Данные о траекториях полета показывают, как комары нападают на людей.

Ученые количественно определили факторы, привлекающие комаров к людям, что может помочь в создании более эффективных и спасающих жизни ловушек для насекомых. Фотография: Жоао Паулу Бурини/Getty Images Комментарий Загрузить Сохранить историю Сохранить эту историю Комментарий Загрузить Сохранить историю Сохранить эту историю

Инфекционные заболевания, переносимые комарами, такие как малярия, лихорадка денге и лихорадка Зика, ежегодно уносят более 770 000 жизней во всем мире. Понимание того, как комары находят людей, долгое время оставалось сложной задачей в борьбе с распространением этих заболеваний. Однако мало что было известно о том, как комары интегрируют различные сигналы, включая визуальную информацию и углекислый газ, чтобы приблизиться к своим целям.

В этом контексте исследовательская группа под руководством Технологического института Джорджии и Массачусетского технологического института успешно разработала автоматическую динамическую модель, описывающую полет комаров, путем применения статистических методов байесовского вывода к огромному объему данных, регистрирующих перемещения комаров.

Байесовский вывод — это статистический метод, который вероятностным образом определяет наиболее правдоподобные параметры модели на основе наблюдаемых данных. Используя этот метод, исследователи смогли построить математическую модель, которая могла с высокой точностью воспроизводить экспериментальные результаты, сводя поведение комаров к менее чем 30 параметрам.

«Главный вопрос заключался в том, как комары находят жертву среди людей?» — объясняет Ченг-И Фэй, научный сотрудник Массачусетского технологического института. «Ранее проводились экспериментальные исследования того, какие сигналы могут быть важны. Но ни одно из них не было особенно количественным».

Комары летают двумя способами.

Исследовательская группа выпустила двух самок комаров Aedes aegypti в герметичное экспериментальное пространство и записала траектории их полета с интервалом в 0,01 секунды с помощью двух инфракрасных камер. Данные, полученные в результате 20 экспериментов, превышают 53 миллиона точек, при этом было зарегистрировано более 400 000 траекторий полета. Это представляет собой самый большой набор данных, когда-либо собранный для исследования, количественно измеряющего полет комаров.

Эксперимент начался с фотографирования комаров, летающих вокруг людей, одетых в темную одежду. Это наблюдение показало, что комары вида Aedes aegypti концентрируют свои атаки на головах людей. Это было фундаментальное открытие, послужившее отправной точкой для всего исследования.

Далее исследователи провели эксперимент с испытуемыми, одетыми в черное с одной стороны и белое с другой. Они обнаружили, что, хотя углекислый газ и запах тела выделялись одинаково с обеих сторон тела, траектории полета комаров концентрировались только на черной стороне. Хотя на первый взгляд это кажется странным, этот результат наглядно продемонстрировал, что визуальные стимулы играют важную роль в поиске целей в безветренной среде.

Кроме того, детальный анализ полетов комаров в среде без стимуляторов показал, что их модели полета можно условно разделить на два типа. Первый — активное состояние, при котором они активно исследовали пространство, поддерживая скорость приблизительно 0,7 метра в секунду. Второй — состояние покоя, при котором они летали практически без использования тяги. Состояние покоя считается подготовительным этапом к посадке и чаще наблюдалось вблизи потолка экспериментального пространства.

Анализ реакции комаров на визуальные стимулы показал, что комары привлекаются к темным объектам и замедляют движение, когда приближаются к ним на расстояние около 40 сантиметров. Однако без дополнительных сигналов, таких как запах тела, влажность или тепло, комары часто улетали даже после приближения к цели. Это говорит о том, что одних визуальных стимулов недостаточно для того, чтобы заставить комара приземлиться и начать сосать кровь.

Реакция на источники углекислого газа была совершенно иной. Комары, попавшие в радиусе примерно 40 сантиметров от источника углекислого газа, внезапно замедлили скорость до 0,2 м/с и начали летать беспорядочно, раскачиваясь без четкого направления. Численное моделирование также показало, что комары могут обнаруживать концентрации углекислого газа всего в 0,1 процента, и что их диапазон обнаружения простирается примерно до 50 сантиметров от источника.

Кроме того, реакция комаров изменилась еще более резко при одновременном предъявлении визуальных стимулов и углекислого газа. Комары начали кружить вокруг цели, и значительно больше комаров сосредоточилось вблизи цели, чем при использовании любого из стимулов по отдельности.

По словам исследователей, такое поведение не удалось воспроизвести с помощью модели, которая просто суммировала бы реакции на зрение и углекислый газ. Другими словами, весьма вероятно, что множество сенсорных источников влияют друг на друга в мозге.

Почему комары охотятся на голову человека?

Для проверки точности прогнозирования математической модели исследовательская группа использовала испытуемого, одетого в белое с черным капюшоном, в качестве «черной сферы, излучающей углекислый газ», чтобы посмотреть, насколько хорошо модель может воспроизвести фактическое распределение комаров. В результате им удалось точно предсказать распределение плотности комаров вокруг головы человека. Голова человека часто кажется комарам темной и является частью тела, которая выделяет много углекислого газа, что делает ее местом, где перекрываются два типа привлекающих комаров стимулов.

Кроме того, для количественной оценки риска укусов комаров исследователи измерили расстояние, на котором 50 процентов траекторий их движения сходились вокруг цели, которое без стимула составляло около 65 см. С другой стороны, при наличии только визуального стимула это расстояние составляло около 40 см; при наличии только углекислого газа — около 25 см; а при сочетании визуального стимула и углекислого газа — около 20 см. Это еще раз показало, что комары, как правило, приближаются к людям ближе, когда накладываются друг на друга множественные сенсорные стимулы.

Исследователи считают, что разработанная ими математическая модель позволит проводить предварительное моделирование и оптимизацию конструкций ловушек для комаров на компьютерах. Они также надеются, что она найдет применение и для других видов комаров, включая комара рода Anopheles, переносчика малярии.

«Наша работа показывает, что для того, чтобы удерживать комаров достаточно долго для поимки, ловушки для комаров нуждаются в специально откалиброванных, мультисенсорных приманках», — говорит профессор Массачусетского технологического института Йорн Дункель. Теперь у команды также есть интерактивное веб-приложение, позволяющее пользователям опробовать модели полета всех изученных ими комаров.

Источник: www.wired.com