Крошечные стеклянные черви выживают при давлении, смертельном для людей

Фото из открытых источников

Каждый день крошечные личинки насекомых опускаются в мутные глубины озера Малави, одного из самых глубоких водоемов Африки. Там, иногда на глубине более 200 метров, эти прозрачные «стеклянные черви» — личинки мошки-призрака (Chaoborus edulis) — пережидают нашествие хищных рыб, которые снуют по мелководью. Ночью личинки возвращаются на поверхность, чтобы питаться под покровом темноты. Эта ежедневная миграция означает необходимость выдерживать давление в 20 раз превышающее нормальное — подвиг, который убил бы большинство людей и считался невозможным для насекомых, чья дыхательная система должна была бы разрушиться в таких условиях.

Теперь учёные выяснили, как личинкам удаётся выживать. Четыре длинных, банановидных воздушных мешка расширяются и сжимаются, регулируя плавучесть личинки, но при этом остаются достаточно жёсткими, чтобы не быть раздавленными — адаптация, не встречающаяся ни у одного другого насекомого, сообщают исследователи в журнале Science.

«Такие открытия войдут в учебники и заставят нас переосмыслить то, что возможно, а что нет» в области биологии насекомых, — говорит Шейла Патек, сравнительный биолог из Университета Дьюка, которая не принимала участия в исследовании.

Вместо лёгких у насекомых есть трахеальная система, состоящая из заполненных воздухом трубок, проходящих по всему телу и доставляющих кислород непосредственно к тканям. Частью этой системы являются мешочки, которые служат для кратковременного хранения воздуха. Но в отличие от других насекомых, личинки мухи Chaoborus не используют эти мешочки для дыхания. Вместо этого они превратили их в органы, которые помогают им контролировать свою плавучесть в воде. Однако как именно работают эти органы и на какую глубину могут погружаться насекомые, оставалось неясным.

Фил Мэтьюз, специалист по сравнительной физиологии из Университета Британской Колумбии (UBC), давно исследует эти вопросы. Когда он впервые выловил несколько чаоборусов из затопленного дождевой водой резервуара для скота на университетской ферме, Мэтьюз был очарован тем, как они «плавали, словно маленькие подводные аппараты в банке из-под варенья».

В 2022 году его команда обнаружила, что воздушные мешочки состоят из полос кутикулы и резилина — гибкого белка, который, в свою очередь, окружен защитным слоем ткани. По словам Мэтьюза, химические изменения в теле личинки заставляют воздушные мешочки расширяться «как гармошка» или сжиматься, что позволяет насекомым контролировать свою плавучесть.

Чтобы выяснить пределы возможностей этой системы, Мэтьюз и его коллеги обратились к озеру Малави. По его словам, когда личинки Chaoborus окукливаются и превращаются в мух, они «вырываются из озера».

Поскольку воздушные мешки насекомых рассеивают звуковые волны, ученые смогли использовать гидролокационное оборудование, чтобы выяснить, на какую глубину мигрируют личинки местного вида Chaoborus — C. edulis — в течение дня. Исследователи опустили «большую длинную трубу с большим количеством очень дорогого оборудования», — говорит ведущий автор Эван Маккензи, сравнительный физиолог из Университета Британской Колумбии, — и с тревогой поднимали ее обратно с помощью дистанционного сигнала, когда собирали данные. В среднем стеклянные черви достигали глубины 213 метров, хотя иногда ныряли на глубину до 258 метров.

Затем исследователи сравнили устойчивость воздушных мешков C. edulis с таковой у видов из более мелководных озер, поместив личинки в камеры высокого давления и постепенно увеличивая интенсивность воздействия. В то время как другие виды Chaoborus, такие как C. pallidipes и C. americanus, разрушались при давлении, эквивалентном 114 и 16 метрам соответственно, личинки C. edulis могли выдерживать давление, эквивалентное 500 метрам.

«Настоящий шок наступил, когда… мы начали увеличивать давление на манометре, а оно всё росло и росло, — говорит Мэтьюз. — Мы подумали: „Личинки вот-вот взорвутся“. А потом, полчаса спустя, мы всё ещё продолжали повышать давление».

Воздушные мешки стеклянных червей уже и менее изогнуты, чем у их собратьев, обитающих в мелководье, что, по-видимому, снижает нагрузку от подводного давления. Исследователи обнаружили, что по мере увеличения давления они также становятся гораздо более жесткими, чем у других видов. Они предполагают, что личинки используют химические вещества для регулирования плавучести воздушных мешков в мелководье, а затем удерживают мешки в жестком состоянии, чтобы медленно опускаться глубже.

Отсутствие насекомых в глубоких водах долгое время оставалось загадкой, отмечает Арт Вудс, сравнительный физиолог из Университета Монтаны, не принимавший участия в исследовании. Ученые долгое время считали, что их трахейная дыхательная система, чувствительная к изменениям давления, препятствует их жизни под водой, говорит он. Но новое исследование показывает, что эволюция может бросить вызов таким ограничениям. Способность личинок Chaoborus «использовать свои заполненные воздухом пространства» для ежедневных миграций, по его словам, демонстрирует «удивительную эволюционную изобретательность жизни».