Dies ist möglicherweise die einzige Eidechse mit einem Sauerstofftank

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Su Chengyu

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Der Grund, warum Svirk sorgfältig Feuchtigkeitscreme auf den Kopf einer Eidechse auftrug, liegt 15 Jahre zurück ... Im Jahr 2009 entdeckten der Evolutionsbiologe Luke Mahler und seine Kollegen bei einer Feldstudie in Haiti zufällig eine baumbewohnende Eidechse, die sich unter Wasser bewegte.

Baumbewohnende Eidechse

(Bildquelle: Dokument 1)

Dies ist eine Anolis-Art, die hauptsächlich in tropischen und subtropischen Wäldern, Grasland, an Küsten und sogar in städtischen Gebieten lebt. Diese Gattung weist mit über 400 bekannten Arten eine hohe Artenvielfalt auf und ist damit eine der reichsten Wirbeltiergattungen.

Anolis lyra

(Bildquelle: mahlerlab)

Mahler dachte, die Eidechse würde innerhalb weniger Sekunden auftauchen, aber sie blieb viel länger unter Wasser als erwartet. Als es schließlich auftauchte, waren Mahler und sein Team ratlos: Wie konnte dieses winzige Reptil so lange unter Wasser bleiben? Er wollte immer herausfinden: Könnte es sein, dass diese Eidechse tatsächlich einen Weg gefunden hat, „unter Wasser zu atmen“?

Eidechse

(Bildquelle: Dokument 1)

Das Rätsel lösen

Einige Jahre später, als sein Interesse an der Evolutionsbiologie wuchs, traf Mahler schließlich eine andere gleichgesinnte Wissenschaftlerin, Lindsey Swierk, eine Professorin an der State University of New York. Sverreck hatte in Costa Rica ein ähnliches Verhalten von Eidechsen beobachtet, die beiden verstanden sich gut und beschlossen, dieses Rätsel gemeinsam zu erforschen.

Im Jahr 2017 reiste Mahlers Schüler Chris Boccia in verschiedene Teile Mittelamerikas, darunter Panama, Costa Rica, Mexiko und Kolumbien, um Eidechsen in unterschiedlichen Lebensräumen genau zu beobachten.

Chris Boccia mit seiner Anolis-Eidechse

(Bildquelle: Offizielle Website der Universität Toronto)

Bei einer Beobachtung an einem Bach sah er eine Baumechse im Wasser lauern. Zuerst lag sie einfach ruhig auf dem Grund des Wassers, doch dann bemerkte Borgia, dass an der Nasenspitze der Eidechse eine kleine Blase festsaß. Dann scheint die Eidechse die Luft aus der Blase zurück in ihre Nasenhöhle zu saugen, bevor sie weiter ruhig unter Wasser bleibt.

Abbildung (a) zeigt die Rückatemblase auf der Rückenseite der Schnauze der Eidechse.

Abbildung (b) zeigt die Blase seitlich zwischen Auge und Nasenloch.

Diese Diagramme zeigen die Position von Luftblasen und wie Eidechsen ausatmen und sie unter Wasser halten.

(Bildquelle: Dokument 2)

„Ich traute meinen Augen nicht!“ Borgia erinnerte sich noch immer voller Aufregung an die Szene: „Könnte diese Blase sein ‚Sauerstofftank‘ sein?“

Nach seiner Rückkehr ins Labor führte Borgia gemeinsam mit seinem Mentor Mahler detaillierte Forschungsarbeiten durch.

Sie starteten eine gewaltige Erkundungsmission von den Bergen Kolumbiens über die Flüsse Costa Ricas bis hin zu den Feuchtgebieten Jamaikas. Mit Angelruten und bloßen Händen zupften sie die winzigen Echsen – 32 Anolis-Arten und vier weitere Echsenarten – aus dem Gras und brachten sie für einen speziellen Unterwassertest ins Labor.

(Bildnachweis: Lindsey Swierk)

Die Eidechsen wurden im Labor vorsichtig in klares Wasser gesetzt und die Forscher beobachteten, wie sie tauchten und frei im Wasser trieben. Bei jedem Experiment warteten die Forscher geduldig, bis die Eidechsen freiwillig auftauchten oder Anzeichen von Müdigkeit zeigten. Um diese kleinen Entdecker zu schützen, durfte jede Eidechse maximal fünf Versuche absolvieren und zwischen den Versuchen mindestens fünfzehn Minuten Pause machen.

Um jede noch so kleine Bewegung festzuhalten, wurde das gesamte Experiment zur späteren Analyse auf Video aufgezeichnet. Die Wissenschaftler verwendeten eine sehr empfindliche Sauerstoffsonde, die vorsichtig über die Nasenlöcher der Eidechsen gehalten wurde, um Veränderungen des Sauerstoffgehalts in den Unterwasserblasen aufzuzeichnen.

Der Prozess der Blasenausbreitung

(Bildquelle: Dokument 1)

Das Video zeigt, dass sich beim Eintauchen der Anolis-Echsen ins Wasser ein dünner Luftfilm auf ihrer Haut bildet, der wie ein kleiner Sauerstofftank wirkt. Die Eidechsen atmen diese Blasen wiederholt aus und ein, um ihre Lungen mit Sauerstoff zu füllen.

Auf ihrer Haut bildet sich ein dünner Luftfilm.

(Bildnachweis: Lindsey Swierk)

Wissenschaftler definieren dieses Verhalten als „Rückatmung“, also die Fähigkeit, bereits ausgeatmete Luft wieder einzuatmen. Die Daten zeigten, dass bei 18 der 32 getesteten Anolisarten mindestens ein Individuum ein Rückatmungsverhalten aufwies. Darunter ist das Rückatmungsverhalten semiaquatischer Eidechsen besonders ausgeprägt. Bei semiaquatischen Echsen betrug die maximale Anzahl der Rückatmungen in einem einzigen Versuch mehr als das Fünffache und ihre Tauchzeit war auch deutlich länger als die der nicht-aquatischen Echsen.

Nicht-Anolis-Echsen (wie Basiliscus galerius) sind nicht in der Lage, unter Wasser eine Luftschicht zu bilden. Bei diesen Arten entweicht die ausgeatmete Luft in kleinen Bläschen an die Wasseroberfläche und kann nicht wieder eingeatmet werden. Der rote Pfeil im Bild zeigt eine kleine Luftblase, die aus dem Nasenloch ausgeatmet wird, was darauf hinweist, dass diese Echsen die Fähigkeit verloren haben, Luft wieder einzuatmen.

(Bildquelle: Dokument 1)

Messungen der Sauerstoffsonde zeigten, dass der Sauerstoffpartialdruck in den Blasen während des Experiments allmählich abnahm, was auf den Sauerstoffverbrauch dieser Blasen während des Rückatmungsprozesses hindeutet.

Im Jahr 2021 entwarf Lindsey Swierk, ein weiteres Mitglied des Forschungsteams, ein neues Experiment, um die Funktion von semiaquatischen Eidechsen mithilfe von Rückatmungsblasen weiter zu überprüfen. Auf ähnliche Weise fingen sie zunächst 30 semiaquatische Anolis-Echsen. Die Eidechsen wurden zufällig in zwei Gruppen aufgeteilt: eine Gruppe mit normalen Blasen und eine Gruppe mit beschädigten Blasen.

Sie haben den Eidechsen in der normalen Blasengruppe einfach ein wenig Wasser auf den Kopf gegeben; Bei den Echsen mit beschädigten Blasen trugen die Forscher eine dünne Schicht Feuchtigkeitscreme auf, die hauptsächlich aus einem Feuchtigkeitsspender auf Wasserbasis besteht. Seine Funktion besteht darin, die Haut der Eidechse ihre ursprüngliche Wasserabweisung zu entziehen, sodass sich in ihrem Kopf keine Luftblase zum Wiederatmen bilden kann.

Der blaue Teil ist der Bereich auf dem Kopf der Eidechse, auf den eine Feuchtigkeitslotion aufgetragen wurde

(Bildquelle: Dokument 2)

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Echsen, die keine Feuchtigkeitscreme auftrugen, unter Wasser eine stabile Luftblase bilden und diese während des gesamten Tauchgangs wiederholt zum Wiederatmen verwenden konnten. Im Gegensatz dazu konnten die Echsen in der Gruppe mit den beschädigten Blasen nur gelegentlich sehr kleine Blasen in der Nähe ihrer Nasenlöcher bilden, doch diese Blasen halfen ihnen nicht dabei, ihre Tauchzeit zu verlängern.

Entstehungsprozess einer einzelnen Rückblase: Der Zeitabstand zwischen den Bildern beträgt 0,2 s (Bilder i bis iv) bzw. 0,07 s (Bilder v bis vii). Nachdem sich die Blase gebildet hat, bleibt sie für kurze Zeit bestehen und dehnt sich leicht aus (Abbildungen vii bis viii, Zeitintervall 2,0 s) und wird dann wieder absorbiert.

(Bildquelle: Dokument 2)

Diejenigen mit normalen Blasen konnten im Durchschnitt etwa 67,5 Sekunden unter Wasser bleiben, während diejenigen mit beschädigten Blasen im Durchschnitt etwa 32 Prozent weniger Zeit unter Wasser blieben. Gleichzeitig stellten Wissenschaftler fest, dass Männchen 20 Sekunden kürzer unter Wasser bleiben als Weibchen. Das klingt vielleicht nicht nach viel, aber in der Natur können 20 Sekunden den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten. Ein hungriger Vogel könnte entscheiden, dass es sich nicht lohnt, 20 Sekunden länger zu suchen, und stattdessen versuchen, flussabwärts mehr Glück zu haben.

Haben Anolis „physische Kiemen“?

Die Forschung ist hier jedoch noch nicht zu Ende, denn die Wissenschaftler haben lediglich nachgewiesen, dass sie unter Wasser mithilfe von Blasen Sauerstoff aufnehmen, das Prinzip dahinter kennen sie jedoch nicht. Sie spekulieren, dass der Blasenanolis möglicherweise dieselbe Taktik wie der Gelbbauchkäfer anwendet, nämlich „physische Kiemen“.

Sogenannte „physische Kiemen“ sind der Mechanismus, mit dem einige Wasserinsekten mithilfe von Blasen atmen . Tauchkäfer und Wasserfliegen beispielsweise speichern Luftblasen zwischen den Haaren auf ihrem Hinterleib oder an anderen Stellen ihres Körpers. Beim Eintauchen ins Wasser bilden die Luftblasen einen stabilen Film auf diesen Haaren.

Physikalisches Kiemendiagramm

(Bildquelle: UQ eSpace)

Diese Blasen versorgen sie nicht nur mit Sauerstoff, sondern wirken auch wie Kiemen, indem sie Sauerstoff mit dem Wasser austauschen und so ihren Aufenthalt unter Wasser verlängern. Sauerstoff diffundiert aus dem Wasser in die Blasen, während Kohlendioxid aus den Blasen diffundiert. Da der Stoffwechselbedarf dieser Insekten gering ist, kann dieser Mechanismus ihren Sauerstoffbedarf effizient decken, ohne den Sauerstoff in der Blase schnell zu erschöpfen.

Schematische Darstellung

(Bildquelle: Dokument 3)

Insekten können Luftblasen haben, weil ihr Körper mit winzigen Härchen bedeckt ist. Diese Härchen halten die Luft an Ort und Stelle und bilden eine stabile Blasenmembran.

Haare können Luft halten und eine stabile Blasenmembran bilden

(Bildquelle: Dokument 3)

Anolis haben zwar kein Fell, ihre Haut ist jedoch mit feinen wasserabweisenden Schuppen und winzigen Vorsprüngen bedeckt. Diese unregelmäßigen, feinen, hydrophoben Oberflächen verhindern eine vollständige Ausbreitung des Wassers. Aufgrund der Oberflächenspannung bleiben die Blasen dicht, wodurch die Kontaktfläche mit dem Wasser verringert wird und die Stabilität im Wasser erhalten bleibt.

Darüber hinaus können Mikrostrukturen wie winzige Vorsprünge und Schuppen den Kontaktwinkel von Wasser verringern, wodurch Wassertropfen auf der Oberfläche kugelförmiger erscheinen und die Hydrophobie erhöht wird. Dadurch kann die Haut der Eidechse effektiv Luft einschließen und verhindern, dass Blasen durch den Wasserdruck platzen.

Die Haut der Anolis-Eidechse ist teilweise wasserdicht

(Bildnachweis: Lindsey Swierk)

Warum gehen Anolis-Echsen ins Wasser?

Die Frage ist, warum diese Anolis-Echsen ohne Grund so lange unter Wasser bleiben?

Svirk beschreibt Anolis als „Chicken Nuggets des Waldes“. Ob Vögel oder Schlangen, es gibt Lebewesen am Himmel und auf der Erde, die sie gerne fressen. Obwohl die Flucht auf dem Boden eine Möglichkeit ist, tauchen sie ohne zu zögern ein, wenn Wasser in der Nähe ist, um das Risiko zu verringern, gefressen zu werden.

Allerdings hat das Tauchen auch seinen Preis: Die Körpertemperatur kann um bis zu 6 °C sinken. Reptilien sind ektotherm und sind zur Aufrechterhaltung ihrer Körpertemperatur auf die äußere Umgebung angewiesen. In kaltem Wasser kann Ihr Körper schneller abkühlen, was sich auf eine Reihe von Körperfunktionen auswirken kann, darunter auch auf die Muskeln, die möglicherweise nicht mehr so ​​gut funktionieren.

In Zukunft können wir möglicherweise vom Anpassungsmechanismus der Anolis-Echse lernen und menschliche Geräte mit „Rückatmungs“-Fähigkeiten entwickeln, die uns dabei helfen, in Unterwasserumgebungen effizienter zu überleben. Jede eingehende Erforschung dieser biologischen Strukturen birgt das Potenzial, weitere ungelöste Geheimnisse der Natur aufzudecken und uns zu helfen zu verstehen, wie das Leben in verschiedenen extremen Umgebungen auf erstaunliche Weise überlebt.

Quellen:

1.Boccia CK, Swierk L, Ayala-Varela FP, et al. Wiederholte Evolution der Unterwasser-Rückatmung bei tauchenden Anolis-Echsen[J]. Current Biology, 2021, 31(13): 2947-2954. e4.2.Swierk L. Neuartige Rückatmungsanpassung verlängert die Tauchzeit bei einer semiaquatischen Echse[J]. Biology Letters, 2024, 20(9): 20240371.3.Ditsche-Kuru P, Schneider ES,

2. Melskotte JE, et al. Superhydrophobe Oberflächen der Wasserwanze Notonecta glauca: ein Modell zur Reibungsreduzierung und Luftspeicherung[J]. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2011, 2(1): 137-144.