Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara odkryli, że komary Aedes aegypti wykorzystują promieniowanie podczerwone, oprócz innych wskazówek, do lokalizowania żywicieli. Odkrycie to może doprowadzić do udoskonalenia metod zwalczania komarów i pomóc w ograniczeniu przenoszenia chorób takich jak denga i malaria.
Chociaż wiele osób postrzega ukąszenia komarów jako przejściową uciążliwość, w niektórych częściach świata mają one poważne, a nawet śmiertelne konsekwencje. Jeden komar gatunek, Aedes aegyptirozprzestrzenia wirusy, które każdego roku powodują ponad 100 000 000 przypadków dengi, żółtej febry, wirusa Zika i innych chorób. Inny, Anopheles gambiaerozprzestrzenia pasożyta wywołującego malarię. Światowa Organizacja Zdrowia szacuje, że sama malaria jest przyczyną ponad 400 000 zgonów rocznie. Rzeczywiście, ich zdolność do przenoszenia chorób zapewniła komarom miano najbardziej śmiercionośnego zwierzęcia.
Chociaż samce komarów są nieszkodliwe, samice potrzebują krwi do rozwoju jaj. Od ponad 100 lat naukowcy rygorystycznie sprawdzają, jak znaleźć swoich żywicieli. W tym czasie naukowcy odkryli, że nie ma jednej wskazówki, na której te owady polegają. Zamiast tego integrują informacje docierające z wielu różnych zmysłów na różne odległości.
Przełom w badaniach sensorycznych komarów
Nowe badania prowadzone pod kierunkiem Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara ujawniły, że komary wykorzystują jeszcze inny zmysł do znajdowania żywicieli: wykrywanie w podczerwieni. Promieniowanie podczerwone ze źródła o temperaturze zbliżonej do ludzkiej skóry podwoiło ogólne zachowanie owadów w zakresie poszukiwania żywiciela w połączeniu z CO2 i ludzkim zapachem. W poszukiwaniu żywiciela większość komarów kierowała się w stronę tego źródła podczerwieni. Naukowcy odkryli także, gdzie znajduje się ten detektor podczerwieni i jak działa na poziomie morfologicznym i biochemicznym. Wyniki są szczegółowo opisane w czasopiśmie Natura.
„Komar, którego badamy, Aedes aegyptima wyjątkową umiejętność znajdowania ludzkich żywicieli” – powiedział współautor Nicolas DeBeaubien, były student i doktorant na UCSB w laboratorium profesora Craiga Montella. „Ta praca rzuca nowe światło na sposób, w jaki udało im się to osiągnąć”.
Zależność komarów od promieniowania podczerwonego
Nie od dziś wiadomo, że komary lubią Aedes Egipt używaj wielu wskazówek, aby namierzyć gospodarzy z daleka. „Należą do nich CO2 z wydychanego powietrza, zapachy, wzrok, [convection] ciepło z naszej skóry i wilgoć z naszych ciał” – wyjaśnił współautor Avinash Chandel, obecnie postdoc na UCSB w grupie Montell. „Jednak każda z tych wskazówek ma ograniczenia”. Owady mają słaby wzrok, a silny wiatr lub szybki ruch żywiciela ludzkiego może zakłócić ich śledzenie zmysłów chemicznych. Autorzy zastanawiali się więc, czy komary mogą wykryć bardziej niezawodny sygnał kierunkowy, taki jak promieniowanie podczerwone.
Owady te potrafią wykryć ciepło wydobywające się z naszej skóry z odległości około 10 cm. Po wylądowaniu mogą bezpośrednio wyczuć temperaturę naszej skóry. Te dwa zmysły odpowiadają dwóm z trzech rodzajów przenoszenia ciepła: konwekcji, czyli ciepła przenoszonego przez ośrodek taki jak powietrze, oraz przewodzeniu, czyli ciepła poprzez bezpośredni dotyk. Jednak energia cieplna może również przemieszczać się na większe odległości po przekształceniu w fale elektromagnetyczne, zazwyczaj w zakresie widma w zakresie podczerwieni (IR). Podczerwień może następnie ogrzać wszystko, co trafi. Zwierzęta takie jak żmije jamiste potrafią wyczuć termiczną podczerwień ciepłej ofiary, a zespół zastanawiał się, czy komary też to lubią Aedes aegyptirównie dobrze mógłby.
Zrozumienie mechanizmów wykrywania podczerwieni u komarów
Naukowcy umieścili samice komarów w klatce i zmierzyli ich aktywność w zakresie poszukiwania żywicieli w dwóch strefach. Każda strefa była wystawiona na działanie ludzkich zapachów i CO2 w tym samym stężeniu, jakie wydychamy. Jednakże tylko jedna strefa była również wystawiona na działanie promieniowania podczerwonego ze źródła o temperaturze skóry. Bariera oddzielająca źródło od komory uniemożliwiała wymianę ciepła poprzez przewodzenie i konwekcję. Następnie policzyli, ile komarów zaczęło sondować, jakby szukały żyły.
Dodanie termicznej podczerwieni ze źródła o temperaturze 34°C (mniej więcej o temperaturze skóry) podwoiło aktywność owadów w poszukiwaniu żywicieli. To sprawia, że promieniowanie podczerwone jest nowo udokumentowanym zmysłem, którego używają komary, aby nas zlokalizować. Zespół odkrył, że pozostaje skuteczny do około 70 cm (2,5 stopy).
„To, co najbardziej uderzyło mnie w tej pracy, to to, jak silny okazał się sygnał IR” – powiedział DeBeaubien. „Kiedy już ustaliliśmy prawidłowe wszystkie parametry, wyniki były niezaprzeczalnie jasne”.
Poprzednie badania nie wykazały żadnego wpływu termicznej podczerwieni na zachowanie komarów, ale starszy autor Craig Montell podejrzewa, że ma to związek z metodologią. Uważny naukowiec mógłby spróbować wyizolować wpływ termicznej podczerwieni na owady, prezentując jedynie sygnał podczerwieni bez żadnych innych wskazówek. „Ale żaden pojedynczy sygnał nie pobudza aktywności polegającej na poszukiwaniu żywiciela. Tylko w kontekście innych sygnałów, takich jak podwyższony poziom CO2 i ludzki zapach, podczerwień robi różnicę” – powiedział Montell, Duggan i wybitny profesor biologii molekularnej, komórkowej i rozwojowej. W rzeczywistości jego zespół odkrył to samo w testach wykorzystujących wyłącznie podczerwień: sama podczerwień nie ma żadnego wpływu.
Prowadzony przez termiczną podczerwień
Komary nie są w stanie wykryć termicznego promieniowania podczerwonego w taki sam sposób, w jaki wykrywają światło widzialne. Energia podczerwieni jest o wiele za niska, aby aktywować białka rodopsyny, które wykrywają światło widzialne w oczach zwierząt. Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali dłuższej niż około 700 nanometrów nie aktywuje rodopsyny, a promieniowanie podczerwone generowane przez ciepło ciała ma długość około 9300 nm. W rzeczywistości żadne znane białko nie jest aktywowane przez promieniowanie o tak długich falach, powiedział Montell. Istnieje jednak inny sposób wykrywania podczerwieni.
Weź pod uwagę ciepło emitowane przez słońce. Ciepło jest przekształcane w podczerwień, która przepływa przez pustą przestrzeń. Kiedy promieniowanie podczerwone dociera do Ziemi, uderza w atomy w atmosferze, przenosząc energię i ogrzewając planetę. „Ciepło przekształca się w fale elektromagnetyczne, które są ponownie przekształcane w ciepło” – powiedział Montell. Zauważył, że podczerwień pochodząca ze słońca ma inną długość fali niż podczerwień wytwarzana przez ciepło naszego ciała, ponieważ długość fali zależy od temperatury źródła.
Autorzy pomyśleli, że być może ciepło naszego ciała, które generuje podczerwień, mogłoby następnie uderzyć w określone neurony komara, aktywując je poprzez podgrzanie. Umożliwiłoby to komarom pośrednie wykrywanie promieniowania.
Naukowcy wiedzą, że na czubkach czułków komara znajdują się neurony wyczuwające ciepło. Zespół odkrył, że usunięcie tych końcówek wyeliminowało zdolność komarów do wykrywania podczerwieni. Rzeczywiście, inne laboratorium znalazło wrażliwe na temperaturę białko TRPA1 na końcu anteny. Zespół UCSB zaobserwował, że zwierzęta pozbawione funkcji trpA1 gen kodujący białko nie mógł wykryć IR.
Końcówka każdej anteny ma konstrukcję typu peg-in-pit, która jest dobrze przystosowana do wykrywania promieniowania. Wgłębienie chroni kołek przed ciepłem przewodzącym i konwekcyjnym, umożliwiając przedostanie się wysoce kierunkowego promieniowania podczerwonego i ogrzanie konstrukcji. Następnie komar wykorzystuje TRPA1 – zasadniczo czujnik temperatury – do wykrywania promieniowania podczerwonego.
Biochemiczne spojrzenie na detekcję w podczerwieni
Sama aktywność aktywowanego ciepłem kanału TRPA1 może nie wyjaśniać w pełni zakresu, w jakim komary były w stanie wykryć podczerwień. Czujnik wykorzystujący wyłącznie to białko może nie być przydatny w zaobserwowanym przez zespół zasięgu 70 cm. Przy tej odległości prawdopodobnie nie ma wystarczającej ilości promieniowania podczerwonego zbieranego przez konstrukcję typu peg-in-pit, aby ogrzać ją na tyle, aby aktywować TRPA1.
Na szczęście grupa Montella na podstawie ich analizy pomyślała, że mogą istnieć bardziej wrażliwe receptory temperatury poprzednia praca na muszkach owocowych w 2011 r. Znaleźli kilka białek z rodziny rodopsyn, które były dość wrażliwe na niewielkie wzrosty temperatury. Chociaż pierwotnie rodopsyny uważano wyłącznie za detektory światła, grupa Montell odkryła, że niektóre rodopsyny mogą być wyzwalane przez różne bodźce. Odkryli, że białka z tej grupy są dość wszechstronne i biorą udział nie tylko w widzeniu, ale także w wyczuwaniu smaku i temperatury. Po dalszych badaniach naukowcy odkryli, że dwie z 10 rodopsyn występujących u komarów ulegają ekspresji w tych samych neuronach antenowych co TRPA1.
Wyeliminowanie TRPA1 wyeliminowało wrażliwość komara na podczerwień. Jednak owady z wadami którejkolwiek z rodopsyn, Op1 lub Op2, pozostały nienaruszone. Nawet wybicie obu rodopsyn razem nie wyeliminowało całkowicie wrażliwości zwierzęcia na podczerwień, chociaż znacznie osłabiło zmysł.
Wyniki wykazały, że intensywniejsze termiczne promieniowanie podczerwone – podobne do tego, którego doświadczyłby komar z bliższej odległości (na przykład około 1 stopy) – bezpośrednio aktywuje TRPA1. Tymczasem Op1 i Op2 mogą zostać aktywowane przy niższych poziomach termicznej podczerwieni, a następnie pośrednio wyzwolić TRPA1. Ponieważ temperatura naszej skóry jest stała, zwiększenie czułości TRPA1 skutecznie zwiększa zasięg czujnika podczerwieni komara do około 2,5 stopy.
Konsekwencje dla globalnego zarządzania zdrowiem i komarami
Chandel twierdzi, że połowa światowej populacji jest zagrożona chorobami przenoszonymi przez komary, a co roku około miliarda ludzi zostaje zarażonych. Co więcej, zmiany klimatyczne i podróże po całym świecie rozszerzyły zakres Aedes aegypti poza krajami tropikalnymi i subtropikalnymi. Komary te występują obecnie w miejscach w USA, w których jeszcze kilka lat temu nie występowały, m.in. w Kalifornii.
Odkrycie zespołu może umożliwić udoskonalenie metod tłumienia populacji komarów. Na przykład wykorzystanie podczerwieni termicznej ze źródeł zbliżonych do temperatury skóry może zwiększyć skuteczność pułapek na komary. Odkrycia pomagają również wyjaśnić, dlaczego luźna odzież szczególnie dobrze zapobiega ukąszeniom. Nie tylko uniemożliwia komarom dotarcie do naszej skóry, ale także pozwala na rozproszenie promieniowania podczerwonego pomiędzy naszą skórą a ubraniem, dzięki czemu komary nie mogą go wykryć.
„Pomimo swoich niewielkich rozmiarów komary są odpowiedzialne za większą liczbę zgonów ludzi niż jakiekolwiek inne zwierzę” – powiedział DeBeaubien. „Nasze badania pogłębiają wiedzę na temat sposobu, w jaki komary atakują ludzi i oferują nowe możliwości kontrolowania przenoszenia chorób przenoszonych przez komary”.
Odniesienie: „Podczerwień termiczna kieruje zachowaniem poszukującym żywiciela u komarów Aedes aegypti” autorstwa Avinash Chandel, Nicolas A. DeBeaubien, Anindya Ganguly, Geoff T. Meyerhof, Andreas A. Krumholz, Jiangqu Liu, Vincent L. Salgado i Craig Montell, 21 sierpnia 2024, Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07848-5
