Komary to najbardziej śmiercionośne zwierzęta na Ziemi. Mimo to przez dekady ich zachowanie było badane raczej fragmentarycznie. Wiadomo było, że reagują na zapachy, ciepło i dwutlenek węgla. Brakowało jednak jednego: precyzyjnego modelu, który pokazałby, jak łączą te sygnały w locie w celu namierzenia celu. Bez tego trudno było projektować skuteczne metody ich zwalczania.
Zespół naukowców z Georgia Institute of Technology i Massachusetts Institute of Technology postanowił to zmienić. Badacze nagrali ruchy komarów z niespotykaną wcześniej dokładnością i na tej podstawie stworzyli matematyczny model ich zachowania.
"Największe pytanie brzmiało: jak komary znajdują człowieka?" - mówi Cheng-Yi Fei z MIT. "Były wcześniejsze eksperymenty wskazujące, jakie bodźce są ważne, ale brakowało czegoś naprawdę ilościowego". Dopiero połączenie biologii z analizą danych pozwoliło podejść do tego problemu systemowo.
Miliony punktów danych i dwa tryby lotu
Eksperyment był prosty, ale technicznie wymagający. Dwie samice komara egipskiego Aedes aegypti wypuszczano w zamkniętej przestrzeni i śledzono ich ruch z użyciem bardzo czułych kamer rejestrujących obraz w podczerwieni. Pozycję zapisywano co 0,01 sekundy.
W sumie zebrano ponad 53 miliony punktów danych i zrekonstruowano ponad 400 tys. trajektorii lotu. To największy tego typu zbiór w historii badań nad komarami. Analiza pokazała, że komary nie latają chaotycznie przez cały czas. Ich ruch dzieli się na dwa tryby. W pierwszym aktywnie eksplorują przestrzeń, lecąc z prędkością około 0,7 m/s. W drugim niemal "zawisają", ograniczając ruch. Ten stan najczęściej pojawia się w pobliżu sufitu i prawdopodobnie przygotowuje owada do lądowania.
Dlaczego czarny kolor przyciąga komary
W kolejnych testach badacze sprawdzili, jak komary reagują na bodźce wizualne. Ochotnicy nosili ubrania w dwóch kolorach: czarnym i białym.
Dwutlenek węgla i zapach ciała rozchodziły się równomiernie. Mimo to komary niemal wyłącznie kierowały się w stronę czarnej części ciała. Efekt powtarzał się podczas każdego kolejnego eksperymentu.
To pokazuje, że wzrok odgrywa większą rolę, niż wcześniej sądzono, przynajmniej w warunkach bezwietrznych. Komary są przyciągane przez ciemne obiekty i zaczynają zwalniać, gdy znajdą się w odległości około 40 cm.
Sam kolor jednak nie wystarcza. Bez dodatkowych sygnałów, takich jak zapach czy ciepło, owady często odlatują, zamiast lądować. W praktyce oznacza to, że sam kontrast wizualny nie uruchamia pełnej sekwencji ataku.
Dwutlenek węgla zmienia wszystko
Zużycie dwutlenku węgla przez człowieka to dla komarów najważniejszy sygnał chemiczny. W eksperymentach jego działanie było wyraźnie inne niż bodźców wizualnych.
Po wejściu w obszar o promieniu około 40 cm wokół źródła CO₂ komary gwałtownie zwalniały, nawet do 0,2 m/s, i zaczynały poruszać się chaotycznie, jakby "szukając" celu. Ten etap przypomina lokalne przeszukiwanie przestrzeni.
Symulacje pokazały, że są w stanie wykryć stężenia rzędu 0,1 proc., a zasięg detekcji wynosi około 50 cm. W innych badaniach wskazuje się, że w sprzyjających warunkach komary mogą wyczuć CO₂ nawet z kilku metrów.
Najważniejsze jest połączenie bodźców
Przełomowy okazał się moment, gdy badacze połączyli oba sygnały: wizualny i chemiczny. Komary zaczęły wtedy krążyć wokół celu i wyraźnie częściej gromadziły się w jego pobliżu niż przy każdym z bodźców osobno. Co istotne, tego efektu nie da się wyjaśnić prostym dodaniem reakcji na kolor i dwutlenek węgla. To wskazuje na złożoną integrację sygnałów w układzie nerwowym.
Słowem w bardzo prostym mózgu komara różne sygnały wzajemnie się wzmacniają.
"Nasza praca pokazuje, że pułapki na komary muszą wykorzystywać odpowiednio skalibrowane, wielozmysłowe wabiki" - mówi Jörn Dunkel z MIT. "Tylko wtedy uda się utrzymać owady w pobliżu na tyle długo, by je złapać". To podejście może zastąpić dotychczasowe metody oparte na próbach i błędach.
Dlaczego komary celują w głowę
Model pozwolił też odpowiedzieć na praktyczne pytanie: dlaczego komary tak często atakują okolice głowy. Głowa jest dla nich jednocześnie ciemnym obiektem i silnym źródłem dwutlenku węgla. To miejsce, w którym nakładają się dwa najważniejsze bodźce. Dlatego trajektorie lotu najczęściej koncentrują się właśnie tam.
Badacze potwierdzili to eksperymentalnie. Gdy ochotnik ubrany na biało miał na głowie czarny kaptur, komary koncentrowały się właśnie tam.
Model pozwolił też określić "strefy ryzyka". Bez bodźców komary zbliżają się do celu na około 65 cm. Przy samym bodźcu wizualnym jest to 40 cm, przy samym CO₂ 25 cm, a przy ich połączeniu zaledwie 20 cm. Każdy dodatkowy sygnał skraca dystans podejścia.
Nowe narzędzia do walki z chorobami
Z punktu widzenia zdrowia publicznego to nie jest akademicka ciekawostka. Rocznie na świecie wydaje się około 22 mld dolarów na walkę z komarami: środki owadobójcze, siatki i środki zabijające znajdujące się w wodzie larwy.
Mimo to wiele pułapek działa słabo, a od 50 do 90 proc. komarów potrafi z nich uciec. Nowy model może to zmienić, bo pozwala testować różne rozwiązania w symulacjach, zanim trafią do produkcji. To skraca czas projektowania i zmniejsza koszty testów terenowych.
Badacze liczą też, że podejście da się rozszerzyć na inne gatunki komarów, w tym Anopheles, które przenoszą malarię.
Komar ma 200 tys. neuronów. To wystarcza
Jednym z najbardziej zaskakujących wniosków jest to, jak mało potrzeba, by skutecznie znaleźć człowieka. Komar ma około 200 tys. neuronów, czyli wielokrotnie mniej niż mózg ssaka.
Mimo to potrafi łączyć sygnały chemiczne i wizualne w sposób, który prowadzi go do celu z dużą skutecznością. To przykład wydajnego przetwarzania informacji przy minimalnych zasobach.
Nowe dane pokazują, że nie jest to przypadek ani prosty odruch. To system, który można opisać matematycznie i przewidywać. A to pierwszy krok do tego, żeby wreszcie przestać przegrywać z owadem, który waży mniej niż ziarnko ryżu.
