Larwy muchówek z gatunku Chaoborus edulis, zamieszkujące jezioro Malawi w Afryce Wschodniej, prowadzą niezwykły tryb życia, który rzuca nowe światło na ewolucyjne ograniczenia owadów. Każdego dnia miliardy tych organizmów wykonują pionową migrację, schodząc na głębokość ponad 200 metrów. Obszar ten, często nazywany strefą śmierci ze względu na bardzo niską zawartość tlenu, stanowi dla larw bezpieczną kryjówkę przed drapieżnikami. Po zapadnięciu zmroku owady powracają w wyższe partie jeziora, aby żerować, ryzykując przy tym spotkanie z polującymi na nie rybami.
Biologiczny system balastowy
Badacze z University of British Columbia, dr Philip Matthews oraz dr Evan McKenzie, wykorzystali system sonarowy umieszczony na dnie jeziora, aby śledzić te masowe przemieszczenia. Analiza budowy larw wykazała, że wykształciły one unikalny mechanizm kontroli głębokości, przypominający system balastowy łodzi podwodnej. Owady posiadają dwie pary niewielkich worków powietrznych, które pełnią funkcję narządów wypornościowych.
Kluczem do działania tego systemu jest rezylina – niezwykle elastyczny materiał biologiczny, często określany mianem naturalnej gumy. Ściany worków powietrznych zawierają to białko, a larwy potrafią zmieniać ich objętość poprzez modyfikację pH otoczenia. Zmiana kwasowości powoduje rozszerzanie lub kurczenie się rezyliny, co pozwala owadom na precyzyjne sterowanie wypornością i kontrolowanie głębokości zanurzenia.
Wytrzymałość na ekstremalne ciśnienie
Aby sprawdzić granice wytrzymałości tego mechanizmu, naukowcy umieścili larwy w miniaturowych komorach ciśnieniowych. Wyniki badań okazały się zaskakujące: worki powietrzne przetrwały ciśnienie odpowiadające głębokości ponad 400 metrów. Jest to wartość znacznie przewyższająca głębokość, na jaką larwy schodzą w trakcie swoich codziennych migracji.
Odkrycie to podważa popularną teorię naukową dotyczącą nieobecności owadów w otwartych wodach oceanicznych. Dotychczas sądzono, że główną barierą uniemożliwiającą owadom kolonizację głębin oceanicznych jest wysokie ciśnienie, które miałoby miażdżyć ich układ oddechowy. Wytrzymałość larw z jeziora Malawi sugeruje, że presja hydrostatyczna sama w sobie nie musi być czynnikiem wykluczającym możliwość przetrwania owadów w głębokich wodach.
Potencjał w inżynierii materiałowej
Rezylina od dawna fascynuje naukowców ze względu na swoje właściwości mechaniczne, pozwalające na wielokrotne wyginanie struktur bez oznak zużycia. Odkryty mechanizm sterowania wypornością może stać się inspiracją dla inżynierów pracujących nad nowymi technologiami. Badacze przewidują, że podobne rozwiązania oparte na reakcji materiałów na zmiany pH mogą zostać wykorzystane do tworzenia sztucznych mięśni lub inteligentnych materiałów, które zmieniają swój kształt pod wpływem bodźców chemicznych.
Projekt badawczy został częściowo sfinansowany przez Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. Warto zauważyć, że w kontekście finansowania badań, granty przyznawane na tego typu projekty często opiewają na kwoty rzędu dziesiątek tysięcy dolarów, co w przeliczeniu na polską walutę stanowi równowartość od kilkudziesięciu do nawet kilkuset tysięcy złotych, zależnie od skali i zakresu prac.