Insecten hebben te maken met een breed scala aan omgevingsfactoren om te kunnen gedijen – ziekte, droogte en habitatveranderingen. Wetenschappers hopen dat het bestuderen van de biologie en het gedrag van insecten mensen kan helpen om te gaan met problemen van klimaatverandering tot ziektebestrijding, ploegendienst en zelfs een jetlag.

De studie van biologische klokken bij planten en dieren staat bekend als chronobiologie. Bugs bieden een goed testmodel om dergelijke attributen te bestuderen, die belangrijk zijn voor dieren om hun activiteiten te reguleren, metabolisme en ontwikkeling op dagelijkse en seizoensgebonden basis. Aan het Instituut voor Entomologie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen, het InPhoTime-project, gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad (ERC) van de EU, heeft de moleculaire ritmes onderzocht die dieren helpen klokkijken.

In oktober, de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde 2017 werd gezamenlijk toegekend aan professor Jeffrey C. Hall, Professor Michael Rosbash en Professor Michael W. Young voor hun ontdekkingen van moleculaire mechanismen die het circadiane ritme regelen, gemaakt door de studie van fruitvliegen.

Dr. David Doležel, wie leidt InPhoTime, werkte met Prof. Hall tijdens zijn postdoctoraat in de VS aan circadiaanse klokken toen hij op een idee kwam. "Alle organismen, inclusief mensen en vliegen, een klok hebben om te weten hoe laat het is, " zei hij. "Het is gunstig voor organismen om te weten of het ochtend of avond is. evenzo, als we naar sommige organismen kijken … is het gunstig om te anticiperen op seizoensveranderingen … vooral voor organismen die afhankelijk zijn van voedselvoorziening en weer zoals insecten."

Het doel van Dr. Doležel is om een ​​moleculaire verklaring te vinden voor hoe insecten kortere dagen meten in de aanloop naar de winter door middel van een biologisch mechanisme dat bekend staat als de fotoperiodieke timer.

"Zelfs als de temperatuur in augustus nog hoog is, bijvoorbeeld, veel insecten of planten weten dat het seizoen snel zal veranderen, " zei hij. Dergelijke kennis informeert dieren dat het tijd is om hun gedrag voor de winter aan te passen, hen te waarschuwen wanneer ze in diapauze moeten gaan (een toestand die vergelijkbaar is met de winterslaap bij zoogdieren) of wanneer ze hun jongen moeten krijgen zodat ze volgroeid zijn voor de vorst.

Zijn team bestudeert de winterharde rode vuurwants, Pyrrhocoris apterus , om de biologische mechanismen te demonstreren die ze hiervoor gebruiken. Ze onderzoeken zenuwverbindingen van hun samengestelde ogen naar hun hersenen en laten zien hoe genen hun fotoperiodieke timer regelen.

"Ze zijn groot genoeg om microchirurgie uit te voeren en na specifieke operaties leven de bugs zelfs langer dan niet-geopereerde individuen. En nu kunnen we genbewerking doen met CRISPR (een genoombewerkingstool), "Zei Dr. Doležel. "Deze combinatie van klassieke insectenfysiologie met recente moleculaire genetica maakt ons modelorganisme aantrekkelijk."

"Vorige week kregen we de eerste mutanten, waar we de basis van de circadiane klok hebben veranderd, zodat de bug aanneemt dat de dag 22 uur lang is in plaats van 24."

gen variaties

De onderzoekers zijn ook van plan om de genen van insecten te veranderen om de paden te laten zien die hun fotoperiodieke timers gebruiken, evenals bevestigen dat genvariaties in hun respectieve habitats seizoensgebonden gedrag beïnvloeden.

Vuurwantsen zijn ideale onderwerpen omdat ze niet kunnen vliegen en worden aangetroffen in opmerkelijk verschillende omgevingen. Dr. Doležel verwacht dat insecten die in Scandinavië onder de middernachtzon leven, andere varianten van genen (allelen) hebben dan hun meer zuidelijke neven. Vervolgens kunnen ze genetische betrokkenheid in de fotoperiodieke timer testen door specifieke genbewerking van bugs die afkomstig zijn uit verschillende gebieden.

"Als je genetische varianten vindt die functioneel betrokken zijn bij insecten in verschillende populaties, waardoor ze in feite in Noord-Europa en Zuid-Europa kunnen leven - verschillende omgevingen - het zou best aardige informatie kunnen zijn die enkele genetische variaties bij mensen zou kunnen verklaren, " hij zei.

Genetische variabiliteit kan verklaren waarom sommige mensen ernstige problemen hebben met jetlag en wisselende seizoenen, terwijl anderen nauwelijks effecten voelen.

Sociale insecten

Net zoals hoe menselijke steden gezondheidsafdelingen hebben om uitbraken van ziekten te controleren, sociale insecten zoals mieren en bijen die dicht bij elkaar leven, moeten speciale maatregelen nemen om te voorkomen dat ziekte-epidemieën hun kolonies uitroeien. Leven in sociale groepen, of het nu een mens of een insect is, leidt tot een hoger risico op de verspreiding van ziekten.

Dr. Sylvia Cremer bestudeerde coöperatieve ziekteverdediging bij tuinmieren, Lasius verwaarlozing , in het door de ERC gefinancierde SOCIALVACCINES-project aan het Institute of Science and Technology Austria (IST Austria). Ze ontdekte dat mieren een collectieve verdediging hebben ontwikkeld naast individuele immuniteit om 'sociale immuniteit' tegen infecties te creëren.

Mieren opruimen van dode dieren of foerageren in de bodem maakt schimmelinfectie een veel voorkomende bedreiging. Als mieren terugkomen van foerageren, ze vond, ze krijgen een gezondheidscheck van andere leden van hun kolonie.

"Je moet je voorstellen dat ze terugkomen naar het nest bedekt met sporen in poedervorm. Dus wat de anderen doen, is hun monddelen gebruiken om al deze besmettelijke deeltjes te verwijderen en hun gif (mierenzuur) toe te passen op alle sporen die ze niet kwijt kunnen raken , om hun ontkieming te voorkomen."

Dr Cremer, een evolutiebioloog, vroegen zich af waarom mieren het risico zouden nemen om zelf besmet te raken om hun collega's te helpen desinfecteren.

"We hebben geconstateerd dat er inderdaad nogal wat overdracht van ziekteverwekkers plaatsvindt tijdens deze sanitaire zorg, maar dat het immuunsysteem van de individuele nestgenoten het aankan, omdat het hun immuunrespons verhoogt, " zei ze. "Het beschermt hen tegen latere uitdagingen van dezelfde ziekteverwekker."

Het functioneert op vrijwel dezelfde manier als menselijke samenlevingen groepsimmuniteit ontwikkelen tegen het vaccineren van kinderen tegen bepaalde ziekten.

"Als je erover nadenkt, het is heel logisch dat sociale groepen veel geavanceerde gezondheidszorgsystemen hebben ontwikkeld omdat ze een veel grotere dreiging van ziekteverspreiding lopen, ' zei dokter Cremer.

Kunnen er lessen zijn in het sociale gezondheidsgedrag van mieren voor mensen?

"Soms neem je beslissingen in de medische zorg die misschien niet de beste zijn op populatieniveau, " zei ze. "Je zou bijvoorbeeld een patiënt behandelen met alle antibiotica die er zijn, zelfs als dit op populatieniveau het risico op antibioticaresistentie verhoogt."

Veel insecten worden ook geconfronteerd met bedreigingen voor hun gezondheid door klimaatschokken zoals droogte of ongebruikelijk weer.

Dr. Inon Scharf bekeek hoe insecten evolueren om zich aan dergelijke schokken en klimaatverandering aan te passen in het door de EU gefinancierde CLIMINSECTS-project aan de Universiteit van Tel Aviv in Israël.

Lichaamsgrootte

"Het idee is, dat wanneer de temperatuur stijgt, de lichaamsgrootte van gewervelde dieren zou moeten afnemen en dit is te wijten aan een biologische regel die de regel van Bergmann wordt genoemd, " Dr. Scharf zei. "Het heeft te maken met het warmteverlies van organismen. Als je klein bent, verlies je sneller warmte dan als je groot bent, en daarom is het beter om klein te zijn waar het warm is." Dat is te zien aan de grootte van dieren, voornamelijk vogels en zoogdieren, afnemen naarmate de aarde warmer wordt.

Hij was benieuwd of hetzelfde zou gelden voor met name insecten en kevers, vanwege hun gemeenschappelijkheid - ongeveer 25% van alle niet-microscopische diersoorten op aarde zijn kevers.

"We hebben een paar duizend kevers van 30 soorten gemeten. We wilden zien of ze overeenkomen met wat er wordt gevonden over lichaamsgrootte bij gewervelde dieren ... en we hebben geen dergelijke trend gevonden. Dus kevers worden niet kleiner met het verzameljaar, " zei hij. "Andere factoren, zoals lokale omstandigheden en beschikbaar voedsel zijn waarschijnlijk niet minder belangrijk dan het klimaat."

Hij ontdekte dat het effect van temperatuur op bloemkevers, als modelorganisme voor experimenten, is niet eenvoudig en verschilt afhankelijk van de levensfase waarin ze aan stress worden blootgesteld.

"Als we de volwassenen blootstellen aan lage temperaturen, reageren ze beter op verdere ontberingen ... ze acclimatiseren, "Zei Dr. Scharf. "Maar als je ze als larven aan koude temperaturen blootstelt, ze reageren als volwassenen minder goed op koude temperaturen. Dus het daadwerkelijk opvoeden onder warmere temperaturen verbetert hun koudetolerantie."

Hij ontdekte ook dat het wennen aan koude schokken de kevers helpt om andere spanningen langer te weerstaan, zoals uithongering of overmatige hitte.

"Het is verrassend... dat er geen acclimatisatie is tijdens de jeugdfase, alleen het volwassen stadium. Hogere temperaturen kunnen hen later zelfs helpen, " hij zei.

Dat kan belangrijk zijn om te begrijpen hoe klimaatverandering en stijgende temperaturen in de omgeving de levenscycli van insecten kunnen versterken of verstoren, met gevolgen voor de landbouw en ongediertebestrijding.