Комары чувствуют инфракрасное излучение от тепла тела, чтобы находить людей, показало исследование
Комары вида Aedes aegypti ежегодно распространяют вирусы, вызывающие более 100 миллионов случаев лихорадки денге, желтой лихорадки, Зика и других заболеваний. Их способность переносить болезни делает их самым смертоносным животным.
Самкам комаров нужна кровь для развития яиц. Ученые уже более 100 лет исследуют, как они находят хозяев. Выяснилось, что они интегрируют информацию от многих органов чувств.
Команда под руководством исследователей из UC Santa Barbara обнаружила еще одно чувство в арсенале комаров: детекцию инфракрасного (ИК) излучения. Инфракрасное излучение от источника с температурой, близкой к температуре кожи человека (34°C), в сочетании с CO2~ и запахом человека удваивало общую активность комаров по поиску хозяина. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Направление по тепловому ИК-излучению
Известно, что комары используют множество сигналов для обнаружения хозяев на расстоянии: CO2 из выдыхаемого воздуха, запахи, зрение, конвекционное тепло от кожи и влажность. Однако у каждого из этих сигналов есть ограничения.
Авторы задались вопросом, могут ли комары обнаруживать более надежный направленный сигнал, такой как инфракрасное излучение. В пределах ~10 см насекомые могут чувствовать тепло, поднимающееся от кожи (конвекция), а при посадке — температуру кожи напрямую (кондукция). Третий тип передачи тепла — излучение в ИК-диапазоне, которое может преодолевать большие расстояния.
В эксперименте самок комаров помещали в клетку с двумя зонами. Обе зоны содержали запах человека и CO2 в концентрации выдыхаемого воздуха, но только в одной присутствовало ИК-излучение от источника с температурой 34°C. Барьер предотвращал теплообмен путем кондукции и конвекции.
Добавление теплового ИК-излучения удвоило активность насекомых по поиску хозяина. Этот сигнал оставался эффективным на расстоянии до ~70 см (2,5 фута).
Важно, что ИК-излучение в одиночку не оказывало никакого эффекта. Оно работает только в контексте других сигналов, таких как повышенный уровень CO2 и запах человека.
Механизм обнаружения инфракрасного излучения
Комары не могут обнаруживать тепловое ИК-излучение так же, как видимый свет. Энергия ИК слишком мала, чтобы активировать родопсиновые белки в глазах. Длина волны ИК от тепла тела составляет около 9300 нм, тогда как родопсины активируются излучением с длиной волны короче ~700 нм.
Ученые предположили, что ИК-излучение от тела человека может нагревать определенные нейроны комара, активируя их. Известно, что кончики антенн комара содержат термочувствительные нейроны. Удаление этих кончиков лишило комаров способности обнаруживать ИК.
В кончиках антенн были обнаружены пегообразные структуры в углублениях (peg-in-pit), идеально подходящие для восприятия излучения. Углубление защищает пег от кондуктивного и конвекционного тепла, позволяя направленному ИК-излучению проникать и нагревать структуру.
Биохимическая основа
Ключевую роль в обнаружении ИК играет термочувствительный белок TRPA1, расположенный в кончиках антенн. Комары с нефункциональным геном trpA1 не могли обнаруживать ИК.
Однако активности одного канала TRPA1 было недостаточно, чтобы объяснить дальность обнаружения в 70 см. На таком расстоянии ИК-излучения, собираемого структурой peg-in-pit, вероятно, недостаточно для нагрева, необходимого для активации TRPA1.
Исследователи обнаружили, что в тех же нейронах антенн, что и TRPA1, экспрессируются два из десяти родопсинов, найденных у комаров: Op1 и Op2.
Выяснилось, что:
- Более интенсивное тепловое ИК-излучение (на близком расстоянии, ~30 см) напрямую активирует TRPA1.
- Op1 и Op2 могут активироваться при более низких уровнях теплового ИК-излучения, а затем косвенно активировать TRPA1.
Поскольку температура кожи постоянна, повышенная чувствительность системы за счет родопсинов эффективно расширяет диапазон действия ИК-сенсора комара примерно до 2,5 футов.
Практическое значение
Открытие может помочь улучшить методы борьбы с комарами. Например, добавление теплового ИК-излучения от источников с температурой кожи может сделать ловушки для комаров более эффективными.
Результаты также объясняют, почему свободная одежда хорошо защищает от укусов: она не только блокирует доступ к коже, но и позволяет ИК-излучению рассеиваться между кожей и тканью, делая его необнаружимым для комаров.
"Наше исследование углубляет понимание того, как комары нацеливаются на людей, и предлагает новые возможности для контроля передачи болезней, переносимых комарами", — сказал соавтор Николас ДеБобиен.