Eksperyment z setką głodnych owadów i studentem w roli przynęty

Setka komarów, siatkowy kombinezon i system kamer śledzących ruch owadów pozwoliły  zobaczyć, jak komary podejmują decyzje w locie i jak łączą sygnały zapachowe oraz wzrokowe

„Cztery minuty to za długo” – taką wiadomość wysłał mi student Chris Zuo, dołączając zdjęcia skóry pokrytej licznymi ukąszeniami. Ten „atak na całe ciało” nie był skutkiem nieudanego biwaku. Chris spędził kilka minut w pomieszczeniu ze 100 głodnymi komarami, ubrany jedynie w siatkowy kombinezon, który miał go chronić.

Tak rozpoczęła się nasza trzyletnia próba zrozumienia zachowania komarów – owadów, które wydają się proste, ale takie nie są. 

Choć może to brzmieć jak sadystyczny eksperyment, wszystko odbywało się zgodnie z procedurami. Komisja etyczna uczelni zatwierdziła badanie, upewniając się, że Chris jest bezpieczny i nie działa pod presją. Komary nie przenosiły chorób i pochodziły z naszego regionu w stanie Georgia. Był to też pierwszy i ostatni eksperyment, w którym ktokolwiek został pogryziony.

Poza rolą „oprawcy studentów” jestem profesorem w Georgia Tech i od ponad 20 lat badam ruch zwierząt. A komary są najbardziej śmiercionośnymi z nich. Choroby, które przenoszą – od malarii po dengę – powodują ponad 700 tys. zgonów rocznie. Więcej ludzi ginie z ich powodu niż w wyniku wojen.

Na walkę z nimi świat wydaje rocznie około 22 mld dolarów: na miliardy litrów środków owadobójczych, miliony kilogramów preparatów larwobójczych i miliony moskitier impregnowanych insektycydami. Wszystko po to, by zwalczyć owada, który waży dziesięć razy mniej niż ziarnko ryżu i ma zaledwie 200 tys. neuronów. Mimo to ludzie przegrywają tę walkę. Komary przystosowują się do życia w miastach, a wraz ze zmianą klimatu szybciej rozprzestrzeniają choroby. Jak to możliwe, że tak proste zwierzęta tak łatwo nas znajdują?

Naukowcy wiedzą, że komary mają słaby wzrok i polegają głównie na sygnałach chemicznych. Sama wiedza o tym, co je przyciąga, nie wystarcza jednak do przewidywania ich zachowania. Można wiedzieć, że pocisk naprowadzany reaguje na ciepło, ale to nie wyjaśnia, jak faktycznie działa. Tu właśnie pojawia się Chris i jego poświęcenie w „pokoju z komarami”. Śledząc trajektorie lotu wielu owadów wokół człowieka, chcieliśmy zobaczyć, jak podejmują decyzje w odpowiedzi na jego obecność. Zrozumienie tego jest pierwszym krokiem do ich kontrolowania.

Jak komary lokalizują ofiarę

Spośród 3,5 tys. gatunków komarów ponad 100 preferuje ludzi jako źródło krwi. Niektóre potrafią znaleźć jedną osobę wśród stada bydła.

To zaskakujące, bo komary są słabymi lotnikami. Przestają latać przy lekkim wietrze o prędkości 3–5 km/h – takim, jaki wywołuje machający ogon konia. W spokojnych warunkach wykorzystują niewielkie mózgi, by podążać za ciepłem, wilgocią i zapachami unoszonymi przez powietrze. Szczególnie silnym sygnałem jest dwutlenek węgla – produkt oddychania wszystkich zwierząt. Komary wykrywają go tak, jak człowiek wyczuwa zapach pełnego śmietnika. Są w stanie zarejestrować go z odległości do około dziewięciu metrów, nawet przy bardzo niskim stężeniu.

Wzrok ma mniejsze znaczenie. Oczy złożone komarów składają się z setek mikroskopijnych soczewek i tworzą rozmyty, mozaikowy obraz. Zgodnie z prawami optyki komar potrafi rozpoznać człowieka dopiero z kilku metrów. Na podstawie samego wzroku nie odróżnia go od małego drzewa – reaguje na każdy ciemny obiekt.

Zbieranie danych o locie

Problem w badaniu lotu komarów polega na tym, że ich ruch często wygląda jak przypadkowy szum. W pustym pomieszczeniu zmieniają kierunek i prędkość bez wyraźnego wzorca. Aby dostrzec prawidłowości, potrzebne są ogromne zbiory danych.

Jeden z naszych współpracowników, biolog Ring Cardé z University of California w Riverside, wspominał, że w latach 80. badania polegały na tym, że naukowcy rozbierali się do bielizny i zabijali komary lądujące na ich ciałach. Nagość eliminowała czynniki zakłócające, takie jak kolor ubrań.

Spojrzeliśmy na siebie z Chrisem. Siedzieć nago i czekać na komary? Zamiast tego zaprojektowaliśmy siatkowy kombinezon. Po pierwszym teście było jednak jasne, że potrzebujemy lepszego rozwiązania.

Chris zaczął nosić ubrania z długim rękawem, wyprane w bezzapachowym detergencie, oraz rękawiczki i maskę. W pełni zabezpieczony stał nieruchomo, a wokół niego krążyła chmura komarów.

Amerykańskie Centers for Disease Control and Prevention zapoznały nas z systemem Photonic Sentry, który śledzi setki owadów jednocześnie. Kamera rejestruje 100 klatek na sekundę z rozdzielczością 5 mm w przestrzeni wielkości dużego mieszkania. W kilka godzin Chris i doktorant Soohwan Kim zebrali więcej danych o locie komarów niż wcześniej w całej historii badań z udziałem ludzi.

Matematycy z MIT zwrócili uwagę, że ciało człowieka jest zbyt złożone, by analizować reakcje komarów. Zaproponowali uproszczenie: czarną styropianową kulę na kiju i źródło dwutlenku węgla. Przez kolejne dwa lata Chris nagrywał komary krążące wokół takich „manekinów”, a potem odsysał je odkurzaczem, starając się nie dać pogryźć.

Analiza trajektorii

Komar lata podobnie jak samolot: skręca, przyspiesza i hamuje. Opisaliśmy jego zachowanie jako funkcję prędkości, położenia i kierunku względem celu.Ostatecznie przeanalizowaliśmy 20 mln punktów opisujących pozycję i prędkość komarów. Takie podejście – łączenie obserwacji z modelem matematycznym – znane jest od ponad 200 lat jako wnioskowanie bayesowskie.

Model pokazał, że różne bodźce wywołują różne zachowania. Bodziec wzrokowy powoduje przeloty obok celu. Dwutlenek węgla sprawia, że komary zwalniają i zawracają w jego pobliżu. Połączenie obu prowadzi do intensywnego krążenia wokół celu.

Model trenowaliśmy na danych z eksperymentów z kulami styropianowymi. Testem było sprawdzenie, czy przewidzi zachowanie komarów wokół człowieka. Chris wrócił do komory, ubrany na biało i w czarnym kapeluszu. Model poprawnie przewidział rozkład komarów i wskazał obszary, w których najczęściej krążyły.

Przewidywanie zachowania komarów to pierwszy krok do ich przechytrzenia. W regionach, gdzie stanowią poważny problem, projektuje się domy tak, by utrudnić im wejście do środka. Pułapki zasysają komary, gdy się zbliżą, ale nadal pozwalają uciec 50–90 proc. z nich. Wiele z tych rozwiązań powstało metodą prób i błędów. Nasze badanie może dostarczyć bardziej precyzyjnych narzędzi do ich projektowania.

Kiedy matka Chrisa przyszła na jego obronę pracy magisterskiej, zapytałem ją, co sądzi o tym, że syn używał siebie jako przynęty dla komarów. Odpowiedziała, że jest z niego bardzo dumna. Ja również. I cieszę się, że nie musiałem go zastępować w komorze.

Źródło:
Artykuł Hundreds of hungry mosquitoes, a student volunteer and a mesh suit helped us figure out how these deadly insects reach their targets opublikowano w serwisie The Conversation: