För mer än ett sekel sedan, Den amerikanske författaren Mark Twain observerade ett märkligt fenomen vid Mono Lake, strax öster om Yosemite National Park:enorma mängder små flugor skulle krypa under vattnet för att söka föda och lägga ägg, men varje gång de dök upp igen, de skulle verka helt torra.

I sin resememoar Roughing It, Twain skrev:"Du kan hålla dem under vatten så länge du vill - de har inget emot det - de är bara stolta över det. När du släpper dem, de dyker upp till ytan lika torra som en patentbyrårapport, och gå iväg lika obekymrat som om de hade blivit utbildade särskilt i syfte att ge människan lärorik underhållning på det speciella sättet."

Caltech-biolog Michael Dickinson, Esther M. och Abe M. Zarem professor i bioteknik och flygteknik, blev på samma sätt fascinerad av dessa så kallade dykflugor – vetenskapligt kända som Ephydra hians – på en semester till Yosemite för 22 år sedan. Nu är huvudutredaren för ett laboratorium som är specialiserat på insektsflykt, Dickinson slog sig ihop med tidigare Caltech-postdoktor Floris van Breugel (nu vid University of Washington) för att studera Mono Lake-flugornas mystiska beteende.

De två har nu kännetecknat Mono Lake-flugans unika anpassningar och mekanismerna den använder för att krypa under vattnet utan att bli blöt. Verket publiceras i en tidning i numret 20 november av Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Mono Lake har ett mycket delikat och unikt ekosystem, " säger van Breugel. "Naturvårdare har kämpat hårt för att förhindra dess förlust. Vi var intresserade av Mono Lake flugor inte bara för att deras beteende är så ovanligt, utan för att de är en avgörande art för sjöns ekosystem och näringsväv. Mono Lake flugor är en avgörande komponent för det lokala ekosystemet, fungerar som en matkälla för spindlar och för flyttfåglar och häckande fåglar."

Mono Lake är inte en genomsnittlig sötvattensjö. Det är inte bara tre gånger saltare än havet, den är också full av natriumkarbonat och borax - som i huvudsak är tvättmedel. Vattnets höga pH gör att det blir halt, nästan fet konsistens.

Ingen fisk eller andra ryggradsdjur överlever i Mono Lake, även om det finns gott om alger och bakterier. Således, för en fluga, sjöns djup kan verka tilltalande – det finns inga rovdjur och gott om mat. Dock, det finns bara ett hinder att övervinna först:hur man håller sig torr under vattnet.

Till något lika stor som en liten fluga, vattnets ytspänning är kraftfull, vilket gör det till en dödlig klibbig fälla. Alla insekter måste vara vattenavvisande, eller hydrofob, för att samexistera med regn och dagg i sina miljöer. De flesta kan åstadkomma detta genom att bära en beläggning av korta borsthår täckta av en vaxartad substans, vilket gör att de kan stöta bort vatten för det mesta.

Dock, på grund av dess speciella kemiska sammansättning, Mono Lake-vatten är särskilt bra på att bryta igenom en genomsnittlig insekts håriga försvar. Van Breugel och Dickinson upptäckte att detta beror på att sjöns yta innehåller ett tunt lager av negativt laddade karbonatjoner. När en vanlig fluga kommer för nära vattnet, jonerna dras till positiva laddningar på flugans hud och vattnet dras mellan de skyddande hårstråna, blöta flugan.

Så, hur kan Mono Lake-flugan dyka och hålla sig torr i vad Dickinson kallar "världens kanske blötaste vatten"?

Genom att använda en kombination av höghastighetsvideo och mikrokraftmätningar där de kastade flugor i en mängd olika kemiska lösningar, van Breugel och Dickinson fann att Mono Lake-flugan skapar en skyddande luftbubbla runt sin kropp när den kryper ner i sjövattnet. Denna bubbla är ett resultat av ett extremt vattenavstötande fenomen som kallas superhydrofobicitet. Flugorna kan göra detta, forskarna upptäckte, eftersom de är hårigare än den genomsnittliga flugan och belägger sina kroppar och hårstrån med vaxer som är särskilt effektiva för att stöta bort det karbonatrika vattnet. De har också stora klor på fötterna, som gör att de kan krypa på undervattensstenar samtidigt som de motstår bubblans naturligt flytande kraft. Anmärkningsvärt, bubblan omsluter inte flugans ögon, låter flugan se under vattnet utan bubblans förvrängande effekt.

Teamet jämförde prestanda för Mono Lake flugor med en mängd olika flugor, inklusive några nära släktingar. Inga andra flugor kunde ta en dunk i Mono Lake vatten utan att bli våt i en grad som skulle göra det osannolikt att fly från sjön. Dessutom, när Mono Lake-flugorna kort sköljdes med ett lösningsmedel (hexan) för att lösa upp deras vax, de förlorade sin förmåga att bilda en superhydrofob bubbla, vilket tyder på att flugans vaxer är avgörande för detta fenomen.

"Det är inte så att Mono Lake-flugor har utvecklat ett nytt och unikt sätt att förbli hydrofoba - det är att de har förstärkt de normala verktyg som de flesta insekter använder, " säger Dickinson. "Det är bara en mördare spelning. Det finns inget under vattnet att äta dig och du har all mat du vill ha. Du måste bara dyka i det kanske svåraste vattnet att hålla dig torr i på planeten. De kom på det, och så få njuta av en extremt unik livshistoria. Det är otroligt hur utvecklingen av sådana småskaliga fysiska och kemiska förändringar kan tillåta ett djur att ockupera en helt ny ekologisk nisch."

Nästa steg för projektet, enligt Dickinson, är breda.

"Vi skulle kunna gå i materialvetenskapens riktning och studera kemin hos de vaxer som insekterna använder, " säger han. "Men det finns också en del riktigt intressant neurobiologi - det är en så otroligt konstig sak för en fluga att medvetet krypa under vattnet."