Учёные обнаружили различия в обработке внешней температуры у лесных и пустынных мух
Хладнокровные животные, такие как мухи, зависят от окружающей среды для регуляции температуры тела, что делает их идеальными индикаторами влияния изменения климата на поведение и распространение видов. Однако о том, как насекомые ощущают и реагируют на температуру, известно относительно мало.
Используя два вида мух из разных климатов — один из прохладных высокогорных лесов Северной Калифорнии, другой из жарких, сухих пустынь Юго-Запада (оба — родственники лабораторной дрозофилы Drosophila melanogaster) — учёные из Северо-Западного университета обнаружили заметные различия в том, как каждый вид обрабатывает внешнюю температуру.
Лесные мухи демонстрировали повышенное избегание тепла, что потенциально объясняется более высокой чувствительностью молекулярных тепловых рецепторов в их антеннах. Пустынные мухи, напротив, активно привлекались к теплу — эта реакция может быть связана с различиями в нейронных связях в области мозга мухи, которая помогает вычислять валентность (привлекательность или отталкивающий характер) сенсорных сигналов.
Учёные полагают, что эти два механизма могли развиться у каждого вида по мере адаптации к своей уникальной тепловой среде, начиная с общего предка, существовавшего 40 миллионов лет назад (вскоре после вымирания динозавров).
Эти результаты, опубликованные в журнале Nature, помогают понять, как у животных эволюционируют предпочтения к определённым температурным условиям, и могут помочь предсказать влияние быстро меняющегося климата на поведение и распространение животных.
«Недостаточно людей заботятся о насекомых»
«Изменение климата особенно угрожает насекомым», — заявил нейробиолог Марко Галлио.
Поведение — это первый интерфейс между животным и его средой. Даже до борьбы за выживание животные могут реагировать на изменение климата миграцией и изменением ареала. Мы уже видим сокращение популяций насекомых во многих регионах и распространение насекомых-переносчиков болезней, таких как вирус Зика и малярия, на новые территории».
Галлио, самопровозглашённый «адвокат насекомых», — профессор кафедры нейробиологии и исследовательский профессор молекулярной биологии имени Соретты и Генри Шапиро в Колледже искусств и наук Вайнберга. Его лаборатория изучает плодовых мух и их сенсорные системы.
Галлио признал, что данных мало, потому что «недостаточно людей заботятся о насекомых», но доступные цифры фиксируют резкое сокращение численности насекомых за последние 20–50 лет. Помимо их положения в основе большинства наземных пищевых цепей, насекомые опыляют 70% наших сельскохозяйственных культур. Потеря сообществ насекомых может нанести катастрофический ущерб экосистемам по всему миру и напрямую повлиять на благополучие человека.
Понимание тепловых цепей в мозге
Предыдущая работа лаборатории Галлио была сосредоточена на том, как мелкие насекомые, такие как лабораторные мухи, реагируют на сенсорные сигналы, такие как безвредные и болезненные изменения температуры.
«Обычная плодовая мушка — особенно мощный объект для изучения того, как внешний мир представлен и обрабатывается в мозге», — сказал Галлио. «Многолетняя работа над генетикой и нейробиологией мух дала нам карту мозга мухи, более детальную, чем у любого другого животного».
В данном исследовании Галлио и коллеги задались вопросом, как сравниваются мозговые цепи и результирующее поведение у видов мух, которые очень похожи, за исключением выбора тепловой среды обитания.
Используя генетические инструменты, включая CRISPR, для «нокаута» определённых генов и обмена генами между видами, команда изучила как молекулярные, так и мозговые механизмы, которые могут объяснять видоспецифические различия в температурных предпочтениях.
Аспирант и ведущий автор Мэтью Кейпек объяснил, что они сначала обнаружили различия в молекулах, обнаруживающих тепло, из-за чего они активируются при разных температурах. И хотя Кейпек сказал, что разница в активации может объяснить предпочтение лесных мух более прохладной среде, сдвиг в активации рецептора был недостаточен, чтобы объяснить поведение пустынной мухи.
«Пустынная муха, казалось, активно привлекалась к более высоким температурам — около 90 градусов по Фаренгейту (32 °C) по сравнению с идеальным диапазоном лесной мухи чуть ниже 70 градусов (21 °C)», — сказал Кейпек.
«Порог активации тепловых сенсоров антенн соответствовал их любимому температурному диапазону, который они будут искать, а не температуре, которой следует избегать. Муха больше не ведёт себя так, будто антенны говорят ей убегать от опасной жары; кажется, они говорят ей, что более высокие температуры хороши, и к ним нужно приближаться».
Высокая цена, высокая награда
Галлио изначально был озадачен — пустыни жаркие, поэтому не имело смысла, что мухи ищут тепло, — но поездка лаборатории в пустыню Анза-Боррего в Южной Калифорнии дала ключевое вдохновение.
«Пустыни в этом регионе очень жаркие днём, но температура может резко упасть после захода солнца, а ночью может быть совсем холодно», — сказала Алессия Пара, также ключевой автор исследования и доцент-исследователь нейробиологии.
«Мухам в этом климате, возможно, необходимо постоянно следить за быстро меняющейся температурой и всегда искать идеальный диапазон, находя тенистые места днём и прячась в кактусах для тепла ночью».
Мухи из более благоприятной среды могут игнорировать температуру, за исключением случаев, когда она меняется быстро. Постоянное определение правильной температуры энергетически затратно, но для пустынных мух это вопрос жизни и смерти.
«Эта сравнительная работа полезна в нескольких отношениях», — сказал Галлио. «Когда животное рождается, его мозг уже запрограммирован знать, являются ли многие вещи, с которыми оно столкнётся, плохими или хорошими для него, и мы не понимаем, как работает это программирование.
Эти виды мух представляют собой естественный эксперимент, потому что стимул, который хорош для одного вида, плох для другого, и мы можем изучать различия, которые делают это так. Мы также хотим больше узнать о том, как животные смогли адаптироваться к разным температурам в ходе эволюции, чтобы лучше понимать и даже предсказывать, как они отреагируют на текущее изменение климата.
Конечно, мы заботимся о насекомых и надеемся, что то, что мы узнаем, поможет нам лучше ценить и защищать их».