Neočekávaná schopnost, kterou věda právě objevila
Poslední výzkumy z kanadských laboratorní odhalují překvapivou dovednost čmeláků, která by se od tak běžného hmyzu nikdo neočekával. Britští vědci popsali případ, který začal chybou v experimentálním vybavení a skončil jedním z nejzvláštnějších pozorování v entomologickém výzkumu. Ukazuje se totiž, že královny čmeláků během zimního spánku zvládají přežít více než sedm dní úplně ponořené ve vodě, přičemž přitom dýchají způsobem, který vázaným živočichům běžně nepřísluší.
Jak všechno začalo: technická porucha a čtyři „utopené" samice
Příběh se odehrál v roce 2020 na kanadské univerzitě. Výzkumný tým připravoval vzorky zimujících čmeláků uskladněné v chladícím boxu uvnitř speciálních nádob. Během noci došlo k neočekávanému selhání zařízení a voda zatopila všechny připravené vzorky.
Na začátku následujícího dne měly čtyři královny vznášející se na hladině všechny známky smrti. Zůstaly bez přístupu k vzduchu déle než 12 hodin. Z hlediska tradiční fyziologie hmyzu měly zcela jistě zahynout.
Překvapením všech byla skutečnost, že všechny čtyři samice stále žily. To nebyl zanedbatelný náhodný jev, který by mohlo jít ignorovat. Vědečtí pracovníci se rozhodli zjistit podrobněji, nakolik daleko se táhne tato neobvyklá schopnost odolávat zatopení.
Sedm dní pod vodou: překonání všech očekávání
Výzkumný kolektiv realizoval kontrolované testování na 143 zimujících čmeláích královnách. Umístili je do chladné vody a sledovali jejich vývoj přes řadu po sobě jdoucích dnů.
Získané údaje všechny předpovědi překročily:
- po sedmi dnech plného zanuření zůstalo naživu přibližně 81 procent samic,
- některé jedince vydržely pod vodou osm dní,
- zajímavostí bylo, že míra přežití byla vyšší než u skupiny, kterou drážďáli na vzduchu po stejnou dobu.
Tato zjištění přinutila vědce hlouběji uvažovat o životě čmeláků během zimy. Královny se během měsíců od listopadu do března ukrývají v zemi v hloubce několika centimetrů. Když se během chladných měsíců či časné jara vyskytnout vydaté srážky, jejich zemní úkryty mohou zcela naplnit vodou. Přesto se kolonie čmeláků stále vracejí, jakmile nastane jaro.
Jak dýchá čmelák pod vodou: tři geniální triky přírody
Aby zjistili, co se v opravdu děje s královnou v zatopené dutině, tým změřil spotřebu kyslíku a vyprodukování oxidu uhličitého u ponořených samic. Nejednalo se pouze o vzduch, který si mohly nést sebou, ale spíše o to, zda jejich tělo vůbec vyměňuje plyny během pobytu pod hladinou.
Výzkum jasně prokázal: královny nepřetrvávají v zatopené dutině s uzavřeným dýchacím systémem. Opravdu dýchají, přitom využívají tři vzájemně se doplňující mechanismy.
1. Pomalý průnik kyslíku chitinským pancířem
Tělo čmeláka pokrývá vrstva chitinu, kterou se nazývá kutikula. Tato vrstva není zcela nepropustná. Molekuly kyslíku rozpuštěné ve vodě mohou pomalu pronikat touto bariérou přímo do tkání. Tento proces je extrémně pomalý, ale v hluboké hibernaci postačuje jako jeden z doplňujících zdrojů kyslíku.
2. Mikroskopické vzduchové kapsy tvořené chloupky
Druhý mechanismus funguje podobně jako miniaturní žábry, ale spočívá na struktuře ostnů pokrývajících tělo čmeláka. Vytvářejí tenkou vrstvu vzduchu přilnutou k povrchu hmyzu, když se octne pod vodou.
Vrstva vzduchu zachycená mezi osatými výběžky slouží jako přírodní žábry: kyslík z vody vstupuje do této vlásenky, odkud se dostává do otvorů sloužících k dýchání.
Na rozhraní mezi vodou a vzduchem tak vzniká oblast nepřetržité výměny plynů. Nejedná se o fungování plic, nýbrž spíše o filtr, který stále „nasává" kyslík z okolí.
3. Drastická redukce metabolismu na minimum
Nejextrémnější součástí tohoto systému je třetí prvek. Během zimy čmelák pracuje v režimu minimální energetické spotřeby. Výzkumníci vypočítali, kolik oxidu uhličitého vypouští takto uspaná královna při nízké teplotě a kolik poté, co se ocitne pod vodou.
| Stav královny | Vývoj CO₂ (jednotky za hodinu na gram) |
|---|---|
| V klidu na vzduchu (zhruba 3°C) | přibližně 14,4 |
| V téže situaci po ponoru do vody | přibližně 2,35 |
Jde o pokles metabolismu na přibližně jednu šestinu původní úrovně. V takovém stavu organismus potřebuje jen minimální množství kyslíku. To, co vnikne přes vrstvu chitinu a vzduchové kapsy z osatiny, tedy postačuje.
Bez tohoto drastického zpomalení metabolismu by královny téměř jistě utonuly během několika hodin. V zimní letargii si ale zvířata vytvářejí biologický nouzový plán, jenž jim umožňuje vydržet celé dny.
Klimatická změna a překvapivá role čmeláků
Vzrůstající oteplování neprináší jen horká období, ale také čím dál tím silnější deště. Evropa a severní Amerika zažívají zvýšený výskyt zimních povodní, které měnějí půdu na týdny či měsíce do uplaté hmoty nasycené vodou.
Pro королевyen čmeláků jde o kritickou dobu. Celou budoucí populaci v daném roce zajistí jen jedna samice, která přestojí zimu. Pokud se v zatopené dutině utopí, nevznikne žádná nová kolonie.
Schopnost odolávat několika dnům pod hladinou může fungovat jako pojistka druhů v dobách, kdy se zimy stávají stále více přítokem spodní vody.
Vědci zdůrazňují, že taková vlastnost má významný evoluční podtext. Jedinci, kteří se lépe vyrovnali se zatopenými půdami, měli vyšší šanci přežít a založit novou kolonii. Postupem času se v populacích mohly закріпити genetické i fyziologické základy této odolnosti.
Otazníky: jaké jsou skutečné hranice a jakou cenu to stojí?
Navzdory působivým výsledkům experimentu zůstává řada otázek bez odpovědi. Osm dní zanuření, která byla v pokuse testována, je pouze mezní hodnotou ověřenou pod kontrolovanými podmínkami. Zůstane nejasné, zda samice mohou vydržet ještě déle, či se tam jejich hranice vskutku končí.
Další problém se vztahuje na opakovatelnost těchto událostí. V přírodě se zimní úkryt během jedné zimy několikrát zatopí a osuchá, když se deště a tání střídají s mrazy. Zatím chybějí poznatky o tom, jestli královna bez podstatnějšího poškození zvládne několik takových cyklů postupně.
Nejdelikátnější otázka se týká rezerv energie. Zimující čmeláci spotřebovávají zásady tuku nashromážděné na podzim. Toto „skladiště" by mělo stačit až do jara, kdy se královna začne hledat místa pro hnízdo a skládat první vajíčka.
Delší pobyt pod vodou může tuto spotřebu urychlovat. Organismus, který se snaží čelit krajním podmínkám, už nefunguje v režimu bezchybné úspory. Pokud se zásobník tuku příliš rychle vyvíjí, mohla by si v dubnu případná královna postěžovat na energii na vybudování hnízda a péči o prvotní generaci pracovních čmeláků.
Budoucnost výzkumu a rozšíření znalostí
Kanadský výzkumný celek nyní plánuje podrobnější měření. Vědci chtějí porovnávat obsah tuku v těle královen před i po zanuření, zjišťovat, kolik energie jejich „vodní epizoda" skutečně stojí, a zkoušet, zda se hmyz po vyjmutí z vody stejně účinně podílí na vytváření nových kolonií.
Zajímavá je také otázka, zda podobné schopnosti nenalezneme u jiných hmyzích druhů. Velké množství opylujících živočichů se zimou schovává v půdě, v mrtvých rostlinných částech anebo pod vrstvou listí. I jejich úkryty se mohou periodicky zatopít.
Pokud by další zemní hmyz měl schopnost fungovat alespoň krátkou dobu ve vodě, mohlo by to částečně vysvětlovat, proč si určité populace pořád vedou svými silami i přes stále zuřivější povětrnostní jevy.
Pro odborníky zabývající se ochranou přírody je taková informace cenná. Poukazuje na to, že některé druhy disponují větší bezpečnostní rezervou, než jsme si mysleli, ale zároveň upozorňuje, že meze této odolnosti zůstávají neurčité. Jedna série povodní nemusí zničit populaci, ale několik extremních zim za sebou by mohlo nadměrně zatížit i tak přizpůsobené organismy.
Z praktického pohledu stojí za to vnímat biotopy čmeláků komplexněji než jen skrz optiku květů. Stejně klíčová se ukazuje skladba půdy: hloubka humusové vrstvy, průchodnost, přítomnost těžké hlíny zadržující vodu. Drobné kroky – jako například ponechávání částí zahrady s rozvolněnou, neujetou zemí, či omezování těžké techniky na přírodě cenných terénech – mohou reálně zlepšit podmínky zimování samic.
V širší perspektivě tato příhoda krásně demonstruje, jak selhání v laboratoři dokáže odhalit zcela nový aspekt biologie dobře známého druhu. Čmelák, kterého si člověk obvykle spojuje s pomalým bzučením nad květy, se v zimě transformuje v tvora vzájemně propojeného s vodou a vzduchem, balancujícím na hranici minimální metabolické aktivity a fascinující adaptované respirace.
