Gli insetti devono far fronte a un'ampia gamma di fattori ambientali per prosperare:malattie, siccità e cambiamenti di habitat. Gli scienziati sperano che lo studio della biologia e del comportamento degli insetti possa aiutare gli esseri umani a far fronte ai problemi dal cambiamento climatico al controllo delle malattie, lavoro a turni e persino jet lag.

Lo studio degli orologi biologici nelle piante e negli animali è noto come cronobiologia. I bug forniscono un buon modello di test per studiare tali attributi, importanti per gli animali per regolare le loro attività, metabolismo e sviluppo su base giornaliera e stagionale. Presso l'Istituto di entomologia dell'Accademia ceca delle scienze, il progetto InPhoTime, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER) dell'UE, ha esaminato i ritmi molecolari che aiutano gli animali a leggere l'ora.

In ottobre, il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2017 è stato assegnato congiuntamente al Professor Jeffrey C. Hall, Il professor Michael Rosbash e il professor Michael W. Young per le loro scoperte sui meccanismi molecolari che controllano il ritmo circadiano effettuate attraverso lo studio dei moscerini della frutta.

Dottor David Doležel, chi guida InPhoTime, stava lavorando con il Prof. Hall durante il suo post-dottorato negli Stati Uniti sugli orologi circadiani quando gli venne un'idea. "Tutti gli organismi, compresi umani e mosche, avere un orologio per sapere che ora del giorno è, " ha detto. "È utile per gli organismi sapere se è mattina o sera. Allo stesso modo, se osserviamo alcuni organismi... è utile anticipare i cambiamenti stagionali... specialmente per gli organismi che dipendono dall'approvvigionamento alimentare e dal clima come gli insetti".

L'obiettivo del dott. Doležel è cercare di scoprire una spiegazione molecolare del modo in cui gli insetti misurano i giorni più brevi prima dell'inverno attraverso un meccanismo biologico noto come timer fotoperiodico.

"Anche se la temperatura è ancora calda ad agosto, ad esempio, molti insetti o piante sanno che presto la stagione cambierà, " ha detto. Tale conoscenza informa gli animali che è tempo di modificare il loro comportamento per l'inverno, avvisandoli quando entrare in diapausa (uno stato simile al letargo nei mammiferi) o quando avere i loro piccoli in modo che siano completamente cresciuti prima del gelo.

La sua squadra sta studiando il robusto insetto rosso fuoco, Pyrrhocoris apterus , per dimostrare i meccanismi biologici che usano per farlo. Stanno esaminando le connessioni nervose dai loro occhi composti al cervello e mostrano come i geni controllano il loro timer fotoperiodico.

"Sono abbastanza grandi da poter eseguire la microchirurgia e dopo operazioni specifiche gli insetti vivono anche più a lungo degli individui non operati. E ora possiamo eseguire l'editing genetico usando CRISPR (uno strumento di modifica del genoma), " Ha detto il dottor Doležel. "Questa combinazione della classica fisiologia degli insetti con i recenti strumenti di genetica molecolare è ciò che rende attraente il nostro organismo modello".

"La scorsa settimana abbiamo ottenuto i primi mutanti, dove abbiamo cambiato la base dell'orologio circadiano in modo che il bug presuppone che il giorno sia lungo 22 ore invece di 24."

Variazioni genetiche

I ricercatori hanno anche in programma di alterare i geni degli insetti per mostrare i percorsi utilizzati dai loro timer fotoperiodici, oltre a confermare che le variazioni genetiche nei rispettivi habitat influenzano il comportamento stagionale.

Gli insetti di fuoco sono soggetti ideali perché sono incapaci di volare e si trovano in ambienti notevolmente diversi. Il dottor Doležel si aspetta che gli insetti che vivono sotto il sole di mezzanotte in Scandinavia abbiano diverse varianti di geni (alleli) rispetto ai loro cugini più meridionali. Possono quindi testare il coinvolgimento genetico nel timer fotoperiodico mediante l'editing genetico specifico di insetti provenienti da aree diverse.

"Se trovi varianti genetiche che sono funzionalmente coinvolte negli insetti in diverse popolazioni, fondamentalmente consentendo loro di vivere nell'Europa settentrionale e meridionale - ambienti diversi - potrebbe essere un'informazione abbastanza carina che potrebbe spiegare alcune variazioni genetiche negli esseri umani, " Egli ha detto.

La variabilità genetica può spiegare perché alcune persone hanno gravi problemi con il jet lag e il cambio di stagione, mentre altre non avvertono quasi alcun effetto.

Insetti sociali

Proprio come le città umane hanno dipartimenti della salute per monitorare le epidemie di malattie, gli insetti sociali come le formiche e le api che vivono nelle immediate vicinanze devono adottare misure speciali per impedire che le epidemie di malattie decimino le loro colonie. Vivere in gruppi sociali, se umano o insetto, comporta un rischio maggiore di diffusione della malattia.

La dottoressa Sylvia Cremer ha studiato la difesa cooperativa delle malattie nelle formiche da giardino, Lasius neglectus , nel progetto SOCIALVACCINES finanziato dal CER presso l'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria). Ha scoperto che le formiche hanno sviluppato una difesa collettiva oltre all'immunità individuale per creare "immunità sociale" dalle infezioni.

La raccolta di formiche da animali morti o il foraggiamento nel terreno rende l'infezione fungina una minaccia comune. Quando le formiche tornano dal foraggiamento, lei trovò, ricevono un controllo sanitario da altri membri della loro colonia.

"Devi immaginare che stiano tornando al nido coperti di spore in polvere. Quindi quello che fanno gli altri è usare le loro parti della bocca per pulire tutte queste particelle infettive e applicare il loro veleno (acido formico) a tutte le spore di cui non possono liberarsi , per impedire la loro germinazione."

dottor Cremer, un biologo evoluzionista, si chiedeva perché le formiche avrebbero corso il rischio di infettarsi per aiutare a disinfettare i loro colleghi.

"Abbiamo scoperto che in effetti c'è un bel po' di trasferimento di agenti patogeni che si verifica durante questa assistenza sanitaria, ma che il sistema immunitario dei singoli compagni di nido può gestirlo, poiché aumenta la loro risposta immunitaria, " ha detto. "Li protegge dalle sfide successive dallo stesso agente patogeno".

Funziona più o meno allo stesso modo in cui le società umane sviluppano l'immunità di gregge vaccinando i bambini contro determinate malattie.

"Quando ci pensi, ha molto senso che i gruppi sociali abbiano sviluppato molti sistemi sanitari sofisticati perché corrono una minaccia molto più grande di diffusione della malattia, " ha detto il dottor Cremer.

Potrebbero esserci lezioni nel comportamento socio-sanitario delle formiche per gli esseri umani?

"A volte prendi decisioni nell'assistenza medica che forse non sono le migliori a livello di popolazione, " ha detto. "Ad esempio tratteresti un paziente con tutti gli antibiotici in giro anche se a livello di popolazione questo aumenta il rischio di resistenza agli antibiotici".

Molti insetti affrontano anche minacce alla loro salute a causa di shock climatici come la siccità o il tempo fuori stagione.

Il dott. Inon Scharf ha esaminato il modo in cui gli insetti si evolvono per adattarsi a tali shock e cambiamenti climatici nel progetto CLIMINSECTS, finanziato dall'UE, presso l'Università di Tel Aviv in Israele.

Corporatura

"L'idea è che quando le temperature aumentano, le dimensioni corporee dei vertebrati dovrebbero diminuire e questo è dovuto a una regola biologica chiamata regola di Bergmann, "Il dottor Scharf ha detto. "È correlato alla perdita di calore degli organismi. Se sei piccolo puoi perdere calore più velocemente che se sei grande, ed è per questo che è meglio essere piccoli dove fa caldo." Lo si vede con le dimensioni degli animali, principalmente uccelli e mammiferi, diminuendo man mano che la terra si è riscaldata.

Era curioso di sapere se lo stesso sarebbe stato vero per insetti e scarafaggi in particolare, a causa della loro comunanza, circa il 25% di tutte le specie animali non microscopiche sulla terra sono coleotteri.

"Abbiamo misurato alcune migliaia di coleotteri di 30 specie. Volevamo vedere se concordavano con ciò che si trova sulle dimensioni del corpo nei vertebrati ... e non abbiamo trovato tale tendenza. Quindi i coleotteri non diventano più piccoli con l'anno di raccolta, " ha detto. "Altri fattori, come le condizioni locali e la disponibilità di cibo probabilmente non sono meno importanti del clima".

Scoprì che l'effetto della temperatura sui coleotteri della farina, come organismo modello per esperimenti, non è semplice e differisce a seconda della fase della vita in cui sono esposti allo stress.

“Se esponiamo gli adulti a basse temperature rispondono meglio a ulteriori disagi… si acclimatano, " ha detto il dottor Scharf. "Ma se li esponi a temperature fredde come larve, rispondono meno bene degli adulti al freddo. Quindi in realtà allevarli a temperature più calde migliora la loro tolleranza al freddo".

Ha anche scoperto che acclimatarsi agli shock freddi aiuta i coleotteri a resistere più a lungo ad altri stress come la fame o il calore eccessivo.

"È sorprendente... che non ci sia acclimatazione durante la fase giovanile, solo la fase adulta. L'aumento delle temperature può anche aiutarli in seguito, " Egli ha detto.

Questo potrebbe essere importante per capire come il cambiamento climatico e l'aumento delle temperature nell'ambiente potrebbero rafforzare o interrompere i cicli di vita degli insetti, con implicazioni per l'agricoltura e il controllo dei parassiti.