МикроКТ личинки, показывающая воздушные мешки на месте. Кредит: Филип Мэтьюз
Личинки озерных мух Chaoborus edulis, населяющие озеро Малави в Восточной Африке, совершают ежедневную вертикальную миграцию, заставляющую научное сообщество пересмотреть устоявшиеся представления о том, почему насекомые почти не встречаются в открытом океане. Их способность выживать на глубинах, которые, казалось бы, неминуемо должны их раздавить, объясняется уникальной системой воздушных мешков, выдерживающих гораздо более высокое давление, чем предполагалось ранее.
В светлое время суток миллиарды этих личинок опускаются более чем на 200 метров в бескислородную зону озера — так называемую мёртвую зону, где отсутствие хищников обеспечивает им безопасность. После наступления темноты они поднимаются к поверхности для питания, вынужденно преодолевая скопления рыб, ожидающих их на этом пути. Для фиксации этого ежедневного перемещения исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) доктор Филип Мэтьюз и Эван Маккензи установили на дне озера гидролокатор — сонар, позволивший отслеживать движение личинок в толще воды.
Крошечные воздушные мешки, работающие как балластные цистерны
При детальном изучении личинок выяснилось, что они приспособили часть своей трахейной системы — пару боковых отростков — в миниатюрные воздушные мешочки. По принципу действия эти мешки напоминают балластные цистерны подводной лодки: изменяя свой объём, личинки регулируют плавучесть и контролируют, подниматься им или погружаться. Стенки мешочков содержат резилин — необычайно эластичный биополимер, характерный для многих насекомых. Меняя pH внутри мешка, личинки заставляют резилин расширяться или сжиматься, что обеспечивает точный контроль над глубиной.
Воздушные мешки выдерживают экстремальное давление воды
Затем учёные поместили личинок в миниатюрные барокамеры, чтобы определить предельное давление, которое могут выдержать их воздушные мешки до разрушения. Результаты оказались поразительными: мешки выдерживали давление, эквивалентное глубине более 400 метров — значительно превышающей обычную глубину их ежедневной миграции. Насекомые чрезвычайно успешны на суше и в пресных водоёмах, однако в открытом океане они практически отсутствуют. Одна из широко обсуждаемых гипотез заключалась в том, что сильное давление на больших глубинах разрушает воздухоносные полости, используемые насекомыми для дыхания. Прочность мешков личинок Chaoborus edulis позволяет предположить, что одно лишь давление не может полностью объяснить, почему насекомые никогда не расселились по океану.
Биологический каучук может вдохновить на создание новых материалов
Резилин, который ведёт себя почти как идеальный биологический каучук, ранее уже привлекал внимание учёных. В природе он формирует прочные, но гибкие структуры — например, шарниры крыльев и сухожилия, способные многократно сгибаться без износа. Недавно открытая система регуляции плавучести на основе резилина может найти применение в разработке «умных» материалов. Исследователи полагают, что аналогичные механизмы в перспективе позволят создавать искусственные мышцы или другие материалы, реагирующие на изменение pH.
Данный проект частично финансировался за счёт грантов Совета естественных и инженерных исследований Канады (NSERC) в рамках программ Discovery и Accelerator.