Ежегодно весной самки шмелей, пережившие зиму, покидают свои укрытия и начинают создавать новые колонии. Однако остается неясным, как им удается выживать, учитывая, что их подземное жилище нередко затапливается весенними или дождевыми водами. В 2024 году ответ на этот вопрос впервые предоставили канадские биологи, установившие, что шмели могут безопасно находиться под водой до семи дней. В настоящее время другая группа исследователей пытается определить, какой физиологический процесс лежит в основе этого удивительного явления.
В регионах с умеренным климатом зима представляет собой серьезное испытание для диких животных. Для преодоления холодов и нехватки пищи многие виды разработали уникальные способы адаптации к сезонным изменениям.
Например, у насекомых это диапауза — период затишья, характеризующийся снижением интенсивности метаболизма, благодаря чему возможно длительное отсутствие питания. В таком состоянии живые существа испытывают минимальную потребность в энергии, не воспроизводятся и демонстрируют незначительный рост, однако их существование не прекращается, хотя и протекает с существенно замедленной скоростью обмена веществ.
Шмели умело используют эту способность. Сразу после спаривания будущая королева создает в земле небольшую камеру — ее глубина не превышает 15 сантиметров — и впадает в спячку на срок от шести до девяти месяцев. Только она из всей колонии переживает зиму. Рабочие особи и самцы умирают до начала холодов. Подземное укрытие защищает от низких температур, однако не от других угроз: в почве королеву поджидают паразиты, плесень, пестициды, а также талые и грунтовые воды, которые могут затопить норы.
Для более глубокого понимания воздействия неблагоприятных климатических факторов на организмы, переживающие диапаузу, канадские биологи во главе с Сабриной Рондо провели исследование ( Sabrina Rondeau) из Гуэлфского университета в 2024 году провела эксперимент с матками шмелей Bombus impatiens.
Специалисты воссоздали для насекомых условия, имитирующие зиму, поместив маток в пробирки с грунтом, а затем в холодильную камеру. В ходе проверки Рондо заметила, что из-за образования конденсата некоторые пробирки оказались заполнены водой. Четыре матки находились под водой. К немалому удивлению исследовательницы, все они оставались живыми.
Рондо и ее коллеги позднее проанализировали более ста маток Bombus impatiens доказали, некоторые насекомые могут оставаться в воде до недели.
Теперь другая канадская группа биологов во главе с Шарлем-Антуаном Дарво ( Charles-Antoine Darveau) из Оттавского университета предприняла попытку установить, какой физиологический механизм позволяет шмелям выживать в подобных условиях.
Дарво и его коллеги применили специализированные камеры и датчики в лабораторных условиях для оценки дыхания королев Bombus impatiens. Выяснилось, что даже в водной среде насекомые продолжают использовать кислород и выделять углекислый газ.
Устройства зафиксировали незначительное, но устойчивое выделение углекислого газа. Этот процесс продолжался в течение нескольких дней после полного погружения. Параллельно ученые отметили снижение концентрации растворенного кислорода в воде. Полученные данные свидетельствовали об одном — морские организмы осуществляли дыхание в водной среде. Но как это происходило?
Ученые, представляющие научную работу, утверждают, что ключевым фактором является диапауза. Это становится возможным благодаря крайне низкому уровню метаболизма. В состоянии диапаузы обмен веществ у шмелей снижается на 99 процентов, и организм расходует лишь незначительное количество энергии. Под водой метаболические процессы замедляются еще больше. В связи с этим, даже небольшого количества кислорода, поступающего из воды, достаточно для поддержания основных функций организма. Тем не менее, по всей видимости, этот приток ограничен, и часть дефицита энергии компенсируется за счет анаэробного обмена.
Исследования, проведенные биологами, показали, что у королевских пиявок, находящихся в водной среде, в тканях скапливается лактат – вещество, являющееся продуктом метаболизма и образующееся в клетках при недостатке кислорода. Это означает, что данный способ получения энергии не нуждается в кислороде. Аналогичный процесс активируется у людей во время интенсивных физических упражнений, например, во время бега на короткие дистанции.
Восстановление шмелей после затопления также прошло нестандартно. При извлечении насекомых из воды, концентрация лактата в их теле постепенно снижалась и возвращалась к нормальному уровню приблизительно через семь дней. В первые дни после спасения королевы затрачивали значительное количество энергии на восстановление, что приводило к резкому увеличению скорости обмена веществ. Впоследствии их метаболизм снова снижался до обычного для диапаузы. Движения королевы возобновлялись уже через два-три дня, но для полного восстановления метаболизма требовалась неделя.
В настоящее время биологам необходимо установить, как шмели осуществляют получение кислорода в водной среде. Известно, что некоторые насекомые используют дыхательные каналы, схожие с маленькими подводными баллонами. Другие же прибегают к переноске с собой воздушного пузырька.
По мнению Дарво, шмели, вероятно, используют так называемые физические жабры. Это не специализированный орган, а тонкий воздушный слой, который удерживается на теле насекомого благодаря большому количеству волосков. Этот слой создает барьер между телом и водой.
Растворенный в воде кислород медленно диффундирует через воздушный слой и достигает стигм – дыхательных отверстий на теле насекомого. Затем он поступает через них в трахеи, представляющие собой сеть микроскопических трубочек, по которым воздух транспортируется к тканям. Углекислый газ, образующийся в тканях, движется в обратном направлении, проходя из трахей в воздушную пленку, а из нее – в воду, где он легко растворяется.
Обмен газами позволяет слою воздуха, находящемуся на поверхности тела, функционировать как подобие жабр, обеспечивая насекомых кислородом даже в водной среде.
С точки зрения эволюции, способность шмелей дышать под водой вполне объяснима. Согласно исследованиям Дарво, предки современных шмелей возникли около 25-40 миллионов лет назад. В то время климат претерпел значительные изменения, и шмели начали заселять холодные арктические и альпийские районы. В местах, где присутствует снег, всегда есть талая вода, поэтому им необходимо было адаптироваться к этим новым условиям.
Ученые полагают, что умение дышать под водой, вероятно, свойственно большинству из 250 видов шмелей, обитающих на нашей планете.
Научная работа опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B.