Водяные клопы регулируют свою плавучесть при помощи гемоглобина

Ученые из Университета Аделаиды (Австралия) установили, что водяной клоп гладыш регулирует свою плавучесть при помощи гемоглобина. Ныряя, клоп использует для дыхания кислород из воздушного пузыря, окружающего тело насекомого в виде серебристой пленки. В результате пузырь быстро уменьшается, что приводит к снижению плавучести. Когда плавучесть приближается к нулевой, гемоглобин начинает отдавать связанный с ним кислород, тем самым пополняя воздушный пузырь и поддерживая плавучесть на близком к нулю уровне.

У насекомых, в отличие от многих других животных, кровеносная система не играет решающей роли в газообмене. Доставка кислорода к органам и тканям насекомого осуществляется благодаря пронизывающей всё тело системе ветвящихся воздухоносных трубочек — трахей, соединяющихся с внешней средой отверстиями — дыхальцами. Такая система «пассивного газоснабжения» хороша лишь для мелких существ (именно поэтому, возможно, насекомые не могут стать по-настоящему крупными животными).

У многих насекомых нет и специализированных белков — переносчиков кислорода, таких как гемоглобин. Исключение составляют некоторые виды, живущие в условиях дефицита кислорода. Например, ярко-красная окраска личинок комаров-звонцов (известных аквариумистам и рыбакам как «мотыль») обусловлена гемоглобином, который, впрочем, служит не столько для транспортировки кислорода, сколько для его запасания впрок.

Водяные клопы гладыши (семейство Notonectidae) — единственные насекомые, у которых гемоглобин имеется на всех стадиях жизненного цикла. Эти хищные, больно кусающиеся насекомые (их называют также «водяными пчелами») часто встречаются в прудах и речках по всему миру. Плавают они брюхом вверх при помощи длинных задних ног, покрытых волосками и работающих как весла. Время от времени гладыш подплывает к поверхности и выставляет из воды задний конец брюшка, чтобы набрать свежего воздуха в трахеи. Ныряя, клоп увлекает за собой пузырь воздуха, покрывающий всё его тело в виде серебристой пленки. Это не только дополнительный запас кислорода, но и средство регуляции плавучести.

Австралийские ученые установили, что клоп, находясь под водой, активно регулирует объем воздушного пузыря, что позволяет ему довольно долго сохранять нулевую плавучесть. В первые минуты после «вдоха» воздушный пузырь быстро уменьшается, поскольку кислород из него расходуется на дыхание. Примерно через 4 минуты объем пузыря сокращается на 16%, и как раз в этот момент удельный вес насекомого (вместе с пузырем) сравнивается с удельным весом воды. Теперь гладышу не нужно ни активно грести, ни цепляться за подводные растения, чтобы противостоять архимедовой силе, стремящейся вытолкнуть его на поверхность. Такое состояние является наиболее энергетически выгодным для подводного хищника. Вопрос лишь в том, как его продлить, ведь кислород продолжает расходоваться, и удельный вес насекомого, казалось бы, должен очень быстро перевалить за единицу, и тогда гладышу придется прикладывать новые усилия, чтобы не утонуть.

Оказалось, однако, что воздушный пузырь, уменьшившись на 16% (до состояния нулевой плавучести), после этого перестает уменьшаться и сохраняет примерно постоянный объем в течение 4-5 минут. Как выяснилось, именно при достижении нулевой плавучести парциальное давление кислорода в пузыре падает настолько, что гемоглобин, содержащийся в тканях насекомого, начинает отдавать запасенный кислород, который поступает в пузырь и тем самым поддерживает его постоянный объем. Главная «хитрость» состоит в тонкой подгонке свойств гемоглобина к нуждам клопа-ныряльщика. Гемоглобин гладыша удерживает связанный кислород очень крепко (по сравнению с гемоглобинами других животных) и начинает отдавать его лишь тогда, когда концентрация кислорода в окружающей среде становится примерно в 5 раз меньше, чем в атмосферном воздухе. Именно при пятикратном снижении концентрации кислорода в воздушном пузыре гладыша и достигается «свободное парение» насекомого в толще воды.

Чтобы убедиться в ключевой роли гемоглобина в регуляции плавучести, ученые дали насекомым подышать смесью воздуха с угарным газом. Угарный газ надолго выводит гемоглобин из строя, что, впрочем, не смертельно для насекомых, поскольку они, в отличие от нас, прекрасно умеют дышать и без помощи гемоглобина. Надышавшиеся угарным газом гладыши, в полном соответствии с ожиданиями исследователей, утратили способность удерживать свою плавучесть на нулевом уровне: их воздушный пузырь продолжал сокращаться вплоть до почти полного исчерпания кислорода.