چگونه پشه ها انسان ها را ردیابی می کنند

در حالی که نیش پشه اغلب یک آزار موقت نیست، در بسیاری از نقاط جهان می تواند ترسناک باشد. یکی از گونه‌های پشه، Aedes aegypti، ویروس‌هایی را منتشر می‌کند که هر سال باعث بیش از 100،000،000 مورد دنگی، تب زرد، زیکا و سایر بیماری‌ها می‌شود. دیگری به نام Anopheles gambiae، انگلی را که عامل مالاریا است پخش می کند. سازمان جهانی بهداشت تخمین می زند که مالاریا به تنهایی باعث مرگ بیش از 400000 نفر در سال می شود. در واقع، ظرفیت آنها برای انتقال بیماری باعث شده پشه ها عنوان کشنده ترین حیوان را به خود اختصاص دهند.

پشه های نر بی ضرر هستند، اما ماده ها برای رشد تخم به خون نیاز دارند. جای تعجب نیست که بیش از 100 سال تحقیق دقیق در مورد نحوه یافتن میزبان خود انجام شده است. در طول آن زمان، دانشمندان کشف کردند که هیچ نشانه واحدی وجود ندارد که این حشرات به آن تکیه کنند. در عوض، آنها اطلاعات حواس مختلف را در فواصل مختلف ادغام می کنند.

تیمی به رهبری محققان دانشگاه UC سانتا باربارا حس دیگری را به مجموعه مستند این پشه اضافه کرده اند: تشخیص مادون قرمز. تشعشعات فروسرخ از منبعی که تقریباً دمای پوست انسان است، وقتی با CO2 و بوی انسان ترکیب می‌شود، رفتار میزبانی کلی حشرات را دو برابر می‌کند. پشه‌ها در حالی که به دنبال میزبان بودند، به‌طور قاطع به سمت این منبع مادون قرمز حرکت کردند. محققان همچنین کشف کردند که این آشکارساز مادون قرمز در کجا قرار دارد و چگونه در سطح مورفولوژیکی و بیوشیمیایی کار می کند. نتایج به تفصیل در مجله Nature آمده است.

Nicolas DeBeaubien، دانشجوی ارشد سابق و محقق فوق دکترا در UCSB در آزمایشگاه پروفسور کریگ مونتل، می گوید: «پشه ای که ما مطالعه می کنیم، Aedes aegypti، در یافتن میزبان انسان مهارت فوق العاده ای دارد. “این کار نور جدیدی را در مورد چگونگی دستیابی آنها به این هدف می اندازد.”

توسط مادون قرمز حرارتی هدایت می شود

به خوبی ثابت شده است که پشه هایی مانند Aedes aegypti از نشانه های متعددی برای ورود به میزبان از راه دور استفاده می کنند. آویناش چندل، یکی از نویسندگان این مقاله، یک فوق دکترای فعلی در UCSB در گروه Montell، توضیح داد: “اینها شامل CO2 از نفس بازدم، بوها، بینایی، گرمای [همرفتی] از پوست، و رطوبت از بدن ما هستند.” با این حال، هر یک از این نشانه‌ها محدودیت‌هایی دارند.» حشرات بینایی ضعیفی دارند و باد شدید یا حرکت سریع میزبان انسان می تواند ردیابی حواس شیمیایی آنها را از بین ببرد. بنابراین نویسندگان تعجب کردند که آیا پشه ها می توانند نشانه جهتی قابل اعتمادتری مانند تشعشعات فروسرخ را تشخیص دهند.

در حدود 10 سانتی متر، این حشرات می توانند گرمای خروجی از پوست ما را تشخیص دهند. و آنها می توانند مستقیماً دمای پوست ما را پس از فرود آمدن حس کنند. این دو حس با دو نوع از سه نوع انتقال حرارت مطابقت دارند: همرفت، گرما که توسط وسیله ای مانند هوا منتقل می شود، و هدایت، گرما از طریق تماس مستقیم. اما انرژی حاصل از گرما می تواند مسافت های طولانی تری را نیز طی کند که به امواج الکترومغناطیسی تبدیل شود، معمولاً در محدوده مادون قرمز (IR) طیف. سپس IR می تواند هر چیزی را که برخورد کند گرم کند. حیواناتی مانند افعی‌های گودال می‌توانند مادون قرمز حرارتی را از طعمه‌های گرم حس کنند، و تیم به این فکر کرد که آیا پشه‌هایی مانند Aedes aegypti نیز می‌توانند.

محققان پشه‌های ماده را در قفس قرار دادند و فعالیت میزبانی آنها را در دو منطقه اندازه‌گیری کردند. هر منطقه در معرض بوهای انسانی و CO2 در همان غلظتی بود که ما بازدم می کنیم. با این حال، تنها یک منطقه نیز در معرض IR از یک منبع در دمای پوست قرار گرفت. مانعی که منبع را از محفظه جدا می کرد از تبادل حرارت از طریق رسانش و همرفت جلوگیری می کرد. آنها سپس شمارش کردند که چگونه بسیاری از پشه ها شروع به کاوش کردند که گویی در جستجوی رگ هستند.

افزودن IR حرارتی از منبع 34 درجه سانتیگراد (در حدود دمای پوست) فعالیت میزبانی حشرات را دو برابر کرد. این باعث می شود که تشعشعات مادون قرمز حسی جدید مستند شده باشد که پشه ها از آن برای یافتن موقعیت ما استفاده می کنند. و تیم کشف کردند که تا حدود 70 سانتی متر (2.5 فوت) موثر باقی می ماند.

دبیوبین می‌گوید: «چیزی که بیشتر از همه در مورد این کار مرا شگفت‌زده کرد این بود که IR در نهایت تا چه حد قوی بود. زمانی که همه پارامترها را به درستی دریافت کردیم، نتایج غیرقابل انکار واضح بود.

مطالعات قبلی هیچ تاثیری از مادون قرمز حرارتی بر رفتار پشه مشاهده نکردند، اما نویسنده ارشد کریگ مونتل معتقد است که این به روش شناسی مربوط می شود. یک دانشمند متعهد ممکن است سعی کند اثر IR حرارتی را بر حشرات تنها با ارائه یک سیگنال مادون قرمز بدون هیچ نشانه دیگری جدا کند. مونتل، استاد برجسته مولکولی، سلولی گفت: “اما هر نشانه ای به تنهایی فعالیت میزبانی را تحریک نمی کند. تنها در زمینه نشانه های دیگر، مانند افزایش CO2 و بوی انسان است که IR تفاوت ایجاد می کند.” ، و زیست شناسی رشد. در واقع، تیم او در آزمایش‌هایی که تنها با IR انجام شده بود، به همین نکته پی بردند: مادون قرمز به تنهایی تأثیری ندارد.

ترفندی برای سنجش مادون قرمز

پشه ها نمی توانند تشعشعات مادون قرمز حرارتی را به همان روشی که نور مرئی را تشخیص می دهند، تشخیص دهند. انرژی IR برای فعال کردن پروتئین‌های رودوپسین که نور مرئی را در چشم حیوانات تشخیص می‌دهند بسیار کم است. تابش الکترومغناطیسی با طول موج بیشتر از حدود 700 نانومتر رودوپسین را فعال نمی کند و IR تولید شده از گرمای بدن حدود 9300 نانومتر است. مونتل گفت در واقع هیچ پروتئین شناخته شده ای با تابش با چنین طول موج های طولانی فعال نمی شود. اما راه دیگری برای تشخیص IR وجود دارد.

گرمای ساطع شده از خورشید را در نظر بگیرید. گرما به IR تبدیل می شود که از فضای خالی عبور می کند. هنگامی که IR به زمین می رسد، به اتم های موجود در جو برخورد می کند و انرژی را منتقل می کند و سیاره را گرم می کند. مونتل گفت: “شما گرما را به امواج الکترومغناطیسی تبدیل کرده اید که دوباره به گرما تبدیل می شود.” او خاطرنشان کرد که IR که از خورشید می آید دارای طول موج متفاوتی با IR تولید شده توسط گرمای بدن ما است، زیرا طول موج به دمای منبع بستگی دارد.

نویسندگان فکر کردند که شاید گرمای بدن ما، که IR تولید می کند، ممکن است سپس به نورون های خاصی در پشه برخورد کند و با گرم کردن آنها، آنها را فعال کند. این امر پشه ها را قادر می سازد تا تشعشعات را به طور غیر مستقیم تشخیص دهند.

دانشمندان می‌دانند که نوک آنتن‌های پشه دارای نورون‌های حسگر گرما است. و تیم دریافتند که حذف این نکات توانایی پشه ها را برای تشخیص IR از بین می برد.

در واقع، آزمایشگاه دیگری پروتئین حساس به دما، TRPA1 را در انتهای آنتن پیدا کرد. و تیم UCSB مشاهده کردند که حیوانات بدون ژن عملکردی trpA1 که پروتئین را کد می کند، نمی توانند IR را تشخیص دهند.

نوک هر آنتن دارای ساختارهای میخ در حفره است که به خوبی برای سنجش تشعشع سازگار است. گودال میخ را از گرمای رسانا و همرفتی محافظت می کند و تابش IR بسیار جهت دار را قادر می سازد وارد سازه شده و گرم شود. این پشه سپس از TRPA1 – که اساساً یک سنسور دما است – برای تشخیص تشعشعات مادون قرمز استفاده می کند.

غواصی در بیوشیمی

فعالیت کانال TRPA1 فعال شده با گرما به تنهایی ممکن است محدوده ای که پشه ها قادر به تشخیص IR هستند را به طور کامل توضیح ندهد. سنسوری که به طور انحصاری بر این پروتئین متکی است ممکن است در محدوده 70 سانتی متری که تیم مشاهده کرده بود مفید نباشد. در این فاصله احتمالاً IR کافی توسط ساختار میخ در گودال جمع‌آوری نشده است تا آن را به اندازه کافی گرم کند تا TRPA1 فعال شود.

خوشبختانه، گروه Montell بر اساس کار قبلی خود بر روی مگس میوه در سال 2011، فکر کردند که ممکن است گیرنده های دما حساس تری وجود داشته باشد. اگرچه رودوپسین ها در ابتدا منحصراً به عنوان آشکارسازهای نور در نظر گرفته می شدند، گروه مونتل دریافتند که رودوپسین های خاصی می توانند توسط محرک های مختلفی تحریک شوند. آنها کشف کردند که پروتئین های این گروه کاملاً همه کاره هستند و نه تنها در بینایی، بلکه در حس چشایی و دما نیز نقش دارند. پس از تحقیقات بیشتر، محققان دریافتند که دو مورد از 10 رودوپسین موجود در پشه ها در همان نورون های شاخی TRPA1 بیان می شوند.

حذف TRPA1 حساسیت پشه به IR را از بین برد. اما حشرات دارای گسل در هر یک از رودوپسین ها، Op1 یا Op2، تحت تأثیر قرار نگرفتند. حتی حذف هر دو رودوپسین با هم حساسیت حیوان به IR را کاملاً از بین نبرد، اگرچه به طور قابل توجهی حس را ضعیف کرد.

نتایج آنها نشان داد که IR حرارتی شدیدتر – مانند آنچه که پشه در فاصله نزدیکتر (مثلاً در حدود 1 فوت) تجربه می کند – مستقیماً TRPA1 را فعال می کند. در همین حال، Op1 و Op2 می توانند در سطوح پایین تر حرارتی IR فعال شوند و سپس به طور غیرمستقیم TRPA1 را تحریک کنند. از آنجایی که دمای پوست ما ثابت است، افزایش حساسیت TRPA1 به طور موثر دامنه سنسور IR پشه را تا حدود 2.5 فوت افزایش می دهد.

یک مزیت تاکتیکی

چندل گفت که نیمی از جمعیت جهان در معرض خطر بیماری های منتقله از طریق پشه هستند و سالانه حدود یک میلیارد نفر به این بیماری مبتلا می شوند. علاوه بر این، تغییرات آب و هوا و سفر در سراسر جهان، دامنه Aedes aegypti را فراتر از کشورهای گرمسیری و نیمه گرمسیری گسترش داده است. این پشه‌ها اکنون در مکان‌هایی در ایالات متحده وجود دارند که تا چند سال پیش هرگز پیدا نشدند، از جمله کالیفرنیا.

کشف این تیم می تواند راهی برای بهبود روش های سرکوب جمعیت پشه ها فراهم کند. به عنوان مثال، ترکیب IR حرارتی از منابع اطراف دمای پوست می تواند تله پشه را موثرتر کند. این یافته‌ها همچنین به توضیح اینکه چرا لباس‌های گشاد به ویژه در پیشگیری از گزش خوب هستند، کمک می‌کند. نه تنها مانع از رسیدن پشه به پوست ما می شود، بلکه به مادون قرمز بین پوست و لباس ما نیز اجازه می دهد تا پشه ها نتوانند آن را تشخیص دهند.

دبیوبین می گوید: «پشه ها با وجود اندازه کوچکشان، بیش از هر حیوان دیگری مسئول مرگ و میر انسان هستند. “تحقیق ما درک این موضوع را افزایش می دهد که پشه ها چگونه انسان ها را هدف قرار می دهند و امکانات جدیدی را برای کنترل انتقال بیماری های منتقله از طریق پشه ارائه می دهد.”