Эта уникальная способность позволяет жукам процветать в условиях, которые были бы негостеприимны для многих других существ.
Полученные результаты потенциально могут быть применены для разработки более целенаправленных и точных методов борьбы с глобальными популяциями вредителей, таких как зерновой долгоносик и красный мучной жук.
Каждый год насекомые-вредители поглощают тысячи тонн продовольствия во всем мире, вызывая серьезные проблемы с продовольственной безопасностью, особенно в развивающихся странах. Зерновой долгоносик и красный мучной жук — это два вида животных, которые специализируются на выживании в чрезвычайно сухих условиях, включая зернохранилища, и делали это на протяжении тысячелетий.
Недавнее исследование, проведенное кафедрой биологии Копенгагенского университета, посвящено молекулярным и физиологическим процессам, которые позволяют жукам выживать всю свою жизнь, не употребляя никакой жидкой воды. Исследование показывает, что один из секретов этой способности кроется в задних частях жуков. Открывая свои прямые кишки, они могут извлекать воду из влажного воздуха и преобразовывать ее в жидкость, которую они могут впитывать в свои тела. Хотя ученые знали об этом уникальном подходе к потреблению воды более века, недавнее исследование проливает новый свет на основные задействованные механизмы.
Чтобы получить представление о водопоглощающих способностях красных мучных жуков, исследователи исследовали внутренние органы этих жуков. Красные мучные жуки считаются “модельными организмами”, потому что с ними легко работать и они имеют биологическое сходство с другими видами жуков.
В ходе своего исследования ученые обнаружили ген, уровень экспрессии которого в прямой кишке жука в шестьдесят раз выше, чем в других частях его тела. Этот ген привел их к созданию отдельной группы клеток, называемых клетками leptophragmata, которые играют решающую роль в процессе поглощения воды жуком через его задний конец.
По словам адъюнкт-профессора Кеннета Веланда Халберга, который руководил исследованием, клетки leptophragmata — это маленькие клетки, расположенные как окна между почками жука и его кровеносной системой или кровью. Эти клетки играют важную роль в способности жука поглощать воду ректально.
Поскольку почки жука окружают его заднюю кишку, клетки leptophragmata накачивают соли в почки, позволяя им извлекать воду из влажного воздуха через прямую кишку и в тело жука. Недавно обнаруженный ген имеет решающее значение для этого процесса.
Помимо извлечения воды из воздуха, жуки очень эффективно добывают жидкость из своей пищи. Они могут даже извлекать жидкость из сухих зерен, которые могут содержать всего 1-2% воды, чтобы поддерживать баланс жидкости.
“Жук может пройти весь жизненный цикл, не употребляя жидкую воду”, — отмечает Кеннет Веланд Халберг.
Жуки искусны в извлечении воды из пищи и воздуха, благодаря своей специализированной многоорганной системе, состоящей из модифицированной прямой кишки и близко расположенных почек. По словам автора, эта система очень эффективна при извлечении воды, о чем свидетельствуют образцы сухого и безводного стула, которые исследовали исследователи.
Жуки процветали на Земле в течение последних 500 миллионов лет, причем каждый пятый вид животных был жуком. Однако некоторые виды жуков, такие как красный мучной жук, зерновой долгоносик, запутанный мучной жук и колорадский картофельный жук, стали печально известными вредителями, представляющими значительную угрозу глобальной продовольственной безопасности. Эти вредители могут ежегодно поражать до 25 процентов мировых запасов продовольствия, и в настоящее время мы тратим около 100 миллиардов долларов на пестициды для защиты нашей пищи. К сожалению, обычные пестициды вредны для других живых организмов и оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
Профессор Кеннет Веланд Халберг считает, что разработка более целенаправленных и экологически чистых инсектицидов имеет решающее значение. Эти инсектициды должны быть нацелены только на насекомых-вредителей, щадя полезных насекомых, таких как пчелы. Таким образом, более глубокое понимание анатомии и физиологии жуков, полученное в результате исследования процесса поглощения воды жуками, может стать решающим фактором в разработке более эффективных и экологически чистых инсектицидов.
“Теперь мы точно понимаем, какие гены, клетки и молекулы задействованы в организме жука, когда он поглощает воду в своей прямой кишке. Это означает, что мы внезапно поняли, как нарушить эти очень эффективные процессы, например, разработав инсектициды, которые нацелены на эту функцию и при этом убивают жука”, — добавляет Кеннет Веланд Халберг.
“На Земле биомассы насекомых в двадцать раз больше, чем у людей. Они играют ключевую роль в большинстве пищевых цепочек, оказывают огромное влияние практически на все экосистемы и на здоровье человека. Нам следует лучше их понять”, — констатируют ученые.