Как комары находят людей, чтобы укусить
В статье, опубликованной 6 февраля в Science, профессор биологии Пол Гаррити, аспирантка Хлоя Греппи, постдок Виллем Лаурсен и их коллеги сообщают, что выяснили важную часть механизма, как комары нацеливаются на человеческое тепло, чтобы найти и укусить людей.
Комары — одни из самых смертоносных животных на планете. Сотни тысяч людей ежегодно умирают от таких переносимых комарами болезней, как малярия, лихорадка денге, вирус Западного Нила и желтая лихорадка, большинство из них — дети. Еще 200 миллионов инфицированы и страдают от симптомов.
Открытие дает возможность однажды обмануть или "выключить" температурные сенсоры насекомых, чтобы они не распространяли болезни.
"Сенсорные системы, подобные этой, — отличные мишени для разработки новых способов отпугивания или дезориентации комаров, чтобы они не кусали нас, или для создания новых способов помочь поймать и уничтожить этих разносчиков болезней", — сказал Гаррити.
Краткий исторический экскурс
В начале XX века британский ученый Фрэнк Милберн Хаулетт, работавший в Индии, заметил, что комары постоянно роятся вокруг его чайника во время чаепития. В качестве эксперимента он поместил насекомых в мешок из марли и расположил его рядом с пробиркой, наполненной горячей водой.
Когда тепло от трубки достигло животных, "эффект был весьма интересен", — написал он в исследовательской статье 1910 года. Комары притянулись к стороне мешка, ближайшей к поднимающемуся горячему воздуху.
Хаулетт также заметил, что комары, похоже, не нападают на холоднокровных животных, что предполагает: именно тепло тела привлекает их к людям.
Последующие исследования показали, что на расстоянии многих футов комары полагаются на выдыхаемый нами углекислый газ, наш запах и визуальные ориентиры. Но когда они оказываются в нескольких дюймах, именно температура нашего тела играет главную роль в их наведении.
Так ведут себя только самки. Как выяснилось позже, они используют белок в нашей крови для питания своих яиц. Самцы питаются только фруктами и нектаром растений.
Поиск тепла или избегание холода?
В прошлом году Гаррити и несколько коллег опубликовали статью в журнале Neuron, которая перевернула традиционные представления о терморецепторах на кончиках антенн мух.
Считалось, что эти рецепторы действуют как термометры, измеряя температуру окружающей среды, чтобы сообщить мухе, жарко или холодно. Вместо этого Гаррити и его коллеги обнаружили, что рецепторы обнаруживают только изменение температуры, сообщая мухе, становится ли жарче или холоднее.
По этой причине Гаррити переименовал эти температурные сенсоры в "клетки охлаждения" (Cooling Cells) и "клетки нагрева" (Heating Cells). Они настолько чувствительны, что могут обнаруживать изменение температуры на несколько сотых градуса в секунду.
Комары, близкие эволюционные родственники мух, также имеют Cooling Cells и Heating Cells.
Хотя казалось логичным изучить "клетки нагрева" насекомых, чтобы понять, что привлекает их к человеческому теплу, группа Гаррити рассмотрела альтернативную — и контринтуитивную — гипотезу. Возможно, дело было не в том, что насекомые летят к теплу; возможно, они улетают от холода. Это означало бы, что именно на "клетках охлаждения" следует сосредоточиться.
Конкретные Cooling Cells, которые Гаррити и его коллеги изучали для статьи в Science, используют молекулярный рецептор под названием IR21a. IR означает ионотропный рецептор (ionotropic receptor) — группу белков, которые помогают нейронам передавать сигналы. IR21a облегчает передачу сигнала о том, что температура вокруг насекомого падает.
Как они это сделали
В эксперименте исследователи "выключили" ген комара, ответственный за производство рецептора IR21a. Затем они поместили около 60 мутантных насекомых в контейнер размером с обувную коробку, на задней стенке которого была пластина, нагретая почти до температуры ядра тела (98,6°F / ~37°C), и дали комарам порцию углекислого газа, имитирующую человеческое дыхание.
В то время как немодифицированные комары быстро собирались на пластине с температурой тела, пытаясь питаться, мутантные комары в основном игнорировали пластину. Без рецептора IR21a они больше не могли направляться к самому горячему месту в их окружении.
Во втором эксперименте комаров поместили в небольшую сетчатую клетку. Над клеткой исследователи разместили две пробирки с человеческой кровью: одну нагретую до 73°F (23°C, комнатная температура), а другую — до 88°F (31°C, температура поверхности человеческой руки). По сравнению с немодифицированными комарами, протестированными в той же установке, мутанты показали сниженное предпочтение к крови температурой 88°F.
"Мир становится лучше или дела идут хуже?"
По словам Гаррити, рецептор IR21a активируется всякий раз, когда комар движется в сторону более низкой температуры. Поскольку люди обычно теплее своего окружения, это означает, что когда комар приближается к человеку, IR21a молчит. Но если насекомое отклонится от курса и начнет удаляться от теплокровной добычи, IR21a активируется, отключаясь только тогда, когда комар скорректирует курс.
В конечном счете, отслеживание изменения температуры чрезвычайно полезно для того, чтобы помочь этим животным точно определить, где укусить нас, потому что кровеносные сосуды — самое теплое место на нашей коже.
Гаррити сказал, что IR21a действует как "раздражающая сигнализация. Она срабатывает всякий раз, когда самка комара направляется в сторону более прохладных мест. Когда они ищут людей, они, кажется, движимы желанием сделать все возможное, чтобы убавить громкость".
Как все началось
Ген для IR21a возник у морского существа, жившего более 400 миллионов лет назад, которое в конечном итоге дало начало как современным ракообразным (таким как омары и крабы), так и насекомым.
Когда предки современных насекомых наконец вышли на сушу, ген был передан общему предку мух и комаров. Когда эволюционные траектории этих насекомых разошлись около 200 миллионов лет назад, каждый вид развил разные способы использования рецептора IR21a. Мухи используют его, чтобы избегать тепла, комары — чтобы находить тепло и питаться человеческой кровью.