Рис. 1. Кадры из видеозаписи, демонстрирующие что самки комаров Aedes aegypti подвергаются преследованию со стороны желающих спариться самцов, когда соотношение полов смещено в сторону самцов. a — самка, окруженная четырьмя самцами, пытающимися спариться с ней и буквально не дающими ей прохода. Приклеенная спиной к булавке самка принимает спаривание с двумя-тремя партнерами (b), однако отвергает последующие попытки спариться (c). Видеозаписи из сопроводительных материалов к обсуждаемой статье
Суть метода стерилизации насекомых заключается в выпуске в природу стерильных самцов, которые спариваются с дикими самками. Потомства от таких спариваний не получается, что приводит к постепенному сокращению популяции. Этот метод успешно применяется для борьбы с сельскохозяйственными вредителями и переносчиками опасных заболеваний. В недавней работе были установлены еще два фактора, благодаря которым этот метод эффективен. Оказалось, что массовый выпуск стерильных самцов комаров рода Aedes приводит еще к тому, что их самки меньше живут и хуже кровососут, потому как не могут отбиться от масс желающих спариться с ними стерильных самцов. Эти выводы были подтверждены в лабораторных и полевых экспериментах. Так, выпуск 3 млн стерильных самцов на небольшой территории снизил частоту укусов самками на 80%, а плотность популяции самок — на 40%. Авторы связывают это с тем, что стерильные самцы в большом количестве собираются вокруг потенциальных жертв укусов, пытаясь подкараулить самок и мешая им пробиться к своей жертве.
Среди насекомых встречается множество вредителей сельского хозяйства, переносчиков инфекций и инвазивных видов, угрожающих целым экосистемам. Одним из наиболее эффективных и безопасных для окружающей среды методов борьбы с ними является стерилизация насекомых (подробнее читайте в популярном синопсисе Генетически модифицированные насекомые победят вредителей и спасут человечество от болезней). Суть метода заключается в лабораторном выращивании стерильных самцов насекомых-вредителей и их последующем выпуске в природу. Для получения стерильных самцов их, как правило, подвергают облучению. Спарившись с таким самцом, самка не сможет оставить потомства, что ведет к уменьшению численности популяции в последующих поколениях. При проведении нескольких циклов обработки можно полностью ликвидировать популяцию нежелательного вида. Метод стерилизации насекомых успешно применяется для контроля популяций различных вредителей, имеющих важное значение для сельского хозяйства, здоровья животных или человека: мясной мухи, средиземноморской плодовой мухи, мухи цеце.
В последнее время возобновился интерес к разработке и внедрению метода стерилизации насекомых против комаров. Борьба с комарами ведется вовсе не потому, что эти назойливые насекомые, желая попить нашей кровушки, могут нарушить спокойствие летнего вечера, а из-за того, что они являются переносчиками многих опасных заболеваний, от малярии до вируса Зика. Напомним, что традиционные подходы, такие как осушение болот и использование инсектицидов, наносят серьезный вред окружающей среде и постепенно теряют эффективность поскольку комары адаптируются к используемым против них химическим веществам. В 2023 году было реализовано 42 пилотных проекта по использованию метода стерилизации насекомых против комаров по всему миру.
Непрерывные массовые выпуски стерильных самцов могут привести к высокому соотношению стерильных к диким самцам и самцов к самкам (иногда — более, чем 100 к 1), особенно когда численность целевой популяции уже сокращена. У большинства насекомых самкам достаточно одного или нескольких спариваний для достижения максимального репродуктивного успеха. Самцы стремятся к большему числу спариваний, что приводит к половому конфликту, когда самки сопротивляются или неохотно соглашаются на повторное спаривание, а самцы заставляют самок спариваться путем принуждения или домогательств. Такое поведение может увеличивать смертность самок и влиять на их продолжительность жизни, особенно в замкнутых пространствах при выращивании в лабораторных условиях.
Однако эффект высоких соотношений самцов к самкам комаров в контексте применения метода стерилизации насекомых до недавнего времени не был изучен. В статье большого коллектива авторов из шести стран, опубликованной в журнале Nature Communications, изложены результаты разностороннего исследования данного вопроса в лабораторных, полуполевых и полевых условиях. Основной целью исследования было понять, как высокая численность стерильных самцов комаров влияет на выживаемость и успех кровососания самок комаров Aedes albopictus и Aedes aegypti, являющихся переносчиками лихорадки денге, чикунгуньи, желтой лихорадки, вируса Зика.
Исследователи начали с экспериментов в лаборатории с использованием обычных плодовитых самцов. Они создали условия с различными соотношениями полов при одинаковой общей плотности популяции в инсектариях, чтобы наблюдать за тем, как это влияет на выживаемость комаров. В контрольной группе соотношение самцов и самок составляло 1 к 3 (то есть на одного самца приходится три самки) — именно это соотношение рекомендуется для разведения данных видов комаров в целях минимизации домогательств со стороны самцов и обеспечения оптимальных условий для обоих полов.
Исследования показали, что с увеличением доли самцов возрастает смертность самок у обоих видов, а у Ae. albopictus при этом увеличивалась и смертность самцов (рис. 2). Даже при соотношении самцов и самок 3:7, которое лишь немного выше контрольной группы 1:3, смертность самок Ae. aegypti значительно увеличилась. При соотношении 99 самцов к 1 самке, смертность самок Aedes aegypti достигала 14,5% спустя 8 дней, что в пять раз превышает показатели контрольной группы (2,8%). Для Aedes albopictus даже соотношения 50 самцов к 1 самке было достаточно, чтобы смертность самок выросла до 38,9% за тот же период, в то время как в контрольной группе она составляла всего 1,5% (рис. 2, a).
Рис. 2. Кумулятивная смертность самок (красные столбики) и стерильных самцов (голубые столбики) комаров рода Aedes в течение 8 дней при различных соотношениях полов. a — данные для Aedes aegypti, b — для Aedes albopictus. В левой части каждого графика показана контрольная группа (Ctrl) с соотношением самцов и самок 1:3. Экспериментальные отношения самцов к самкам составляют 49:1 и 99:1 для Aedes aegypti и 50:1 и 100:1 для Aedes albopictus. Видно, что смертность самок обоих видов увеличивается с увеличением доли самцов, причем тенденция для Aedes albopictus заметно сильнее. Значимые различия в смертности самок наблюдаются уже при соотношении 50:1. Также отмечается увеличение смертности самцов при увеличении их доли в популяции. Рисунок из обсуждаемой статьи
Интересно, что плодовитые самцы Aedes aegypti не демонстрировали повышенной смертности при увеличении соотношения полов, в отличие от Aedes albopictus, где смертность самцов также возрастала при большой доле самцов (рис. 2, b). Это, по мнению авторов исследования, может указывать на различия в поведенческих стратегиях видов, в частности, на более агрессивное поведение самцов Aedes albopictus.
Далее авторы повторили те же эксперименты с облученными (стерильными) комарами, и выяснили, что высокое соотношение стерильных самцов к самкам сказывается на выживаемости самок даже сильнее, чем плодовитых. Для самок Aedes aegypti кумулятивная смертность значительно возрастала с ростом доли самцов, достигая за восемь дней 26,7% при соотношении 99 самцов к 1 самке, что значительно выше уровня смертности в контрольной группе, составившего 3,9%. В то же время, смертность стерильных самцов Aedes aegypti оставалась стабильной даже при соотношении 99 к 1, и была ниже по сравнению с контрольной группой при соотношении 49 к 1.
Для Aedes albopictus кумулятивная смертность самок была еще более выраженной, достигая 40,0% при соотношении 100 самцов к 1 самке по сравнению с 3,8% в контрольной группе. Также наблюдалось значительное увеличение смертности самцов этого вида с увеличением доли самцов.
В различных видах насекомых домогательства самцов при спаривании негативно влияет на физическое состояние и, следовательно, на продолжительность жизни самок: либо из-за физических повреждений, либо из-за токсических эффектов белков, содержащихся в семенной жидкости. Чтобы лучше понять механизмы, приводящие к увеличению смертности в данном случае, авторы записали половые взаимодействия комаров на видео. При соотношении 99 самцов на 1 самку последние были неспособны питаться доступным в клетке нектаром, так как лежали неподвижно на дне клетки, чтобы избежать дальнейших попыток спаривания со стороны самцов, которые собирались вокруг них группами по три-пять особей (рис. 1). Любая попытка самок сдвинуться с места привлекала еще больше самцов, вероятно, из-за реакции на взмах крыльев самки.
Для проверки этой гипотезы некоторые самки были приклеены спиной к булавке, и помещены в бокс с сотней стерильных самцов. Эти самки принимали спаривание с двумя или тремя партнерами, но сопротивлялись последующим попыткам спариться. Тем не менее, каждая попытка этих самок улететь привлекала новых самцов, которые собирались вокруг них.
Из этих видеозаписей стало ясно, что основной причиной увеличения смертности среди самок является отсутствие возможности нормально поесть, не будучи атакованной толпой желающих спариться самцов, а не какие-либо травмы, как наблюдалось в других исследованиях.
Далее авторы изучали как высокое соотношение самцов к самкам влияет непосредственно на успех кровососания в больших сетчатых контейнерах (кубах со стороной 1,80 м), имитирующих полевые условия. Сначала авторы исследовали влияние высокого соотношения облученных самцов к необлученным самкам на успех питания самок на искусственной приманке. Внутри экспериментальных контейнеров была установлена емкость со 100 мл свиной крови, так чтобы самки могли легко питаться из нее. Эксперимент проводили в течение двух часов, затем всех комаров собирали и подсчитывали количество самцов, а также питавшихся и не питавшихся самок. Чтобы определить, кто из самок успел попить кровушки, каждую пойманную самку комара раздавливали между двумя листами белой бумаги и визуально определяли наличие/отсутствие крови.
Соотношение 99 самцов на одну самку снизило успех питания до 1% по сравнению с 16% при соотношении самцов и самок 1:1 (рис. 3, a). При этом самцы комаров формировали рои вокруг искусственных приманок в ожидании спаривания с самкой, пытающейся полакомиться кровью, тем самым, не давая ей возможности спокойно поесть.
Рис. 3. Влияние соотношения самцов и самок на успех питания самок на искусственной приманке (a), ноге человека (b), анестезированной мыши (c). По горизонтальной оси показаны разные отношения самцов к самкам, используемые в обсуждаемом эксперименте, по вертикальной оси — доля насытившихся кровью самок (для графиков a и c). В случае лова комаров на человеке (b) самки, успешно приземлившиеся на открытую кожу, считались потенциально «успешными кровососами», и именно их доля отражена по вертикальной оси. Рисунок из обсуждаемой статьи
Далее был проведен аналогичный эксперимент, но теперь в качестве хозяина-жертвы выступал человек. Доброволец (информированный и подписавший согласие на эксперимент) обнажал одну из своих ног от стопы до колена в полуполевых условиях большого сетчатого контейнера и убивал самок комаров после того, как они сели на обнаженную кожу, но до начала кровососания. При соотношении самцов и самок 99 к 1 число пойманных самок снизилось до 38% по сравнению с 77% при соотношении самцов и самок 1 к 1 (рис. 3, b).
В следующем эксперименте с анестезированной мышью использовались соотношения самцов и самок 1 к 1, 10 к 1 и 30 к 1. При соотношении 10 к 1 не наблюдалось снижения доли насытившихся самок по сравнению с соотношением 1 к 1. Однако, при соотношении 30 самцов к 1 самке доля успешно насосавшихся крови самок снизилась до 17% (рис. 3, с), указывая на то, что снижение успеха кровососания у самок становится заметным при экстремально высоких соотношениях.
Наконец, авторы решили проверить, происходит ли аналогичное снижение успеха кровососания при применении стерилизации насекомых в природе. Для этого в Гуанчжоу (Китай) было проведено полевое испытание с выпуском на небольшой территории (1,17 га) стерильных самцов Ae. albopictus. Перед началом эксперимента в обеих зонах — обрабатываемой и контрольной — были размещены специальные ловушки, представляющие собой цилиндрические пластиковые контейнеры с водой и субстратом для откладки яиц самками комаров. До выпуска стерильных самцов не наблюдалось разницы в числе отложенных яиц на ловушку и числе пойманных самок в обрабатываемой и контрольной зонах.
С 13 августа 2021 года и в течение последующих 15 недель в зоне эксперимента дважды в неделю производился выпуск стерильных самцов комаров. За это время в общей сложности было выпущено 3 миллиона самцов. В результате было отмечено значительное сокращение популяции комаров в данной зоне — на 47,56% (или 35,96% в зависимости от метода учета) по сравнению с необработанной зоной. С 6 сентября по 8 ноября эффективность подавления численности поддерживалась на среднем уровне 60,53%. Однако после 8 ноября эффективность подавления показала большие колебания, что могло быть связано с низкой температурой окружающей среды (12–22°C) или возможным притоком плодовитых самок в зону выпуска из-за ее малого размера.
Спустя 11 недель после первого выпуска стерильных самцов авторы оценили соотношение полов, полученное с помощью ловушек для взрослых комаров и метода ловли комаров на человеке. В среднем при ловле на человека соотношение полов составило 101,3 самца на 1 самку, хотя наблюдались очень сильные колебания в этом соотношении между разными повторностями (от 39,0 до 163,0). В ловушках для взрослых комаров соотношение самцов к самкам было меньше и составило всего 12,5:1. Более 95% пойманных самцов с помощью обоих типов ловушек были выпущенными стерильными самцами. В среднем в зоне выпуска при ловле на человека собирали 0,50 взрослых самок по сравнению с 2,72 самками в необработанной зоне. То есть численность взрослых самок в обработанной зоне снизилась на 81,42%, если ловить «на живца». Любопытно, что оценка снижения численности (или активности) самок, полученная с помощью ловушек, — 42,31% — почти вдвое ниже. Более высокая степень подавления активности самок, зарегистрированная методом ловли на человеке, возможно, была связана с агрегацией большого количества самцов вокруг людей. Это могло препятствовать приближению самок к хозяевам, что подтверждается поведением Aedes, формирующих рои вокруг жертв, — вероятно, так они пытаются перехватить самок, намеревающихся пососать кровь.
В зонах рядом с местом выпуска также было отмечено изменение соотношения полов из-за распространения стерильных самцов, однако при этом не было замечено снижения числа взрослых самок по сравнению с контрольной зоной. Эти результаты указывают на то, что назойливость желающих спариться самцов может оказывать значительное воздействие на возможность самок питаться в полевых условиях, однако для этого необходимо очень высокое отношение числа самцов к числу самок.
В целом, результаты данного исследования позволяют предложить два дополнительных механизма, способствующих эффективности метода стерилизации насекомых против болезней, передаваемых комарами. Во-первых, высокое соотношение самцов к самкам увеличивает смертность самок за счет отсутствие возможности нормально питаться, тем самым напрямую сокращая продолжительность жизни самок. Во-вторых, когда самцов сильно больше чем самок, самки реже кусают своих жертва, следовательно, снижается скорость передачи заболеваний.
Источник: Dongjing Zhang, Hamidou Maiga, Yongjun Li, Mame Thierno Bakhoum, Gang Wang, Yan Sun, David Damiens, Wadaka Mamai, Nanwintoum Séverin Bimbilé Somda, Thomas Wallner, Odet Bueno-Masso, Claudia Martina, Simran Singh Kotla, Hanano Yamada, Deng Lu, Cheong Huat Tan, Jiatian Guo, Qingdeng Feng, Junyan Zhang, Xufei Zhao, Dilinuer Paerhande, Wenjie Pan, Yu Wu, Xiaoying Zheng, Zhongdao Wu, Zhiyong Xi, Marc J. B. Vreysen & Jérémy Bouyer. Mating harassment may boost the effectiveness of the sterile insect technique for Aedes mosquitoes // Nature Communications. 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46268-x.
Елена Устинова
