При использовании водных жуков на уроке «Отряд жесткокрылых» демонстрируются не только характерные особенности жуков, но и черты приспособленности их к жизни в водной среде. Приобретенные учащимися знания помогут им осмыслить понятие «приспособленность» при изучении его в курсе общей биологии.
Тело плавунца сверху темно-зеленое, с коричневатым отливом, снизу он имеет либо коричневую, либо темно-кремовую окраску. Окраска верха защитная. По краям тела проходит желто-бурая полоса (окаймленный плавунец), такие же полоски отделяют от головы и надкрылий грудь.
Элитры (твердые надкрылья) самцов и самок различны — у некоторых самок они покрыты глубокими бороздами. Однако этот признак не обязателен, в тех же водоемах встречаются самки с гладкими надкрыльями.
Тело кпереди и к бокам утончается и образуется краевой киль, помогающий разрезать плотную среду — воду. Все три основных отдела жука — голова, грудь, брюшко — плотно пригнаны друг к другу и образуют монолитный корпус своеобразной подводной лодки (сравнить с наземными жуками, где такая подгонка отсутствует, эти части сочленены обычно не столь плотно).
Благодаря этому жук свободно маневрирует в воде без затраты мускульной энергии на сохранение формы тела и удерживает под надкрыльями, в субэлитральной полости, довольно большой пузырь воздуха.
Вторая особенность жука как обитателя вод — специализация ног. Первая пара в движении не участвует, они служат для схватывания добычи и передвижения по субстрату. Вторая пара — якори. С их помощью жук балансирует на глубине, иногда эти ноги участвуют в удержании добычи. Обе пары мало отличаются от обычных ходильных ног. Третья пара специализирована именно на плавании. Членики этой пары уплощены и по краям усеяны жесткими волосками, при движении ноги вперед волоски складываются вдоль ноги, а при загребании раздвигаются и увеличивают плоскость весла, следовательно, и мощность броска тела вперед. Гребет плавунец задними ногами одновременно. С помощью подвижной пары коготков на каждой ноге жук может держаться на субстрате, ползать.
Со способом дыхания плавунца учащиеся знакомятся во внеклассной работе, проводя наблюдения в уголке живой природы, но на уроке при обзорном изучении отряда не исключен краткий рассказ учителя или сообщение ученика о приспособленности к дыханию жука-плавунца. Жуку, дышащему атмосферным воздухом, приходится периодически подниматься к поверхности веды за пополнением запаса кислорода. У жука есть грудные стигмы, плотно закрытые в воде. Через них жук дышит во время полета, при движении вне воды. Брюшные стигмы находятся в субэлитральной области, там же сосредоточен и запас воздуха. При соприкосновении с поверхностью воды жук выставляет задний овальный конец брюшка, и воздух субэлитральной области соединяется с атмосферой. Если опасности нет и жук не торопится, обновление субэлитрального объема происходит пассивно, за счет диффундирования молекул газа. Если же жук спешит, он с силой выжимает воздух из трахей и субэлитральной области, затем чуть приподнимает надкрылья и набирает новый запас.
Объем воздуха в субэлитральной области играет и роль гидростатического аппарата, обеспечивая плавучесть жука. Чтобы уйти от поверхности в глубину, жук прилагает усилия ног-весел, но может ослабить это усилие, уменьшив запас воздуха, выпустив его пузырьками. Этот же запас воздуха позволяет плавунцу пассивно подниматься к поверхности, как это бывает у гладыша.
Если жук слишком много сбросил воздуха при спуске или солидно наелся на глубине, запас воздуха в субэлитральной области уже не обеспечивает подъем, приходится усиленно грести вверх.
В жизни этого великолепного пловца есть моменты, при которых он может утонуть и погибнуть от удушья, захлебнуться. Если сброс воздуха был излишним, а удельный вес увеличился за счет съеденной пищи, жуку не удается даже догрести до поверхности. Жук срыгивает пищу, освобождает кишечник, но иногда и это не помогает, приходится ползти к поверхности по стеблям растений.
Иногда жука неосторожно хватают, а потом помещают в банку с другими выловленными животными, чтобы нести с экскурсии в уголок живой природы. Если в банке много животных, да еще есть моллюски, выделяющие слизь, а при переносе вода сильно колеблется, плавунцы могут утонуть в пути. Выпуская их в аквариум лучше положить на лист, позволяя жуку самому «решить», когда ему нырнуть в воду.
В субэлитральной области находятся и большие, прозрачные, сложенные крылья, а так как они постоянно в камере с воздухом, то никогда не намокают. Жуки перелетают из водоемов, когда те высыхают, или переполняются, в сумерки. Перед полетом жук выбирается из воды, его покровы сразу высыхают, но для полета это тяжелое насекомое не готово: требуется закачать в трахеи воздух, срыгнуть пищу, опорожнить кишечник. Накачивание воздуха в трахеи сопровождается характерным звуком. Минут через пять — десять жук раскрывает элитры, расправляет собственно крылья и тяжело взлетает. Полет у плавунцов прямолинейный, не маневренный, но летают они на большие расстояния. Очевидно, плавунцы в полете хорошо чувствуют направление на водоем, видят среди суши его поверхность даже ночью. Но иногда ошибаются и с грохотом ударяются о стеклянные крыши оранжерей, блестящую поверхность мокрого асфальта. Привлекает их и свет.
Питание жуков-плавунцов не всегда удается продемонстрировать на уроке, лучше это наблюдать во внеклассной работе. Едят жуки много, жадно, небрежно. Капля крови, попавшая в воду, вызывает у них неистовство. В аквариумах их можно кормить любым животным белком: сухим кормом для аквариумных рыб, креветками и мясом. Плавунцы наносят известный ущерб рыбоводным хозяйствам; есть сведения, что они нападают на рыб, больших по размерам. Н. Ф. Золотницкий описывает, как они напали на лужанку и проникли даже в раковину, куда улитка попыталась спрятать ногу. Не отрицая достоверность этих сведений, хотелось отметить, что в наших условиях жуки-плавунцы отлично уживаются с улитками-ампулляриями, рыбами, тритонами и лягушками, равными им по размерам.
Размножение плавунцов можно наблюдать в уголке живой природы. Самец преследует самку по всему аквариуму и, наконец, схватывает ее передними двумя парами ног за спинку. На передней паре у него дисковидное утолщение, на котором в лупу видны две круглые присоски, а в микроскоп — множество мелких.
Всего на диске каждой передней лапки 170 присосок, а на каждой лапке второй пары — 1590 еще более мелких, в целом у жука их 3520. Присоски действуют по типу известной игрушки, где стрелы снабжены резиновыми присосками. При ударе о гладкую поверхность присоска расплющивается и стрела присасывается. Захват самки осуществляется самцом с силой и быстро, диски расплющиваются и присасываются. Но, чтобы избежать дальнейшей деформации и отпадения, присоски закрепляются выделяемым из их центра клейким, нерастворимым в воде секретом. Сила приклеивания очень велика, можно за спинку выхватить из воды самца спарившейся пары и самка будет висеть на его ножках-присосках. В эксперименте присоска выдерживала большую массу, чем у самого жука.
Пара жуков может плавать в таком положении не один день. При этом гребет самец, он определяет темп и направление движения; самка пассивна, может лишь ухватиться за субстрат. У поверхности дышит тоже самец, самке просто не достать поверхности. Дышит она своеобразно: из субэлитральной области выдавливается пузырек воздуха; поскольку в нем концентрация углекислоты превышает ее концентрацию в воде, а концентрация кислорода, напротив, меньше, чем в воде, молекулы начинают диффундировать, пока уровни концентрации не выравниваются. Тогда самка втягивает обновленный воздух и им заполняются трахеи. У плавунца такой способ дыхания характерен и для зимнего подледного дыхания, когда энергетический расход не велик у полуоцепеневшего жука. При таком дыхании масса самки, приведенная к единице объема, оказывается значительно больше единицы. Если разбить пару жуков после двух дней спаривания, можно увидеть, как самец удирает, а самка падает на дно, иногда она так и не может достигнуть поверхности и гибнет. Если пара благополучно спарилась, у самки образуется сперматофор — мешок с семенем, который закрывает ее половое отверстие вязкой белой массой. Теперь сперматозоиды и яйца будут находиться в теле самки до весны, когда произойдет откладывание яиц.