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Micromechanics of mechanoreceptors in arthropods
Clemens Florian Schaber
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Friedrich G. Barth
DOI
10.25365/thesis.15966
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29564.93901.486460-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Dissertation umfasst sechs Manuskripte und Publikationen, die sich mit den grundlegenden mechanischen Ereignissen bei der Reizung, mit den cuticularen Strukturen, deren Materialeigenschaften, und im Speziellen mit der Umwandlung der mechanischen Reize auf dem Weg zu den Dendriten der Sinneszellen (Reiztransformation) unterschiedlicher Mechanorezeptoren der Spinne Cupiennius salei befassen. Die behandelten Rezeptortypen sind einerseits Haarsensillen, die durch die Bewegung ihres Haarschafts gereizt werden, und andererseits Spaltsensillen, die auf ihre Kompression infolge von Spannungen im Exoskelett reagieren. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen bei beiden Rezeptortypen ist der Vergleich von Propriorezeptoren, die für Bewegungen des Spinnenbeins bei der Lokomotion sensibel sind, und deren biologischer Einsatzbereich durch die Biomechanik des Beins begrenzt ist, mit exterorezeptiven Sensillen, die ein breites Spektrum unterschiedlicher Reizamplituden aus der Umwelt detektieren. Das erste Manuskript widmet sich direkt dem Vergleich eines propriorezeptiven Spaltsinnesorgans, das durch laterale Auslenkungen eines Beinglieds gereizt wird, mit einem exterorezeptiven Vibrationsrezeptor. Der Einsatzbereich des propriorezeptiven Organs wird durch die lineare Umwandlung der Reizkraft in die reizwirksame Spaltkompression gut abgedeckt. Beim Vibrationsrezeptor verläuft die Kraftumwandlung exponentiell, was zur Detektion unterschiedlicher und weitgehend unbekannter Vibrationsamplituden sinnvoll ist. Ein weiteres Manuskript behandelt die Materialeigenschaften einer viskoelastischen cuticularen Struktur, die diesem Vibrationsrezeptor auf dem Weg der Vibrationen vom Substrat vorgeschaltet ist, und die sich als effizienter mechanischer Filter für die biologisch relevanten Vibrationsfrequenzen erweist. Ein Manuskript befasst sich mit propriorezeptiven Haarsensillen, die für die Geschwindigkeit des Abbiegens eines Beingelenks sensibel sind. Bei diesem Sensillentypus sind die Eigenschaften der Haaraufhängung an die mechanischen Belastungen durch die Haarauslenkung infolge von Berührungen bei jedem Schritt der Spinne angepasst. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Haaraufhängung der hochempfindlichen Luftbewegungsdetektoren, der Trichobothrien, die reizwirksame Bewegung des Haares durch die winzigen Kräfte, die durch Reibung mit den Partikeln der Luft entstehen (Manuskript 4). Die mechanischen Eigenschaften der Haaraufhängung der Trichobothrien stellen eine Anpassung an den oszillierenden Charakter der biologisch relevanten Luftbewegungen dar. Die Ergebnisse zeigen, dass bei den unterschiedlichen Mechanorezeptoren durch scheinbar geringe Unterschiede der mechanischen Strukturen und des beteiligten Materials (Cuticula) eine hochgradige Anpassung an den jeweiligen biologischen Aufgabenbereich erreicht wird. Diese Feinabstimmung an die relevanten Reize zeigt sich auch deutlich an den sensorischen Antworteigenschaften bei adäquater Reizung.
Abstract
(Englisch)
This dissertation comprises six manuscripts and publications dealing with the basal mechanical events leading to the stimulation of different mechanoreceptors of the spider Cupiennius salei. The main focus is the transformation of the mechanical stimuli on their way to the dendrites of the sensory cells, the cuticular structures involved, and their specific material properties. The different types of mechanoreceptors are hair sensilla on the one hand, which are stimulated by the movement of their hair shaft, and slit sensilla on the other hand, which are stimulated by their compression as a consequence of strains in the exoskeleton. In both structural receptor types proprioreceptors sensible for movements of leg segments during locomotion are compared with receptors for environmental stimuli like vibrations and air flow. Whereas for the proprioreceptors the biological range of operation is limited by the biomechanics of the spider’s leg, in the exteroreceptors the stimulus amplitudes span a range of several powers of magnitude. One manuscript directly compares a proprioreceptive slit organ stimulated by lateral excursions of a leg segment with a highly sensitive exteroreceptive vibration slit sensor. The range of operation of the proprioreceptor is well covered by the linear transformation of the stimulus force to the sensory effective slit compression. In case of the vibration receptor the force transformation follows the stimulus amplitude exponentially, which is reasonable for the detection of different and widely unknown vibration amplitudes. Another manuscript deals with the material properties of a viscoelastic cuticular structure located on the way of the vibrations to the vibration receptor. By its viscoelastic material properties this cuticular structure represents an efficient mechanical filter for the biologically relevant vibration frequencies. A further manuscript addresses proprioreceptive hair sensilla sensitive for the velocity of flexion of a leg joint. Here the properties of the hair suspension are especially adapted to deal with the mechanical loads of hair deflection at every step of the spider walking. In contrast, the hair suspension of the highly sensitive air flow receptive hairs, the trichobothria, facilitates the sensory effective hair deflection by the minute forces of friction with the particles of moving air (manuscript 4). The mechanical properties of the hair suspension of the trichobothria are adapted to the oscillating nature of hair deflection due to the biologically relevant air movements. The results show that apparently small changes of the mechanically relevant cuticular structures and their material properties result in the adaption of the different mechanoreceptor types to their particular range of operation. This fine-tuning to the properties of the biological stimuli becomes even more obvious when the sensory responses to adequate stimulation are taken into account.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
mechanoreceptor spider Cupiennius salei hair sensilla slit sensilla lyriform organs trichobothria tactile hairs nanomechanics
Schlagwörter
(Deutsch)
Mechanorezeptor Spinnen Cupiennius salei Haarsensillen Spaltsensillen lyraförmige Organe Trichobothrien taktile Haare Nanomechanik
Autor*innen
Clemens Florian Schaber
Haupttitel (Englisch)
Micromechanics of mechanoreceptors in arthropods
Paralleltitel (Deutsch)
Mikromechanik von Mechanorezeptoren bei Arthropoden
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
146 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Daniel ,
Daniel Robert
AC Nummer
AC08822971
Utheses ID
14325
Studienkennzahl
UA | 091 | 439 | |