Ученые обнаружили, что насекомые могут определять время по влажности воздуха

Фото из открытых источников

Большинство животных отсчитывают время, используя знакомые сигналы. Свет подсказывает им, когда начинается и заканчивается день. Температура помогает сигнализировать о смене времен года. Вместе эти ритмы определяют, когда существа едят, спят, охотятся и передвигаются. Ученые обнаружили свидетельства существования еще одних часов, скрытых на виду у всех.

Новое исследование предполагает, что некоторые насекомые отслеживают ежедневные колебания влажности, используя влажность воздуха для отсчета времени, даже когда другие факторы остаются неизменными. Результаты исследования опубликованы в журнале npj Biological Timing and Sleep.

Полученные данные указывают на существование биологического механизма отсчета времени, который ранее никто не демонстрировал у животных, и который может помочь крошечным существам предвидеть засушливые условия еще до их наступления.

Этот механизм отсчета времени был обнаружен у насекомых. Работая в Университете Цинциннати (UC), группа исследователей под руководством Шай-Чи Чена обнаружила, что у нескольких видов насекомых суточные часы настроены на влажность, так же как и на свет и тепло.

Чен руководил работой в лаборатории биолога из Калифорнийского университета Джошуа Б. Бенуа. Команда изучает циркадные ритмы — внутренние циклы, которые работают в 24-часовом цикле и сообщают животному, когда ему нужно есть, двигаться и отдыхать.

Для насекомого размером с кунжутное семечко засуха опасна. Маленькие тела быстро теряют воду, поэтому умение распознавать переходы между сухостью и влажностью может стать вопросом выживания. Температура уже входила в этот список, что подтвердили предыдущие исследования.

Чтобы изолировать влажность, команде нужна была среда, в которой ничего не двигалось. Они построили герметичную камеру с климат-контролем в небольшом резервном помещении и подвергали насекомых циклической нагрузке: сначала 12 часов в сухом воздухе, затем 12 часов в душном воздухе.

В сухую погоду воздух казался сухим; во влажную погоду он стал тропическим, а влажность превысила 85 процентов. Свет, температура и атмосферное давление оставались неизменными, поэтому менялось только количество влаги в воздухе.

Насекомые мгновенно распределились по группам. Кровососущие клопы, жуки-пауки и два вида комаров проявляли наибольшую активность в сухие часы, активизируясь уже через час после высыхания воздуха. Один вид вел себя противоположным образом, достигнув пика активности, когда сухая погода сменилась влажной.

Реагировать на воздух — это одно. А вот поддерживать время без него — совсем другое. Поэтому команда изменила методику тестирования, заморозив влажность и поддерживая её на стабильном уровне в течение нескольких дней в цикле чередования влажного и сухого воздуха.

Поскольку чередование влажного и сухого времени суток больше не предвещало изменений, большинство насекомых продолжали следовать расписанию. Жуки-пауки и некоторые другие насекомые ритмично, суетливо и тихо перемещались в одно и то же время. Теперь расписание определялось их собственными действиями.

«Они воспринимают сигналы влажности как биологические часы», — сказал Бенуа. Никто раньше не демонстрировал подобного у животных. Такая устойчивость — признак настоящих биологических часов, а не рефлекса.

Рефлекс прекращается, когда исчезает его триггер; часы продолжают тикать, и насекомые продолжали свой путь еще несколько дней.

Для детальной работы команда обратилась к плодовым мушкам — незаменимым помощникам в биологических лабораториях. Когда они сдвинули график изменения влажности на 6 часов вперед, мушкам потребовалось всего 3 дня, чтобы синхронизироваться с новым временем.

Наиболее показательная деталь наблюдалась непосредственно перед каждым изменением воздушной среды. Здоровые мухи активизировались перед переходом от сухой к влажной среде, двигаясь еще до появления влаги. Это была не реакция, а предсказание – именно то, что дают животному работающие биологические часы.

Чтобы выяснить, что именно задавало этот ритм, команда провела эксперименты на мухах с поврежденными генами циркадных часов и на мухах с отключенными датчиками влажности. Обе группы показали неудовлетворительные результаты. Без сигнала гораздо больше мух бесцельно блуждали, чем обычные. Гены и сенсоры, по-видимому, необходимы. Потеря любого из них нарушает ритм.

Одна группа отказалась подыгрывать. Комары практически не двигались, как только перестали меняться режимы влажности, хотя и сидят рядом с плодовыми мушками на родословном дереве.

Для них влажный воздух сигнализирует о другом. Для комара же облако влаги обычно означает наличие поблизости теплого тела – дыхание и пот чего-то, что стоит укусить. В отдельном исследовании было установлено, что высушенные комары становятся более активными и чаще кусают.

Поскольку наличие влаги зависит от того, находится ли поблизости растение-хозяин, она появляется случайным образом, а не по ежедневному расписанию. Непредсказуемый сигнал не может служить ориентиром для часов. Комары, похоже, воспринимают его как предупреждение, а не как способ определить время.

До этой работы картина была довольно скудной. Единственный достоверный случай существования часов, работающих за счет влажности, был описан в статье о растении, а попытка найти такие часы в процессе вылупления мух в 2021 году потерпела неудачу.

Теперь это справедливо и для животных. Влажность — это настоящий биологический ритм для большинства насекомых, за исключением комаров. Знание того, что влажность воздуха может влиять на суточные биологические часы насекомых, дает исследователям новый способ прогнозирования их поведения.

Многие из исследованных видов распространяют болезни или наносят ущерб урожаю и питаются по ежедневному расписанию. Если составить карту этого расписания, то прогнозировать их перемещения станет проще. 

Команда Бенуа предполагает, что эти «часы влажности» незаметно работают у бесчисленного множества наземных насекомых, и их еще предстоит изучить. Следующая задача — выяснить, как они взаимодействуют со светом и температурой, и согласуются ли эти сигналы или противоречат друг другу.

Полученные результаты поднимают вопрос о человеке. Наши биологические часы в значительной степени зависят от света, поэтому любое влияние влажности будет незначительным, хотя Чен говорит, что это нельзя исключить. Незначительное оно или нет, но воздух может хранить больше нашего времени, чем мы предполагали.