Недавно обнаруженный ориентир — один из многих, которые это насекомое использует на различных расстояниях.
Укус комара — всего лишь минутная неприятность? Во многих частях света он может быть страшен. Один из видов комаров, Aedes aegypti он же комар жёлтолихорадочный, способствует распространению вирусов, вызывающих свыше миллиарда случаев денге, жёлтой лихорадки, Зика и других заболеваний ежегодно.
Другой печально известный вид, Anopheles gambiae, переносит паразита, вызывающего малярию. По оценке ВОЗ одна только малярия приводит к более чем 400000 смертей в год.
Действительно, благодаря своей способности распространять заболевания комары заслужили титул самого смертоносного животного.
Самцы комаров безобидны, но самкам для созревания яиц требуется кровь. Неудивительно, что уже более ста лет ведутся интенсивные исследования на предмет того, как они определяют своих жертв. За это время учёные открыли, что нет единственного ориентира, на который полагаются эти насекомые.
Комары используют информацию различных органов чувств в зависимости от расстояния.
Научный коллектив под руководством исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (КУСБ) обнаружил ещё один инструмент в арсенале комаров — инфракрасное зрение. Инфракрасное излучение от источника с температурой, близкой к температуре человеческой кожи удваивает общую способность насекомых обнаруживать жертву. А ещё, как было показано ранее, комаров привлекает запах человека и выдыхаемый нами углекислый газ.
Комары в подавляющем числе случаев направлялись в сторону инфракрасного источника при поиске жертвы. Исследователи нашли, где располагается инфракрасный детектор у комара и как он работает на морфологическом и биохимическом уровне.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
«Исследуемый нами комар, Aedes aegypti, обладает исключительными навыками в поиске человека», — говорит соведущий автор Николас ДеБобьен, бывший магистрант и постдок КУСБ в лаборатории профессора Крэйга Монтелла. «Эта работа проливает новый свет на то, как им это удаётся».
Под управлением инфракрасного излучения
Хорошо известно, что комары вроде Aedes aegypti пользуются множеством ориентиров, чтобы выйти на жертву.
«Сюда входят выдыхаемый нами СО2, запахи, зрение, [конвекционное] тепло нашей кожи и испаряемая нашим телом влага», — говорит соведущий автор Авинаш Чандел, постдок КУСБ в группе Монтела. «Однако, любой из этих ориентиров имеет ограничения. У насекомых плохое зрение, а сильный ветер или быстрое движение человека могут нарушить их восприятие химических стимулов».
Поэтому авторы задумались: могут ли комары распознавать более надёжный направляющий ориентир, вроде инфракрасного излучения?
В пределах около 10 см эти насекомые могут чувствовать тепло, исходящее от нашей кожи. И, приземлившись, могут непосредственно ощущать температуру нашей кожи. Два этих способа восприятия соответствуют двум из трёх типов перехода тепла: конвекции — теплу, переносимому средой вроде воздуха; и кондукции — теплу при непосредственном соприкосновении. Но энергия тепла также может преодолевать большие расстояния, когда она конвертируется в электромагнитные волны, как правило, в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. Затем ИК может нагревать любой предмет на своём пути. Животные вроде ямкоголовой змеи могут чувствовать тепловое ИК-излучение тёплокровной добычи, и исследователи задумались: способны ли на такое комары?
Исследователи поместили самок комаров в клетку и измерили их активность по поиску жертвы в двух зонах. В каждой из зон присутствовал запах человека и СО2 в обычной для выдоха концентрации. Однако только в одной из зон присутствовало ИК-излучение от источника с температурой кожи. Камера отделялась от источника барьером, не позволяющим теплу проникать путём кондукции и конвекции. Затем они посчитали, сколько комаров начали зондировать пространство в поиске источника крови.
Дополнительное тепловое ИК-излучение от источника с температурой 34°С (приблизительно температура кожи) удваивало активность комаров по поиску жертвы. Благодаря этому инфракрасное излучение стало новым задокументированным способом восприятия, которое комары используют для обнаружения человека. И учёные обнаружили, что оно остаётся эффективным на расстоянии до приблизительно 70 см.
«Меня в этой работе поразило то, насколько сильным стимулом в итоге оказалось ИК-излучение», — говорит ДеБобьен. «Как только все наши параметры были в норме, результаты оказались неоспоримо очевидными».
В предыдущих исследованиях не наблюдалось никакого влияния теплового ИК-излучения на поведение комаров, но старший автор Крэйг Монтелл подозревает, что это связано с методологией. Дотошный учёный может попытаться изолировать эффект теплового ИК-излучения на насекомых, используя только инфракрасный сигнал без каких-либо иных ориентиров.
«Но любой из ориентиров в одиночку не стимулирует активности по поиску жертвы. Лишь в контексте других ориентиров, таких как повышенная концентрация СО2 и человеческий запах, ИК-излучение влияет на процесс», — говорит Монтелл, почётный профессор молекулярной, клеточной и эволюционной биологии.
Фактически его коллеги обнаружили то же самое в тестах, где использовалось исключительно ИК-излучение: в одиночку оно не имело никакого эффекта.
Трюк для восприятия ИК
Комары не могут распознавать тепловое инфракрасное излучение так же, как они распознают видимый свет. Энергия ИК слишком мала для активации белков семейства родопсинов, которые обнаруживают видимый свет в глазах у животных. Электромагнитное излучение с длиной волны более 700 нанометров не активирует родопсин, а генерируемое теплом тела ИК-излучение составляет около 9300 нм. На самом деле, ни один из известных белков не активируется таким длинноволновым излучением, ― замечает Монтелл. Но существует и другой способ распознать ИК-излучение.
Представьте себе тепло, излучаемое солнцем. Тепло преобразуетася в ИК-излучение, которое струится по открытому космосу. Когда ИК-излучение достигает Земли, оно сталкивается с атомами в атмосфере, перенося энергию и разогревая планету. «То есть тепло, преобразованное в электромагнитные волны, снова преобразуется в тепло», — говорит Монтелл. Он отмечает, что ИК-излучение от солнца имеет иную длину волны, чем ИК-излучение, генерирумое нашим телом, поскольку длина волны зависит от температуры источника.
Авторы подумали, что, может быть, тепло нашего тела, генерирующее ИК-излучение, может сталкиваться с определёнными нейронами у комаров, активируя их нагреванием. Это позволило бы комарам распознавать излучение косвенным образом.
Учёным известно, что на кончиках антенн комара есть теплочувствительные нейроны. И они обнаружили, что когда комарам удаляли эти кончики, их способность распознавать ИК-излучение пропадала.
Действительно, в другой лаборатории в кончиках антенн был обнаружен чувствительный к температуре белок TRPA1. А учёные из КУСБ увидели, что животные без функционирующего гена trpA1, кодирующего белок, не могли обнаруживать ИК-излучение.
На кончике каждой антенны есть структура типа «штырь в ямке». Ямка защищает штырь от тепла, передающегося кондукцией и конвекцией, позволяя крайне направленному ИК-излучению разогреть структуру. Затем комар использует TRPA1, по сути температурный датчик, чтобы обнаружить инфракрасное излучение.
Погружаемся в биохимию
Активность одного только активированного теплом канала TRPA1 не может полностью объяснить диапазон распознаваемого комарами ИК-излучения. Сенсор, полагающийся исключительно на этот белок, не может быть полезным в диапазоне 70 см, исследованном учёными. Вероятно, на этом расстоянии структурой «штырь в ямке» собирается недостаточное количество тепла, чтобы достаточно разогреть её для активации TRPA1.
К счастью, в группе Монтелла подумали, что могут существовать более чувствительные температурные рецепторы, основываясь на предыдущей работе 2011 года по дрозофилам. В семействе родопсинов они обнаружили несколько весьма чувствительных к небольшому повышению температуры белков. Хотя изначально родопсины считались исключительно световыми детекторами, группа Монтелла обнаружила, что отдельные родопсины могут активироваться рядом стимулов. Они открыли, что белки этой группы весьма разнообразны, и участвуют не только в зрении, но также в восприятии вкуса и температуры. После дальнейших исследований исследователи обнаружили, что два из десяти родопсинов, обнаруженных у комаров, синтезируются в тех же нейронах в антеннах, что и TRPA1.
Выключение TRPA1 устраняло чувствительность комаров к ИК-излучению. Но на насекомых с нарушениями в одном из родопсинов, Op1 или Op2, это не действовало. Даже выключение обоих родопсинов полностью не устраняло чувствительности животных к ИК-излучению, хотя она существенно понижалась.
Их результаты указывали на то, что более интенсивное тепловое ИК-излучение, похожее на то, с которым сталкивается комар на более близкой дистанции (например, около 30 см), напрямую активирует TRPA1. В то же время, Op1 и Op2 могут активироваться на более низких уровнях теплового ИК-излучения, а затем не напрямую активировать TRPA1. Поскольку температура нашего тела постоянна, расширение чувствительности TRPA1 в итоге расширяет диапазон ИК-сенсора комара до примерно 75 см.
Тактическое преимущество
Половина населения планеты имеет риск получить заболевание, переносимое комарами, и около миллиарда людей заражаются ежегодно, говорит Чандел. Более того, изменение климата и мировая миграция расширили ареал Aedes aegypti за пределы тропических и субтропических стран. Эти комары теперь присутствуют на территории США, включая Калифорнию, где их никогда ранее не обнаруживали.
Открытие может обеспечить способ улучшения методов сдерживания популяций комаров. Например, внедрение источников теплового ИК-излучения близкого к температуре тела может повысить эффективность ловушек для комаров. Результаты исследования также помогают объяснить, почему свободная одежда особенно эффективна в профилактике укусов. Она не только не даёт комарам добраться до нашей кожи, она также позволяет ИК-излучению рассеиваться между кожей и одеждой, поэтому комары не могут его обнаружить.
«Несмотря на свой невзрачный размер, комары ответственны за большее количество человеческих смертей чем какое-либо другое животное», — говорит ДеБабьен. «Наше исследование расширяет понимание того, каким образом комары выслеживают людей, и представляет новые возможности для контроля над переносимыми комарами заболеваниями.»
Автор: Харрисон Тасофф, Подготовка материала: Андрей Прокипчук