Podczas gdy ukąszenie komara często nie jest niczym więcej niż chwilowym utrapieniem, w wielu częściach świata może być przerażające. Jeden gatunek komara, Aedes aegypti, rozprzestrzenia wirusy, które powodują ponad 100 000 000 przypadków dengi, żółtej febry, Zika i innych chorób każdego roku. Inny, Anopheles gambiae, rozprzestrzenia pasożyta, który wywołuje malarię. Światowa Organizacja Zdrowia szacuje, że sama malaria powoduje ponad 400 000 zgonów rocznie. Rzeczywiście, ich zdolność do przenoszenia chorób zapewniła komarom tytuł najbardziej śmiercionośnych zwierząt.
Samce komarów są nieszkodliwe, ale samice potrzebują krwi do rozwoju jaj. Nic dziwnego, że od ponad 100 lat trwają rygorystyczne badania nad tym, jak znajdują swoich żywicieli. Przez ten czas naukowcy odkryli, że nie ma jednego sygnału, na którym polegają te owady. Zamiast tego integrują informacje z wielu różnych zmysłów z różnych odległości.
Zespół kierowany przez naukowców z UC Santa Barbara dodał kolejny zmysł do udokumentowanego repertuaru komarów: wykrywanie podczerwieni. Promieniowanie podczerwone ze źródła o temperaturze zbliżonej do temperatury skóry człowieka podwoiło ogólne zachowanie owadów w zakresie poszukiwania żywiciela w połączeniu z CO2 i ludzkim zapachem. Komary w przeważającej mierze kierowały się w stronę tego źródła podczerwieni podczas poszukiwania żywiciela. Naukowcy odkryli również, gdzie znajduje się ten detektor podczerwieni i jak działa na poziomie morfologicznym i biochemicznym. Wyniki zostały szczegółowo opisane w czasopiśmie Nature.
„Komar, którego badamy, Aedes aegypti, jest wyjątkowo utalentowany w znajdowaniu ludzkich żywicieli” — powiedział współautor Nicolas DeBeaubien, były student studiów podyplomowych i badacz podoktoranckich na UCSB w laboratorium profesora Craiga Montella. „Ta praca rzuca nowe światło na to, jak to osiągają”.
Kierowany za pomocą podczerwieni termicznej
Dobrze wiadomo, że komary takie jak Aedes aegypti wykorzystują wiele sygnałów, aby namierzyć gospodarza z odległości. „Należą do nich CO2 z wydychanego powietrza, zapachy, wzrok, [convection] ciepło z naszej skóry i wilgoć z naszego ciała”, wyjaśnił współautor Avinash Chandel, obecny postdoktorant na UCSB w grupie Montell. „Jednak każdy z tych sygnałów ma ograniczenia”. Owady mają słaby wzrok, a silny wiatr lub szybki ruch ludzkiego żywiciela może zaburzyć ich śledzenie zmysłów chemicznych. Dlatego autorzy zastanawiali się, czy komary mogą wykryć bardziej wiarygodny sygnał kierunkowy, taki jak promieniowanie podczerwone.
W odległości około 10 cm owady te mogą wyczuć ciepło unoszące się z naszej skóry. I mogą bezpośrednio wyczuć temperaturę naszej skóry, gdy tylko wylądują. Te dwa zmysły odpowiadają dwóm z trzech rodzajów transferu ciepła: konwekcji, czyli przenoszeniu ciepła przez medium, takie jak powietrze, i przewodzeniu, czyli przenoszeniu ciepła przez bezpośredni dotyk. Jednak energia z ciepła może również pokonywać większe odległości, gdy zostanie przekształcona w fale elektromagnetyczne, zazwyczaj w zakresie podczerwieni (IR) widma. IR może następnie ogrzać wszystko, na co trafi. Zwierzęta takie jak żmije mogą wyczuwać termiczną podczerwień od ciepłej ofiary, a zespół zastanawiał się, czy komary, takie jak Aedes aegypti, również mogą to robić.
Naukowcy umieścili samice komarów w klatce i zmierzyli ich aktywność poszukiwania żywiciela w dwóch strefach. Każda strefa była wystawiona na działanie ludzkich zapachów i CO2 o tym samym stężeniu, jakie wydychamy. Jednak tylko jedna strefa była również wystawiona na działanie podczerwieni ze źródła o temperaturze skóry. Bariera oddzielająca źródło od komory zapobiegała wymianie ciepła poprzez przewodzenie i konwekcję. Następnie policzyli, ile komarów zaczęło sondować, jakby szukały żyły.
Dodanie termicznego IR ze źródła o temperaturze 34º Celsjusza (około temperatury skóry) podwoiło aktywność owadów w poszukiwaniu żywiciela. To sprawia, że promieniowanie podczerwone jest nowym udokumentowanym zmysłem, którego komary używają do lokalizowania nas. Zespół odkrył, że pozostaje ono skuteczne do około 70 cm (2,5 stopy).
„To, co najbardziej uderzyło mnie w tej pracy, to to, jak silnym sygnałem okazał się IR” — powiedział DeBeaubien. „Gdy tylko wszystkie parametry były odpowiednie, wyniki były niezaprzeczalnie jasne”.
Poprzednie badania nie wykazały żadnego wpływu podczerwieni termicznej na zachowanie komarów, ale starszy autor Craig Montell podejrzewa, że to kwestia metodologii. Wytrwały naukowiec mógłby spróbować wyizolować wpływ podczerwieni termicznej na owady, prezentując jedynie sygnał podczerwieni bez żadnych innych wskazówek. „Jednak żadna pojedyncza wskazówka sama w sobie nie stymuluje aktywności poszukiwania żywiciela. IR robi różnicę tylko w kontekście innych wskazówek, takich jak podwyższony poziom CO2 i ludzki zapach” — powiedział Montell, profesor biologii molekularnej, komórkowej i rozwojowej Duggan and Distinguished Professor. W rzeczywistości jego zespół odkrył to samo w testach z wykorzystaniem wyłącznie podczerwieni: sama podczerwień nie ma żadnego wpływu.
Sztuczka wykrywania podczerwieni
Komary nie są w stanie wykryć termicznego promieniowania podczerwonego w taki sam sposób, w jaki wykrywają światło widzialne. Energia IR 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 IR generowane przez ciepło ciała ma długość około 9300 nm. W rzeczywistości żadne znane białko nie jest aktywowane przez promieniowanie o tak długich długościach fal, powiedział Montell. Istnieje jednak inny sposób wykrywania IR.
Rozważmy ciepło emitowane przez słońce. Ciepło jest zamieniane na IR, które przepływa przez pustą przestrzeń. Kiedy IR dociera do Ziemi, uderza w atomy w atmosferze, przenosząc energię i ogrzewając planetę. „Masz ciepło zamienione na fale elektromagnetyczne, które są zamieniane z powrotem na ciepło” — powiedział Montell. Zauważył, że IR pochodzące ze słońca ma inną długość fali niż IR generowane przez ciepło naszego ciała, ponieważ długość fali zależy od temperatury źródła.
Autorzy sądzili, że być może ciepło naszego ciała, które generuje IR, może uderzyć w pewne neurony w komarach, aktywując je poprzez ich podgrzanie. Umożliwiłoby to komarom wykrywanie promieniowania pośrednio.
Naukowcy wiedzą, że końcówki czułek komara mają neurony wyczuwające ciepło. Zespół odkrył, że usunięcie tych końcówek eliminuje zdolność komarów do wykrywania podczerwieni.
Rzeczywiście, inne laboratorium znalazło białko wrażliwe na temperaturę, TRPA1, na końcu anteny. A zespół UCSB zaobserwował, że zwierzęta bez funkcjonalnego genu trpA1, który koduje białko, nie były w stanie wykryć IR.
Końcówka każdej anteny ma strukturę typu peg-in-pit, która jest dobrze przystosowana do wykrywania promieniowania. Pit chroni peg przed przewodzącym i konwekcyjnym ciepłem, umożliwiając wysoce kierunkowemu promieniowaniu IR wejście do struktury i ogrzanie jej. Następnie komar używa TRPA1 — zasadniczo czujnika temperatury — do wykrywania promieniowania podczerwonego.
Zanurzając się w biochemii
Sama aktywność kanału TRPA1 aktywowanego ciepłem może nie wyjaśniać w pełni zakresu, w jakim komary były w stanie wykryć IR. Czujnik, który opierałby się wyłącznie na tym białku, może nie być przydatny w zakresie 70 cm, jaki zaobserwował zespół. W tej odległości prawdopodobnie nie ma wystarczającej ilości IR zbieranej przez strukturę peg-in-pit, aby podgrzać ją wystarczająco, aby aktywować TRPA1.
Na szczęście grupa Montella uznała, że mogą istnieć bardziej wrażliwe receptory temperatury, opierając się na ich wcześniejszych pracach nad muszkami owocowymi w 2011 r. Odkryli kilka białek w rodzinie rodopsyny, które były dość wrażliwe na niewielkie wzrosty temperatury. Chociaż rodopsyny były pierwotnie uważane wyłącznie za detektory światła, grupa Montella odkryła, że niektóre rodopsyny mogą być wyzwalane przez różne bodźce. Odkryli, że białka z tej grupy są dość wszechstronne, zaangażowane nie tylko w widzenie, ale także w odczuwanie smaku i temperatury. Po dalszych badaniach naukowcy odkryli, że dwie z 10 rodopsyn występujących u komarów są wyrażane w tych samych neuronach czułkowych co TRPA1.
Wyeliminowanie TRPA1 wyeliminowało wrażliwość komara na IR. Jednak owady z defektami w którejkolwiek z rodopsyn, Op1 lub Op2, nie zostały dotknięte. Nawet wybicie obu rodopsyn razem nie wyeliminowało całkowicie wrażliwości zwierzęcia na IR, chociaż znacznie osłabiło zmysł.
Ich wyniki wskazały, że intensywniejsze termiczne promieniowanie podczerwone — takie, jakie odczuwałby komar w bliższej odległości (na przykład około 1 stopy) — bezpośrednio aktywuje TRPA1. Tymczasem Op1 i Op2 mogą zostać aktywowane przy niższych poziomach termicznego promieniowania podczerwonego, a następnie pośrednio aktywować TRPA1. Ponieważ temperatura naszej skóry jest stała, wydłużenie czułości TRPA1 skutecznie rozszerza zasięg czujnika podczerwieni komara do około 2,5 stopy.
Przewaga taktyczna
Połowa światowej populacji jest narażona na choroby przenoszone przez komary, a około miliarda ludzi zostaje zarażonych każdego roku, powiedział Chandel. Co więcej, zmiany klimatyczne i podróże po całym świecie rozszerzyły zasięg występowania Aedes aegypti poza kraje tropikalne i subtropikalne. Komary te są teraz obecne w miejscach w USA, w których nigdy nie były spotykane jeszcze kilka lat temu, w tym w Kalifornii.
Odkrycie zespołu może zapewnić sposób na ulepszenie metod tłumienia populacji komarów. Na przykład włączenie termicznej podczerwieni ze źródeł o temperaturze zbliżonej do temperatury skóry może zwiększyć skuteczność pułapek na komary. Odkrycia pomagają również wyjaśnić, dlaczego luźne ubrania są szczególnie skuteczne w zapobieganiu ukąszeniom. Nie tylko blokują one komarom dostęp do naszej skóry, ale także pozwalają IR rozproszyć się między naszą skórą a ubraniem, dzięki czemu komary nie mogą ich wykryć.
„Mimo niewielkich rozmiarów komary są odpowiedzialne za więcej zgonów ludzi niż jakiekolwiek inne zwierzę” – powiedział DeBeaubien. „Nasze badania pogłębiają wiedzę na temat tego, w jaki sposób komary atakują ludzi i oferują nowe możliwości kontrolowania transmisji chorób przenoszonych przez komary”.
Ponadto, oprócz zespołu Montell, w badaniu uczestniczyli Vincent Salgado, były pracownik BASF, oraz jego student, Andreas Krumhotz.