تستخدم البعوض الرؤية بالأشعة تحت الحمراء لتتبع البشر ولدغهم.. الملابس الفضفاضة مفيدة بشكل خاص في منع لدغات البعوض

في حين أن لدغة البعوض قد تكون في كثير من الأحيان مجرد إزعاج مؤقت، إلا أنها قد تشكل مصدر قلق خطير في العديد من أنحاء العالم. بعض البعوض، مثل بعوضة الزاعجة المصرية، مسؤولة عن نشر الفيروسات التي تسبب أكثر من 100 مليون حالة من الأمراض مثل حمى الضنك والحمى الصفراء وزيكا كل عام.

وهناك نوع آخر من البعوض، وهو أنوفيليس جامبيا ، ينشر الطفيلي المسبب للملاريا، مما يؤدي إلى أكثر من 400 ألف حالة وفاة سنويا، وفقا لمنظمة الصحة العالمية . وقد اكتسبت البعوض بسبب هذه الأرقام لقب أكثر الحيوانات فتكاً.

كيف يحدد البعوض مكان مضيفه

إن البعوض الذكور غير ضار، ولكن البعوض الإناث يحتاج إلى الدم لنمو البيض. ونظراً لهذا، فقد كرس العلماء أكثر من قرن من الزمان لفهم كيفية تحديد البعوض لمضيفيه.

ومن خلال هذا البحث، اكتشف الخبراء أن البعوض لا يعتمد على إشارة واحدة؛ بل يستخدم بدلاً من ذلك مجموعة من الحواس المختلفة على مسافات مختلفة للعثور على أهدافه.

تمكن فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا ( UCSB ) من إضافة حاسة جديدة إلى قدرات البعوض المعروفة: الكشف بالأشعة تحت الحمراء.

ووجد الباحثون أن الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن مصدر عند درجة حرارة تقارب درجة حرارة جلد الإنسان تعمل على مضاعفة سلوك البعوض في البحث عن المضيف عندما يقترن ذلك بغاز ثاني أكسيد الكربون ورائحة الإنسان.

نُشرت الدراسة في مجلة Nature .

تفضيل قوي لمصدر الأشعة تحت الحمراء

أظهرت البعوض تفضيلاً قوياً لمصدر الأشعة تحت الحمراء أثناء أنشطتها في البحث عن العائل. كما حدد الباحثون أيضًا مكان حدوث هذا الكشف بالأشعة تحت الحمراء وكشفوا عن كيفية عمله على المستويين المورفولوجي والكيميائي الحيوي.

قال نيكولاس دي بيوبيان، المؤلف المشارك في الدراسة وطالب الدراسات العليا السابق والباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا في مختبر البروفيسور كريج مونتيل: ” إن البعوض الذي ندرسه، Aedes aegypti ، يتمتع بمهارة استثنائية في العثور على مضيفين بشريين. هذا العمل يلقي ضوءًا جديدًا على كيفية تحقيق ذلك”.

اكتشاف المضيفين الجدد عن بعد

ومن المعروف أن البعوض مثل الزاعجة المصرية يستخدم إشارات متعددة للوصول إلى مضيفه من مسافة بعيدة.

وأوضح أفيناش شاندل، المؤلف المشارك والباحث الحالي في جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا في مجموعة مونتيل: “تتضمن هذه الإشارات ثاني أكسيد الكربون من أنفاسنا الزفيرية، والروائح، والرؤية، والحرارة (الحملية) من جلدنا، والرطوبة من أجسامنا. ومع ذلك، فإن كل من هذه الإشارات لها حدود”.

تعاني الحشرات من ضعف البصر، كما أن الرياح القوية أو الحركات السريعة قد تعطل قدرتها على تتبع الإشارات الكيميائية .

ونظرا لهذه القيود، تساءل الباحثون عما إذا كان البعوض قادرا على اكتشاف إشارة اتجاهية أكثر موثوقية، مثل الأشعة تحت الحمراء.

الملابس الفضفاضة تسمح بمرور قدر أقل من الأشعة تحت الحمراء، كما هو موضح في هذه الصورة. حقوق الصورة تعود إلى
DeBeaubien وChandel et al.

تستطيع البعوضة أن تستشعر الحرارة المنبعثة من جلدنا على مسافة تصل إلى نحو 10 سنتيمترات . كما يمكنها أن تستشعر درجة حرارة جلدنا بمجرد هبوطها عليه.

تتوافق هذه القدرات مع نوعين من أنواع نقل الحرارة الثلاثة: الحمل الحراري (الحرارة التي يحملها الهواء) والتوصيل (الحرارة من خلال الاتصال المباشر).

ومع ذلك، يمكن للطاقة الحرارية أيضًا أن تنتقل لمسافات أطول عند تحويلها إلى موجات كهرومغناطيسية، عادةً في طيف الأشعة تحت الحمراء (IR).

يمكن للحيوانات مثل الأفاعي الحفرية اكتشاف الأشعة تحت الحمراء الحرارية من الفرائس الدافئة، لذلك تساءل الفريق عما إذا كان البعوض، مثل بعوضة الزاعجة المصرية ، قادرًا على فعل الشيء نفسه.

تركيز الدراسة

قام الباحثون بوضع البعوض الإناث في بيئة خاضعة للرقابة وقاموا بقياس سلوك البحث عن المضيف في منطقتين.

تعرضت المنطقتان لروائح بشرية وثاني أكسيد الكربون بتركيزات مماثلة لما نخرجه من هواء الزفير. ومع ذلك، تعرضت منطقة واحدة فقط للأشعة تحت الحمراء من مصدر بدرجة حرارة الجلد.

تم استخدام حاجز لمنع تبادل الحرارة عن طريق التوصيل والحمل الحراري. ثم قام الباحثون بحساب عدد البعوض الذي بدأ في التحسس كما لو كان يبحث عن وريد.

الأشعة تحت الحمراء وسلوك البعوض

وقد أدى إضافة الأشعة تحت الحمراء الحرارية من مصدر تبلغ درجة حرارته 34 درجة مئوية (أي ما يعادل درجة حرارة الجلد) إلى مضاعفة نشاط البعوض في البحث عن المضيف، وهو ما أدى إلى تحديد الأشعة تحت الحمراء باعتبارها حاسة جديدة موثقة يستخدمها البعوض لتحديد موقع البشر. واكتشف الفريق أن هذه الحاسة تظل فعالة حتى مسافة 70 سنتيمترا (2.5 قدم).

قال دي بيوبيان: “أكثر ما أذهلني في هذا العمل هو مدى قوة الإشارة التي اكتسبتها الأشعة تحت الحمراء. وبمجرد أن حصلنا على جميع المعلمات بشكل صحيح، أصبحت النتائج واضحة بشكل لا يمكن إنكاره”.

ولم تلاحظ الدراسات السابقة أي تأثير للأشعة تحت الحمراء الحرارية على سلوك البعوض، لكن المؤلف الرئيسي كريج مونتيل يشتبه في أن هذا يرجع إلى الاختلافات في المنهجية.

“قال مونتيل: “إن أي إشارة منفردة لا تحفز نشاط البحث عن المضيف. فقط في سياق إشارات أخرى، مثل ارتفاع ثاني أكسيد الكربون والرائحة البشرية، فإن الأشعة تحت الحمراء تحدث فرقًا”. والواقع أن فريقه وجد أن الأشعة تحت الحمراء وحدها ليس لها تأثير.

كيف يكتشف البعوض الأشعة تحت الحمراء؟

من المستحيل على البعوض اكتشاف الأشعة تحت الحمراء الحرارية بنفس الطريقة التي يكتشف بها الضوء المرئي لأن طاقة الأشعة تحت الحمراء منخفضة للغاية لتنشيط بروتينات الرودوبسين التي تكشف الضوء المرئي في عيون الحيوانات.

إن الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يبلغ طوله الموجي أكثر من حوالي 700 نانومتر لن يقوم بتنشيط الرودوبسين، والأشعة تحت الحمراء الناتجة عن حرارة الجسم تبلغ حوالي 9300 نانومتر.

وقال مونتيل إنه لا يوجد بروتين معروف يتم تنشيطه بواسطة الإشعاع بمثل هذه الأطوال الموجية الطويلة. ومع ذلك، هناك طريقة أخرى للكشف عن الأشعة تحت الحمراء.

فكر في الحرارة المنبعثة من الشمس: يتم تحويلها إلى الأشعة تحت الحمراء، والتي تتدفق عبر الفضاء، وعندما تصل إلى الأرض، تعمل على تدفئة الكوكب من خلال التفاعل مع الذرات الموجودة في الغلاف الجوي.

وأوضح مونتيل أن “الحرارة تحولت إلى موجات كهرومغناطيسية، والتي يتم تحويلها مرة أخرى إلى حرارة”، مشيرا إلى أن الأشعة تحت الحمراء القادمة من الشمس لها طول موجي مختلف عن الأشعة تحت الحمراء التي تولدها حرارة أجسامنا، حيث يعتمد الطول الموجي على درجة حرارة المصدر.

حرارة جسم الإنسان وخلايا البعوض

افترض الباحثون أن حرارة أجسامنا، التي تولد الأشعة تحت الحمراء، قد تضرب بعض الخلايا العصبية في البعوض، مما يؤدي إلى تنشيطها عن طريق تسخينها. وهذا من شأنه أن يمكن البعوض من اكتشاف الإشعاع بشكل غير مباشر.

لقد عرف العلماء أن أطراف قرون الاستشعار لدى البعوض تحتوي على خلايا عصبية تستشعر الحرارة. وقد وجد الفريق أن إزالة هذه الأطراف يؤدي إلى القضاء على قدرة البعوض على اكتشاف الأشعة تحت الحمراء.

وقد تمكن مختبر آخر من تحديد البروتين الحساس للحرارة TRPA1 في نهاية الهوائي. ولاحظ فريق جامعة سانتا باربرا أن البعوض الذي لا يمتلك جين TRPA1 الوظيفي، والذي يشفر البروتين، لا يستطيع اكتشاف الأشعة تحت الحمراء.

يحتوي طرف كل هوائي على هياكل مثبتة في حفرة مناسبة لاستشعار الإشعاع. تحمي الحفرة الوتد من الحرارة الموصلة والحملية، مما يسمح للإشعاع تحت الأحمر عالي الاتجاه بالدخول وتسخين الهيكل. ثم يستخدم البعوض TRPA1 – مستشعر درجة الحرارة – للكشف عن الأشعة تحت الحمراء.

نطاق الكشف عن البعوض بالأشعة تحت الحمراء

قد لا تفسر قناة TRPA1 المنشطة بالحرارة وحدها النطاق الذي تستطيع البعوض من خلاله اكتشاف الأشعة تحت الحمراء. وقد لا يكون المستشعر الذي يعتمد حصريًا على هذا البروتين مفيدًا في النطاق 70 سم الذي رصده الفريق.

على هذه المسافة، من المحتمل ألا يكون هناك ما يكفي من الأشعة تحت الحمراء التي تم جمعها بواسطة هيكل الوتد في الحفرة لتسخينه بدرجة كافية لتنشيط TRPA1.

ولحسن الحظ، كانت مجموعة مونتيل قد اكتشفت في وقت سابق أن بعض بروتينات الرودوبسين في ذباب الفاكهة حساسة للغاية للزيادات الصغيرة في درجة الحرارة.

على الرغم من أن الرودوبسين كان من المعتقد في الأصل أنه عبارة عن كاشفات للضوء، إلا أن مجموعة مونتيل وجدت أن بعض أنواع الرودوبسين يمكن تحفيزها بواسطة مجموعة متنوعة من المحفزات.

اكتشف الباحثون أن البروتينات في هذه المجموعة متعددة الاستخدامات، إذ تشارك ليس فقط في الرؤية ولكن أيضًا في استشعار التذوق ودرجة الحرارة.

وبعد إجراء مزيد من التحقيقات، اكتشف الباحثون أن اثنين من الرودوبسينات العشرة الموجودة في البعوض يتم التعبير عنها في نفس الخلايا العصبية الهوائيّة مثل TRPA1.

حساسية البعوض للأشعة تحت الحمراء

أدى القضاء على TRPA1 إلى القضاء على حساسية البعوض للأشعة تحت الحمراء. لكن البعوض الذي يعاني من عيوب في أي من الرودوبسينات، Op1 أو Op2، لم يتأثر.

حتى إزالة كلا النوعين من الرودوبسين معًا لم يزيل حساسية البعوض للأشعة تحت الحمراء تمامًا، على الرغم من أنه أضعفها بشكل كبير.

وأشارت النتائج إلى أن الأشعة تحت الحمراء الحرارية الأكثر كثافة – مثل ما يختبره البعوض على مسافة أقرب (حوالي قدم واحدة) – تعمل على تنشيط TRPA1 بشكل مباشر.

وفي الوقت نفسه، يمكن تنشيط Op1 وOp2 بمستويات أقل من الأشعة تحت الحمراء الحرارية، ومن ثم تحفيز TRPA1 بشكل غير مباشر. ونظرًا لأن درجة حرارة جلدنا ثابتة، فإن زيادة حساسية TRPA1 تعمل فعليًا على توسيع نطاق مستشعر الأشعة تحت الحمراء للبعوض إلى حوالي 2.5 قدم.

التأثيرات الأوسع للدراسة

وقال شاندل إن نصف سكان العالم معرضون لخطر الإصابة بالأمراض التي ينقلها البعوض ، ويصاب حوالي مليار شخص بهذا المرض كل عام.

وعلاوة على ذلك، أدى تغير المناخ والسفر العالمي إلى توسيع نطاق بعوض الزاعجة المصرية خارج البلدان الاستوائية وشبه الاستوائية، مما أدى إلى وصول هذه البعوض إلى مناطق في الولايات المتحدة، مثل كاليفورنيا، حيث لم يكن موجودًا هناك قبل بضع سنوات فقط.

وقد يساعد اكتشاف الفريق في تحسين أساليب السيطرة على أعداد البعوض. على سبيل المثال، قد يؤدي دمج الأشعة تحت الحمراء الحرارية من مصادر حول درجة حرارة الجلد إلى زيادة فعالية مصائد البعوض.

وتساعد النتائج أيضًا في تفسير سبب كون الملابس الفضفاضة مفيدة بشكل خاص في منع لدغات البعوض، فالملابس الفضفاضة لا تمنع البعوض من الوصول إلى بشرتنا فحسب، بل تسمح أيضًا للأشعة تحت الحمراء بالتبدد بين بشرتنا والملابس، مما يجعل من الصعب على البعوض اكتشافها.

واختتم دي بيوبيان حديثه قائلاً: “على الرغم من صغر حجم البعوض، فإنه مسؤول عن وفيات بشرية أكثر من أي حيوان آخر. ويعزز بحثنا فهم كيفية استهداف البعوض للبشر ويقدم إمكانيات جديدة للسيطرة على انتقال الأمراض التي ينقلها البعوض”.