Padrões complexos de circulação da hemolinfa nas asas do gafanhoto

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 313 (2023) Citar este artigo

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Os sistemas vivos de um inseto – circulação, respiração e um sistema nervoso ramificado – estendem-se do corpo até a asa. A circulação da hemolinfa nas asas é crítica para hidratar os tecidos e fornecer nutrientes aos sistemas vivos, como os órgãos sensoriais da asa. Apesar do papel crítico da circulação da hemolinfa na manutenção da função saudável das asas, as asas são frequentemente consideradas cutículas “sem vida” e os fluxos permanecem em grande parte não quantificados. A microscopia fluorescente de alta velocidade e o rastreamento de partículas da hemolinfa nas asas e no corpo do gafanhoto Schistocerca americana revelaram fluxo dinâmico em todas as veias das asas anteriores e posteriores. O sistema global forma um circuito, mas o comportamento do fluxo local é complexo, exibindo três tipos distintos: fluxo pulsátil, aperiódico e “vazante”. Os corações das asas torácicas puxam a hemolinfa da asa em frequências mais lentas do que o vaso dorsal; entretanto, a velocidade de retorno da hemolinfa (na asa posterior) é mais rápida do que no vaso dorsal. Para caracterizar a mecânica do fluxo interno da asa, mapeamos parâmetros de fluxo adimensionais através das asas, revelando regimes de fluxo viscoso. As asas sustentam comportamentos de insetos ecologicamente importantes, como polinização e migração. A análise do sistema circulatório das asas fornece um modelo para estudos futuros que investiguem a hemodinâmica crítica necessária para sustentar a saúde das asas e o voo dos insetos.

As asas dos insetos são muitas vezes consideradas cutículas mortas e sem vida, mas uma asa funcional e saudável está inextricavelmente ligada ao fluxo circulatório ativo interno1,2,3. A hemolinfa, o sangue de um inseto, serve para hidratar os tecidos, fornecer nutrientes aos sistemas nervoso e respiratório e circular as células envolvidas na função imunológica, proporcionando função fisiológica crítica em todos os insetos . Esses sistemas também se estendem e se ramificam na asa, necessitando de nutrição pela hemolinfa, como no corpo7,8. O fluxo da hemolinfa também está envolvido no desenvolvimento do inseto, servindo como ferramenta hidráulica durante o crescimento, metamorfose, eclosão e expansão das asas9,10. Dentro da própria asa, a circulação da hemolinfa é necessária para órgãos vivos e estruturas sensoriais11, como órgãos produtores de perfume nas asas de lepidópteros8 e milhares de pelos sensoriais distribuídos pelas asas de libélula6,12,13. Os tecidos estruturais incorporados nas veias das asas, como a resilina 14,15, dependem da hidratação da hemolinfa, proporcionando à asa viva e molhada propriedades mecânicas diferentes de uma asa seca e morta, demonstrando o papel essencial da circulação para o voo do inseto . Na verdade, sob dessecação, a resistência da cutícula do inseto diminui drasticamente17. No entanto, embora as propriedades estruturais e aerodinâmicas das asas dos insectos sejam relativamente bem estudadas18, os sistemas vivos internos dentro das asas - e o fluxo que os abastece - têm sido largamente ignorados, apesar da sua importância crítica para a ecologia e evolução dos insectos.

Algumas tendências gerais relativas à circulação nas alas são bem compreendidas. Em 14 ordens de insetos, existem dois padrões principais de fluxo em insetos em repouso: fluxo tortuoso (unidirecional: semelhante a um circuito) e fluxo de maré (bidirecional: em todas as veias ao mesmo tempo e depois para fora)7,19,20. As asas do mosquito, por exemplo, exibem um fluxo tortuoso dentro de suas minúsculas asas em escala milimétrica, impulsionado por um coração de asa torácica independente que puxa a hemolinfa da asa de forma pulsátil21. Os lepidópteros, por outro lado, demonstram fluxo de maré em algumas espécies; a mariposa Atlas gigante (Attacus atlas), com envergadura de 30 cm, usa múltiplos corações de asas torácicas, sacos aéreos torácicos e traqueias que se estendem até as veias para empurrar e puxar a hemolinfa através de todas as veias das asas19. Trabalhos recentes em lepidópteros menores revelaram fluxo de maré em uma espécie (Vanessa cardui), mas fluxo tortuoso em duas outras (Satyrium caryaevorus e Parrhasius m-album) com órgãos produtores de perfume em suas asas8, sugerindo que padrões de fluxo podem funcionar para atender estruturas específicas das asas .