Meer dan een eeuw geleden, De Amerikaanse schrijver Mark Twain observeerde een merkwaardig fenomeen bij Mono Lake, net ten oosten van Yosemite National Park:enorme aantallen kleine vliegen kropen onder water om te foerageren en eieren te leggen, maar elke keer kwamen ze weer boven, ze zouden volledig droog lijken.

In zijn reismemoires Roughing It, Twain schreef:"Je kunt ze zo lang onder water houden als je wilt - ze vinden het niet erg - ze zijn er alleen maar trots op. Als je ze laat gaan, ze komen zo droog aan de oppervlakte als een rapport van een octrooibureau, en lopen zo onbezorgd weg alsof ze speciaal zijn opgeleid met het oog op het bieden van leerzaam amusement aan de mens op die specifieke manier."

Caltech-bioloog Michael Dickinson, Esther M. en Abe M. Zarem Hoogleraar bio-engineering en luchtvaart, werd op dezelfde manier geïntrigeerd door deze zogenaamde duikvliegen - wetenschappelijk bekend als Ephydra hians - tijdens een vakantie naar Yosemite 22 jaar geleden. Nu de hoofdonderzoeker van een laboratorium dat gespecialiseerd is in insectenvluchten, Dickinson werkte samen met voormalig Caltech-postdoctoraal wetenschapper Floris van Breugel (nu aan de Universiteit van Washington) om het mysterieuze gedrag van de Mono Lake-vliegen te bestuderen.

De twee hebben nu de unieke aanpassingen van de Mono Lake-vlieg gekarakteriseerd en de mechanismen die hij gebruikt om onder water te kruipen zonder nat te worden. Het werk is gepubliceerd in een paper in het 20 november nummer van Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Mono Lake heeft een zeer delicaat en uniek ecosysteem, ", zegt van Breugel. "Conservationisten hebben hard gevochten om verlies te voorkomen. We waren geïnteresseerd in de Mono Lake-vliegen, niet alleen omdat hun gedrag zo ongewoon is, maar omdat ze een cruciale soort zijn voor het ecosysteem en het voedselweb van het meer. Mono Lake-vliegen zijn een cruciaal onderdeel van het lokale ecosysteem, fungeren als voedselbron voor spinnen en voor trek- en broedvogels."

Mono Lake is geen doorsnee zoetwatermeer. Het is niet alleen drie keer zouter dan de oceaan, het zit ook vol met natriumcarbonaat en borax, wat in wezen wasmiddel is. De hoge pH van het water geeft het een gladde, bijna olieachtige textuur.

Geen vis of andere gewervelde dieren overleven in Mono Lake, hoewel algen en bacteriën in overvloed aanwezig zijn. Dus, voor een vlieg, de diepten van het meer lijken misschien aantrekkelijk - er zijn geen roofdieren en er is genoeg voedsel. Echter, er is maar één hindernis die eerst moet worden overwonnen:hoe blijf je onder water droog.

Naar iets ter grootte van een kleine vlieg, de oppervlaktespanning van water is krachtig, waardoor het een dodelijke kleverige val wordt. Alle insecten moeten waterafstotend zijn, of hydrofoob, om samen te leven met regen en dauw in hun omgeving. De meesten zijn in staat om dit te bereiken door een laagje korte borstelige haren te dragen die bedekt zijn met een wasachtige substantie, waardoor ze voor het grootste deel water kunnen afstoten.

Echter, vanwege zijn eigenaardige chemische samenstelling, Mono Lake-water is bijzonder goed in het doorbreken van de harige afweer van een gemiddeld insect. Van Breugel en Dickinson ontdekten dat dit komt doordat het oppervlak van het meer een dunne laag negatief geladen carbonaationen bevat. Als een gewone vlieg te dicht bij het water komt, de ionen worden aangetrokken door positieve ladingen op de huid van de vlieg en het water wordt tussen de beschermende haren getrokken, de vlieg nat maken.

Dus, hoe kan de Mono Lake vliegend duiken en droog blijven in wat Dickinson 'misschien wel het natste water ter wereld' noemt?

Met behulp van een combinatie van high-speed video- en microkrachtmetingen waarbij ze vliegen in verschillende chemische oplossingen dompelden, van Breugel en Dickinson ontdekten dat de Mono Lake-vlieg een beschermende luchtbel rond zijn lichaam creëert wanneer hij in het water van het meer kruipt. Deze bel is het resultaat van een extreem waterafstotend fenomeen dat superhydrofobiciteit wordt genoemd. De vliegen kunnen dit, ontdekten de onderzoekers, omdat ze hariger zijn dan de gemiddelde vlieg en hun lichaam en haren bedekken met was die bijzonder effectief is in het afstoten van het carbonaatrijke water. Ze hebben ook grote klauwen aan hun voeten, waardoor ze op onderwaterrotsen kunnen kruipen terwijl ze de van nature drijvende kracht van de bel weerstaan. Opmerkelijk, de luchtbel omhult de ogen van de vlieg niet, waardoor de vlieg onder water kan zien zonder het vervormende effect van de bel.

Het team vergeleek de prestaties van Mono Lake-vliegen met een verscheidenheid aan verschillende vliegen, waaronder enkele naaste familieleden. Geen enkele andere vlieg kon een duik nemen in het water van het Mono Lake zonder zo nat te worden dat ontsnappen uit het meer onwaarschijnlijk zou worden. Aanvullend, toen de Mono Lake-vliegen kort werden gespoeld met een oplosmiddel (hexaan) om hun was op te lossen, ze verloren hun vermogen om een ​​superhydrofobe bel te vormen, wat suggereert dat de was van de vlieg van cruciaal belang is voor dit fenomeen.

"Het is niet zo dat Mono Lake-vliegen een nieuwe en unieke manier hebben ontwikkeld om hydrofoob te blijven - het is dat ze de normale hulpmiddelen hebben versterkt die de meeste insecten gebruiken, "zegt Dickinson. "Het is gewoon een moordend optreden. Er is niets onder water om je op te eten en je hebt al het voedsel dat je wilt. Je moet gewoon duiken in misschien wel het moeilijkste water ter wereld om droog te blijven. Ze hebben het bedacht, en zo te genieten van een uiterst unieke levensgeschiedenis. Het is verbazingwekkend hoe de evolutie van dergelijke kleinschalige fysieke en chemische veranderingen een dier in staat kan stellen een geheel nieuwe ecologische niche te bezetten."

De volgende stappen voor het project, volgens Dickinson, zijn breed.

"We kunnen de richting van de materiaalwetenschap uitgaan en de chemie bestuderen van de wassen die de insecten gebruiken, "zegt hij. "Maar er is ook een heel interessante neurobiologie - het is zo ongelooflijk raar voor een vlieg om opzettelijk onder water te kruipen."