Ajungeți la fundul modului în care gândacii roșii de făină absorb apa prin fundul lor

Mărește / OMS nu fior la vederea unei secțiuni transversale microscopice a rectului unui gândac? Cu plăcere.

Kenneth Veland Halberg

Rareori avem timp să scriem despre fiecare poveste științifică cool care ne iese în cale. Așa că anul acesta, difuzăm din nou o serie specială de postări Douăsprezece zile de Crăciun, evidențiind o poveste științifică care a căzut printre crăpături în 2023, în fiecare zi, între 25 decembrie și 5 ianuarie. Astăzi: gândacii roșii de făină își pot folosi fundul să sugă apa din aer, ajutându-i să supraviețuiască în medii extrem de uscate. Oamenii de știință se concentrează asupra mecanismelor moleculare din spatele acestei abilități unice.

Cei umili gândac roșu de făină (Tribolium castaneum) este un dăunător comun de cămară care se hrănește cu cereale depozitate, făină, cereale, paste, biscuiți, fasole și nuci. Este o creatură remarcabil de rezistentă, capabilă să supraviețuiască în medii aspre aride datorită capacității sale unice de a extrage lichid nu doar din cereale și alte surse de hrană, ci și din aer. Face acest lucru deschizându-și rectul atunci când umiditatea din atmosferă este relativ ridicată, absorbind umiditatea prin acea deschidere și transformând-o în fluid care este apoi folosit pentru a hidrata restul corpului.

Oamenii de știință știu despre această abilitate de mai bine de un secol, dar biologii încep în sfârșit să ajungă la fundul (ahem) mecanismelor moleculare care stau la baza, potrivit unui Hârtia de martie publicat în Proceedings of the National Academies of Science. Acest lucru va informa cercetările viitoare despre cum să întrerupă acest proces de hidratare pentru a menține mai bine sub control populațiile de gândaci roșii, deoarece aceștia sunt foarte rezistenți la pesticide. De asemenea, pot rezista la niveluri chiar mai mari de radiații decât gândacii.

Există aproximativ 400.000 de specii cunoscute de gândaci care cutreieră planeta, deși oamenii de știință cred că ar putea fi peste un milion. În fiecare an, până la 20% din magazinele de cereale ale lumii sunt contaminate de gândaci roșii de făină, gărgăritori de cereale, gândaci de cartofi din Colorado și gândaci de făină confuzi, în special în țările în curs de dezvoltare. Gândacii roșii de făină, în special, sunt un organism model popular pentru cercetarea științifică privind dezvoltarea și genomica funcțională. Întregul genom a fost secvențial în 2008, iar gândacul împărtășește între 10.000 și 15.000 de gene cu musca fructelor (Drosophila), un alt cal de bătaie al cercetării genetice. Dar ciclul de dezvoltare al gândacului seamănă mai mult cu cel al altor insecte prin comparație.

Rectul majorității mamiferelor și insectelor absorb orice nutrienți și apă rămase din deșeurile corpului înainte de defecare. Dar rectul gândacului roșu al făinii este un model de ultra-eficiență în acest sens. Gândacul poate genera concentrații extrem de mari de sare în rinichii săi, permițându-i să extragă toată apa din propriile fecale și să recicleze acea umiditate înapoi în corpul său.

„Un gândac poate trece printr-un întreg ciclu de viață fără să bea apă lichidă.” a spus coautorul Kenneth Veland Halberg, biolog la Universitatea din Copenhaga. „Acest lucru se datorează rectului lor modificat și rinichilor aplicați îndeaproape, care împreună formează un sistem multi-organ care este foarte specializat în extragerea apei din alimentele pe care le consumă și din aerul din jurul lor. De fapt, se întâmplă atât de eficient încât Probele de scaun pe care le-am examinat erau complet uscate și fără nicio urmă de apă.” Întreaga structură rectală este învelită într-o membrană perinefrică.

Halberg şi colab. a luat imagini la microscopie electronică cu scanare ale structurii rectale a gândacului. Ei au luat, de asemenea, mostre de țesut și au extras ARN de la gândacii roșii de făină cultivați în laborator, apoi au folosit o nouă resursă numită BeetleAtlas pentru analiza expresiei lor genice, vânând orice gene relevante.

O anumită genă a fost exprimată de șaizeci de ori mai mult în rect decât oricare alta. Halberg și echipa sa au dezvoltat în cele din urmă un grup de celule secundare între rinichii gândacului și sistemul circulator numit leptophragmata. Această constatare sprijină studiile anterioare care au sugerat că aceste celule ar putea fi relevante, deoarece sunt singurele celule care întrerup membrana perinefrică, permițând astfel transportul critic al clorurii de potasiu. Traducere: celulele pompează săruri în rinichi pentru a colecta mai bine umiditatea din fecale sau din aer.

Următorul pas este să construim pe aceste noi perspective pentru a descoperi cum să întrerupem procesul unic de hidratare al gândacului la nivel molecular, poate prin proiectarea de molecule care pot face acest lucru. Aceste molecule ar putea fi apoi încorporate în pesticide mai ecologice care vizează gândacul roșu de făină și dăunători similari, fără a dăuna insectelor mai benefice precum albinele.

„Acum înțelegem exact ce gene, celule și molecule sunt în joc în gândacul atunci când acesta absoarbe apă în rect. Aceasta înseamnă că ne înțelegem brusc cum să perturbăm aceste procese foarte eficiente, de exemplu, prin dezvoltarea de insecticide care vizează. această funcție și, făcând asta, ucideți gândacul”, spuse Halberg. „Există de douăzeci de ori mai multă biomasă de insecte pe Pământ decât cea a oamenilor. Ele joacă roluri cheie în majoritatea rețelelor trofice și au un impact uriaș asupra practic tuturor ecosistemelor și asupra sănătății umane. Deci, trebuie să le înțelegem mai bine”.

DOI: PNAS, 2023. 10.1073/pnas.2217084120 (Despre DOI).