По оценкам, на Земле обитает около шести миллионов видов насекомых — возможно, даже больше.
Тем не менее по непонятной причине ни один из них не обитает в океане. Учёные выдвигали несколько возможных объяснений, и одно из самых распространённых предполагало, что дыхательная система насекомых просто не выдержит водяного давления. Теперь же личинки, ныряющие на большую глубину в Восточной Африке, ставят под сомнение это представление. В исследовании, опубликованном в журнале Science, сообщается, что личинки водяной мошки Chaoborus edulis регулярно опускаются более чем на 650 футов (около 200 метров) ниже поверхности озера Малави благодаря прочным воздушным мешкам, содержащим эластичный белок.
«Это было большим сюрпризом», — сказал один из соавторов работы Филип Мэтьюз, зоолог из Университета Британской Колумбии в Канаде. «Это показывает, что давление не является тем барьером, каким мы думали, препятствующим заселению океана насекомыми». Полученные данные подчёркивают необычные способности этих насекомых и могут послужить вдохновением для создания новых материалов.
Для исследования Мэтьюз и его коллеги установили подводную сона-раму в озере Малави, где обитают миллиарды C. edulis. Система позволила получить окно в повседневную жизнь этих организмов. Утром личинки спускаются в гиполимнион — самый глубокий и холодный слой озера — со средней скоростью около 25 футов в час. В экспериментальных записях молодые особи достигали глубин примерно до 850 футов. Днём они поднимаются к поверхности со средней скоростью около 65 футов в час и завершают подъём к позднему вечеру. Этот цикл, по-видимому, помогает им избегать хищников.
«Они могут регулировать свою плавучесть так, что днём прячутся от рыб, либо тонут очень глубоко и попадают в зону с отсутствием кислорода. Рыбы не могут преследовать их там», — объясняет Мэтьюз в интервью. «Затем ночью они всплывают, когда рыбам труднее видеть и охотиться, и проводят время, поедая зоопланктон у поверхности».
Как же C. edulis удаётся совершать такие погружения? Изучение некоторых особей в лаборатории выявило их секрет: чрезвычайно эластичный белок, называемый резилин. Воздушные мешки личинок покрыты чередующимися полосами резилина и жёсткого кутикулы, что даёт дыхательным структурам способность сжиматься и расширяться, подобно гармошке, и менять плавучесть животных. Эти структуры изменяются в ответ на изменения уровня pH в стенках воздушных мешков.
Чтобы проверить, насколько хорошо насекомые переносят давление, учёные поместили личинок и куколок (следующую стадию развития) C. edulis и трёх других видов рода Chaoborus в заполненные водой камеры высокого давления. По мере развития C. edulis демонстрировала способность выдерживать всё более высокое давление: куколки могли переносить давление, эквивалентное глубине до 1 519 футов. Другие виды справлялись лишь с гораздо меньшей глубиной. Исследователи установили, что воздушные мешки C. edulis прочнее, чем у других видов, и прочность коррелировала с максимальной глубиной, на которой каждое животное обитало.
В тоже время результаты работы не снимают полностью загадку отсутствия насекомых в океане. Возможно, проблемы, связанные с жизнью в солёной воде, или отсутствие доступных экологических ниш мешают насекомым заселить морскую среду, считает Мэтьюз. «Ракообразные, отдалённые родственники насекомых, уже заняли эти ниши», — добавляет он, «так что насекомые не могут просто вернуться в пустую квартиру — жильцы уже там».
Соавтор исследования Эван Маккензи, также зоолог из Университета Британской Колумбии, отмечает, что резилин Chaoborus может заинтересовать материаловедов как динамический материал, изменяющий форму в ответ на химические изменения среды. Его свойства потенциально можно использовать при создании искусственных мышц или клапанов, активируемых разными уровнями pH.
Работа также вписывается в более широкую дискуссию о разнообразии насекомых: недавние оценки говорят, что число видов может быть значительно выше прежних предположений, и новые открытия продолжают уточнять картину их биоразнообразия. Соединяя механики воздушных мешков, биохимию и экологию, исследование демонстрирует, как интеграция разных дисциплин помогает понять необычные адаптации природы.