Insekter kan undervise mennesker i at klare modgang

Insekter skal klare en lang række miljøfaktorer for at trives - sygdom, tørke og ændringer i levesteder. Forskere håber, at undersøgelse af insektbiologi og adfærd kan hjælpe mennesker med at klare problemer fra klimaændringer til sygdomsbekæmpelse, skiftearbejde og endda jetlag.

Undersøgelsen af ​​kropsure i planter og dyr er kendt som kronobiologi. Bugs giver en god testmodel til at studere sådanne attributter, som er vigtige for dyr at regulere deres aktiviteter, metabolisme og udvikling på daglig og sæsonbestemt basis. På Institute for Entomology ved det tjekkiske videnskabsakademi, InPhoTime -projektet, finansieret af EU’s European Research Council (ERC), har undersøgt de molekylære rytmer, der hjælper dyr med at fortælle tid.

I oktober, Nobelprisen i fysiologi eller medicin 2017 blev tildelt i fællesskab til professor Jeffrey C. Hall, Professor Michael Rosbash og professor Michael W. Young for deres opdagelser af molekylære mekanismer, der styrer døgnrytmen gennem undersøgelsen af ​​frugtfluer.

Dr. David Doležel, der leder InPhoTime, arbejdede sammen med prof. Hall under sin post-doktorgrad i USA om døgnrytter, da han ramte en idé. "Alle organismer, herunder mennesker og fluer, have et ur til at vide, hvad tid på dagen det er, "sagde han." Det er gavnligt for organismer at vide, om det er morgen eller aften. Tilsvarende hvis vi ser på nogle organismer ... er det fordelagtigt at forudse sæsonmæssige ændringer ... især for organismer, der er afhængige af fødevareforsyning og vejr som insekter. "

Dr Doležels mål er at forsøge at afdække en molekylær forklaring på, hvordan insekter måler kortere dage op til vinteren gennem en biologisk mekanisme kendt som den fotoperiodiske timer.

"Selvom temperaturen stadig er varm i august, for eksempel, mange insekter eller planter ved, at sæsonen snart vil ændre sig, "sagde han. Sådan viden informerer dyr om, at det er på tide at ændre deres adfærd til vinteren, advare dem om, hvornår de skal gå i diapause (en tilstand, der ligner dvale hos pattedyr), eller hvornår de skal have deres unger, så de bliver fuldvoksne før frost.

Hans team studerer den hårdføre røde ildbug, Pyrrhocoris apterus , at demonstrere de biologiske mekanismer, de bruger til at gøre dette. De undersøger nerveforbindelser fra deres sammensatte øjne til deres hjerner og viser, hvordan gener styrer deres fotoperiodiske timer.

"De er store nok til, at du kan lave mikrokirurgi, og efter specifikke operationer lever fejlene endnu længere end ikke-opererede individer. Og nu kan vi lave genredigering ved hjælp af CRISPR (et genomredigeringsværktøj), "Dr. Doležel sagde." Denne kombination af klassisk insektfysiologi med nyere molekylær genetiske værktøjer er det, der gør vores modelorganisme attraktiv. "

"I sidste uge fik vi de første mutanter, hvor vi ændrede basen på døgnrytmen, så fejlen antager, at dagen er 22 timer lang i stedet for 24. "

Genvariationer

Forskerne planlægger også at ændre insekters gener for at vise de veje, deres fotoperiodiske timere bruger, samt bekræfte, at genvariationer på tværs af deres respektive levesteder påvirker sæsonbestemt adfærd.

Brandfejl er ideelle emner, fordi de er flyveløse og findes over bemærkelsesværdigt forskellige miljøer. Dr Doležel forventer, at bugs, der lever under midnatssolen i Skandinavien, har forskellige varianter af gener (alleler) end deres mere sydlige fætre. De kan derefter teste genetisk involvering i den fotoperiodiske timer ved specifik genredigering af fejl, der stammer fra forskellige områder.

"Hvis du finder genetiske varianter, der funktionelt er involveret i insekter i forskellige populationer, dybest set gør det muligt for dem at leve i Nordeuropa og Sydeuropa - forskellige miljøer - det kan være ganske pæn information, der kan forklare nogle genetiske variationer hos mennesker, " han sagde.

Genetisk variation kan forklare, hvorfor nogle mennesker har alvorlige problemer med jetlag og skiftende sæsoner, mens andre næsten ikke mærker nogen virkninger.

Sociale insekter

Ligesom hvordan menneskelige byer har sundhedsafdelinger til at overvåge sygdomsudbrud, sociale insekter som myrer og bier, der lever i umiddelbar nærhed, skal tage særlige skridt for at forhindre sygdomsepidemier i at ødelægge deres kolonier. Bor i sociale grupper, hvad enten det er mennesker eller insekter, fører til en højere risiko ved spredning af sygdomme.

Dr Sylvia Cremer studerede kooperativ sygdomsforsvar i havemyrer, Lasius neglectus , i det ERC-finansierede SOCIALVACCINES-projekt ved Institute of Science and Technology Austria (IST Austria). Hun fandt ud af, at myrer har udviklet et kollektivt forsvar ud over individuel immunitet for at skabe 'social immunitet' mod infektioner.

Myrespredning af døde dyr eller fodring i jord gør svampeinfektion til en almindelig trussel. Når myrer kommer tilbage fra fouragering, hun fandt, de modtager et sundhedstjek fra andre medlemmer af deres koloni.

"Du skal forestille dig, at de kommer tilbage til reden dækket af pulverformige sporer. Så hvad de andre gør, er at bruge deres munddele til at pleje alle disse infektiøse partikler og anvende deres gift (myresyre) på alle sporer, de ikke kan slippe af med , for at forhindre deres spiring. "

Dr Cremer, en evolutionær biolog, spekulerede på, hvorfor myrer ville risikere selv at blive smittet for at hjælpe med at desinficere deres kolleger.

"Vi har fundet ud af, at der faktisk er en hel del patogenoverførsel, der opstår under denne sanitetsbehandling, men at immunsystemet hos de enkelte redekammerater kan klare det, da det øger deres immunrespons, "sagde hun." Det beskytter dem mod senere udfordringer fra det samme patogen. "

Det fungerer stort set på samme måde som menneskelige samfund udvikler besætningsimmunitet mod vaccination af børn mod visse sygdomme.

"Når du tænker over det, det giver meget mening, at sociale grupper har udviklet en masse sofistikerede sundhedssystemer, fordi de er i en langt større trussel om sygdomsspredning, "Sagde Dr Cremer.

Kan der være lektioner i myrernes adfærd inden for social sundhed for mennesker?

"Nogle gange tager du beslutninger inden for lægehjælp, der måske ikke er de bedste på befolkningsniveau, "sagde hun." For eksempel ville du behandle en patient med alle antibiotika rundt omkring, selvom det på befolkningsniveau øger risikoen for antibiotikaresistens. "

Mange insekter står også over for trusler mod deres helbred fra klimastød som tørke eller usæsonligt vejr.

Dr. Inon Scharf så på, hvordan insekter udvikler sig til at tilpasse sig sådanne chok og klimaændringer i det EU-finansierede CLIMINSECTS-projekt ved Tel Aviv University i Israel.

Kropsstørrelse

"Ideen er, at når temperaturen stiger, hvirveldyrs kropsstørrelse bør falde, og det skyldes en biologisk regel kaldet Bergmanns regel, "Dr Scharf sagde." Det er relateret til varmetabet af organismer. Hvis du er lille, kan du miste varmen hurtigere, end hvis du er stor, og derfor er det bedre at være lille, hvor det er varmt. "Det kan ses med størrelsen på dyr, hovedsageligt fugle og pattedyr, faldende, da jorden er blevet varmere.

Han var nysgerrig på, om det samme ville gælde for især insekter og biller, på grund af deres fælles karakter-omkring 25 % af alle ikke-mikroskopiske dyrearter på jorden er biller.

"Vi målte et par tusinde biller af 30 arter. Vi ville se, om de stemmer overens med det, der findes om kropsstørrelse hos hvirveldyr ... og vi fandt ingen sådan tendens. Så biller bliver ikke mindre med indsamlingsår, "sagde han." Andre faktorer, såsom lokale forhold og tilgængelig mad er sandsynligvis ikke mindre vigtig end klimaet. "

Han fandt ud af, at temperaturen påvirker melbiller, som modelorganisme for eksperimenter, er ikke ligetil, og det var forskelligt afhængigt af livsfasen, hvor de udsættes for stress.

"Hvis vi udsætter de voksne for lav temperatur, reagerer de bedre på yderligere strabadser ... de tilpasser sig, "Dr Scharf sagde." Men hvis du udsætter dem for kolde temperaturer som larver, de reagerer mindre godt som voksne på kolde temperaturer. Så faktisk at øge dem under varmere temperaturer forbedrer deres kulde -tolerance. "

Han fandt også ud af, at det at blive akklimatiseret med kolde stød hjælper billerne med at modstå andre belastninger længere som sult eller overdreven varme.

"Det er overraskende ... at der ikke er nogen akklimatisering i ungdomsstadiet, kun voksenstadiet. Stigende temperaturer kan endda hjælpe dem senere, " han sagde.

Det kan være vigtigt for at forstå, hvordan klimaændringer og stigende temperaturer i miljøet kan styrke eller forstyrre insektlivscyklusser, med konsekvenser for landbruget og skadedyrsbekæmpelse.