Côn trùng thở dưới nước bằng cách nào?

Có đến hàng trăm loài côn trùng sống chủ yếu dưới nước nơi có nhiều thức ăn hơn trên bờ. Các nhà toán học MIT đã phát hiện ra cách mà những con bọ có thể thở được dưới nước.

Nhờ có lớp “áo” rắn chắc không thấm nước nên khi lặn ngụp những con bọ này đã giữ lại một lớp không khí mỏng trên cơ thể chúng. Các bong bóng khí không chỉ có công dụng như nguồn dữ trữ ôxi hạn chế, đồng thời chúng cũng cho phép côn trùng hấp thụ ôxi từ môi trường nước xung quanh.

John Bush – phó giáo sư ngành toán học ứng dụng đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu – cho biết: “Một số loài côn trùng đã thích nghi được với cuộc sống dưới nước bằng cách sử dụng bong bóng khí giống như một lá phổi bên ngoài”.

Nhờ có các bong bóng khí đó, côn trùng có thể ở dưới mặt nước vô hạn định và có thể lặn sâu tới khoảng 30 met, theo nghiên cứu của Bush và Morris Flynn, trước là giáo viên hướng dẫn môn toán ứng dụng. Một số loài ví dụ như Neoplea striola, vốn là loài bản địa tại New England, thậm chí còn ngủ đông dưới nước cả một mùa đông dài.

Hiện tượng này lần đầu tiên được quan sát từ nhiều năm trước, nhưng các nhà nghiên cứu MIT là những người đầu tiên tính toán được độ sâu tối đa khi lặn đồng thời mô tả được bằng cách nào mà các bong bóng khí có thể duy trì được khi côn trùng lặn sâu hơn dưới nước nơi mà áp lực nước có thể làm vỡ chúng.

Nghiên cứu mới sẽ được công bố trên số ra ngày 10 tháng 8 trên tờ Journal of Fluid Mechanics. Nghiên cứu cho thấy có trạng thái cân bằng mong manh giữa tính ổn định của bong bóng khí cũng như nhu cầu hô hấp của côn trùng.

Tính ổn định của bong bóng khí được duy trì nhờ lông trên bụng của con côn trùng, giúp cản nước trên bề mặt. Lông cùng với lớp sáp trên bề mặt ngăn cho nước không làm ngập lỗ thở - các lỗ nhỏ xíu năm trên bụng của côn trùng.

Khoảng cách giữa các sợi lông cũng đặc biệt quan trọng. Các sợi lông càng nằm gần nhau thì tính ổn định cơ học càng lớn cũng như khả năng chịu áp lực của bong bóng khí trước khi bị vỡ càng cao.

Tuy nhiên tính ổn định này cũng có giá đi kèm. Nếu các sợi lông nằm quá gần nhau thì sẽ không đủ diện tích bề mặt để hô hấp.

Flynn, hiện đang là trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ học tại đại học Alberta, cho biết: “Do bong bóng khí có vai trò như lá phổi bên ngoài, diện tích bề mặt của nó phải đủ lớn để tạo điều kiện trao đổi khí dễ dàng”.

Các nhà nghiên cứu đã tạo một mô hình toán học để tính toán các nhân tố nói trên đồng thời cho phép họ dự đoán độ sâu mà côn trùng có thể lặn. Họ phát hiện ra rằng có tồn tại độ sâu tối đa mà bong bóng khí chịu được, bên cạnh đó cũng tồn tại độ sâu tối thiểu mà bong bóng khí không thể đáp ứng được nhu cầu hô hấp của côn trùng.

Mặc dù các nhà nghiên cứu nhận thấy côn trùng có thể lặn sâu đến 30 mét dưới mặt nước, chúng hiếm khi mạo hiểm lặn sâu hơn vài mét vì còn có các nhân tố môi trường khác như lượng ánh sáng, tính sẵn có của con mồi hay sự hiện diện của kẻ ăn thịt.

Các nhà nghiên cứu đầu tiên rất thích thú với lá phổi bên ngoài của côn trùng khi họ tình cờ bắt được một con thuộc loài thở dưới nước trong khi đang tìm kiếm loài nhện nước. Một vài năm trước, Bush cùng các cộng sự đã tìm hiểu được bằng cách nào nhện nước sử dụng sức căng mặt ngoài để trượt trên bề mặt nước.

Các nhà nghiên cứu khác đã khám phá các hệ thống có thể tái tạo lá phổi bên ngoài với tỷ lệ lớn hơn để có thể sử dụng với người. Một nhóm nghiên cứu thuộc đại học Nottingham Trent cho thấy khoang xốp bao quanh vật liệu không thấm nước được cung cấp ôxi nhờ lớp không khí mỏng trên bờ mặt. Diện tích bề mặt cần thiết để hỗ trợ hoạt động hô hấp của con người rất lớn, vượt quá 100 m2. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại các phương thức khác để ứng dụng kỹ thuật này. Ví dụ như thiết bị cung cấp ôxi cần thiết nhờ tế bào nhiên liệu để nạp năng lượng cho các phương tiện tự động dưới nước chẳng hạn.