Кровосос-гурман: почему одни люди привлекают комаров сильнее других
У природы нет плохой погоды, но нас это не останавливает иметь собственные предпочтения. Кто-то больше любит лето, а кто-то — зиму. Но и первые, и вторые сходятся во мнении, что у холодных сезонов есть преимущество над теплыми — отсутствие назойливых комаров. Эти кровососущие насекомые способны испортить любою рыбалку или пикник, но, как бы странно это не звучало, далеко не для всех. Ученые из Рокфеллеровского университета (Нью-Йорк, США) установили, что у комаров имеются гастрономические предпочтения, ввиду чего некоторые люди страдают от их нападок куда больше других. Чем обусловлен вкус комаров, какие люди им больше по вкусу, и как полученные в ходе исследования знания применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Комары (Culicidae) это семейство двукрылых насекомых, насчитывающее порядка 3600 видов. Обитают они везде, кроме Антарктиды, Исландии и Фарерских островов. Столь обширный ареал обитания столь назойливого существа это прямая заслуга человека. Как и многие другие виды животных и растений, комары попали в ранее незаселенные ими регионы на людских кораблях и караванах. Многие виды комаров питаются нектаром и соками растений, но есть и те, что предпочитают кровь животных. Самое любопытное, что такой диетой пользуются по большей степени самки. Некоторым это необходимо, чтобы произвести на свет яйца, другим же такая диета позволяет увеличить численность будущего потомства. По примерным оценкам, на данный момент в мире насчитывается около 110 триллионов комаров.Механизм укуса комара.
Проблема комаров не только в том, что они кусаются, после чего место укуса зудит, но и в том, что они являются разносчиками самых разных вирусов (желтая лихорадка, лихорадка денге, чикунгунья, вирус Зика и т.д.). Одна самка комара за свой период жизни (3–6 недель) способна укусить множество людей, дабы получить питательные вещества для воспроизведения потомства (новая кладка яиц каждые 4 дня). Следовательно, число инфицированных, если данная самка была разносчиком, будет весьма внушительным.
Одним из самых проблемных видов комаров является Aedes aegypti, так как он питается кровью исключительно человека, тем самым фокусируя потенциальную передачу патогенов на нашем виде. Самки комаров Aedes aegypti обладают сильным врожденным стремлением охотиться на людей, используя при этом самые разные сенсорные сигналы добычи, включая выдыхаемый углекислый газ (CO2), тепло тела и запах кожи. Хотя CO2 и тепло являются общими раздражителями, указывающими на живое теплокровное животное, запах кожи дает информацию о том, является ли цель человеком или другим животным.
Ранее проводимые исследования комаров показали, что у них есть явные предпочтения. Одни люди их привлекают больше, чем другие. Однако механизм такого выбора пока не был изучен. Теорий полно, но все они не отличаются доказательной базой. К примеру, считается, что поедание чеснока или продуктов, содержащих витамин B, будет отпугивать комаров. Однако на практике это не подтвердилось. Но вот беременность, наличие малярии или же употребления пива действительно привлекают больше комаров. Наиболее широко распространенное объяснение этих различий заключается в том, что различия в запахах кожи разных людей, частично связанные с их уникальной кожной микробиотой, определяют их привлекательность для комаров. Однако конкретный химический механизм дифференциальной привлекательности для комаров остается загадкой.
Запах кожи человека представляет собой смесь многих органических соединений, состав которых не был исчерпывающе описан. Остается неясным, насколько постоянен запах человеческой кожи у человека с течением времени. Суть в том, что большая часть исследований этого рода была направлена на изучение неприятного запаха подмышек, но не мало уловимого запаха других участков кожи, которые и являются основной целью укусов комаров. Таким образом, неизвестно, какие конкретные компоненты наиболее важны для привлечения комаров к людям, и какие одоранты заставляют комаров кусать одних людей, а не других. На сегодняшний день ни одной молекулы, полученной из кожи человека, нельзя назвать достаточной, чтобы объяснить, насколько человек привлекателен для комаров.
Комары используют два больших мультигенных семейства для обнаружения обонятельных сигналов, каждое из которых кодирует обонятельные ионные каналы, обонятельные рецепторы (OR от odorant receptor) и ионотропные рецепторы (IR от ionotropic receptor). OR и IR эволюционно не связаны, но оба собираются в мультисубъединичные комплексы с лиганд-селективной субъединицей и корецепторной субъединицей, которая не реагирует на одоранты. Существуют сотни лиганд-селективных OR и IR у данного вида насекомых, но только один корецептор OR (Orco) и три корецептора IR (Ir8a, Ir76b и Ir25a). У Aedes aegypti имеется 116 лиганд-селективных OR и 132 лиганд-селективных IR.
Вместе эти большие семейства генов обонятельных ионных каналов воспринимают огромное количество химических лигандов. Хотя в настройке лигандов есть некоторое перекрытие, OR обычно реагируют на сложные эфиры, спирты, кетоны и альдегиды, а IR реагируют на карбоновые кислоты и амины. Из-за такой корецепторной организации мутация одного корецепторного гена приводит к серьезному дефициту способности насекомого обнаруживать целые классы пахучих веществ. Тем не менее комары удивительно устойчивы перед лицом таких генетических манипуляций. Животные, у которых отсутствует основной рецептор CO2 (Gr3) продолжают улавливать людей в полуполевых условиях. Комары с мутацией потери функции в Orco теряют сильное предпочтение к людям по сравнению с животными, не относящимися к человеку, но в целом сохраняют сильное влечение к людям. Наконец, мутанты Ir8a демонстрируют серьезный дефицит в обнаружении молочной кислоты (основного запаха кожи человека), но частично сохраняют влечение к человеку.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили проанализировать химические соединения кожи более и менее привлекательных для комаров людей, и попытались установить, какие сенсорные пути комаров необходимы, чтобы отличить таких людей.
Детали экспериментов
Изображение №1
Для проведения опытов ученые использовали ольфактометр с одним стимулом, преобразованный в ольфактометр с двумя вариантами (1A), что позволило им проверить предпочтения комаров в выборе между предплечьями двух разных живых людей или между запахами, собранными с кожи этих людей. В этом анализе смесь воздуха и CO2 пропускалась над каждым раздражителем, чтобы передать летучие запахи комарам с подветренной стороны (1A). Комары летели против ветра, и те, которые попадали в любую из двух цилиндрических ловушек перед каждым раздражителем, считались привлеченными. Таким образом и определялся их выбор. Стимулы (т.е. источники запаха) находились на расстоянии 0.91 см от комаров. Это значит, что каждой особи необходимо было преодолеть расстояние в 610 раз больше собственной длины тела (1.5 мм), дабы достичь цели. Исследование заняло 3.1 года, в течение которых было проведено 2330 экспериментальных наблюдений. Стоит отметить, что у комаров не было никаких предпочтений, когда им предлагалось левое или правое предплечье одного и того же человека (1B). Во время первых экспериментов, сравнивающих привлекательность человека для комаров среди всех возможных пар трех людей, был определен один человек (участник №33), который был значительно более привлекательным, чем два других (участник №25 и №28; 1B). Если же опыт проводился только с последними двумя участниками, то больше внимания комаров привлекал №25.
Помимо людей, в опытах использовались нейлоновые рукава, которые содержали их запах. Опытные камеры без стимулов не вызывали у комаров ответной реакции, как и нейлоновые рукава без запахов человека. Однако образец размером 7.62×10.16 см, вырезанный из нейлона, который носил испытуемый №25, был значительно более привлекательным для комаров, чем образец того же размера из неношеного нейлона (1C). Дополнительно были использованы образцы нейлона с запахом еще пяти человек. Эти образцы также показали большее влечение со стороны комаров, чем образцы наношенного нейлона (1D). Между образцами (всего их было 8) наблюдалось разительное отличие: участник №28 привлекал крайне мало комаров, №25 показал промежуточную привлекательность, а вот №33 привлекал больше всего комаров (1D), что совпадает с результатами экспериментов с участием людей (1B). Это говорит о том, что запах кожи является основным фактором дифференциального влечения комаров к людям, поскольку сигналы температуры и CO2 оставались постоянными во всех экспериментах с нейлоном. Последующее привлечение дополнительных образцов выявило еще несколько людей с различной привлекательностью для комаров: №19 — низкая, №30 и №32 — средняя, №24 и №31 — высокая.
Затем ученые провели сравнительные опыты, в которых все образцы сравнивались друг с другом в парах (всего 28 сравнений, 8 образцов; 1E). В ходе этого сравнения было выявлено, что образец №33 привлекал куда больше комаров в паре с практически любым другим образцом, порой с большим отрывом. Оценка привлекательности №33 была в 4 раза выше показателей следующего по привлекательности образца и более чем в 100 раз превышала показатель привлекательности двух наименее привлекательных образцов (№19 и №28; 1F). Такая картина стабильно наблюдалась в течение нескольких месяцев у двух штаммов Aedes aegypti (1G–1I). Это является эмпирическим доказательством того, что комары предпочитают одних людей другим и что обонятельные сигналы, которые делают некоторых людей «комариными магнитами», стабильны в течение многих месяцев.
Анализ данных
Доказательства того, что комары действительно обладают предпочтениями в выборе добычи, были получены. Однако остается вопрос — какие сенсорные механизмы используют комары для обнаружения этих индивидуальных различий в запахе кожи?
Первым делом ученые проверили комаров, лишенных Orco, которые сохраняют сильное влечение к людям, но демонстрируют дефицит в различении людей от других животных. Также были протестированы комары, у которых отсутствует корецептор Ir8a, который экспрессируется в антенне и необходим для обнаружения нескольких кислот, включая молочную кислоту (компонент человеческого пота).
Изображение №2
Были проведены контрольные испытания, в которых нейлоновые образцы от участника №25 были помещены в обе камеры со стимулами (2A). В итоге было обнаружено, что Orco-мутантные комары демонстрировали уровни активации и влечения комаров дикого типа (2B). Мутанты Ir8a показали снижение общего влечения к участнику №25 в анализе ольфактометра, несмотря на нормальные уровни активации, определяемые входом комаров в камеру (2C).
Ученые отмечают, что любые опыты, в которых в камеру влетало 9 или менее особей, исключались из анализа (2D–2F), так как они снижают точность расчета привлекательности того или иного запаха. Тем не менее более 90% контрольных испытаний с использованием как мутантов дикого типа, так и мутантов Orco привели к тому, что по крайней мере 10 особей были привлечены к какому-либо из раздражителей (2E). В экспериментах по изучению Ir8a 94% испытаний с использованием комаров дикого типа привели к тому, что 10 или более особей были привлечены к стимулу, но это число падало до 73% для испытаний с Ir8a-мутантами (2F).
Среди испытаний, которые соответствовали критериям включения, Orco-мутанты не отличались от контрольной группы дикого типа, сохраняя способность различать 5 пар сильно и слабо привлекательных людей (2G и 2H). Ir8a-мутанты в значительной степени сохранили те же предпочтения, что и контрольная группа, несмотря на их пониженное общее влечение к человеческому запаху (2I и 2J). Это говорит о том, что комары со значительным дефицитом обоняния все еще способны различать людей.
Изображение №3
Затем ученые использовали CRISPR-Cas9 для создания комаров, у которых отсутствуют два других корецептора IR Ir76b и Ir25a (3A и 3B). Было создано по 2 мутантных аллеля каждого гена (Ir76b32, Ir76b61, Ir25aBamHI и Ir25a19), после чего было проведено тестирование поведение гетерозиготных особей всех 4 линий и гетероаллельных нулевых мутантов Ir76b32/61 и Ir25aBamHI/19. Гомозиготные мутанты Ir76b и Ir25a с трудом питались кровью, а гомозиготные мутанты Ir25a обычно откладывали меньше яиц. Любопытно, что нулевые мутанты Anopheles coluzzii Ir76b проявляли нормальное влечение к людям, но не питались кровью и не откладывали яйца.
Чтобы охарактеризовать реакцию этих штаммов и контрольных комаров дикого типа на сигналы человека, сначала использовался однократный ольфактометр для изучения уровней активации и влечения (3C).
Мутанты Ir76b32/61 продемонстрировали снижение общего уровня активности в ответ на неношеный нейлон или нейлон, который носил участник №33 (3D). Однако этот дефект был легко преодолен, когда Ir76b-мутантам представили доступ к предплечью участника №33, что указывает на отсутствие грубых двигательных дефектов (3D).
Мутанты Ir25aBamHI/19 продемонстрировали уровни активации комаров дикого типа для всех протестированных стимулов (3E). Мутанты Ir76b32/61 демонстрировали нормальный уровень влечения к нейлону, который носил участник №33, и к самому участнику (3F). Напротив, мутанты Ir25aBamHI/19 демонстрировали значительные дефекты в их влечение к обоим вариантам стимула (3G).
Это говорит о том, что корецептор Ir25a вместе с одним или несколькими лиганд-селективными IR, с которыми он собирает функциональный рецептор, играет важную роль в обнаружении эманаций (выделений запаха) кожи человека.
Учитывая резкое снижение влечения комаров с мутациями Ir25aBamHI/19 к участнику №33, возник вопрос — могут ли эти мутанты вместе с мутантами Ir76b32/61 различать нейлон, который носили сильно и слабо привлекательные люди, когда их предъявляют одновременно. Анализ с двумя вариантами значительно объемнее, чем анализ с одним, и поэтому может представлять собой более сложную поведенческую задачу, в результате которой можно выявить дополнительные фенотипы (3D-3G).
Изображение №4
В контрольных испытаниях с двумя вариантами стимулов, в которых испытуемым помещали 25 нейлоновых образцов в обе тестовые камеры, мутанты Ir76b32/61 демонстрировали более низкую активацию в ответ на носимые человеком нейлоновые образцы. А мутанты Ir76b32/61 и Ir25aBamHI/19 показали значительно сниженную привлекательность по сравнению с контролями дикого типа (4A). Кроме того, только в 25% испытаний Ir76b32/61 и 38% испытаний мутантов Ir25aBamHI/19 было по крайней мере 10 комаров, привлеченных любым стимулом, по сравнению со 100% испытаний дикого типа (4B).
Анализ испытаний, которые соответствовали этим критериям включения, показал, что, несмотря на существенные дефекты общего влечения к человеческому запаху, мутанты Ir76b32/61 и Ir25aBamHI/19 отличали сильно и слабо привлекательных людей (4C–4E). Эти данные указывают на то, что комары развили сенсорные системы, позволяющие им сохранять влечение к человеку даже при значительном генетическом нарушении их обонятельной системы. Тем не менее мутация пути IR (ионотропные рецепторы) оказала более сильное влияние на общее влечение комаров к человеку, чем мутация пути OR (обонятельные рецепторы).
Изображение №5
Далее ученые использовали GC/QTOF-MS для идентификации химических соединений на нейлоне от людей, которые были наиболее привлекательны для комаров (5A). Поскольку мутанты корецептора IR показали значительно меньшее влечение к человеку, было решено проводить химический анализ на кислых соединениях, которые обнаруживаются путем IR. Были собраны образцы нейлона от 7 из 8 участников в течение 4 дней с интервалом не менее 1 недели, а затем проведены 4 независимых анализа (эксперименты 1.1–1.4; 5B). Образцы были дериватизированы пентафторбензилбромидом (PFB-Br) и проанализированы с использованием отрицательной химической ионизации метана на приборе QTOF (quadrupole time-of-flight, т.е. квадруполь-времяпролетный масс-селективный детектор), что позволило предсказать формулу по массе обнаруженных ионов.
Используя беспристрастное обнаружение признаков и фильтрацию данных, было определено 204 молекулярных признака, которых было много на исследуемых образцах нейлона по сравнению с неношеными. Также было установлено, что у людей с высокой привлекательностью этих соединений было больше, чем у людей с низкой привлекательностью (5C). Из них около 50 признаков в разной степени присутствовали в образцах двух наиболее привлекательных испытуемых (№№33 и №31), по сравнению с двумя наименее привлекательными (№19 и №28) во всех 4 экспериментах (5D и 5E).
Ученым удалось предсказать химические формулы примерно для 40 из этих признаков и в конечном итоге идентифицировать 9 жирных кислот с прямой цепью (5E). Затем были извлечены сигналы для всех кислот с прямой цепью с длиной ацильной цепи от 3 до 20 атомов углерода (5F).
Уровни всех этих соединений были низкими или они вовсе отсутствовали в неношеных образцах нейлона и контрольных растворителях, но только жирные кислоты с >10 атомами углерода, по-видимому, были обогащены в наиболее привлекательных образцах (5F и 5G).
Изображение №6
Чтобы подтвердить вывод о том, что люди, сильно привлекающие комаров, производят больше карбоновых кислот на своей коже, ученые включили 56 новых участников в проверочное исследование и использовали однократный ольфактометр с более высокой пропускной способностью для проверки привлекательности нейлоновых образцов от людей по сравнению с неношеным (6A). Наряду с 56 новыми участниками были протестированы нейлоновые образцы от 7 участников из начальной когорты (6B). Среди всех 64 участников, как и ранее, наименее привлекательным для комаров оказался №28, а наиболее привлекательным — №33 (1F и 6B).
Затем были повторно проведены 4 метаболомных эксперимента (эксперименты 2.1–2.4; 6C) и обнаружено 161 молекулярную особенность. Затем ученые отфильтровали особенности, которые были по-разному распространены в группах с высокой и низкой привлекательностью во всех 4 экспериментах. В результате был получен список из 13 особенностей, больше всего представленных в группе с высокой привлекательностью (6D и 6E). Трое из них были идентифицированы: пентадекановая кислота, гептадекановая кислота и нонадекановая кислота (6E).
Затем был проведен повторный анализ карбоновых кислот с 10–20 атомами углерода у испытуемых и образцов (6F–6H). Обилие карбоновых кислот у отдельных участников из исходной когорты удивительно соответствовало результатам, полученным примерно год назад. Испытуемые с низкой привлекательностью (№19 и №28) имели гораздо более низкие уровни многих карбоновых кислот, чем испытуемые с высокой (№31 и №33) (5F и 6F).
В целом, группа людей с высокой привлекательностью имела значительно более высокие уровни трех карбоновых кислот (пентадекановой, гептадекановой и нонадекановой), чем люди с низкой привлекательностью (6G и 6H). Однако не у всех участников наблюдалась подобная тенденция: у испытуемого №90 с низкой привлекательностью уровни всех карбоновых кислот были высокими, в отличие от других шести человек с низкой привлекательностью (6F).
Изображение №7
Чтобы проверить гипотезу о том, что сильные аттракторы (испытуемые с высокой привлекательностью) имеют более высокие уровни соединений, привлекающих комаров, на их коже, ученые провели эксперимент доза-реакция, в котором сравнивались образцы различных размеров нейлона от участников №33 и №28 (изображение №7).
Было обнаружено, что комары предпочитали образцы от №33, а не от других участников, даже если они были по габаритам значительно меньше. Другими словами, выбирая между большим куском нейлона от №28 и маленьким от №33, комары предпочитали образец от №33, так как именно он обладал высокой привлекательностью.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые на практике подтвердили теорию о том, что некоторые люди более привлекательны для комаров, чем другие. Оказалось, что это связано с химическим составом запахов, выделяемых кожей человека, а именно с высоким содержанием у более привлекательных людей трех карбоновых кислот (пентадекановой, гептадекановой и нонадекановой). Опыты показали, что комары всегда будут отдавать предпочтение тому, у кого этих кислот больше, несмотря на габариты образцов ткани или численность участников.
Еще более удивительным является то, что комары обладают невероятно защищенной от взлома системой обоняния. Ученые пытались отключить определенные гены, отвечающие за распознавание животных комарами или за выявление людей, но это не дало ощутимого результата. Такие комары все равно стремились покусать человека, при этом продолжая отдавать предпочтение тем, у кого содержание карбоновых кислот выше (этим несчастным оказался участник под номером 33).
Проблема того, что любые генетические манипуляции с комарами не снижают их влечение к человеку, достаточно серьезна. Это означает, что с точки зрения комаров уменьшить эффект распространения ими различных заболеваний пока остается невозможным. Однако, как отмечают ученые, есть возможность решить эту проблему со стороны жертвы, т.е. нас. Если изменить химический состав запаха человека, то можно сделать его менее привлекательным для комаров. Пока это лишь теория, но ученые намерены провести ряд исследований, чтобы установить ее реализуемость на практике.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
