Jak čichá hmyz
7. 2. 2009
Hmyz dovede mistrně zjišťovat přítomnost těkavých látek ve vzduchu. Dokonce už v neuvěřitelně malých koncentracích. Jak to dokáže? Jaké orgány k tomu používá a čím jsou vybaveny? Co se děje při zpracování těchto podnětů v čichovém centru hmyzího mozku? Jak hmyzí jedinci reagují na přitažlivé nebo odpuzující chemické podněty z okolí? Navštivte s námi moderní laboratoře Ústavu Maxe Plancka pro chemickou ekologii v německé Jeně, jehož výzkumníci hledají odpovědi na tyto a spoustu dalších otázek. Odpovědi pak napoví, jak lépe chránit rostliny před hmyzími škůdci.
Vstupte s námi do fascinující říše hmyzu. Jak můžeme odhalit tajemství jedinečného hmyzího smyslu – čichu? Vysoko na stráni nad německou Jenou najdete tento komplex moderních budov. Jsou součástí zdejšího nedávno založeného vědeckého parku.
Věda má ve starobylé Jeně dlouhou tradici. Patří k ní především Univerzita Friedricha Schillera s velkou knihovnou. Jena je také tradičním sídlem sklářského a optického průmyslu.
V moderním komplexu nad Jenou sídlí Ústav Maxe Plancka pro chemickou ekologii. Se štábem Portu dnes nahlédneme do laboratoří jednoho ze zdejších oddělení.
A toto je objekt velké pozornosti zdejších výzkumníků. Nepatrná muška drozofila, laikům známá spíše jako octomilka. Markus Knaden právě zjišťuje, jaký druh vůně octomilku přitahuje. Ovocnou vůni pomocí plynového chromatografu rozděluje na její jednotlivé složky.
Ty vpouští do testovacích trubiček s muškami. Pomocí kamery a počítače sleduje, která vůně je pro mušky přitažlivější a která méně.
Dr. Markus Knaden, vedoucí skupiny chování hmyzu, Ústav M. Plancka pro chemickou ekologii, Jena, Německo: Octomilka anebo množství hmyzích škůdců žije v kuchyních a ničí tam spousty potravin. Jedním z našich velkých cílů je najít superpřitažlivou látku, kterou dáme do pasti na škůdce, a pak je všechny pochytáme.
Nepatrnou drozofilu zkoumá ve své sousední laboratoři i populární herec – Brad Pitt. Ne, samozřejmě jde o podobnost čistě náhodnou. Doktor Marco Schubert pochází z Berlína a pod jeho mikroskopem ve speciálním držáku další drozofila trpělivě čeká, až Marco ze svého chromatografu začne nepatrnou pipetou pouštět přímo na její tykadla asi třicet jednotlivých složek banánové vůně.
Drozofila jich svými tykadly, kde sídlí její čichový orgán, dokáže rozeznat asi dvě třetiny. Na všechny složky totiž nemá na svých tykadlech ty správné receptory. Unikátní velice citlivý přístroj dovede zachytit a zobrazit pochody, které v nepatrném muším mozku probíhají, když tykadlo zachytí vůni. Místa uvnitř tohoto tykadlového laloku mozku odpovídají na přítomnost vůně. Červené skvrny jsou místa se zvýšenou odezvou na vůni banánu.
Dr. Marco Schubert, odd. evoluční neuroetologie, Ústav Maxe Plancka pro chemickou ekologii, Jena, Německo: Na základě těchto výsledků můžeme analyzovat pochody, které probíhají v mozku malé octomilky. Tyto poznatky můžeme srovnat s ději, které probíhají v našem lidském mozku. Protože jeho podstata je velice podobná podstatě mozku octomilky.
Technička Silke pečuje o hmyzí velkofarmu. V termoboxu tu dozrávají nejen vajíčka, ale i jednotlivé instary – tedy stádia mezi svlékáním – housenek lišaje tabákového. Tento noční motýl slouží i zde v Jeně jako oblíbený a učenlivý pokusný – ne „králík“. Prostě – pokusný motýl.
Právě s housenkami tohoto lišaje tabákového prováděli pozoruhodné pokusy také biologové na jiných pracovištích. Třeba na Univerzitě Georgetown ve Washingtonu zjistili, že mladší housenky si pamatovaly vůně, které jim experimentátoři zakazovali, i ve starším stádiu růstu, avšak jako dospělí motýli už vůni zapomněli. Naopak housenky cvičené až v závěrečném stádiu si i po přeměně na motýla zakázanou vůni pamatovaly.
Silke nahlíží do klece s dospělými lišaji. Klec je chráněna proti dennímu světlu – lišaji jsou přece jen noční motýli a teď většinou spí. Máme štěstí – jeden z lišajů právě pije nektar z květů. A tady je lišaj tabákový v plné kráse. I takto v klidu má rozpětí křídel přes deset centimetrů.
Dr. Markus Knaden, vedoucí skupiny chování hmyzu, Ústav M. Plancka pro chemickou ekologii, Jena , Německo: Pro tyto pokusy naše motýly „poutáme“, na záda jim přilepíme držák, pomocí něhož je teď uchytíme do pevné pozice, aby přitom mohli volně letět.
Markus motýla umísťuje před válec, z něhož je odsáván vzduch, který tak kolem motýla neustále proudí. Tento malý aerodynamický tunel do sebe nasává i chemické látky, které teď Markus bude umísťovat před motýla. Markus motýlovi nabízí misku s cukrovou vodou.
Začíná jeden z pravidelných tréninků. Je to obdoba slavného pokusu se psy, kterým ruský fyziolog Pavlov spolu s dávkou jídla současně zazvonil. Psi si zvykli na tento stimul natolik, že pak už jen stačilo zazvonit a psi začali vylučovat sliny v očekávání další porce potravy.
I motýlům Markus spolu s cukrovou vodou uvolňuje určitou vůni. Motýli po čase spojují reflex na pití cukrové vody s přítomností vůně. Markus pak mění vůni za jinou, na niž už motýl nereaguje. Účelem je zjistit, jaký minimální rozdíl ve složení vůní je motýl schopen rozlišit.
Zdrojem vůní v této laboratoři je opět plynový chromatograf. Indický fyziolog Subabaran Kesavan používá tykadla lišaje tabákového jako ten nejcitlivější chemický detektor.
Prof. Dr. Bill S. Hansson, ředitel oddělení evoluční neuroetologie, Ústav Maxe Plancka pro chemickou ekologii, Jena, Německo: Zjišťujeme tak, jak jednotlivé neurony na tykadle odpovídají na sloučeniny, které k nim pouštíme přes chromatograf.
Toto je záznam aktivity neuronů na tykadle na přítomnost chemicky aktivních látek ve vůni. Na této misce je kultura lidských embryonálních ledvinových buněk. Americký výzkumník Jackson Spark je používá proto, že neobsahují žádné hmyzí bílkoviny, které by rušily pokus. Do lidských buněk umístil hmyzí bílkoviny – receptory vůně. Teď bude buňky dráždit látkami, které jsou součástí vůní. Cílem pokusu je určit funkci hmyzích receptorů vůně.
PD Dr. Dieter Wicher, vedoucí skupiny neurofyziologie, Ústav Maxe Plancka pro chemickou ekologii: Ledvinové buňky naplníme substrátem, citlivým na vápník. Buňky pak dráždíme, abychom získali proud iontů, procházející kanály těchto buněčných receptorů.
Od tykadel jsme se tak dostali až k jednotlivým buňkám a jejich aktivním bílkovinám, které zprostředkovávají to fenomenální hmyzí vnímání vůní.
K výzkumu čichu v Jeně patří i tihle krabi. Není to sice hmyz, ale i oni ve svém dávném vývoji vyšli na souš a museli si vyvinout stejný orientační smysl, aby ve světě vůní a zápachů byli schopni vyhledat zdroj potravy i jedince svého druhu. I krabi mají tykadla a zdá se, že i oni cítí podobně jako hmyz.
Modul s dvojicí laserů… známý plynový chromatograf … a další známý – držák na octomilky. To jsou hlavní prostředky k cestě postdoktorandky Antonie Struztové do nitra hmyzího mozku.
A samozřejmě to hlavní – dvoufotonový laserový skenovací mikroskop. V kombinaci se zobrazovací metodou pomocí vápníku. A arzenál je téměř kompletní … Nastupují trpěliví spolupracovníci z hmyzí říše – octomilky se svými nedostižně citlivými tykadélky.
Antonia Strutzová, Ph.D., studentka, oddělení evoluční neuroetologie, Ústav Maxe Plancka pro chemickou ekologii: Na mušku působíme různými vůněmi a během pokusu pak měříme rozdílnou aktivitu neuronů a tedy celého čichového laloku mušího mozku.
Velejemné řezy laserového paprsku dokážou stopovat děje, které ve zlomcích sekundy probíhají mezi citlivými tykadly a neurony hluboko v nepatrném mozku octomilky. Jedním z cílů na této cestě budou účinné chemické prostředky proti mnoha hmyzím škůdcům. O výzkumu hmyzího čichu v Jeně chatujte po skončení Portu.
Autor: Vladimír Kunz