Шестое чувство влажности помогает насекомым избегать климатических проблем

Количество водяного пара в воздухе — влажность — кардинально меняет наше восприятие окружающей среды. Жаркое сухое утро в калифорнийской пустыне радикально отличается от жаркого и влажного в джунглях Камбоджи.

Люди не любят жаркие и влажные условия по веским причинам. Наши тела рассеивают тепло через испарение пота с поверхности кожи. При высокой влажности этот процесс менее эффективен, и для охлаждения к коже необходимо приливать больше крови. Это приводит к усталости и, в конечном итоге, к гипертермии ("тепловому удару").

Различный уровень влажности характеризует все среды обитания на нашей планете. Виды животных эволюционировали, чтобы переносить и даже процветать в самых экстремальных климатах — от замерзших тундр севера до засушливых пустынь экватора. Особенно впечатляет, что мелкие холоднокровные животные, такие как насекомые, могут процветать как в холодном климате, так и в пустынных местообитаниях. Отчасти эти адаптации стали возможны благодаря сложным сенсорным системам, позволяющим им быстро реагировать на потенциально опасные крайности.

Что касается влажности воздуха, ученым с начала 1900-х годов известно, что у насекомых есть специализированные сенсорные системы, обнаруживающие изменения содержания водяного пара в воздухе. Это "шестое чувство" влажности не имеет прямых аналогов у крупных наземных млекопитающих, таких как мы. Но оно хорошо служит мелким существам, помогая избежать обезвоживания и найти открытую воду: например, пруд для откладывания яиц (что критически важно для многих видов комаров). Мы решили исследовать, как работают эти системы восприятия влажности у насекомых.

Какова нейробиологическая основа системы?

Используя в качестве объекта исследования нашу любимую плодовую мушку Drosophila melanogaster, мы попытались определить, как именно насекомые могут обнаруживать водяной пар в воздухе. Какие нейроны служат датчиками влажности у этого вида? Какие гены и рецепторные механизмы могут использоваться для обнаружения изменений влажности воздуха? Как информация о внешней влажности передается и в конечном итоге обрабатывается в мозге мухи?

Сначала нам нужно было определить предпочитаемый диапазон влажности для нашей плодовой мушки. Мухи являются комменсалами человека — буквально "делят пищу за одним столом", в данном случае приглашенные или нет. Но, хотя они любят жить с нами, оказалось, что плодовые мушки предпочитают влажность чуть выше нашей [~70% относительной влажности (RH) — что в жаркий день показалось бы нам довольно душным].

Мы также протестировали два родственных вида мух, обитающих в разных средах. Drosophila mojavensis обитает в засушливых пустынях южной Калифорнии и Мексики и в наших лабораторных тестах показала предпочтение к более сухой среде. Drosophila teissieri обитает в тропическом лесу и предпочитала более высокую влажность, чем два других вида. Это важный результат: он предполагает, что предпочтение влажности тонко настроено и отражает специфические адаптации к среде обитания каждого вида.

Затем мы использовали мощные инструменты, доступные генетикам плодовых мух, чтобы найти гены, необходимые для этой способности обнаруживать и реагировать на влажность воздуха. У мух мы можем относительно легко включать или выключать гены с помощью мутаций, а также искусственно активировать или "заглушать" определенные нейроны, чтобы наблюдать, как это повлияет на поведение.

Логика была проста: если мы найдем гены, отсутствие которых делает мух нечувствительными к изменениям влажности, мы поймем, что эти гены обычно задействованы в этой сенсорной системе. Определив эти гены, мы можем выяснить, где они активны, чтобы точно определить, какие нейроны служат детекторами влажности.

Короче говоря, мы идентифицировали три родственных гена, без которых мухи становятся "слепы" к внешней влажности. Мухи, лишенные их, не проявляют никакого предпочтения к сухому или влажному воздуху. Оказалось, что они функционируют в ключевых рецепторных нейронах, расположенных в антенне (усике). Они находятся в необычном маленьком мешочке в задней части антенны, называемом "sacculus" (буквально "маленький мешочек") — хорошо защищенном от потенциальных брызг воды или других опасностей.

Эти детекторы влажности — названные "гигрорецепторами" от греческого слова, означающего влажность — быстро реагируют на поток сухого воздуха, потенциально предупреждая животное о приближении опасных сухих условий.

Затем мы проследили проекции нейронов гигрорецепторов в мозг и обнаружили, что они заканчиваются в области, расположенной рядом с той, которая, как мы ранее показали, является мишенью для температурных рецепторов антенны. Действительно, у насекомых температура и влажность, по-видимому, обнаруживаются разными рецепторными системами. Но эти две системы, конечно, будут взаимодействовать в мозге, чтобы определить, насколько привлекательным в конечном итоге может быть климат для мухи.

Как эволюция и инженеры подходят к измерению влажности

Подобные открытия раскрывают некоторые из умных способов, с помощью которых эволюция решила базовые инженерные проблемы. Эти решения неизменно служат источником вдохновения для инженеров, работающих в смежных областях. На самом деле, довольно интересно сравнить, как мухи измеряют влажность, с тем, как это делаем мы.

Современные гигрометры часто полагаются на изменения электрических свойств гигроскопичного — "поглощающего влагу" — материала. До эпохи электроники для достижения той же цели использовался ряд умных стратегий. Некоторые из самых ранних гигрометров, вероятно, были вдохновлены распространенным опытом "плохого дня для волос": человеческие и животные волосы сильно гигроскопичны и меняют форму и длину в зависимости от влажности воздуха.

Леонардо да Винчи построил первый в истории гигрометр на этом принципе в 1480 году. Более совершенный инструмент (который можно легко построить на уроке естествознания) — это знаменитый "волосяной гигрометр", изобретенный швейцарским физиком Орасом Бенедиктом де Соссюром в 1783 году. Здесь один человеческий волос натянут над шкивом, который приводит в движение стрелку, так что изменения длины волоса можно легко измерить, чтобы отслеживать изменения внешней влажности.

Как выяснилось, муха может использовать очень похожую стратегию для измерения влажности: кончики обнаруженных нами гигросенсорных нейронов расположены внутри крошечных волосков (сенсилл) в саккулусе. Мы полагаем, что механическая деформация этих сенсилл может в конечном итоге помочь мухе отслеживать уровень влажности.

Применение знаний о гигрометрии в полевых условиях

Понимание того, как животные ощущают и реагируют на ключевые параметры окружающей среды, помогает нам понять, как они адаптируются к своему окружению, и позволит прогнозировать, что произойдет с распространением и выживанием видов по мере изменения климата в результате глобального потепления.

Более того, растущие знания о механизмах, которые используют такие назойливые насекомые, как комары, для навигации в окружающей среде и поиска своей "добычи", предлагают новые способы отвадить их от нас. Например, исследователи работают над "взломом" обонятельной системы комаров, которую они используют для поиска источника крови. Наши новые открытия могут привести к дополнительным стратегиям контроля популяций насекомых, возможно, путем их отвлечения от водоемов вблизи наших городов.