Как жук-плавунец дышит под водой

Многие взрослые жуки-плавунцы ныряют с запасом воздуха под надкрыльями. Он связан с дыхательной системой насекомого и постепенно расходуется. Однако воздушный запас и получение кислорода из окружающей воды — разные части дыхания. Их соотношение зависит от вида, активности и условий, поэтому одного объяснения для всех плавунцов недостаточно.

Запас воздуха и газовая жабра

В научном разборе 2013 года рассмотрены физические жабры водных насекомых и пауков. Так называют газовую поверхность, через которую животное может получать растворённый кислород из воды. Это не тканевая жабра рыбы и не самостоятельный орган с кровеносными лепестками.

Насекомые используют заполненные газом дыхательные пути. Пузырёк может одновременно хранить воздух, принесённый с поверхности, и участвовать в обмене с водой. По мере расходования кислорода меняются условия для перехода газа через его границу.

Но наличие пузырька не доказывает, что поступление кислорода полностью покрывает потребности. Значение имеют размер поверхности, расход кислорода и движение воды возле неё. Неподвижный слой воды у границы способен ограничивать обмен, поэтому внешний объём газа не описывает всю работу.

Авторы сопоставили модели с экспериментальными наблюдениями. Они подчеркнули, что расчётная возможность продлить погружение и реальное поведение различаются: животное может вернуться к поверхности задолго до исчерпания пузырька. Поэтому нельзя определить время следующего подъёма только по изображению воздушного запаса.

Как проверили вклад разных путей

Исследование 2021 года было посвящено одному виду плавунца с воздушным запасом под надкрыльями и небольшой сжимаемой газовой жаброй. Во время погружений исследователи измеряли кислород внутри запаса, а при подъёмах — количество газа, участвовавшего в обмене.

Отдельные опыты с плавучестью позволили проследить изменение газового объёма. Учёные также связали потребление кислорода с продолжительностью погружений, частотой подъёмов и движением при трёх температурах. Таким образом, наблюдаемое поведение сравнивали с физиологическими измерениями.

Эти данные включили в модель газообмена. По её результатам небольшая газовая жабра обеспечивала менее десятой части общего кислорода, использованного при погружении. До десятой части могло поступать через покровы.

Значит, для данного вида нельзя считать наружный контакт с водой единственным основным источником всего кислорода. Запас воздуха сохранял важную роль. Но приведённые доли относятся к исследованному животному и модели, а не являются постоянными значениями для любого плавунца.

Работа также показывает, зачем отдельно учитывать температуру и активность. Одинаковый внешний вид не означает одинаковых потребностей во время каждого погружения.

Почему некоторые виды обходятся иначе

В работе 2009 года изучали другого плавунца, связанного с текучей водой. Он мог оставаться погружённым более шести недель. Исследователи проверили получение растворённого кислорода и обнаружили особые щетинки, связанные с дыхательными трубочками, преимущественно на поверхности надкрыльев.

Электронная микроскопия помогла рассмотреть их тонкое устройство. По результатам работы эти структуры участвовали в газообмене и действовали как трахейные жабры. Трахеями называют дыхательные трубочки насекомого; сходное слово «жабры» здесь не делает щетинки копией рыбьего органа.

Авторы также препятствовали формированию пузырька возле конца брюшка. У исследованного вида это не изменило получение кислорода. У другого сравниваемого плавунца такой пузырёк, напротив, был единственным способом получать кислород из воды при погружении.

Этот контраст показывает реальное различие путей дыхания. Возможное использование сходных щетинок у подземных видов обсуждалось как предположение, а не как подтверждённое измерение каждого из них.

Поэтому возможность длительного погружения одного вида нельзя переносить на всё семейство. Для объяснения нужны его дыхательные структуры, измеренный обмен и среда, в которой он проверен.

Что показывает фотография

На портрете видны целый взрослый жук, закрытые надкрылья, усики и плавательные ноги. Снимок не показывает скрытый газовый запас или микроскопические дыхательные щетинки. Их устройство и вклад устанавливают специальными наблюдениями и измерениями, дополняющими наружный облик.