Τα μοτίβα πτήσης των κουνουπιών αλλάζουν ανάλογα με διαφορετικά αισθητηριακά ερεθίσματα, σύμφωνα με μια νέα μελέτη. Η πρόσφατη αυτή εργασία θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματικές παγίδες και στρατηγικές ελέγχου των κουνουπιών.
Ένα κουνούπι βρίσκει τον στόχο του με τη βοήθεια ορισμένων ενδείξεων στο περιβάλλον του, όπως η σιλουέτα ενός ατόμου και το διοξείδιο του άνθρακα που εκπνέει. Τώρα, ερευνητές στο MIT και το Georgia Tech διαπίστωσαν ότι αυτές οι οπτικές και χημικές ενδείξεις βοηθούν στον καθορισμό των διαδρομών πτήσης των εντόμων.
Το πρώτο τρισδιάστατο μοντέλο συμπεριφοράς
Η ομάδα ανέπτυξε το πρώτο τρισδιάστατο μοντέλο πτήσης κουνουπιών, βασισμένο σε πειράματα με κουνούπια που πετούσαν παρουσία διαφορετικών αισθητηριακών ερεθισμάτων.
Το μοντέλο τους, που παρουσιάστηκε στο περιοδικό Science Advances, προσδιορίζει τρία μοτίβα πτήσης που επιδεικνύουν τα κουνούπια ανταποκρινόμενα σε αισθητηριακά ερεθίσματα.
Τα τρία μοτίβα πτήσης: Πώς η όραση και η όσφρηση καθοδηγούν τα κουνούπια
Όταν μπορούν μόνο να δουν έναν πιθανό στόχο, τα κουνούπια ακολουθούν μια προσέγγιση «fly-by» (γρήγορη διέλευση), κάνοντας γρήγορη κατάδυση προς τον στόχο και στη συνέχεια πετώντας πάλι μακριά, αν δεν ανιχνεύσουν άλλες ενδείξεις που να επιβεβαιώνουν την παρουσία ξενιστή.
Όταν δεν βλέπουν τον στόχο αλλά μπορούν να μυρίσουν μια χημική ένδειξη, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, τα κουνούπια κάνουν «double-takes» (διπλές ματιές/επανελέγχους), επιβραδύνοντας και πετώντας πέρα-δώθε για να παραμείνουν κοντά στην πηγή.
Είναι ενδιαφέρον ότι, όταν τα κουνούπια δέχονται ταυτόχρονα οπτικά και χημικά ερεθίσματα -όπως το να βλέπουν μια σιλουέτα και να μυρίζουν διοξείδιο του άνθρακα -μεταβαίνουν σε ένα μοτίβο “τροχιάς” (orbiting). Πετούν γύρω από τον στόχο με σταθερή ταχύτητα καθώς ετοιμάζονται να προσγειωθούν, μοιάζοντας πολύ με καρχαρία που κυκλώνει το θήραμά του.
Σχεδιάζοντας πιο αποτελεσματικές παγίδες για τα κουνούπια
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι το νέο μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει πώς θα πετάξουν τα κουνούπια ανταποκρινόμενα σε άλλα ερεθίσματα, όπως η θερμότητα, η υγρασία και ορισμένες οσμές. Τέτοιες προβλέψεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών παγίδων και στρατηγικών ελέγχου των κουνουπιών.
«Η εργασία μας υποδηλώνει ότι οι παγίδες κουνουπιών χρειάζονται ειδικά βαθμονομημένα, πολυαισθητηριακά δολώματα για να κρατούν τα κουνούπια απασχολημένα αρκετά ώστε να πιαστούν», λέει ο συντάκτης της μελέτης Jörn Dunkel, καθηγητής Μαθηματικών της έδρας MathWorks στο MIT.
«Ελπίζουμε ότι αυτό θα καθιερώσει ένα νέο πρότυπο για τη μελέτη της συμπεριφοράς των παρασίτων, χρησιμοποιώντας τρισδιάστατη παρακολούθηση και μοντελοποίηση βάσει δεδομένων για την αποκρυπτογράφηση της κίνησής τους και την επίλυση σημαντικών προκλήσεων δημόσιας υγείας», προσθέτει.
Οι συγγραφείς της μελέτης από το MIT είναι ο Chenyi Fei, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Μαθηματικών του MIT, και ο Alexander Cohen, πρόσφατος διδάκτορας χημικής μηχανικής του MIT υπό την επίβλεψη του Dunkel και του καθηγητή Martin Bazant, μαζί με τους Christopher Zuo, Soohwan Kim και David L. Hu από το Georgia Tech, και τον Ring Carde από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Riverside.
Η απειλή για τη Δημόσια Υγεία από τα κουνούπια και το είδος Aedes aegypti
Τα κουνούπια θεωρούνται τα πιο επικίνδυνα ζώα στον κόσμο, δεδομένης της συνολικής τους επίδρασης στην ανθρώπινη υγεία. Τα αιμομυζητικά έντομα μεταδίδουν την ελονοσία, τον δάγκειο πυρετό, τον ιό του Δυτικού Νείλου και άλλες θανατηφόρες ασθένειες που συνολικά προκαλούν πάνω από 770.000 θανάτους κάθε χρόνο.
Από τα 3.500 γνωστά είδη κουνουπιών, περίπου 100 έχουν εξελιχθεί ώστε να στοχεύουν ειδικά τους ανθρώπους, συμπεριλαμβανομένου του Aedes aegypti, ενός είδους που χρησιμοποιεί ποικίλες ενδείξεις για να εντοπίσει ανθρώπινους ξενιστές.
Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει πώς ορισμένα ερεθίσματα προσελκύουν τα κουνούπια, κυρίως στήνοντας πειράματα σε αεροδυναμικές σήραγγες, όπου μπορούν να διαχέουν ενδείξεις όπως το διοξείδιο του άνθρακα και να μελετούν πώς ανταποκρίνονται τα κουνούπια.
Τέτοια πειράματα έχουν καταγράψει κυρίως δεδομένα όπως το πού και πότε προσγειώνονται τα έντομα. Οι ερευνητές λένε ότι καμία μελέτη δεν είχε εξερευνήσει έως τώρα πώς πετούν τα κουνούπια καθώς κυνηγούν έναν ξενιστή.
«Το μεγάλο ερώτημα ήταν: Πώς βρίσκουν τα κουνούπια έναν ανθρώπινο στόχο;» λέει ο Fei. «Υπήρχαν προηγούμενες πειραματικές μελέτες σχετικά με το ποια είδη ερεθισμάτων μπορεί να είναι σημαντικά. Αλλά τίποτα δεν είχε ιδιαίτερα ποσοτικό χαρακτήρα».
Η μεθοδολογία της έρευνας: Από το εργαστήριο στα μαθηματικά
Στο MIT, η ομάδα του Dunkel αναπτύσσει μαθηματικά μοντέλα για να περιγράψει και να προβλέψει τη συμπεριφορά σύνθετων ζωντανών συστημάτων, όπως το πώς ξεμπλέκονται τα σκουλήκια, πώς αναπτύσσονται και κολυμπούν τα έμβρυα των αστεριών και πώς οι μικροοργανισμοί εξελίσσουν τη δομή της κοινότητάς τους με την πάροδο του χρόνου.
Ο Dunkel επιδίωξε να εφαρμόσει παρόμοιες ποσοτικές τεχνικές για να προβλέψει τα μοτίβα πτήσης των κουνουπιών μετά από μια ομιλία του στο Georgia Tech.
Ο David Hu, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT και νυν καθηγητής μηχανολογίας στο Georgia Tech, πρότεινε μια συνεργασία. Το εργαστήριο του Hu διεξήγαγε πειράματα με κουνούπια σε μια εγκατάσταση των Κέντρων Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (CDC) στην Ατλάντα, όπου μελετούσαν τη συμπεριφορά των εντόμων ανταποκρινόμενα σε αισθητηριακά ερεθίσματα.
Θα μπορούσε η ομάδα του Dunkel να χρησιμοποιήσει τα συλλεχθέντα δεδομένα για να εντοπίσει σημαντικές πτητικές συμπεριφορές που θα μπορούσαν τελικά να βοηθήσουν τους επιστήμονες να ελέγξουν τους πληθυσμούς των κουνουπιών; «Ένα από τα αρχικά κίνητρα ήταν ο σχεδιασμός καλύτερων παγίδων για κουνούπια», λέει ο Cohen. «Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο πετούν γύρω από έναν άνθρωπο προσφέρει γνώσεις για το πώς μπορούμε να τα αποφύγουμε».
Για τη νέα τους μελέτη, ο Hu και οι συνεργάτες του στο Georgia Tech διεξήγαγαν πειράματα με 50 έως 100 κουνούπια του είδους Aedes aegypti.
Τα έντομα πετούσαν μέσα σε ένα μακρύ, λευκό, ελαφρώς κεκλιμένο ορθογώνιο δωμάτιο, ενώ κάμερες γύρω από τον χώρο κατέγραφαν λεπτομερείς τρισδιάστατες τροχιές κάθε κουνουπιού καθώς πετούσε. Στο κέντρο του δωματίου, τοποθέτησαν ένα αντικείμενο που αντιπροσώπευε ένα συγκεκριμένο οπτικό ή χημικό ερέθισμα.
Πειράματα σε τρεις διαστάσεις: Η αντίδραση των κουνουπιών στα ερεθίσματα
Σε ορισμένες δοκιμές, τοποθέτησαν μια μαύρη σφαίρα από φελιζόλ πάνω σε μια βάση για να αναπαραστήσουν ένα απλό οπτικό ερέθισμα. (Τα κουνούπια θα μπορούσαν να δουν τη μαύρη σφαίρα σε αντίθεση με το λευκό φόντο του δωματίου).
Σε άλλες δοκιμές, τοποθέτησαν μια λευκή σφαίρα με έναν σωλήνα που τη διαπερνούσε για να αντλεί διοξείδιο του άνθρακα σε ρυθμούς παρόμοιους με αυτούς που εκπνέουν οι άνθρωποι. Αυτές οι δοκιμές αντιπροσώπευαν την παρουσία ενός χημικού ερεθίσματος, αλλά όχι ενός οπτικού.
Οι ερευνητές μελέτησαν επίσης την αντίδραση των κουνουπιών στον συνδυασμό οπτικών και χημικών ερεθισμάτων, χρησιμοποιώντας μια μαύρη σφαίρα που εξέπεμπε διοξείδιο του άνθρακα.
Τέλος, παρατήρησαν πώς συμπεριφέρονταν τα κουνούπια γύρω από έναν εθελοντή, ο οποίος φορούσε προστατευτική ενδυμασία που ήταν μαύρη από τη μία πλευρά και λευκή από την άλλη. Μέσα από 20 πειράματα, η ομάδα παρήγαγε περισσότερα από 53 εκατομμύρια σημεία δεδομένων και πάνω από 477.220 διαδρομές πτήσης κουνουπιών.
Ο Hu μοιράστηκε τα δεδομένα με τον Dunkel, η ομάδα του οποίου χρησιμοποίησε τις μετρήσεις για να αναπτύξει ένα μοντέλο της πτητικής συμπεριφοράς των κουνουπιών.
«Προτείνουμε ένα πολύ ευρύ φάσμα δυναμικών εξισώσεων και, όταν ξεκινάς, η εξίσωση για την πρόβλεψη της διαδρομής πτήσης ενός κουνουπιού είναι πολύ περίπλοκη, με πολλούς όρους, συμπεριλαμβανομένης της σχετικής σημασίας ενός οπτικού έναντι ενός χημικού ερεθίσματος», εξηγεί ο Dunkel. «Στη συνέχεια, μέσω επαναλήψεων σε σχέση με τα δεδομένα, μειώνουμε την πολυπλοκότητα αυτής της εξίσωσης μέχρι να καταλήξουμε στο απλούστερο μοντέλο που εξακολουθεί να συμφωνεί με τα δεδομένα».
Η αποκωδικοποίηση της μη-προσθετικής συμπεριφοράς
Τελικά, η ομάδα κατέληξε σε ένα απλό μοντέλο που προβλέπει με ακρίβεια πώς θα πετάξει ένα κουνούπι, δεδομένης της παρουσίας ενός οπτικού ερεθίσματος, ενός χημικού ερεθίσματος ή και των δύο. Οι διαδρομές πτήσης σε απόκριση στο ένα ή στο άλλο ερέθισμα είναι αισθητά διαφορετικές. Και το ενδιαφέρον είναι ότι, όταν υπάρχουν και τα δύο ερεθίσματα, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η διαδρομή που προκύπτει δεν είναι “προσθετική”.
Με άλλα λόγια, ένα κουνούπι δεν συνδυάζει απλώς τις διαδρομές που θα ακολουθούσε ξεχωριστά όταν μπορεί ταυτόχρονα να δει και να μυρίσει έναν στόχο. Αντίθετα, τα έντομα ακολουθούν μια ξεχωριστή διαδρομή, κάνοντας κύκλους, αντί να κάνουν καταδύσεις ή να κινούνται απότομα γύρω από τον στόχο τους.
«Η εργασία μας υποδηλώνει ότι οι παγίδες κουνουπιών χρειάζονται ειδικά βαθμονομημένα ‘πολυαισθητηριακά’ δολώματα για να κρατούν τα κουνούπια απασχολημένα αρκετά ώστε να πιαστούν», λέει ο Dunkel.
«Προφανώς υπάρχουν επιπλέον ενδείξεις που εκπέμπουν οι άνθρωποι, όπως η οσμή, η θερμότητα και η υγρασία», σημειώνει ο Cohen. «Για το είδος που μελετάμε, οι οπτικές ενδείξεις και το διοξείδιο του άνθρακα είναι οι πιο σημαντικές. Αλλά μπορούμε να εφαρμόσουμε αυτό το μοντέλο για να μελετήσουμε διαφορετικά είδη και το πώς ανταποκρίνονται σε άλλα αισθητηριακά ερεθίσματα».
Μια διαδραστική εφαρμογή για το μέλλον
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια διαδραστική εφαρμογή που ενσωματώνει το νέο μοντέλο πτήσης κουνουπιών. Οι χρήστες μπορούν να πειραματιστούν με διαφορετικά αντικείμενα και να ορίσουν παραμέτρους, όπως τον αριθμό των κουνουπιών γύρω από το αντικείμενο και τον τύπο του αισθητηριακού ερεθίσματος που υπάρχει.
Στη συνέχεια, το μοντέλο οπτικοποιεί πώς θα πετούσαν τα κουνούπια ως απόκριση. «Η αρχική ελπίδα ήταν να έχουμε ένα ποσοτικό μοντέλο που να μπορεί να προσομοιώνει τη συμπεριφορά των κουνουπιών γύρω από διάφορα σχέδια παγίδων», λέει ο Cohen. «Τώρα που έχουμε ένα μοντέλο, μπορούμε να αρχίσουμε να σχεδιάζουμε πιο έξυπνες παγίδες».
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF), τη Schmidt Sciences, LLC, το πρόγραμμα υποτροφιών NDSEG και το Ταμείο Καθηγητών MathWorks του MIT.
