Зимняя спячка, или диапауза, является критическим периодом для шмелей, когда будущие основательницы колоний зарываются в землю. В это время они крайне уязвимы для капризов природы, включая весенние паводки и сильные ливни. До недавнего времени считалось, что затопление нор ведет к неминуемой гибели насекомых, но результаты нового исследования опровергают это утверждение. Работа опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
Королевы шмелей могут 8 дней дышать под водой
Биологи из Университета Оттавы провели серию экспериментов, в ходе которых доказали, что зимующие матки шмелей способны выжить под водой на протяжении нескольких дней. Исследователи искусственно ввели насекомых в состояние спячки и детально изучили механизмы их дыхания в экстремальных подводных условиях.
Шмель. Alamy
Пластрон. Способность насекомых дышать под водой чаще всего связана с феноменом пластрона — тончайшей прослойки воздуха, удерживаемой на поверхности тела с помощью микроскопических волосков. Эта воздушная пленка работает как физическая «жабра»: по мере потребления кислорода внутри пузырька его концентрация падает, и новый кислород диффундирует прямо из окружающей воды. Для зимующих шмелей, чей метаболизм в спячке замедлен почти до нуля, такого пассивного притока кислорода в сочетании с бескислородным расщеплением веществ оказывается достаточно, чтобы переждать наводнение без повреждения внутренних органов.
В ходе лабораторных тестов матки шмелей помещались в герметичные камеры с водой на срок от нескольких часов до 8 суток. Ученые обнаружили, что даже при полном погружении насекомые продолжали выделять углекислый газ, хотя его объем значительно снижался по сравнению с обычным состоянием покоя. Это свидетельствует о том, что шмели нашли способ поддерживать газообмен даже в водной среде, что позволяет им дождаться спада уровня влаги без фатальных последствий для организма.
Обзор плана исследования, в котором показаны различные группы исследованных маток (с указанием размера выборки), условия их воздействия (воздух или вода), измерения, проводимые для каждой группы, а также рисунки, на которых представлены соответствующие результаты. Все матки перед началом экспериментов подвергались лабораторно индуцированной диапаузе продолжительностью 14–22 недели. Временные точки измерений включают период до погружения на 1-й день (Pre D1), погружение на 1-й, 4-й и 8-й дни (Sub D1, Sub D4 и Sub D8) и восстановление после погружения на 1–7-й дни (Post D1, Post D2, Post D3, Post D4, Post D5 и Post D7).
Механизмы спасения
Переход к «подводному режиму» происходит практически мгновенно и остается стабильным на протяжении всего времени затопления. Тем не менее одного лишь извлечения кислорода из воды недостаточно для покрытия всех энергетических нужд организма, поэтому шмели задействуют резервную систему.
Шмель.
Анализ показал накопление лактата в тканях, что указывает на включение анаэробного метаболизма — процесса получения энергии без участия кислорода. После извлечения из воды у насекомых наблюдался резкий скачок активности, связанный с восстановлением и очисткой организма от продуктов обмена.
Авторы работы подчеркивают исключительную стойкость вида: «Это исследование показывает, что находящиеся в диапаузе королевы шмелей выживают и восстанавливаются после длительного пребывания под водой благодаря сочетанию подводного дыхания и анаэробного метаболизма в состоянии глубокой метаболической депрессии». Хотя точный физический механизм захвата кислорода из воды еще предстоит детально изучить, уже сейчас ясно, что эволюция наделила этих насекомых уникальным инструментом защиты от климатических угроз.