Каждую весну оплодотворённые матки шмелей выходят из зимней спячки и основывают новые колонии. В период зимовки их подземные убежища часто подвергаются затоплению талыми или дождевыми водами. Исследования, проведённые в 2024 году, показали, что шмели способны выживать под водой до недели. Недавние эксперименты позволили выяснить физиологические механизмы, лежащие в основе этого явления.

Адаптация к зимним условиям

Зима в умеренных широтах представляет серьёзное испытание для многих животных. Для выживания в условиях холода и нехватки пищи у насекомых выработались особые механизмы сезонной адаптации. Одним из них является диапауза — фаза покоя, при которой обмен веществ замедляется, позволяя долго обходиться без пищи. В этом состоянии организмы практически не нуждаются в энергии, не размножаются и почти не растут, но жизнедеятельность сохраняется на минимальном уровне.

Зимовка маток шмелей

После спаривания будущая королева роет в земле небольшую камеру глубиной до 15 сантиметров и впадает в спячку на шесть-девять месяцев. Только она из всей колонии переживает зиму, рабочие особи и самцы погибают до наступления холодов. Подземное убежище защищает от морозов, но не от других угроз, таких как паразиты, плесень, пестициды и затопление талыми или грунтовыми водами.

Экспериментальные исследования

Для изучения влияния неблагоприятных климатических условий на насекомых, способных к диапаузе, была проведена серия экспериментов с матками Bombus impatiens. В лабораторных условиях имитировали зимние условия: маток помещали в пробирки с землёй и помещали в холодильник. В результате конденсации часть пробирок оказалась заполнена водой, и четыре матки были полностью затоплены. Все они остались живы.

Дальнейшие опыты с более чем сотней маток подтвердили, что шмели способны выживать под водой до семи дней.

Физиологические механизмы выживания

Для выяснения механизмов выживания под водой были использованы специальные лабораторные камеры и датчики для измерения дыхания королев Bombus impatiens. Было установлено, что под водой насекомые продолжают потреблять кислород и выделять углекислый газ. Приборы фиксировали небольшое, но стабильное образование углекислого газа, а уровень растворённого кислорода в воде снижался, что свидетельствует о дыхании под водой.

Секрет заключается в диапаузе: обмен веществ в этот период снижается на 99%, и организм расходует минимальное количество энергии. Под водой метаболизм замедляется ещё сильнее, поэтому даже небольшого количества кислорода, поступающего из воды, достаточно для поддержания жизнедеятельности. Недостаток энергии компенсируется за счёт анаэробного обмена.

В тканях затопленных королев накапливается лактат (молочная кислота) — продукт обмена веществ при нехватке кислорода. Подобный механизм включается у человека при интенсивных физических нагрузках.

Восстановление после затопления

После извлечения из воды уровень лактата в организме шмелей постепенно снижался и возвращался к норме примерно через семь дней. В первые дни после выхода из воды обмен веществ резко возрастал, чтобы восстановить силы, затем метаболизм возвращался к обычным для диапаузы значениям. Уже через два-три дня королевы начинали двигаться, но полное восстановление метаболизма занимало до недели.

Механизм дыхания под водой

В настоящее время остаётся неясным, каким образом шмели получают кислород под водой. Некоторые насекомые используют дыхательные трубки или переносят с собой пузырёк воздуха. Предполагается, что у шмелей функционируют так называемые физические жабры — тонкий слой воздуха, удерживаемый на поверхности тела многочисленными волосками. Эта воздушная прослойка образует границу между телом и водой.

Кислород, растворённый в воде, постепенно проникает через воздушную прослойку в дыхательные отверстия (стигмы), а затем в трахеи, по которым у насекомых воздух доставляется к тканям. В обратном направлении углекислый газ выводится из организма в воду.

Эволюционный аспект

Механизм дыхания под водой у шмелей объясняется их эволюционной историей. Предки современных шмелей появились 25–40 миллионов лет назад, когда климат резко изменился, и шмели освоили холодные арктические и альпийские регионы, где часто встречается талая вода. Поэтому возникла необходимость приспособиться к новым условиям.

Считается, что способность дышать под водой распространена среди большинства из 250 видов шмелей, обитающих на Земле.

Научная работа опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B.