Studie zeigt: Mücken spüren Infrarotstrahlung der Körperwärme und können so Menschen aufspüren

Während ein Mückenstich oft nur eine vorübergehende Plage ist, kann er in vielen Teilen der Welt Angst machen. Eine Mückenart, Aedes aegypti, verbreitet Viren, die jedes Jahr über 100.000.000 Fälle von Dengue-Fieber, Gelbfieber, Zika und anderen Krankheiten verursachen. Eine andere, Anopheles gambiae, verbreitet den Parasiten, der Malaria verursacht. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass allein Malaria jedes Jahr über 400.000 Todesfälle verursacht. Tatsächlich hat ihre Fähigkeit, Krankheiten zu übertragen, Mücken den Titel des tödlichsten Tieres eingebracht.

Männliche Mücken sind harmlos, doch weibliche Mücken brauchen Blut für die Entwicklung ihrer Eier. Es ist daher keine Überraschung, dass seit über 100 Jahren intensiv erforscht wird, wie Mücken ihre Wirte finden. In dieser Zeit haben Wissenschaftler herausgefunden, dass diese Insekten sich nicht auf ein einziges Signal verlassen. Stattdessen integrieren sie Informationen von vielen verschiedenen Sinnen über verschiedene Entfernungen hinweg.

Ein Team unter der Leitung von Forschern der UC Santa Barbara hat dem dokumentierten Repertoire der Mücke einen weiteren Sinn hinzugefügt: die Infrarotwahrnehmung. Infrarotstrahlung von einer Quelle mit etwa der Temperatur der menschlichen Haut verdoppelte das Wirtssuchverhalten der Insekten insgesamt, wenn sie mit CO2 und menschlichem Geruch kombiniert wurde.

Die Mücken steuerten bei der Wirtssuche überwiegend auf diese Infrarotquelle zu. Die Forscher entdeckten auch, wo sich dieser Infrarotdetektor befindet und wie er auf morphologischer und biochemischer Ebene funktioniert. Die Ergebnisse sind im Journal ausführlich beschrieben. Natur.

„Die von uns untersuchte Mücke, Aedes aegypti, ist außergewöhnlich geschickt darin, menschliche Wirte zu finden“, sagte Co-Leiter Nicolas DeBeaubien, ein ehemaliger Doktorand und Postdoktorand an der UCSB im Labor von Professor Craig Montell. „Diese Arbeit wirft neues Licht darauf, wie sie das schaffen.“

Geführt durch thermisches Infrarot

Es ist gut belegt, dass Mücken wie Aedes aegypti mehrere Signale nutzen, um Wirte aus der Ferne anzupeilen. „Dazu gehören CO2 aus unserer Ausatemluft, Gerüche, Sehvermögen, [convection] Wärme von unserer Haut und Feuchtigkeit von unserem Körper“, erklärt Co-Leitautor Avinash Chandel, derzeit Postdoc an der UCSB in Montells Gruppe.

„Allerdings hat jeder dieser Hinweise seine Grenzen.“ Die Insekten haben ein schlechtes Sehvermögen und starker Wind oder schnelle Bewegungen des menschlichen Wirts können die Wahrnehmung ihrer chemischen Sinne beeinträchtigen. Daher fragten sich die Autoren, ob Mücken einen zuverlässigeren Richtungshinweis wie Infrarotstrahlung wahrnehmen könnten.

Innerhalb von etwa 10 cm können diese Insekten die von unserer Haut aufsteigende Wärme spüren. Und sie können die Temperatur unserer Haut direkt spüren, sobald sie landen. Diese beiden Sinne entsprechen zwei der drei Arten der Wärmeübertragung: Konvektion, Wärme, die von einem Medium wie Luft abgeführt wird, und Leitung, Wärme durch direkte Berührung.

Aber auch Wärmeenergie kann größere Entfernungen zurücklegen, wenn sie in elektromagnetische Wellen umgewandelt wird, im Allgemeinen im Infrarotbereich (IR). Die IR-Strahlung kann dann alles erhitzen, was sie trifft. Tiere wie Grubenottern können die thermische IR-Strahlung von warmer Beute wahrnehmen, und das Team fragte sich, ob Mücken wie Aedes aegypti dazu ebenfalls in der Lage sind.

Die Forscher setzten weibliche Mücken in einen Käfig und maßen ihre Wirtssuche-Aktivität in zwei Zonen. Jede Zone wurde menschlichen Gerüchen und CO2 in der gleichen Konzentration ausgesetzt, die wir ausatmen. Allerdings wurde nur eine Zone auch Infrarotstrahlung von einer Quelle mit Hauttemperatur ausgesetzt. Eine Barriere trennte die Quelle von der Kammer und verhinderte den Wärmeaustausch durch Leitung und Konvektion. Dann zählten sie, wie viele Mücken anfingen, zu sondieren, als suchten sie nach einer Vene.

Durch Hinzufügen von thermischer Infrarotstrahlung aus einer 34º Celsius heißen Quelle (etwa Hauttemperatur) verdoppelte sich die Wirtssucheaktivität der Insekten. Damit ist Infrarotstrahlung ein neu dokumentierter Sinn, mit dem Mücken uns orten. Und das Team entdeckte, dass sie bis zu einer Entfernung von etwa 70 cm (2,5 Fuß) wirksam bleibt.

„Was mich an dieser Arbeit am meisten beeindruckt hat, war, wie stark IR letztendlich als Hinweis diente“, sagte DeBeaubien. „Nachdem wir alle Parameter richtig eingestellt hatten, waren die Ergebnisse unleugbar klar.“

Frühere Studien konnten keine Auswirkungen von thermischem Infrarot auf das Verhalten von Mücken beobachten, doch der leitende Autor Craig Montell vermutet, dass dies an der Methodik liegt. Ein eifriger Wissenschaftler könnte versuchen, die Auswirkungen von thermischem Infrarot auf Insekten zu isolieren, indem er nur ein Infrarotsignal ohne weitere Hinweise präsentiert.

„Aber ein einzelner Hinweis allein stimuliert keine Wirtssuche-Aktivität. Nur im Zusammenhang mit anderen Hinweisen, wie erhöhtem CO2-Gehalt und menschlichem Geruch, macht IR einen Unterschied“, sagte Montell, der Duggan und angesehene Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie. Tatsächlich fand sein Team bei Tests mit nur IR dasselbe heraus: Infrarot allein hat keine Wirkung.

Ein Trick zur Infrarot-Erkennung

Mücken können thermische Infrarotstrahlung nicht auf die gleiche Weise wahrnehmen wie sichtbares Licht. Die Energie der Infrarotstrahlung ist viel zu gering, um die Rhodopsinproteine ​​zu aktivieren, die sichtbares Licht in den Augen von Tieren wahrnehmen. Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als etwa 700 Nanometern aktiviert Rhodopsin nicht, und die durch Körperwärme erzeugte Infrarotstrahlung liegt bei etwa 9.300 Nanometern. Tatsächlich wird kein bekanntes Protein durch Strahlung mit so langen Wellenlängen aktiviert, sagte Montell. Aber es gibt eine andere Möglichkeit, Infrarot zu erkennen.

Betrachten wir die von der Sonne abgegebene Wärme. Die Wärme wird in Infrarotstrahlung umgewandelt, die durch den leeren Raum strömt. Wenn die Infrarotstrahlung die Erde erreicht, trifft sie auf Atome in der Atmosphäre, überträgt Energie und erwärmt den Planeten. „Hier wird Wärme in elektromagnetische Wellen umgewandelt, die wiederum in Wärme umgewandelt werden“, sagte Montell. Er stellte fest, dass die von der Sonne ausgehende Infrarotstrahlung eine andere Wellenlänge hat als die von unserer Körperwärme erzeugte Infrarotstrahlung, da die Wellenlänge von der Temperatur der Quelle abhängt.

Die Autoren dachten, dass unsere Körperwärme, die Infrarotstrahlung erzeugt, möglicherweise bestimmte Neuronen in der Mücke treffen und diese durch Erwärmung aktivieren könnte. Dadurch könnten die Mücken die Strahlung indirekt wahrnehmen.

Wissenschaftler wissen, dass die Spitzen der Fühler von Moskitos über wärmeempfindliche Neuronen verfügen. Und das Team entdeckte, dass das Entfernen dieser Spitzen die Fähigkeit der Moskitos, Infrarot wahrzunehmen, zerstörte.

Tatsächlich fand ein anderes Labor am Ende der Antenne das temperaturempfindliche Protein TRPA1. Und das UCSB-Team stellte fest, dass Tiere ohne ein funktionsfähiges trpA1-Gen, das für das Protein kodiert, IR nicht erkennen konnten.

Die Spitze jeder Antenne hat eine Stift-in-Grube-Struktur, die sich gut zum Erfassen von Strahlung eignet. Die Grube schirmt den Stift vor Wärmeleitung und Konvektion ab, sodass die stark gerichtete Infrarotstrahlung eindringen und die Struktur erwärmen kann. Die Mücke verwendet dann TRPA1 – im Wesentlichen einen Temperatursensor –, um Infrarotstrahlung zu erfassen.

Eintauchen in die Biochemie

Die Aktivität des hitzeaktivierten TRPA1-Kanals allein könnte nicht vollständig erklären, über welchen Bereich Mücken IR wahrnehmen konnten. Ein Sensor, der ausschließlich auf diesem Protein beruht, ist in dem von der Forschergruppe beobachteten Bereich von 70 cm möglicherweise nicht nützlich. Bei dieser Entfernung wird von der Stift-in-Grube-Struktur wahrscheinlich nicht genügend IR gesammelt, um sie ausreichend zu erhitzen und TRPA1 zu aktivieren.

Glücklicherweise dachte Montells Gruppe, dass es empfindlichere Temperaturrezeptoren geben könnte, basierend auf ihren vorherige Arbeiten an Fruchtfliegen im Jahr 2011. Sie hatten einige Proteine ​​der Rhodopsin-Familie entdeckt, die recht empfindlich auf geringe Temperaturanstiege reagierten.

Obwohl man ursprünglich dachte, Rhodopsine seien ausschließlich Lichtdetektoren, fand Montells Gruppe heraus, dass bestimmte Rhodopsine durch eine Vielzahl von Reizen ausgelöst werden können. Sie entdeckten, dass Proteine ​​dieser Gruppe sehr vielseitig sind und nicht nur am Sehen, sondern auch an der Geschmacks- und Temperaturwahrnehmung beteiligt sind. Bei weiteren Untersuchungen entdeckten die Forscher, dass zwei der zehn in Mücken gefundenen Rhodopsine in denselben Antennenneuronen wie TRPA1 exprimiert werden.

Durch das Ausschalten von TRPA1 wurde die IR-Empfindlichkeit der Mücke eliminiert. Insekten mit Defekten in einem der Rhodopsine Op1 oder Op2 blieben davon jedoch unberührt. Selbst das Ausschalten beider Rhodopsine zusammen eliminierte die IR-Empfindlichkeit des Tiers nicht vollständig, obwohl es den Sinn deutlich schwächte.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass intensivere thermische Infrarotstrahlung – wie sie eine Mücke aus geringerer Entfernung (zum Beispiel etwa 30 cm) wahrnehmen würde – TRPA1 direkt aktiviert. Op1 und Op2 können dagegen bei niedrigerer thermischer Infrarotstrahlung aktiviert werden und dann indirekt TRPA1 auslösen. Da unsere Hauttemperatur konstant ist, erweitert eine Erhöhung der Empfindlichkeit von TRPA1 die Reichweite des Infrarotsensors der Mücke effektiv auf etwa 75 cm.

Ein taktischer Vorteil

Die Hälfte der Weltbevölkerung ist von durch Mücken übertragenen Krankheiten bedroht, und jedes Jahr infizieren sich etwa eine Milliarde Menschen, sagte Chandel. Darüber hinaus haben Klimawandel und weltweiter Reiseverkehr das Verbreitungsgebiet von Aedes aegypti über tropische und subtropische Länder hinaus ausgedehnt. Diese Mücken kommen in den USA mittlerweile an Orten vor, an denen sie vor wenigen Jahren noch nicht gefunden wurden, darunter Kalifornien.

Die Entdeckung des Teams könnte einen Weg bieten, die Methoden zur Eindämmung von Mückenpopulationen zu verbessern. So könnten Mückenfallen beispielsweise durch die Einbeziehung von thermischer Infrarotstrahlung aus Quellen mit Hauttemperatur effektiver werden. Die Ergebnisse helfen auch zu erklären, warum locker sitzende Kleidung besonders gut Stiche verhindert. Sie hält die Mücke nicht nur davon ab, unsere Haut zu erreichen, sondern ermöglicht auch, dass die Infrarotstrahlung zwischen unserer Haut und der Kleidung verteilt wird, sodass die Mücken sie nicht entdecken können.

„Trotz ihrer geringen Größe sind Mücken für mehr Todesfälle beim Menschen verantwortlich als jedes andere Tier“, sagte DeBeaubien. „Unsere Forschung verbessert das Verständnis dafür, wie Mücken Menschen angreifen, und bietet neue Möglichkeiten zur Kontrolle der Übertragung von durch Mücken übertragenen Krankheiten.“

Neben dem Montell-Team haben auch Vincent Salgado, ehemals bei BASF, und sein Student Andreas Krumhotz an dieser Studie mitgewirkt.