Propriedades mecânicas, grau de esclerotização e composição elementar do moinho gástrico no lagostim vermelho do pântano Procambarus clarkii (Decapoda, Crustacea)

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17799 (2022) Citar este artigo

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O moinho gástrico de Decapoda é uma característica única, que compreende dentes, ossículos estabilizadores e cerdas de separação de partículas. Envolvida na fragmentação e classificação dos alimentos, essa estrutura serve como interface entre o organismo e seu ambiente. Como as propriedades do material complementam a morfologia e contêm informações sobre funções e preferências tróficas, fornecemos aqui uma base para pesquisas mais comparativas sobre moinhos gástricos. Para os componentes do moinho gástrico do lagostim vermelho do pântano adulto Procambarus clarkii, estudamos (a) a microestrutura por meio de microscopia eletrônica de varredura, (b) a composição elementar por espectroscopia de energia dispersiva de raios X, (c) as heterogeneidades nas propriedades do material e grau de bronzeamento (autofluorescência) por microscopia confocal de varredura a laser, e (d) as propriedades mecânicas dureza e elasticidade pela técnica de nanoindentação. A morfologia e a microestrutura foram previamente descritas para esta espécie, mas as propriedades mecânicas e a autofluorescência não foram estudadas anteriormente. Como epicutícula e exocutícula podem ser analisadas individualmente, gradientes de propriedade do material, com valores decrescentes da superfície de interação para o interior, podem ser determinados. Por fim, conseguimos relacionar os dados das propriedades mecânicas com a composição elementar e o grau de curtimento. Descobrimos que a epicutícula dos dentes está entre os materiais biológicos mais duros e rígidos em invertebrados devido à incorporação de altas proporções de silício.

Dentro dos Arthropoda, os crustáceos exibem, com cerca de 67.000 espécies descritas, uma extraordinária diversidade de planos corporais, o que lhes permitiu colonizar quase todos os habitats1. Isso é acompanhado pela capacidade de forragear uma variedade de tipos de alimentos com propriedades mecânicas distintas2,3 e pela evolução de apêndices especializados como mandíbulas, maxilas ou maxilípedes, que processam os alimentos mecanicamente2,4,5,6,7. Os Decapoda, além disso, desenvolveram um intestino anterior especializado e complexo, que compreende, além do esôfago, as câmaras cardíaca e pilórica do estômago. A câmara cardíaca armazena o alimento ingerido e, adicionalmente, fragmenta o alimento mecanicamente. Isso é feito por um conjunto complexo de ossículos estabilizadores e dentes em interação, denominados "moinho gástrico" [por exemplo, 8,9,10,11,12]. Após a fragmentação, as partículas de alimento são transportadas para a câmara pilórica, passando pelas válvulas cardiopilóricas, que funcionam como barreira e ossículo mastigatório4. A câmara pilórica é coberta por cerdas, que permitem que apenas partículas finas alcancem as glândulas do intestino médio e separem as mais grossas para o intestino posterior.

Com relação aos componentes do moinho gástrico, excelentes análises anatômicas, morfológicas e também elementares foram realizadas13,14,15,16. Adicionalmente, o moinho gástrico foi estudado à luz da determinação da idade17,18,19,20,21 e da comunicação22. Como esta parte do estômago é morfologicamente diversa23,24, desencadeou uma discussão em andamento25 até que ponto as formas dos componentes do moinho gástrico refletem adaptações aos itens alimentares e hábitos alimentares4,10,26,27,28,29,30,31, 32 ou restrições filogenéticas4,5,33,34,35.

As adaptações aos alimentos são, no entanto, refletidas não apenas pela morfologia das estruturas de manipulação de alimentos, mas também por suas propriedades materiais. Materiais biológicos são o resultado de uma evolução duradoura e geralmente compostos com heterogeneidades ou gradientes, que contribuem para a função [para revisão ver 36]. O conhecimento sobre as propriedades dos materiais complementa a morfologia e dá origem a uma compreensão profunda da função e também – quando as estruturas alimentares são estudadas comparativamente – das especializações tróficas. Para estruturas de alimentação de invertebrados, apenas poucos estudos comparando táxons múltiplos à luz da especialização trófica implementam tanto as propriedades do material quanto a morfologia [para dentes de mosca, ver 37; para trombas borboleta, ver38 e para dentes radulares, ver39,40,41,42,43.