Человек и комар: рандеву, переходящее в сафари
Летняя ночь. Вы устроились в постели поудобнее и пытаетесь заснуть. Но тут тишину нарушает узнаваемый писк, и вы понимаете, что в комнате не одни. В комнату заглянул комар, ему нужна ваша кровь. Делиться ею вы не желаете — начинается схватка. Знакомый сценарий? Разберемся в нем детально.
Непрошеным гостем — строго говоря, гостьей — скорее всего, оказалась самка комара-пискуна Culex pipiens. Она издалека учуяла ваш запах и без оглядки полетела на него. Еще несколько недель назад, когда она только вылупилась из куколки, ваша ночная гостья питалась исключительно соками растений (этой же диеты на протяжении всей жизни придерживаются самцы). Кровь ей понадобилась, чтобы набраться ресурсов и продолжить свой род.
В случае успеха, самка комара отложит яйца в стоячий водоём или сырой грунт на его берегу. В кладке будет от 30 до 300 яиц. Через пару дней из них вылупятся водоплавающие личинки, которые будут фильтровать воду, отбирая из неё питательные частички. Через 20 дней такой жизни личинка превращается в куколку, из которой через неделю выпорхнет уже взрослое насекомое.
Зрение и слух у вашей гостьи развиты хуже обонятельных рецепторов, что расположены на специальных органах — антеннах — которыми снабжены все насекомые и ракообразные. Шлейф углекислого газа от дыхания — вот, что будет выдавать в вас крупное теплокровное животное. Поймав его в радиусе 50 метров от своей локации, насекомое двигалось по градиенту запаха. Чтобы быть уверенным в природе источника углекислого газа, по градиенту которого летел комар, насекомое ориентировалось и на летучие молекулы, что выделяют кожа и микрофлора жертвы. В первую очередь, это пары молочной кислоты, алломоны и каймороны.
Возбудитель малярии, попав в организм человека, работает еще и «наводчиком» для комаров рода Anopheles. Размножаясь в эритроцитах, паразит вырабатывает вещество 4-гидрокси-3-метил-бут-энил пирофосфат, которое воздействует на метаболизм красных кровяных телец и заставляет их вырабатывать больше СО2 и других привлекающих комаров пахучих соединений. Так плазмодий увеличивает шансы комара найти зараженную жертву — и свои шансы заразить очередного человека. Комары-пискуны в подобных союзах замечены не были.
Другие пахучие молекулы, которые тоже выделяет наша кожа, способны наоборот — напрочь отбить нюх у комаров. Таким веществом служит, например, 1-метилпиперазин. Так что если вам повезло с генами и ваша кожа вырабатывает много метилпиперазина, то вы будете для малярийных комаров невидимкой. По-видимому, именно генетические факторы определяют привлекательность разных людей и для других видов комаров.
В 2015 году ученые поместили комаров в камеру, от которой отходил Y-образный тоннель, и заставили нескольких близнецов поместить в «рога» этого тоннеля руки. Установив «приманки» в тоннеле, исследователи затем открывали заслонку камеры с комарами, и те устремлялись к одной или другой руке, в зависимости от своих предпочтений. Если на обоих концах камеры находились руки однояйцевых — генетически идентичных — близнецов, то комары распределялись по тоннелю примерно 50 на 50. В случае с разнояйцевыми близнецами распределение комаров уже было неравным.
Однако какие именно гены замешаны в привлекательности отдельных людей для комаров, вопрос пока открытый. Предположений два: гены могут определять выработку веществ, которые привлекают комаров — или наоборот, отпугивают их. Эти гипотезы отнюдь не исключают друг друга. Вполне возможно, что привлекательность для комаров определяется не одним конкретным геном, а несколькими.
Приблизившись, комар добавляет к нюху еще и «тепловизоры». С их помощью самки способны видеть в инфракрасном спектре и выбирать на жертве наиболее теплый участок. В нем кожа, как правило, тоньше, ее легче будет прокусить.
На такой дистанции прежде незаметный охотник становится слышимым.
Выдают комара жужжальца. Жужжальца — это видоизмененная вторая пара крыльев, которая вибрирует в противофазе с крыльями. Комары, мошки, слепни, мухи — каждый из известных нам 160 тысяч видов двукрылых обладают ими. С механической точки зрения жужжальца — вибрационные гироскопы, подобные которым используют в квадрокоптерах, фотоаппаратах и смартфонах для стабилизации полёта или изображения камеры. Насекомые же, если их лишить жужжалец, как и коптеры без гироскопа, теряют возможность летать.
Механика полёта комара достаточно необычна: они машут крыльями очень часто — около 800 раз в секунду — при этом ход крыла относительно их размера тела и относительно других насекомых довольно невелик. Чтобы описать этот полёт, учёные смоделировали полёт комара и решили для него систему уравнений Навье-Стокса. Оказалось, полёт с такими характеристиками свойственен только комарам и больше никому из животного мира. Его отличают три характеристики: завихрения потоков воздуха у передней кромки крыла, за задней кромкой крыла и сопротивление вращению, благодаря тем самым жужжальцам.
Вибрации жужжалец мелких плодовых мушек дрозофил не слышны для большинства людей. От насекомых побольше, например, комаров, звук уже ощутим. Самцы Culex pipiens пищат «фальцетом»: если измерить частоту звука от их полёта, получится 328 ± 3 герц. В сравнении с ними самки «басят»: звук от них на частоте 307 ± 8 герц. Эта разница в звучании полов нужна комарам для размножения: даже искусственные звуки «на частоте самок» привлекают самцов.
Он большой и значит малярийный!
Если же в комнату прилетел гигантский комар (в народе их часто называют «малярийными»), то бояться его не стоит. Малярию он не разносит. Скорее всего, это комар-долгоножка из семейства Tipulidae, который по образу жизни ближе к бабочке, нежели кровососущим комарам. Их длинные хоботки тонки, хрупки и совершенно не годятся для прокалывания кожи. С их помощью комары-долгоножки пьют нектар, исключительно которым и питаются взрослые особи.
Вот источник звука стал еще ближе и перестал пищать — наверняка приземлился в месте предполагаемого укуса. Взмах рукой — пищание продолжилось. Сон нарушен, и жертва сама стала охотником: теперь вы должны во что бы то ни стало поймать комара, иначе уснуть вам он не даст.
Избежать ладони комару помогла аэродинамика: ладонь рассекала воздух недостаточно стремительно, чтобы схватить комара, но достаточно быстро, чтобы создать вокруг турбулентные вихри воздуха. Эти вихревые потоки и помогли комару облететь ладонь. Помочь же избавиться от гостя может что угодно, что продлит длину руки. Тапок, газета, тетрадь или специальное оружие — мухобойка. Тогда же скорость в конечной точке орудия будет выше, чем у ладони, и комару будет не избежать физической встречи с орудием: ни турбулентные, ни ламинарные потоки ему уже не помогут.
Сценария ночного визита можно, впрочем, вообще не допустить.
Первое средство, которое безотказно помогает людям уже тысячелетия — физическая преграда. В наших широтах путь комарам в жилища чаще всего преграждают москитными сетками на окнах. В тропических странах, где встреча с насекомым может закончиться смертью не только для него, используют сетчатые пологи над кроватями, которые обеспечивают большую защиту.
Но лучше победу, конечно, одерживать еще до боя. Вот что вам в этом поможет:
Другая стратегия — сбить со следа. Комары ориентируются с помощью хеморецепторов, то есть по запаху. Хеморецепцию можно обмануть, используя эфирные масла. Эксперименты показывают, что запах эфирных масел эвкалипта и гвоздичного масла сбивают комаров со следа. Специалисты «Мосприроды» советуют ещё использовать чеснок в борьбе с комарами. Все эти средства считаются природными репеллентами — так называют вещества, отпугивающие насекомых, но не отравляющие их.
В основе синтетических репеллентов чаще всего лежит диэтилтолуамид — «ДЭТА». Их разработали для армии США и начали применять с 1946 года для действий в тропических регионах. Принцип его действия поначалу не был понятен: предполагали, что насекомым попросту не нравится запах средства. Уже спустя несколько десятилетий применения ДЭТА появились подозрения, что средство более не столь действенно, как было изначально.
Спустя 70 лет после применения ДЭТА учёные выяснили, что этот репеллент эффективен только против комаров, не знакомых с запахом средства. Исследователи прикрепили к антеннам комаров миниатюрные электроды, чтобы отследить возбуждение отдельных чувствительных единиц — сенсилл — при влиянии разных стимулов. При первом предъявлении комарам ДЭТА в их антеннах возникало мощное возбуждение, которое при повторных предъявлениях запаха становилось всё слабее и слабее, и в конце концов сходило на нет. Кроме того, исследователи предполагают, что комары благодаря высокой частоте смены поколений могут выработать наследуемую невосприимчивость к ДЭТА.
Широкое применение репеллентов на основе ДЭТА вызывает опасения ученых. Первые заявления о токсичности действующего вещества для человека появились ещё в 80-х, затем было установлено, что вещество легко проникает через слизистую носа в кровь, после чего в крови подскакивает содержание 8-гидрокси-2’-деоксигуанозина — одного из маркеров окислительного стресса ДНК. Повреждения ДНК, в свою очередь, могут инициировать онкологические заболевания, и в эксперименте на морских свинках эту гипотезу удалось подтвердить. Недавние исследования показали также, что ДЭТА вызывает эпигенетические изменения в клетках и эпимутации сперматозоидов. Последствия таких изменений до конца не выяснены.
Фумигаторы же устроены несколько иначе. На картонную пластинку, матрицу из спрессованной древесной муки (так устроены спирали) нанесен раствор инсектицида. Чаще всего используют производные аллетрина. В высоких концентрациях аллетрин действует как нейропаралитический яд: он вызывает нарушение работы натриевых каналов на синаптических мембранах, из-за чего нарушается нервная проводимость. Сначала отравленные насекомые ведут себя гиперактивно, затем у них нарушается координация движений, начинаются конвульсии, паралич, а при длительном действии инсектицида наступает смерть.
По данным ВОЗ, использование фумигаторов на основе аллетрина не представляет опасности для человека при соблюдении рекомендаций. Для всех теплокровных в целом аллетрин слаботоксичен.
В составе жидкости для электроиспарителя содержится 1,6 процента аллетрина. Во флаконе, рассчитанном на 30 ночей, 21,9 миллилитра жидкости, плотность которой примерно равна плотности воды. То есть аллетрина в одном флаконе около 350 миллиграммов. Токсикологические тесты на крысах показали, что доза, при которой умирает половина выборки, — так называемая ЛД50 — составляет 685 миллиграммов на каждый килограмм массы для самок и 1100 — для самцов. При пероральном (через рот) введении. Если допустить, что человек — это 60-килограммовая крыса, то для получения ЛД50 мужчине надо подлить в суп 189 флаконов фумигатора, а женщине — 118. То есть комара фумигатор наверняка погубит, а человека — вряд ли.
Попытка убить непрошенную самку газетой провалилась, она решила переждать вспышку агрессии над шкафом, под самым потолком. Вскоре в комнате стало спокойно, и она продолжила действовать.
Самка Culex pipiens не сразу определяет место для укуса. Сначала она ощупывает область своими ногами, чувствительные волоски на которых оснащены хеморецепторами, подобные тем, что находятся и на её антеннах. Как именно она решает, в каком месте кусать, до конца не ясно. Контакт рецепторов на ногах с ДЭТА вызывает возбуждение чувствительных клеток и, как правило, отпугивает насекомое. Контакт с молекулами молочной кислоты тоже вызывает возбуждение рецепторов, но комар не улетает.
Ощупав область как следует, комар пускает в ход свой хоботок, который устроен довольно сложно. Большая его часть — это видоизмененная трубочковидная нижняя губа. В неё спрятан ротовой аппарат колюще-сосущего типа. В нижней части губы находится утолщение, именно в нём находятся пилочковидные челюсти, которыми комар прогрызает маленькое отверстие в коже, погружает хоботок до уровня капилляров и сосет им кровь, наполняя ею кишечник.
Во время укуса комары применяют очередное химическое оружие: в место укуса они впрыскивают антикоагулянты. Мы регулярно наносим незначительные повреждения стенкам мелких капилляров. На них незамедлительно реагирует система свёртывания крови, и на месте повреждения вскоре образуется тромб. Комарам же необходимо обойти нашу сложную систему защиты от повреждений сосудов, чтобы вдоволь напиться, а кровь не встала комом в их кишечнике.
Самки Culex pipiens предпочли нектару кровь как пищу, богатую белками. Аминокислоты из белков человеческой крови пойдут на синтез собственных яйцеклеток, затем самки перейдут к спариванию и продолжению жизненного цикла. Так уж он устроен у кровососущих комаров, что без крови не обойтись. По крайней мере, раньше так было.
Уже многие поколения комаров приспособились к существованию в городской среде, что стало сказываться на облике и образе жизни «городских» комаров. Они селятся в подтапливаемых городских подвалах и выглядят зачастую мельче своих предков.
Энтомологи регулярно дискутируют, не выделить ли городских комаров в отдельный таксон — вид или хотя бы подвид, — ведь они приобрели уже немало отличительных не только во внешнем виде, но и в жизненном цикле. Некоторые популяции городских комаров даже научились приступать к размножению без крови теплокровных. Только яиц в их кладках получается меньше.
С выделением городских комаров в отдельный таксон есть несколько проблем: их популяции из разных уголков планеты зачастую не похожи друг на друга. Да и с идентификацией отдельных особей бывают сложности. Некоторые городские комары выглядят как слабо развитые комары-пискуны. Поэтому статус у них пока неофициальный Culex pipiens forma molestus.
Molestus в переводе с латыни означает «навязчивый, назойливый». Потребность в кровососании у них, может, и отпала, но инстинкт — нет. В условиях теплых подвалов городские комары могут не затормаживать прохождение жизненного цикла в холодный период и донимать жителей домов круглый год. Возможно, их эволюционный путь пойдет и дальше в сторону автономии от человека, и когда-нибудь (а учитывая скорость смены поколений — дело десятков лет) появится форма, у которой инстинкт отомрет.
От редакции
В этот текст вносились правки. В оригинальной версии текста мы утверждали, что человеку нужно выпить 180 флаконов фумигатора для того, чтобы получить летальную дозу аллетрина. Как заметил наш читатель, наши расчеты изначально (а) конвертировали миллилитры в миллиграммы некорректно, а (б) в для расчета летальной дозы опирались на формулу 100 миллиграмм на килограмм массы. Что неверно. Мы исправили эту ошибку и приносим за нее свои извинения.