Как насекомые дышат под водой

На модерации Отложенный Сотни видов насекомых в поисках пищи погружаются под воду и проводят там длительное время, хотя органов для дыхания под водой у них нет. Биологи долго пытались разгадать эту загадку, однако установить, как именно жуки целыми днями находятся под водой, удалось математикам. Раскрытие механизма запасания насекомыми кислорода впрок станет стимулом к созданию продвинутых приспособлений для глубоководного плавания.

Оказывается, твердый хитиновый панцирь, защищающий насекомых от травм, еще и удерживает тонкий слой воздуха, когда жуки погружаются под воду. Запас кислорода под хитиновым покровом не только служит стратегическим запасом воздуха, но и помогает насекомым поглощать кислород непосредственно из воды, адсорбируя растворенные молекулы кислорода. Согласно исследованиям профессора прикладной математики Джона Буша и его коллеги Морриса Флинна из Университета Альберты, некоторые насекомые используют воздушную прослойку под панцирем как внешнее легкое. Благодаря тому что объем воздушного пузыря варьируется, жуки и некоторые пауки могут регулировать темпы погружения, оставаясь на определенной глубине достаточно долгое время.

«Действительно, многие насекомые в поисках пищи погружаются под воду и берут определенный запас воздуха с собой, — рассказал РБК daily доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой зоологии позвоночных МГУ Леонид Корзун. — Например, паук-серебрянка ныряет под воду, создавая вокруг себя с помощью тончайшей паутинной сеточки воздушную капсулу, внутри которой он и сидит». «Однако не только насекомые могут, не имея органов дыхания под водой, долгое время находиться на глубине, — добавляет доктор биологических наук, профессор, руководитель лаборатории эволюционной морфологии им. А.Н. Северцова при МГУ Феликс Дзержинский. — Например, галапагосские игуаны, как, впрочем, и другие рептилии, обладают способностью анаэробного, или бескислородного, дыхания. Под водой их организм переключается с обычного аэробного на анаэробный тип дыхания, запускающий химическую реакцию под названием гликолиз. Этот процесс позволяет организму рептилий расщеплять глюкозу в клетках без участия кислорода и поставлять энергию для осуществления основных физиологических функций к тканям и органам. А так как у рептилий под водой обмен веществ сильно снижен, бескислородное дыхание обеспечивает протекание всех базовых потребностей организма».

Запас воздуха позволяет насекомым погружаться на глубину до 30 метров. Например, водные жуки Neoplea striola зимуют именно на такой глубине. Особое удивление вызывает то, что пузыри под воздействием высокого давления воды не вытесняются из межпанцирного пространства и не разрываются. Выяснилось, что организм насекомого поддерживает тонкий баланс между его дыхательной потребностью и объемом, а также стабильностью воздушного пузыря. Постоянство последнего поддерживается волосками на животе насекомых, которые обеспечивают водоотталкивающий эффект. Наряду с тончайшим слоем воскообразного покрытия волоски препятствуют проникновению воды в вентиляционные отверстия на брюшке, через которые, однако, проникает воздух. Расстояние между этими волосками критически важно — оно служит индикатором достаточности воздушной прослойки. Чем ближе волоски друг к другу, тем выше стабильность и тем меньше давление на воздушный пузырь. Однако слишком маленькое расстояние между ворсинками свидетельствует о недостаточности кислородного запаса, что является непосредственным сигналом к всплытию. Поскольку воздушная прослойка выполняет функцию внешнего легкого, его поверхность должна быть достаточно большой — для обеспечения свободного дыхания.

Математическая модель, построенная с учетом этих факторов, дает возможность просчитать в зависимости от глубины погружения оптимальный объем воздушной подушки. Оказалось, что этот баланс легче всего поддерживается на средней глубине в несколько метров, тогда как на отметке ниже 20 метров воздушный пузырь создает чрезмерное давление. А на поверхности воды погружение затрудняется, так что именно благодаря отталкивающему свойству воздушного пузыря водомерка не тонет, а скользит по поверх-ности воды. Безусловно, подобное открытие не могло не найти практического применения. Так, команда из Ноттингемского университета уже решила создать приспособление для подводного погружения, которое принципиально копировало бы «внешнее легкое» насекомых, но, конечно, в несоизмеримо больших масштабах. Кроме того, ноттингемские инженеры предлагают снабдить небольшие подводные лодки саморегулирующимися кислородными подушками, сконструированными по подобию воздушных запасов насекомых, что позволит максимизировать автономность субмарин.

«Моделированием адаптационных механизмов животных и их применением в технике занимается появившееся лет тридцать назад научное направление — бионика, — говорит РБК daily доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН Алексей Яблоков. — Например, заметив, что мягкая кожа дельфинов уменьшают силу трения о воду, благодаря чему дельфины развивают высокую скорость, ученые создали схожее покрытие, которым сегодня обшивают подводные лодки и самолеты. Поэтому принцип воздушных подушек жуков, конечно, может быть использован на практике».