Отброшенные ноги помогли бескрылым комарикам не замерзнуть насмерть

Зоологи выяснили, что бескрылые комарики-хионеи, имаго которых активны зимой, выработали необычный способ сохранять активность и выживать при отрицательных температурах. Когда в одной из конечностей хионеи от холода начинает образовываться лед, она отбрасывает ее до того, как замерзнет все тело. Ученые считают, что предки этих насекомых использовали похожий прием для спасения от хищников. Препринт исследования опубликован на сайте bioRxiv.

Многие животные при столкновении с угрозой для жизни в качестве защитной реакции отбрасывают отдельные органы или конечности. Зоологи называют этот процесс автотомией. Например, некоторые виды ящериц расстаются с хвостом, если хищник схватил их за него. Членистоногие в похожих ситуациях часто теряют конечности, а голотурии, чтобы сбить врага с толку, выбрасывают часть внутренних органов. В большинстве случаев автотомия используется как способ спастись от хищников. Однако морские слизни из рода Elysia, вероятно, отбрасывают большую часть тела, чтобы избавиться от паразитов.

Команда энтомологов под руководством Джона Татхилла (John C. Tuthill) из Вашингтонского университета описала новый пример автотомии с неизвестной ранее функцией. В центре внимания исследователей оказались бескрылые комарики-хионеи (Chionea) из семейства болотниц (Limoniidae) (или, согласно альтернативной версии, из подсемейства болотниц в семействе долгоножек (Tipulidae)). В отличие от большинства насекомых, имаго этих необычных созданий активны зимой. Время от времени их можно увидеть на поверхности снега в оттепель или при отрицательных температурах до минус десяти градусов Цельсия. Взрослые хионеи не питаются, а посвящают все время поиску пары и размножению. Предполагается, что именно поэтому они активны зимой — на снегу легче увидеть сородичей, а хищников в это время года меньше.

Татхилл и его коллеги решили больше узнать об устойчивости хионей к низким температурам. Для этого исследователи вместе с волонтерами наловили на западе США и Канады 256 представителей этого рода, относящихся к четырем видам: Ch. alexandriana, Ch. excavata, Ch. albertensis и Ch. macnabeana. В основном насекомых находили на свежевыпавшем снегу на высоте 1200-2000 метров при средней температуре около ноля градусов Цельсия. Чтобы выяснить, при насколько низких температурах хионеи сохраняют активность, авторы провели с ними ряд экспериментов. 39 самцов и 38 самок четырех видов сажали на пластину, которая охлаждалась на 0,8 градуса Цельсия за минуту в течение 25 минут. При этом температуру тела насекомых измеряли с помощью тепловизора (из-за температурного градиента она обычно была на несколько градусов выше, чем у пластинки).

Как и ожидали авторы, хионеи оставались активными при температурах значительно ниже ноля. Большинство из них продолжали передвигаться даже при температуре пластинки в минус девять градусов Цельсия. Для сравнения, представители видов долгоножек, активных в летнее время, почти переставали двигаться, когда пластинка под ними охлаждалась до ноля градусов Цельсия.

Несмотря на устойчивость хионей к низким температурам, при охлаждении пластинки ниже минус десяти градусов Цельсия большинство из них замерзали и погибали — хотя до последнего не переставали двигаться. А при минус семнадцати градусов Цельсия в живых остались лишь единичные особи. При этом исследователи обнаружили, что перед тем, как хионея перестает двигаться, ее тело резко, но ненадолго нагревается. Судя по всему, этот температурный скачок связан с образованием льда в гемолимфе насекомого. Замерзание привело к гибели 74 из 77 подопытных хионей, так что эти насекомые не способны переживать образование льда внутри тела.

У многих насекомых, живущих в холодном климате, в гемолимфе содержатся соединения, благодаря которым она не замерзает даже при отрицательных температурах. Температуру тела, при которой в гемолимфе все же начинает формироваться лед, из-за чего насекомое замерзает насмерть, называют точкой переохлаждения — и у разных видов она разная. Исследователи выяснили, что у хионей данная температура составляет минус 6,6 градуса Цельсия. Пока температура тела хионей выше этого значения, они остаются не только живыми, но и активными.

Как и ожидали авторы, точка переохлаждения у хионей ниже, чем у активных в летнее время долгоножек. Однако она мало отличается от температуры замерзания других не приспособленных к холоду насекомых — долгоносиков, кузнечиков и плодовых мушек. Например, хотя дрозофилы Drosophila melanogaster перестают двигаться при температуре около ноля, точка их переохлаждения составляет минус двадцать градусов Цельсия. Это указывает, что хотя хионеи и холодолюбивы, они плохо защищены от замерзания.

В попытке понять, как хионеям удается сохранять активность при низких температурах, исследователи внимательно изучили изображения с тепловизора, сделанные во время эксперимента. Оказалось, что в 36 процентах случаев образование льда начинается с конечностей насекомого, еще в 36 процентах — с его груди, а в 28 процентах — с брюшка. Авторы также заметили, что хионеи часто отбрасывают одну из ног, если в ней начал образовываться лед. Во время экспериментов конечностей таким образом лишились 44 из 77 особей.

Самоампутация конечностей у хионей происходила по одной и той же схеме. Сначала одна из лапок насекомого примерзала к пластине. Пока хионея пыталась освободиться, в дистальной части ее ноги начинал образовываться лед. Он поднимался от лапки (так называют дистальную часть ноги у насекомых) до голени и бедра в среднем за 533 миллисекунды. Если хионея успевала отбросить ногу до того, как лед достигал вертлуга, она выживала. В противном случае лед проникал в тело насекомого и убивал его. По расчетам авторов, в среднем самоампутация происходила через 2,5 секунды после образования льда в лапке. Вероятно, ее запускали нейроны, реагирующие на всплеск температуры в конечности в момент формирования льда.

Судя по всему, в дикой природе хионеи тоже часто отбрасывают конечности. У примерно 20 процентов всех собранных для эксперимента особей отсутствовала одна или несколько ног. Некоторые из них выживали всего с тремя ногами.

По мнению Татхилла и его коллег, самоампутацию конечностей можно считать механизмом, который позволяет хионеям оставаться подвижными при отрицательных температурах. В пользу этого говорит тот факт, что в ходе эксперимента особи, отбросившие ногу после образования льда в лапке, выигрывали 77 дополнительных секунд до полного замерзания. Кроме того, такие особи замерзали при более низких температурах пластинки, чем их сородичей, которые не отбрасывали конечностей (-11,7 градуса против −10,6 градуса).

Долгоножки и некоторые другие насекомые практикуют автотомию в защитных целях. Они отбрасывают конечности, если за них ухватится хищник. Однако хионеи так себя не ведут. Когда исследователи в лаборатории удерживали ноги хионей щипцами или касались их зондом, насекомые их не отбрасывали. С другой стороны, активные в летнее время долгоножки никогда не самоампутировали конечности при отрицательных температурах.

Интересно, что ноги хионей и других долгоножек во время отбрасывания отделяются в одном и том же месте: в суставе между вертлугом и бедром. Вероятно, хионеи унаследовали способность к самоампутации конечностей у активных в летнее время предков, однако вместо защиты от хищников они используют ее для борьбы с замерзанием. При этом в природе они стараются не подвергать себя излишнему риску замерзания и при температурах ниже десяти градусов Цельсия, вероятно, прячутся под снегом, где теплее.