Vodní pavouci

Inženýrský zázrak a evoluční záhada

Shaun Doyle

Z creation.com přeložil Pavel Akrman – 05/2024. Translation granted by Creation.com – přeloženo s povolením od Creation.com.

Podcast

Zvuková verze tohoto článku

Obrázek 1. Když je vodouch stříbřitý pod vodou, dýchání mu umožňuje plastron (viz bílá šipka).

Pavouk vodouch stříbřitý (Argyroneta aquatica) je unikátním pavoukem. Je to jediný známý pavouk, který žije téměř celý svůj život pod vodou. Nicméně, stejně jako všichni ostatní pavouci, má „plíce“¹ a může dýchat jen vzduch.

Jak dokáže přežít? Bere si vzduch s sebou pod vodu! Když vypluje nahoru, vystrčí břicho nad hladinu, a při jeho opětovném stažení zpět do vody zachytí vzduch kolem svého břicha pomocí milionů hrubých, vodu odpuzujících chloupků na břiše, potažených voskovým povlakem.² Tato tenká vrstva zachyceného vzduchu se nazývá plastron (obrázek 1). Vezme si tento vzduch pod vodu a utká podvodní síť, čímž si vytvoří pod vodou svou vlastní malou vzduchovou „jeskyni“ (obrázek 2).³ Tato „jeskyně“ pojme mnohem více vzduchu než plastron, takže „jeskyni“ lze naplnit několikrát za sebou. V této vzduchové „jeskyni“ může zůstat až několik dní, aniž by se vracel na povrch. A když začne v „jeskyni“ docházet kyslík, jednoduše ho vymění za čerstvý vzduch z atmosféry pomocí svých břišních chloupků.

Chloupky vodoucha stříbřitého (a několika dalších pavouků a druhů hmyzu) vytvářejí vzduchovou bublinu prostřednictvím součinnosti mechaniky a chemie. Povrch, na kterém ulpí vzduchová bublina, musí být mechanicky extrémně drsný. U pavouka to zajišťují miliony chloupků na jeho břiše. Díky tomu se vzduch s vysokým povrchovým napětím zachytí snadno, zatímco voda jen obtížně. Ale povrch také musí mít nízkou povrchovou energii. Jinými slovy, musí být pro vodu kluzký. U vodoucha stříbřitého je toho dosaženo voskovým povlakem na chloupcích. Tato kombinace faktorů umožňuje molekulám vzduchu vytvořit na povrchu pavouka stabilní, neporušenou strukturu, aniž by voda tuto vzduchovou bublinu rozbila.

Obrázek 2. Pavouk vodouch stříbřitý ve své vzduchové bublině pod vodou

Evoluční záhada

Vodouch stříbřitý není jediný bezobratlý živočich, který dokáže vytvořit na břiše plastron.⁴ Je to však jediný známý pavoučí druh, který žije téměř celý svůj život pod vodou. Tato jedinečnost je podtržena tím, že je jediným druhem ve svém rodu. Dlouho se také debatovalo o tom, do které pavoučí rodiny vůbec patří.⁵ Nejprve byl různě řazen k rodům Cybaeidae⁶ a Dictynidae.⁷ Díky jeho jedinečnosti mu někteří badatelé dokonce přiřkli vlastní taxon Argyronetidae (Vodouchovití).⁸

Nicméně, protože byl sekvenován jeho mitochondriální genom, vědci jej umístili obecně do čeledi Dictynidae.² I to však zvýraznilo jeho jedinečnost. Bylo zjištěno, že ve srovnání s podobnými druhy má ve své mitochondriální DNA neobvykle dlouhou řídící oblast.^9,10 To ukazuje na jedinečnost některých jeho genetických specializací.

Navíc není jasné, jak pavouk přišel k životu pod vodou. Někteří další pavouci a hmyz, kteří mohou tvořit plastrony, by jimi mohli teoreticky dýchat neomezeně dlouho.¹¹ Je to proto, že vzduch v plastronu není statický; plyny proudí přes bariéru mezi plastronem a vodou. Aby bylo možné pokračovat v dýchání, plastron musí být dostatečně velký a mít správný tvar. Navíc čím studenější a zvířená voda (např. tekoucí voda), tím lépe. Je to proto, že studená voda zadržuje více rozpuštěných plynů a tekoucí voda přivádí více těchto plynů do kontaktu s plastronem.

Podobně je tomu i u vodoucha stříbřitého, který dýchá ve své vytvořené vzduchové „jeskyni“ pod vodou;² žije však ve stojatých rybnících. Jak jeho plastron, tak jeho „potápěčský zvon“ jej tedy nemohou udržet neomezeně.² To je také důvod, proč musí pavouk pravidelně cestovat k hladině, aby doplnil zásoby O₂, jak bylo popsáno výše.

Pro evolucionisty je snaha vytvořit cestu k tomuto podmořskému životnímu stylu skrze přírodní výběr obtížným problémem. Všechno, co pavouci dělají ve své „jeskyni“, mohou dělat stejně snadno i nad vodou. Všechny aktivity pavouka vyžadují atmosférický kyslík. Pravidelné cesty na hladinu ho stojí energii a jsou riskantní, protože varují predátory a činí z něj snadnou kořist.¹²

Pavouk vodouch stříbřitý je ojedinělá genetická i ekologická odchylka. teoreticky tedy mohl vzniknout tímto způsobem. Ale pokud ne, je obtížné představit si, jak neřízené mutace a přírodní výběr samy o sobě dokáží vysvětlit vznik životního stylu tohoto druhu z jeho prvních členů. Mnohem pravděpodobněji tu hrála roli záměrně navržená adaptabilita v genomu.¹³

Těžko řešitelný technický problém

Plastron vodoucha stříbřitého také posloužil jako inspirace pro nové technologie. Povrchy, které udrží plastrony po dlouhou dobu, mohou mít mnoho technologických využití. Vzhledem k tomu, že vzduch odděluje povrch od kapalin, může pomoci zabránit tomu, aby se na povrchu množily bakterie a svijonožci. To by mohlo pomoci při ochraně materiálů před biologickým poškozením nebo znečištěním, a to od různých zařízení pod vodou až po lékařské nástroje.

Navíc vědci již po desetiletí dobře chápali, jak tyto povrchy fungují. Ale nemohli kopírovat to, co tito tvorové dělají. Nedokázali zajistit, aby plastrony byly dlouhodobě stabilní. Proč ne? Za prvé, drsné povrchy jsou mechanicky slabší než jejich hladké protějšky. Snadno se rozemílají. Za druhé, nesmáčivé vlastnosti povrchů se časem zhoršují. Vzduch zůstává v kapsách hrubého povrchu, takže voda snadno „sklouzne“. Ale když se voda dostane do drsného povrchu, vzduchové kapsy se odpojí, což povrch smáčí. To je horší tehdy, jestliže povrch zůstane dlouho pod vodou, protože vzduch zachycený v drsném povrchu se časem rozptýlí. Bez vzduchu v drsném povrchu se plastron rozpadne.

Vědci však přece jen našli způsob, jak tyto problémy překonat a uchovat plastron měsíce na upraveném povrchu.¹⁴ Oproti předchozím snahám museli vzít v úvahu několik dalších parametrů, což jim umožnilo přesněji předpovědět chováni plastronu. To pak vedlo k vývoji relativně levného a reprodukovatelného procesu k vytvoření povrchu, který tvoří plastron po celé měsíce.

Závěr

Pavouk vodouch stříbřitý je úžasná záhada. Složitá konstrukce jeho plastronu byla dobře známá po celá desetiletí, než jsme jej dokázali efektivně zkopírovat. A sotva si lze představit, jak se mohl tak jedinečný životní styl jednoduše vyvinout bez důmyslně navrženého designu, vloženého do stvoření. Je to další svědectví o tvořivém důvtipu jeho Tvůrce.

Odkazy a poznámky

1. Jedná se o speciální typ, nazývaný „book lungs“ („knižní plíce“). Skládají se z vrstev tenkých skládaných membrán (lamel) naskládaných jako stránky knihy s hemolymfou (ekvivalent „krve“) uvnitř membrán, střídajícími se s kapsami vzduchu. To poskytuje větší plochu pro výměnu atmosférických plynů s plyny rozpuštěnými v hemolymfě.
2. Neumann, D. and Woermann, D., Stability of the volume of air trapped on the abdomen of the water spider Argyroneta aquatica, SpringerPlus 2:694, 2013.
3. Seymour, R.S. and Hetz, S.K., The diving bell and the spider: the physical gill of Argyroneta aquatica, J. Experimental Biology 214:2175–2181, 2011. Return to text.
4. Seymour, R.S. and Matthews, P.G.D., Physical gills in diving insects and spiders: theory and experiment, J. Experimental Biology 216(2): 164–170, 2013.
5. Gorneau, J.A. et al., Webs of intrigue: museum genomics elucidate relationships of the marronoid spider clade (Araneae), Insect Systematics and Diversity 7(5):5, 2023.
6. Selden, P.A., Missing links between Argyroneta and Cybaeidae revealed by fossil spiders, Journal of Arachnology, 30:189–200, 2002.
7. Wheeler, W.C. et al., The spider tree of life: phylogeny of Araneae based on target-gene analyses from an extensive taxon sampling, Cladistics 33:574–616, 2017.
8. Roth,V.D., Descriptions of the spider families Desidae and Argyronetidae, American Museum Novitates 2292:1–9, 1967.
9. Liu, M., Zhang, Z., and Peng, Z., The mitochondrial genome of the water spider Argyroneta aquatica (Araneae: Cybaeidae), Zoologica Scripta 44:179–190, 2015.
10. Li, M. et al., Comparative mitogenomic analyses provide evolutionary insights into the retrolateral tibial apophysis clade (Araneae: Entelegynae), Frontiers in Genetics 13:974084, 2022.
11. Flynn, M.R. and Bush, J.W.M., Underwater breathing: the mechanics of plastron respiration, J. Fluid Mechanics 608:275–296, 2008.
12. Seymour and Hetz, ref. 3, p. 2179.
13. Carter, R., Species were designed to change (3-part series), creation.com/species-designed-change, 1 Jul 2021.
14. Tesler, A.B. et al., Long-term stability of aerophilic metallic surfaces underwater, Nature Materials, 22:1548–1555, 2023.