toxinas nos pêlos laterais são sensíveis à luz ou solúveis em água, como parece provável, então o isolamento de ambos os elementos pode ser um papel tão importante para o cabelo longo como manter o roedor quente ou torná-lo menos conspícuo.examinamos a estrutura dos cabelos de linha lateral sob microscópio eletrônico leve e SEM, e descobrimos que o cabelo exemplifica uma otimização única, excepcional e economia de estrutura para sequestração e entrega de toxinas ., A porção central de cada eixo principal desenvolve um cilindro exterior fino, mas forte, perfurado por vacúolos abundantes (Figura 2). Este cilindro perfurado envolve fios fibrilares que permanecem na maior parte separados, mas podem aderir uns aos outros ou ao cilindro exterior ao longo de trechos curtos. Estas longas fibrilas são numerosas e actuam cumulativamente como um pavio, como demonstrámos (figura 2d) e observámos com o nosso espécime em cativeiro. Na verdade, como o colóide é aplicado ao cabelo, pode-se observar uma inversão quase instantânea do brilho reflexivo à invisibilidade opaca, o que sugere uma rápida absorção., No material suplementar eletrônico, uma curta-metragem demonstra essa absorção através da ação capilar ao longo do interior de cada cilindro de cabelo (material suplementar Eletrônico, Vídeo S1). Uma vez que um cabelo fica saturado, o colóide parece secar como secreção semi-viscosa (figura 2a). A estrutura aberta dos pêlos garante que os pêlos processados ou “preparados” não podem ser tocados sem entrar em contacto com o venenoso colóide/secreção.

há mais de 120 anos, Arnaud extraiu e isolou ouabain, um glicosídeo cristalino da casca e raízes da árvore Acokantera. Usado para envenenar flechas na Somalilândia, tornou-se famosa como a arma de eleição pelos caçadores de elefantes da África Oriental . Por mais de dois séculos, o extrato de casca também encontrou uso como um tratamento clínico contra a insuficiência cardíaca congestiva . A actividade de Ouabain, tal como para todos os glicosídeos cardíacos, provém da sua capacidade de inibir a Na+/K+-ATPase, aumentando assim grandemente a força das contracções musculares cardíacas .,o estudo piloto de espectroscopia de infravermelhos (FT-IR) dos compostos encontrados no interior dos pêlos sugere fortemente a presença de ouabain (Figura 3). Especificamente, ouabain parece ser o ingrediente ativo transferido da casca para o cabelo como nossos espectros tinham picos fortes em 1530, 916, 880 e 796 cm−1 e faltava picos mais típicos para acovenoside, que é outro composto tóxico às vezes encontrado na casca de Acokanthera., Além disso, os nossos espectros mostraram assinaturas indicativas de compostos adicionais, tais como linhinas ou taninos, sugerindo que uma investigação mais detalhada é susceptível de elucidar um sistema de extracção natural selectivo impulsionado pelo comportamento masticatório dos ratos e pela química salivar. Importante, os espectros FT-IR da casca Acokanthera e dos compostos na parte ativa do cabelo Lophiomys são muito semelhantes. Isto confirma a nossa afirmação de que os compostos penetraram no pêlo lateral do rato derivado da casca de Acokanthera.,

embora a chave para a sua toxicidade única, os pelos de linha lateral altamente modificados do rato cristado não são a sua única modificação morfológica interessante. Por exemplo, um estudo do crânio do animal sugere que o contato direto com predadores selecionou para proteção extra do cérebro (Figura 4)., O crânio convidou uma comparação com a cabeça blindada de uma tartaruga e ganhou uma suposta subespécie o nome L. I. testudo. As margens do frontal, esquamosal e parietal estenderam-se em torno da órbita e sobre o crânio para criar um “capacete craniano”, enquanto as espinhas ósseas densas (osteoblastos rugosos) estendem-se sobre a ponte do nariz e a maioria das superfícies externas do occipital. Estas características cranianas são únicas entre os roedores., Superficialmente, a elaboração similar ocorre na região zigomática do paca Agouti paca, onde uma posição em torno da cavidade bucal suporta a hipótese de que este tem mais de uma função acústica do que de proteção. Em contraste, a elaboração óssea em crânios de Lophiomys cobre ou envolve tecidos sólidos, o cérebro, vias nasais, olhos e músculos temporais.

outras adaptações

além disso, existem outras modificações macro-morfológicas interessantes associadas à toxicidade do rato. Por exemplo, o animal tem uma derme invulgarmente densa, resistente e com texturas próximas, que pode ser interpretada como predador-selecionado. A pele é resistente a todos, com exceção dos dentes, garras ou bicos mais afiados., A pele fresca de um espécime de Lophiomys mostrou contusões consistentes com o rato ter sido previamente atacado por cães, mas os dentes dos cães foram incapazes de penetrar a derme dura ou os cães desistidos antes de seus dentes poderiam rasgar. Especializações específicas da espécie incluem uma coluna vertebral alongada com três vértebras torácicas extras e uma vértebra lombar extra formando uma espinha dorsal que é excepcionalmente robusta e flexível. Todas as vértebras aumentaram os corpos e os espinhos curtos (figura 1c)., A clavícula é altamente atrofiada, permitindo à escápula larga mobilidade excepcional, possivelmente aumentando a proteção do pescoço e do tórax anterior. Um estômago excepcionalmente grande e fracamente sacculado é único entre os roedores , implicando uma fisiologia complexa para o processamento de material vegetal , semelhante ao de um fermentador de forestomach de digestão de fibras. No entanto, tal conclusão seria viciada pelo facto de as partes de plantas facilmente digeridas serem a principal fonte de nutrição . A observação de que os alimentos não fibrosos são a norma foi confirmada a partir de uma análise extensa das fezes no estado selvagem (J., Kingdon 2010, unpublished observation). Isto poderia implicar outras, ainda desconhecidas, funções para o trato digestivo de Lophiomys. Dado que quantidades substanciais de material muito venenoso entram frequentemente na boca do roedor, embora temporariamente, é plausível que a desintoxicação possa estar entre as especializações do trato digestivo de Lophiomys.possivelmente, uma chave para futuros estudos da capacidade do animal para lidar com a toxicidade da casca de Acokanthera para a sua própria saúde é as glândulas salivares de ratos cristados, que são invulgarmente grandes para o seu táxon., Como a saliva de alguns mamíferos produz proteínas que se ligam aos polifenóis vegetais, é possível que as secreções salivares de Lophiomys sejam adaptadas para aumentar ou processar ouabain (e possivelmente outras toxinas vegetais) de formas significativas, mas atualmente desconhecidas, entre elas o aumento da capacidade da toxina para permear as células. Entre alguns invertebrados insensíveis de ouabain, a localização de um local de ligação de ouabain na sequência de ADN foi reduzida a uma única substituição de aminoácidos (asparagina para histidina) na posição 122 do gene na+/K+-ATPase α-subunit ., Possivelmente, alguma adaptação semelhante impede ouabain de danificar as funções celulares do rato. A ingestão de ouabain na boca não apresenta riscos visíveis para o rato, mas o papel que as glândulas salivares (ou trato digestivo) desempenham nesta imunidade permanece por esclarecer. Uma vez que os fundamentos fisiológicos e genéticos da imunidade de Lophiomys são totalmente compreendidos, pode haver implicações para aplicações moleculares ou farmacológicas em terapias médicas humanas.,

em termos de compreensão da evolução a longo prazo do cabelo especializado, uma filogenia recente identificou quatro grandes subdivisões muroidas, e atribuiu a Lophiomys sua própria linhagem perto da divergência entre Gerbillinae e Murinae. Entre os primeiros está uma radiação distinta de proto-gerbilinas com cabelo modificado: os ratos espinhosos (Acomys), ratos de ligação (Deomys) e ratos de escovas (Lophuromys)., Embora não muito estreita afinidade entre esses gêneros e Lophiomys pode ser previsto, ele levanta a possibilidade de que incremental elaboração de dorsal ou flanco de cabelo pode ter muito antigas origens evolutivas , particularmente se a vantagem seletiva em relação aos predadores pode ser mostrado, como nós fazemos aqui para Lophiomys.

Conclusões

a Nossa confirmação de toxicidade por aquisição em Lophiomys sugere que o superficialmente aleatório conjunto de peculiaridades que temos listados podem ser explicadas como adaptações ligados por evolutivo segmento de predador seleção., Sem o aumento regular de toxinas nos flancos, um crânio canopiado, densa derme e esqueleto reforçado seriam insuficientes para deter predadores. Tanto para o rato como para o predador, o arrojado (e memorável) padrão flanco representa um sinal dispendioso . Custos significativos para Lophiomys sugerem que a sobrevivência do rato continuará a depender de suprimentos prontamente disponíveis de ouabain dentro da Gama de espécies apocynacae do Nordeste Africano.,embora os detalhes desta extraordinária relação entre mamífero e planta requeiram mais trabalho de campo e de laboratório, as nossas observações exemplificam o poder da predação de selecionar para defesas muito incomuns em espécies de presas e, neste caso, a surpreendente integração de um grande conjunto de comportamentos com estruturas complexas. O comportamento do rato na presença de um predador direciona a atenção deste último e o ataque para uma área específica bem publicitada, onde uma surpresa dolorosa e venenosa espera., A modificação Micro-estrutural dos pêlos que crescem dentro desta área específica (presumivelmente evoluído por pequenos incrementos) permite-lhes servir como recipientes excepcionalmente eficientes para veneno auto-aplicado. Da mesma forma, a adaptação química da saliva e tecidos provavelmente maximiza a dissuasão para o predador, evitando ou minimizando o auto-dano das toxinas. Finalmente, modificações macro-estruturais de elementos separados da anatomia de todo o corpo (pele e esqueleto) evoluíram para tornar a sobrevivência mais provável atraindo e, em seguida, “gerenciando” as mordidas de um predador.,

métodos resumo

Microscopia foi realizada usando um microscópio de dissecação de Olympus SZ40 com uma câmera digital Canon A640. As amostras para estudos SEM foram revestidas utilizando um alvo AuPd para 180 s (resultando numa camada de 6-10 nm) e fotografadas utilizando um Neoscópio Jeol (Nikon, Reino Unido) sob alto vácuo a 10 ou 15 keV.para aquisição de espectros, usámos um espectrómetro infravermelho de transformada de Fourier Nicolet 6700, equipado com um detector MCT arrefecido a nitrogénio líquido, juntamente com um único diamante reflectância total atenuado (ATR) acessório (termo Electron Corp.,, Madison, WI, USA). Os espectros foram adquiridos com resolução de 4 cm – 1 de 6000 a 500 cm−1 usando uma apodização Happ-Genzel, uma correção de fase Metz e sem enchimento zero. Os espectros foram obtidos a partir de uma média de 64 varreduras a 5.0632 cm de velocidade de espelho s−1. Todas as operações espectrais foram realizadas usando Omnic 7.3 (Thermo Scientific, Madison, WI, USA). Os espectros não foram desconvolvados nem suavizados; a única correção aplicada foi um deslocamento de 4000 cm−1 e uma normalização da intensidade. Os espectros ouabain e acovenoside foram gravados a partir de uma película fina de uma solução aquosa no cristal ATR., Obtivemos o espectro de extrato de casca de Acokanthera imergindo a casca em água desmineralizada a 70°C durante 10 h antes de fundir a solução no cristal ATR. Lophiomys imhausi hair extract foi preparado lavando vários cabelos com água desmineralizada. Ambos os extratos foram purificados usando filtros de tamanho de poros de 0,2 µm sob vácuo. Espectros de cabelo lavados e não lavados foram adquiridos pressionando diretamente diferentes partes de pêlos de espécimes com uma bigorna no cristal ATR.,

notas