Ånding hos vandbiller: At være eller ikke være under vandet

Ånding hos vandbiller: At være eller ikke være under vandet
1
Boble fra overfladen. Plastron
Respirationsporer
6
3 4
5
Neddykningstolerance Time Dage Uge Måned
Haliplus fulvus (1)
Brychius elevatus (2)
Hygrotus inaequalis
Hygrotus versicolor
Hydroporus palustris (3)
Oreodytes sanmarkii (4)
De neddyknings-intolerante arter har en tæt
overflade (5). De neddykning-tolerante arter
har en (hår)plastron (6),
eller, som noget nyt, en perforeret overflade
(7). Og de er stærkt vandskyende.
Arbejdshypotese: Porerne henter opløst ilt fra
vandet og leverer det til trachesystemet.
De neddyknings-tolerante arter
kan også udnytte luft, der hentes
ved overfladen.
Tv. er Oreodytes sanmarkii med
en luftboble.
Th. ses en af dens åbne spirakler
under dækvingerne. Udnyttes fx
ved dårlige iltforhold.
2
7
Bent Lauge Madsen

En grænse for størrelsen
Arbejdshypotese: Hvis billerne ånder gennem porer i kutikulaen, er der en overgrænse for billernes størrelse:
Overfladen øges med 2. potens, volumen med 3.potens, og der bliver længere fra overfladen til det indre:
En større og større del af overfladen må dækkes af porer for at opfylde behovet for ilt.
Oreodytes sanmarkii (nr 7 på grafen)
Længde 3 mm. Vægt (ww) 3 mg. Porer
kun på oversiden, flest pr mm² på dækvingerne.
Mindre end halvdelen på pronotum.
Porer på dækvingerne af Oreodytes
sanmarkii. Ca.14.000/mm².
Porer på undersiden af D. latus.
Ca.. 4.000/mm²
Fordelingen af neddykningstolerante
(røde) og neddyknings-ikke
-tolerante arter (blå), fordelt efter
størrelse (y-akse). Den største
nedyknings-tolerante art, Stictotarsus
duodecimpustulatus, er 5,5
mm lang. Vægt (ww)15 mg
Alle neddykningstolerante arter er
små, men ikke alle små arter er
neddykningstolerante.
Gruppen nederst th. (nr 31-37) er
udenlandske hulearter, der formodes
at kunne ånde under vandet
(dem jeg har set, har porer).
Deronectes latus (nr.5) på grafen.
Længde 5 mm. Vægt (ww) 8 mg.
Porer overalt : Overside, underside,
incl. benene.
Porer på ben af D. latus.

Der er forbindelse fra porerne til trachesystemet
Bobler der fanges på overfladen af
en vandbille svinder hurtigt på arterne
som har porer (rød signatur).
De har ingen relevans for respirationen:
Fluxen fra en 50 µm boble er
ca. 1,9x10 -5 nmol ilt/sec, hvilket er
ca. 1/1000 af iltbehovet: 1,9 x 10 -2
nmol/sec (D. latus). Men fænomenet
kan give tal for fluxen.
Luften går ud i vandet og ind gennem
porerne. Om der er forbindelse
gennem kutikulaen på H. palustris er
endnu uafklaret.
På ”store” arter svinder boblerne på alle overflader:
Der er porer overalt. Her D. latus.
Trykket i en boble er bestemt af det hydrostatiske tryk , af
overfladespændingen, γ (= 0,072 N/m), og af radius (r).
Boblens formindskelse er bestemt af trykket ( γ x (1/r+1/r))
og det antal porer, den spænder over (”footprint”). Forløbet
er lineært: Det er omvendt proportional med radius (trykket)
og ligefrem proportional med kvadratet på radius
(porearealet).
O. sanmarkii: 14.000 porer/mm² N. depressus: 3.400 porer/mm²
Boblerne svinder forbavsende ensartet hos de to arter, trods forskellen i poretæthed.. Porerne er dog større hos
N. depressus (r=3,7µm) end hos O. sanmarkii (r = 1,5µm): Der er tale porediffusion, som er mere afhængig
af porens omkreds end af arealet. Men ingen af delene giver en simpel, talmæssig forklaring, måske fordi geometrien
er kompliceret. Fænomenet, der er lidt anti-intuitivt, er lidet udforsket, ud over, at fluxen gennem et
antal små porer er væsentlig større, end hvis deres areal var samlet i én stor pore. Det er formodentlig en særlige
konfiguration af grænselagene, som fremmer diffusionen. Saammenlign med spalteåbninger.

Tæt på porerne
Tidlige Scanning Elektron Mikroskop undersøgelser
(SEM) viste, at neddykningstolerante vandkalve
(Madsen 1967) havde porelignende dannelser på
overfladen. Tv. Oreodytes sanmarkii (Poul Jeppesen,
KU 1972). Th. Nebrioporus depressus (Th. Ingstrup,
Odense Universitet 1974.) Fra 2008 har jeg lavet nye
SEM på SNM, København.
Perforeringen er mere end fordybninger i kutikulaen.
De går helt igennem . Her (tv.) er den lagdelte
kutikula fra Deronectes latus, sprængt med
lufttryk (se metode th), så øverste og nederste
lag er skilt.(Nomarski belysning). Der er hul
igennem hele kutikulaen. Men trykforsøg viser,
at der ikke kan presses luft (flow) igennem.
(Udelukker ikke diffusion).
Eksempler på porer i vandkalvenes overflader
Stictotarsus duodecimpustulatus:
Tv: Poren (KOH behandlet) er kun åben i periferien, der ses
stærkere forstørret th. Vidden af åbningen er ca. 400 nm.
Åbent areal er 8 µm². Udgør ca. 2% af overfladen beregnet
ud fra antal porer pr mm².
Deronectes latus: Tv. er porer på dækvingens
overside. Også her er perifere åbninger, mens en
centrale ”prop” er forlænget i et fladt hår.
Længst til venstre ses en hyppigt forekommende
spiralformet dannelse (sanseorgan?). Th. nærbillede
af et knækket, hult hår: Det ser ud som det
sidder i en grube.
Porhydrus lineatus: Tv. stjerneformede porer. Det åbne
areal er 6,3 µm, og udgør ca. 2% af overfladen.
Th. er en KOH behandlet kutikula. Den stjerneformede
struktur synes af fortsætte i en grube, som i bunden har en
åbning, der sikkert fortsætter gennem kutikulaen.
Tv: Oreodytes sanmarkii: Her ses også en ”prop” i
poren. På nogle SEM billeder har den en åbning i
midten. Th. er en frysefraktioneret pore fra en nært
beslægtet art fra en 1984 afhandling, der kun
handler om hårene som sanseorganer. Billedet er
interessant, fordi der synes at være et ”garnnøgle”
af tracheoler, hvilket forfatterne ikke hæftede sig
ved. (Wolfe & Zimmermann 1984)

Et tredimensionalt kig fra Bayreuth – og en teori
Fra projektets start var elektron-mikroskopiske (TEM) studier af tværsnit af billernes kutikula højt på ønskelisten.
På Århus Universitet blev der foråret 2008 fremstillet ultratynde tværsnit (Derek Horton), men tekniske
og andre problemer med det elektronmikroskopiske udstyr gjorde, at den planlagte TEM undersøgelse blev
så stærkt forsinket, at den blev overhalet af et forskningsprojekt 2009 fra Bayreuth Universitet (Kehl & Dettner
2009). Upubliceret TEM-materiale (figur midt) fra dette projekt er stillet til min rådighed.
Tv. er SEM billedet af (KOH-behandlet) kutikula fra Stictotarsus duodecimpustulatus. Ved siden er
Kehl&Dettners TEM billede af det samme, og th er er ideskitse til et diagram.. Og den perifere åbning er
indgangen til en smal grube, der omgiver håret. Inde i håret, der passende kan kaldes en ”tracheated bulb,”ses
tværsnit af tracheoler: Det bekræfter fortolkningen af den fraktionerede pore på foregående planche. Et TEM
billede af O. sanmarkii viser at tracheolerne ligger tættere på gruben end på overfladen. Et væsentligt resultat
af TEM-studierne er, at de entydigt viser tracheoleforbindelse til trachesystemet.
Har de neddyknings-tolerante vandkalve gæller?
Kehl og Dettner fra Bayreuth mener, ud fra deres TEM
studier, at der er tale om trachegæller. I sådanne gæller
diffunderer ilten fra vandet ind i tracheoler, der ligger i et
epitel, dækket af en tynd (> 1µm) kutikula. Deres publicerede
arbejde (2009) handler om en nær slægtning til D.
latus. Den har poren forlænget med et langt, fladtrykt hår
(se foregående planche): Det minder unægteligt om gælleblade!
De har dog ikke påvist at der er tracheoler deri. De
går ud fra , at der er vand på alle overflader af ”the tracheated
bulb,” også nede i den smalle grube., og at der diffunderer
ilt i ”the tracheated bulb”direkte fra vandet.
Hos D. duodecimpustulatus er der ingen udvidelse i form
af hår. Her er ”gællens” overflade kun ”the tracheated
bulb”.
Er gællen stor nok?
Hvis iltoptagelsen hos .S. duodecimpustulatus sker ved
diffusion fra vandet direkte gennem overfladen på ”the
tracheated bulb” er der kun ca. 16% af den samlede bille
-overflade til rådighed, inclusive den halvdel, der ligger
nede i den smalle grube. Hvis der ikke er en mekanisme,
som kan fremme iltudvekslingen, lyder teorien ikke
overbevisende. Og hvordan forklarer gælleteorien, at luft
fra bobler slipper hurtigt igennem porerne, hvis de er
lukket til med vand?
En forklaring kan måske findes i små, krumme vandhinders
forbavsende kræfter.
Trachegæller fra døgnfluer er tråd- og bladformede,
tracheole-rige, tyndhudede udvækster,
der forøger overfladen stærkt
Indersiden af dækvingerne på de neddyknings-tolerante
arter (her O. sanmarkii) ligner,
med de udvidede og grenede tracheer,
en gælle. Det har forledt nogle (bl.a. Smrz
1981) til at foreslå, at disse biller ånder med
gæller. De manglede dog at forklare, hvordan
ilten kom igennem den tykke kutikula.

Et alternativ til gæller: Plastron?
Alle TEM SEM-billeder er lavet på dødt materiale.
Det viser kun ”skelettet”. Lys-mikroskopiske observationer
med påfaldende lys af billerne, som blev fastspændt
i mikro-strømakvarier, viste, at der er luft i
porerne. Således fortolker jeg den stærke refraktion/
refleksion. Th. et billede fra N. depressus: På det sort
pigmenterede er vand-luft grænsefladen synlig, på det
lyst pigmenterede er porens forlængelse ind gennem
kutikulaen synlig. På skrå flader ser de ringformede
ud. Hos P. lineatus er refraktionerne/reflektionerne
Er vand/lufthinden en illusion? Mikroskopien er særdeles vanskelig
ved store (400x) forstørrelser: Ringe arbejdsafstand=intet
lys. Men nye studier (dec 2009) med confocal-laser-mikroskop
gav billeder som dette th., hvor man endog kan scanne i dybden:
På snapshottet af en af scanningskiverne ses de lysende ringe,
som jeg fortolker som luft, synlig i porens perifere åbning.
”A fly in the ointment” er, at vandhinden kan holde til, at overfladespændingen
halveres, hvor en ”normal” plastron bryder sammen.
I den kommende vandbillesæson vil jeg forsøge, om jeg
kan trække luft ud af porerne.
Arbejdshypotese: De perifere
og de stjerneformede åbninger
(vandskyende) er overspændt
med en vand/
lufthinde, der buer indad mod
luften og fungerer som en
plastron. Set indefra poren er
det en ”antiboble”, hvis overfladespænding
skaber undertryk
herinde...
Den normale plastron
Hårene i en plastron er også
overspændt med en buet vandhinde,
hvis overfladespænding
holder vandet ude og faciliterer
iltens diffusion ind i luftlaget.
Bemærk dimensionerne i
forhold til poren. En flaskehals
er den lange vej til spiraklerne
og den flade ”halo” af iltfattigt
vand over plastronen.
bent@laugemadsen.dk
Den buede vandhinde er som
en spændt trampolin: den vil
rette sig ud, minimere overfla-
Fordele v. poreplastron
1:Bedre hydrodynamik
2:Direkte forbindelse til
tracheer.
3: Mere effektiv diffusion
gennem grænselag.
4:Mindre synlighed
En antiboble
Vandhinden over den perifere åbning
kan betragtes som et cirkulært trug. Den
ene radius (tværsnittet) er 0,2 µm
(S.duodecimpulatus). Den anden radius
er ∞, hvilket giver en reciprokværdi på 0:
Trykket er derfor γ / 2 x 10 -7 m = 3,6 atm
mod vandet. Dvs. der er et tilsvarende
negativt tryk på luftsiden. Det giver mindre
tæthed af iltmolekyler inde i poren
og fremmer diffusionen fra vandet ind til
poren. (”Iltpumpe?”)
Der er endnu mange uafklarede ting: Er der også porer hos de andre
arter, bare færre? Er der også respiration fra dækvingens underside? Her
er fundet hidtil ukendte strukturer, der kan have med respiration at gøre.
De minder lide mere om gæller end porerne gør. Men her er ikke vand??
En høj prioritet har flere data på respirationen og ikke mindst mål på
overfladerne, så der kan gives kvantitativt svar på: Gælle eller Plastron?
Eller måske: Gælle og plastron.
Med tak til Carlsbergfondet