Królowe trzmieli zaskoczyły naukowców: tydzień pod wodą i przeżywają

Samice trzmieli, które spędzają zimę w ziemi, potrafią wytrwać pod wodą całymi dniami.

Naukowcy przypadkiem natknęli się na tę niezwykłą zdolność.

Przez lata sądzono, że trzmiele są zupełnie bezbronne wobec długotrwałych zimowych zalewów. Nowe badania pokazują coś zupełnie innego: samotne królowe, ukryte pod powierzchnią gleby, radzą sobie w warunkach, które dla większości owadów oznaczałyby pewną śmierć.

Przeciekająca lodówka i cztery „utopione” królowe

Cała historia zaczęła się w laboratorium uniwersytetu w Guelph w Kanadzie. Badaczka pracująca z królowymi trzmieli trzymała je w probówkach, w chłodzie, w warunkach przypominających zimową hibernację pod ziemią. Pewnej nocy lodówka zawiodła, a woda z rozmrożonego lodu zalała próbki.

Rano cztery królowe dosłownie pływały w wodzie. Spędziły tak ponad 12 godzin. Po takim czasie mały owad nie ma zwykle żadnych szans. Tym razem wszystkie okazały się żywe i w zaskakująco dobrej kondycji.

Ten nieplanowany „eksperyment” uruchomił lawinę pytań. Badaczka postanowiła sprawdzić, czy to jednorazowy przypadek, czy może trzmiele kryją jakąś nieznaną zdolność przetrwania.

Kontrolowany test wytrzymałości: 143 królowe pod wodą

W kolejnej serii badań do zimnej wody trafiło już 143 królowych trzmieli, wszystkie w stanie głębokiej hibernacji. Trzymano je w pełnym zanurzeniu, bez dostępu do powietrza. Seria testów trwała przez tydzień.

Nawet po siedmiu dniach nieprzerwanego przebywania pod wodą przy życiu pozostało 81 procent samic. Część osobników wytrzymała osiem dni.

Zaskakujący był jeszcze jeden element: śmiertelność w grupie trzymanej cały czas na powietrzu, w tych samych warunkach temperaturowych, okazała się wyższa niż w grupie zanurzonej. Królowe, zamiast topić się w wodzie, całkiem dobrze znosiły ten stan.

To zmienia sposób myślenia o zimowaniu trzmieli. Samice zakopują się jesienią w ziemi i trwają tak do wiosny. Coraz częstsze ulewy zimą oznaczają jednak, że ich komory glebowe potrafią wypełnić się wodą na długie dni. Zamiast ginąć masowo, królowe najwyraźniej radzą sobie z tym znacznie lepiej, niż przypuszczaliśmy.

Jak owad lądowy w ogóle „oddycha” pod wodą?

Dotąd wydawało się jasne: trzmiele nie mają skrzeli, a ich aparat oddechowy przystosowany jest do wymiany gazowej w powietrzu. Skoro nie dysponują żadnym oczywistym narządem do pobierania tlenu z wody, jakim cudem wciąż żyją po tygodniu zanurzenia?

Zespół badawczy zmierzył u królowych zużycie tlenu i ilość dwutlenku węgla wydzielanego podczas pobytu pod wodą. Wyniki jasno pokazują, że owady nie „wstrzymują oddechu” ani nie korzystają z dużych wewnętrznych pęcherzyków powietrza. One naprawdę prowadzą wymianę gazową w wodzie, choć w bardzo specyficzny sposób.

Trzy filary „supermocy” królowych trzmieli

Badacze wyróżnili trzy kluczowe mechanizmy, które umożliwiają taki wyczyn:

• Przenikanie tlenu przez oskórek – cienka, chitynowa „skóra” owada pozwala na powolne przenikanie cząsteczek tlenu rozpuszczonych w wodzie bezpośrednio do tkanek.
• Mikro-warstwa powietrza wśród włosków – gęste owłosienie trzmiela zatrzymuje cieniutką warstewkę powietrza przy powierzchni ciała. Tworzy to swoistą fizyczną „pseudo-skrzelę”, w której zachodzi wymiana gazowa: tlen z wody przenika do tej warstwy, a stamtąd trafia do przetchlinek oddechowych.
• Drastyczne spowolnienie metabolizmu – w hibernacji całkowite zużycie energii i tlenu spada do absolutnego minimum.

W praktyce wygląda to tak: w temperaturze około 3 stopni Celsjusza królowa, która odpoczywa na powietrzu, produkuje średnio 14,4 mikrolitra dwutlenku węgla na godzinę na gram masy ciała. Gdy zanurzy się ją w wodzie, ten wynik spada do 2,35 mikrolitra. Metabolizm spowalnia więc sześciokrotnie.

Tak niskie tempo przemiany materii sprawia, że trzmielom wystarcza tlen dostarczany bardzo wolno i pasywnie – przez oskórek i cienką warstewkę powietrza uwięzioną we włoskach.

Bez tak ogromnego ograniczenia zużycia energii zwierzę potrzebowałoby o wiele więcej tlenu, niż woda może mu dostarczyć. Wtedy śmierć przez „utonięcie” nastąpiłaby w ciągu kilku godzin.

Co ta zdolność oznacza w dobie zmian klimatu

W wielu regionach Europy i Ameryki Północnej zimy przypominają dziś raczej przedłużoną jesień: więcej deszczu, mniej stabilnego mrozu. Gleba bywa długo nasączona wodą, a królowe trzmieli, które ukryły się w płytkich warstwach ziemi, lądują nagle w całkowicie zalanych komorach.

Badania pokazują, że taka sytuacja nie musi dla nich automatycznie oznaczać katastrofy. Możliwość przetrwania całego tygodnia pod wodą daje samicom czas, by „doczekać” odpływu wody i powrotu bardziej suchych warunków.

Wzrost odporności na zalanie może stać się ważnym atutem ewolucyjnym. Kolonie trzmieli, które mają samice zdolne przetrwać długie podtopienia, łatwiej odnowią się wiosną, podczas gdy inne gatunki owadów glebowych mogą wymierać lokalnie po każdym mokrym sezonie.

Niewiadome: ile naprawdę wytrzyma trzmiel i jakim kosztem

Mimo spektakularnych wyników pozostaje sporo pytań. Osiem dni, zarejestrowane w laboratorium, może być tylko początkiem tego, na co stać niektóre samice. Nie wiadomo, czy przy jeszcze niższej temperaturze lub innym stopniu natlenienia wody trzmiele nie byłyby w stanie wytrzymać jeszcze dłużej.

Druga sprawa to powtarzalność takiego stresu. W naturze zimowe roztopy nie zawsze przychodzą raz. W wielu miejscach ziemia wielokrotnie zalewa się i osusza w trakcie jednego sezonu. Brakuje danych, czy królowa zniesie na przykład trzy lub cztery długie epizody pełnego zanurzenia, zachowując sprawność i zdolność do założenia gniazda na wiosnę.

Każda z samic żyje zimą wyłącznie z zapasów tłuszczu zgromadzonych jesienią. Te kalorie muszą wystarczyć nie tylko na przetrwanie kilku miesięcy w uśpieniu, ale również na pierwsze loty, poszukiwanie miejsca na gniazdo i budowę początkowych komórek dla robotnic.

Dłuższy pobyt pod wodą prawdopodobnie przyspiesza zużywanie rezerw energetycznych, co może odbić się na kondycji założycielki kolonii na starcie sezonu.

Zespół badawczy planuje więc dokładne pomiary ilości tłuszczu przed i po zanurzeniu, by sprawdzić, jaki jest realny koszt tej niezwykłej strategii przetrwania.

Czy inne owady też mają „tryb wodny” na zimę?

Trzmiele nie są jedynymi zapylaczami, które chowają się na zimę w glebie. Pod powierzchnią ziemi zimują także liczne samotne pszczoły, częściowo również niektóre muchówki i chrząszcze powiązane z roślinami kwitnącymi. Wiele z tych gatunków trafia do podobnego środowiska: wilgotne, chłodne komory glebowe, coraz częściej wypełnione wodą.

To prowadzi do bardzo ciekawej hipotezy: przynajmniej część z tych owadów może korzystać z pokrewnych mechanizmów co królowe trzmieli, tylko nikt tego jeszcze nie zbadał. Jeśli tak jest, odporność ekosystemów na gwałtowne zmiany klimatu może być wyższa, niż przewidują dzisiejsze prognozy.

Jednocześnie nie należy zakładać, że wszystkie gatunki poradzą sobie równie dobrze. Każdy owad ma inną strategię zimowania, inny poziom zapasów energetycznych i odmienną tolerancję na brak tlenu. Dlatego częste, długotrwałe zimowe powodzie mogą przetasować skład lokalnych populacji zapylaczy – lepiej przystosowane gatunki skorzystają, inne mogą szybko tracić liczebność.

Co z tego wynika dla ludzi i ochrony przyrody

Dla zwykłego ogrodnika czy rolnika ta wiedza ma bardziej praktyczny wymiar, niż mogłoby się wydawać. Jeśli trzmiele faktycznie wytrzymują okresowe podtopienia, nie oznacza to, że ich siedliska można bezkarnie niszczyć. Głęboka orka, zagęszczanie gleby ciężkim sprzętem czy zasypywanie nasypami miejsc, gdzie zimują królowe, wciąż stanowią realne zagrożenie.

Z drugiej strony, świadomość, że te owady radzą sobie lepiej w mokrych glebach, może wpłynąć na projektowanie ogrodów przyjaznych zapylaczom. Fragmenty terenu, gdzie woda krótkotrwale stoi po roztopach lub ulewach, nie muszą być automatycznie uznawane za stracone miejsca. O ile nie ingerujemy w glebę, mogą stać się zimowiskiem dla części populacji trzmieli.

Na poziomie naukowym ta historia pokazuje jeszcze coś: wiele zjawisk biologicznych poznajemy dzięki przypadkom i uważnej obserwacji. Prosty, pechowy incydent z nieszczelną lodówką doprowadził do ustaleń, które zmieniają spojrzenie na odporność jednych z najważniejszych zapylaczy. W czasach, gdy tak wiele mówi się o kryzysie owadów, każda nowa informacja o ich sposobach przetrwania może przełożyć się na lepsze decyzje w ochronie przyrody i rolnictwie.