Det mærkelige tilfælde af dykkerfluen

For mere end et århundrede siden, Den amerikanske forfatter Mark Twain observerede et mærkeligt fænomen ved Mono Lake, lige øst for Yosemite National Park:enorme mængder af små fluer ville kravle under vandet for at fouragere og lægge æg, men hver gang de dukkede op igen, de ville se helt tørre ud.

I sin rejsememoir Roughing It, Twain skrev:"Du kan holde dem under vand, så længe du vil - de gider det ikke - de er kun stolte af det. Når du lader dem gå, de dukker op til overfladen så tørre som en patentmyndighedsrapport, og gå lige så ubekymret, som om de var blevet uddannet, især med henblik på at give mennesket lærerig underholdning på den særlige måde."

Caltech-biolog Michael Dickinson, Esther M. og Abe M. Zarem professor i bioteknik og luftfart, blev på samme måde fascineret af disse såkaldte dykkerfluer – videnskabeligt kendt som Ephydra hians – på en ferie til Yosemite for 22 år siden. Nu er hovedefterforskeren af ​​et laboratorium, der er specialiseret i insektflugt, Dickinson gik sammen med den tidligere Caltech-postdoc Floris van Breugel (nu ved University of Washington) for at studere Mono Lake-fluernes mystiske adfærd.

De to har nu karakteriseret de unikke tilpasninger af Mono Lake-fluen og de mekanismer, den bruger til at kravle under vandet uden at blive våd. Værket er offentliggjort i et papir i nummeret 20. november af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Mono Lake har et meget delikat og unikt økosystem, " siger van Breugel. "Bevaringsaktivister har kæmpet hårdt for at forhindre tabet. Vi var interesserede i Mono Lake-fluerne, ikke kun fordi deres adfærd er så usædvanlig, men fordi de er en afgørende art for søens økosystem og fødenet. Mono Lake fluer er en afgørende komponent til det lokale økosystem, fungerer som fødekilde for edderkopper og for træk- og redefugle."

Mono Lake er ikke en gennemsnitlig ferskvandssø. Ikke alene er det tre gange saltere end havet, den er også fuld af natriumcarbonat og borax - som i det væsentlige er vaskemiddel. Vandets høje pH giver det en glat, næsten olieagtig konsistens.

Ingen fisk eller andre hvirveldyr overlever i Mono Lake, selvom alger og bakterier er rigelige. Dermed, for en flue, søens dybder kan virke tiltalende - der er ingen rovdyr og masser af mad. Imidlertid, der er kun én forhindring først:hvordan man holder sig tør, mens man er under vandet.

Til noget på størrelse med en lille flue, vands overfladespænding er kraftig, gør det til en dødelig klæbrig fælde. Alle insekter skal være vandafvisende, eller hydrofob, for at kunne sameksistere med regn og dug i deres omgivelser. De fleste er i stand til at opnå dette ved at bære en belægning af korte børstede hår dækket af et voksagtigt stof, hvilket giver dem mulighed for at afvise vand for det meste.

Imidlertid, på grund af dets særlige kemiske sammensætning, Mono Lake-vand er særligt godt til at bryde igennem et gennemsnitligt insekts behårede forsvar. Van Breugel og Dickinson opdagede, at dette skyldes, at søens overflade indeholder et tyndt lag af negativt ladede carbonationer. Når en almindelig flue kommer for tæt på vandet, ionerne tiltrækkes af positive ladninger på fluens hud, og vandet trækkes mellem de beskyttende hår, befugtning af fluen.

Så, hvordan kan Mono Lake-fluen dykke og forblive tør i det, Dickinson kalder "måske det vådeste vand i verden"?

Ved at bruge en kombination af højhastighedsvideo og mikrokraftmålinger, hvor de kastede fluer ind i en række forskellige kemiske løsninger, van Breugel og Dickinson fandt ud af, at Mono Lake-fluen skaber en beskyttende luftboble omkring sin krop, når den kravler ned i søvandet. Denne boble er et resultat af et ekstremt vandafvisende fænomen kaldet superhydrofobicitet. Fluerne er i stand til dette, forskerne opdagede, fordi de er mere behårede end den gennemsnitlige flue og beklæder deres kroppe og hår med voks, der er særligt effektive til at afvise det karbonatrige vand. De har også store kløer på fødderne, som giver dem mulighed for at kravle på undersøiske klipper, mens de modstår boblens naturligt opdrift. Bemærkelsesværdigt, boblen omslutter ikke fluens øjne, lader fluen se under vandet uden boblens forvrængende effekt.

Holdet sammenlignede resultaterne af Mono Lake-fluer med en række forskellige fluer, herunder nogle nære pårørende. Ingen andre fluer kunne tage en dunk i Mono Lake-vandet uden at blive våd i en grad, der ville gøre flugt fra søen usandsynlig. Derudover når Mono Lake-fluerne kortvarigt blev skyllet med et opløsningsmiddel (hexan) for at opløse deres voks, de mistede deres evne til at danne en superhydrofob boble, tyder på, at fluens voks er afgørende for dette fænomen.

"Det er ikke, at Mono Lake-fluer har udviklet en ny og unik måde at forblive hydrofobe på - det er, at de har forstærket de normale værktøjer, som de fleste insekter bruger, " siger Dickinson. "Det er bare en morder koncert. Der er intet under vandet til at spise dig, og du har al den mad, du ønsker. Du skal bare dykke i det måske sværeste vand på planeten at forblive tørt i. De fandt ud af det, og så komme til at nyde en ekstremt unik livshistorie. Det er utroligt, hvordan udviklingen af ​​sådanne fysiske og kemiske ændringer i lille skala kan tillade et dyr at indtage en helt ny økologisk niche."

De næste skridt for projektet, ifølge Dickinson, er brede.

"Vi kunne gå i den materialevidenskabelige retning og studere kemien af ​​de voks, som insekterne bruger, " siger han. "Men der er også noget virkelig interessant neurobiologi - det er sådan en utrolig underlig ting for en flue bevidst at kravle under vandet."