Комары могут иметь репутацию одного из самых неуправляемых вредителей в мире, но на самом деле они довольно крошечные и хрупкие. Поэтому, когда международная группа ученых, в том числе несколько из Технологического института Вирджинии, захотела изучить основные механизмы питания насекомых, им пришлось проявить творческий подход.
Исследователи будут ловить диких комаров в лесу, окаймляющем Усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго, а затем морить насекомых голодом в течение 48 часов. После анестезии азотом команда использовала лак для ногтей, чтобы приклеить одного комара к головке булавки насекомого, а затем погрузила его хоботок - длинный, похожий на солому, придаток, который комары используют для питья - в раствор для кормления на основе сахара.. Пока голодное насекомое высасывало нектар, синхротронные рентгеновские видео в прямом эфире запечатлели все, что происходило за его непрозрачным экзоскелетом.
Эти усилия, опубликованные в Scientific Reports, не только привели к открытию нового способа питья у комаров, но также могли ответить на фундаментальный вопрос морфологии насекомых: почему некоторые насекомые, которые пьют жидкость, имеют два насоса в свои головы, а у других только одна?
«Мы обнаружили, что эти два насоса в голове комара обеспечивают вторичный «взрывной режим» кормления», - сказал Джейк Соча, доцент кафедры биомедицинской инженерии и механики Технологического института Вирджинии и старший автор исследования. изучение.«Этот пакетный режим включает в себя однократное потребление большого объема жидкости, чего раньше никогда не наблюдалось. Он потенциально дает насекомому с двумя насосами больше возможностей и обеспечивает мультимодальное питание, а также функциональную гибкость».
В связи со вспышкой вируса Зика в 2016 году и новой эпидемией желтой лихорадки, охватившей в настоящее время Бразилию, комары и болезни, которые они переносят, остаются в центре внимания общественного здравоохранения. Эти новые данные о механизмах и модальностях питания насекомых могут иметь большое значение для того, как ученые будут решать проблему передачи болезней, переносимых комарами, в будущих исследованиях.
«Комары не только доставляют неудобства, но и представляют угрозу для здоровья», - сказал Марк Стремлер, соавтор исследования и профессор кафедры биомедицинской инженерии и механики. «Чем больше мы сможем понять об их устойчивости и о том, как они выживают, тем больше у нас шансов выяснить, как их контролировать."
Несмотря на важность кормления комаров, предыдущие исследования не полностью поняли внутреннюю механику двухнасосной системы комаров. Во время обычного питья эти две мышечные помпы работают по схеме непрерывного возвратно-поступательного движения с множеством небольших движений, подобно возвратно-поступательному движению маленьких глотков по соломинке..
Однако в недавно обнаруженном взрывном режиме комар делает один удар большого объема - гигантский глоток через соломинку - во время которого два насоса сильно расширяются до своего максимального объема. Этот импульсный режим производит большой и быстрый приток жидкости, но он также намного более затратный с точки зрения энергии, чем обычный непрерывный режим перекачки.
«Пакетный режим создает такое большое расширение объема, создавая скорость потока, которая в 27 раз превышает то, что мы наблюдаем в режиме непрерывной откачки», - сказал Соча. «Но это требует примерно в 1000 раз больше энергии. Поэтому возникает вопрос, почему комары вообще используют его?»
Чтобы изучить этот вопрос, исследователи разработали математическую модель насосной системы комаров, которая дала им детальное механическое понимание того, как она работает. Они обнаружили, что взрывной режим позволяет комарам создавать вакуум низкого давления по требованию, который насекомые затем могут использовать для перемещения препятствия - например, воздушного пузыря или мелкой частицы - через хоботок. Временное увеличение объема потребления также можно было бы использовать для более быстрого питья, возможно, если бы комар пытался избежать обнаружения, но этот сценарий кажется менее вероятным, поскольку всплески наблюдались лишь спорадически.
«Модель гидромеханики позволила нам постулировать новые гипотезы о том, что может делать этот режим взрыва, вместо того, чтобы просто говорить, что он существует», - сказал Стремлер. «Теперь у нас есть параметрическое описание, которое дает основу для преднамеренной проверки вопросов потенциальной функции. В целом, модель помогает направлять и информировать о возможностях того, куда мы идем дальше в исследовании."
В дополнение к биомедицинским последствиям передачи болезней, переносимых комарами, исследователи также предполагают возможность имитации двухнасосной системы комаров в микрожидкостном устройстве, которое можно было бы использовать для доставки целенаправленной лекарственной терапии в организм человека.
«Для этих типов крошечных устройств вы, возможно, никогда не наткнетесь на такой функциональный дизайн, если только это не то, что вы можете увидеть в природе», - сказал Соча. «Эволюция - величайший мастер».
С учетом того, что остается ряд гипотез, направления для будущих исследований выглядят многообещающе.
«Вместо того, чтобы закрыть открытый вопрос, это исследование вместо этого открыло двери для совершенно нового набора вопросов и возможностей, которые мы даже не рассматривали до того, как был обнаружен этот пакетный режим», - сказал Стремлер.