Die Wahrnehmung von Infrarot und Temperatur bei blutsaugenden Wanzen

Die blutsaugenden Wanzen Triatoma und Rhodnius sind die wichtigsten Überträger der Chagas-Krankheit - einer parasitären Infektion, die nicht nur schwerwiegende sanitäre Probleme, sondern auch soziale und wirtschaftliche Belastungen für Lateinamerika darstellt. Über 20 Millionen Menschen leiden an der Chagas-Krankheit und mehr als 100 Millionen sind in Gefahr, infiziert zu werden. Es ist im Detail nicht bekannt, wie die blutsaugenden Wanzen ihren Wirt finden, aber CO2, Infrarot (IR) Strahlung und verschiedene Gerüche sind wirksame Reize. Wigglesworth et al. (1934), Lazzari und Nñez (1989), und Schmitz et al. (2006) haben nachgewiesen, dass die blutsaugenden Wanzen IR-Strahlung wahrnehmen und sich an der von einer Wärmequelle emittierten IR-Strahlung orientieren. Diese Wanzen sind die einzigen blutsaugenden Insekten, bei denen die Fähigkeit zur Wahrnehmung von IR Strahlung experimentell belegt ist. Was aber bedeutet diese Fähigkeit für die Funktion der Rezeptoren? Strahlung kann von einem Sinnesorgan direkt in Form von elektromagnetischen Wellen oder in-direkt durch Erwärmung des Sinnesorgans erfaßt werden. Wenn das Sinnesorgan die Strahlung selbst wahrnimmt, dann wird die Wanze bei der Lokalisation des IR emittierenden Wirtes weder von der Umgebungstemperatur noch der Temperatur des Sinnesorganes beeinflußt. Wenn dagegen der wärmende Effekt der Absorption von IR-Strahlung den Reiz darstellt, dann beeinflussen nicht nur die Temperatur der Umgebung und des Sinnesorgans die Orientierung mittels IR-Strahlung. Auch die thermische Leitfähigkeit, die räumlichen Dimensionen des Sinnesorgans und die thermische Wechselwirkung mit dem Körper begrenzen die Möglichkeit zur Wahrnehmung von IR-Strahlung und deren Einsatz bei der Lokalisation des IR emittierenden Wirtes. In Zusammenarbeit mit Prof. Claudio Lazzarini (Universität Tours, Frankreich), einem der weltweit führenden Experten auf dem Gebiet der Orientierung und Sinnesphysiologie von blutsaugenden Wanzen, wollen wir die Frage des adäquaten Reizes von IR-Organen klären. Primäres Ziel ist der Nachweis von IR-Rezeptoren mittels elektrophysiologischer Ableittechnik; wir werden das "Cave-Organ" und die zapfenförmigen Sensillen auf den Antennen untersuchen, die bekanntlich Thermorezeptoren für Konvektion besitzen. Wir werden Kennlinien für IR und Konvektion aufnehmen und feststellen, welche Informationen über diese beiden thermischen Reize in den Reaktionen der IR-Rezeptoren enthalten sind. Wir werden den Betrag an IR Strahlung ermitteln, der die gleiche Reaktion an den IR-Rezeptoren auslöst wie eine Erwärmung durch Konvektion. Die Strahlungsintensität, die erforderlich ist, um die gleiche Reaktion wie eine Erwärmung um z.B. 1C hervorzurufen, gibt die Funktion und die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Sinnesorgane als IR-Detektor an. Je niedriger der Strahlungswert für eine 1C Erwärmung, desto leistungsfähiger ist der IR-Rezeptor. Wenn sich IR-Strahlung als primärer Reiz erweist, dann lässt sich den Input- Output Funktionen der IR-Rezeptoren die Entfernung entnehmen, aus der sie eine IR-Quelle wahrnehmen können. Auf diese Weise kann die Bedeutung von IR-Strahlung bei der Ortung eines Warmblüters ermittelt werden. Die strukturellen Merkmale der IR-Organe und ihre Fähigkeit zur Wahrnehmung von IR-Strahlung bieten die Basis für eine Analyse des Designs der IR-Organe, welches die effiziente Aufnahme und Übertragung von IR-Strahlung ermöglicht.

An der blutsaugenden Wanze Rhodnius prolixus haben wir die sensorischen Mechanismen der Wahrnehmung von Infrarot (IR) und Temperatur (T) aufgeklärt. Die IR Sensoren sind normale Thermorezeptoren, die auf Erwärmung bei Absorption von IR reagieren. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, wie eine Erwärmung der IR Sensoren durch Zunahme der Intensität der IR Strahlung von der Erwärmung durch warme Luft (Konvektion) unterschieden werden kann. Die Ergebnisse unserer Arbeiten geben Einblicke in die Funktion von IR Sinnesorganen und erlauben es, die Entfernung abzuschätzen, in der die IR Sensoren fähig sind, einen Warmblüter zu lokalisieren.Mittels extrazellulären Ableitungen haben wir zwei Typen von Wärmezellen in morphologisch unterschiedlichen Sensillen nachgewiesen, nämlich in zapfenförmigen Sensillen (S) und in spitz zulaufenden Haaren (H). Langsame Änderungen der sowohl der Lufttemperatur als auch der IR Strahlung bewirken kleine, aber deutliche Unterschiede in den Erregungsstärken der beiden Wärmezellen. Bei langsamen Änderungen der T produzierten die Wärmezellen in den zapfenförmigen Sensillen (SwZelle) stärkere Reaktionen als die Wärmezellen in den spitz zulaufenden Haaren (Hw-Zellen). Langsamen Änderungen der IR Intensität haben dagegen entgegengesetzte Reaktionen hervorgerufen: die Hw-Zellen reagierten stärker als die Sw-Zellen. Die Umkehr der Erregungsstärke der beiden Wärmezellen ist ein Merkmal, durch das langsame Änderungen der T und der IR unterschieden werden können. Zwei Wärmezellen, die entweder auf den einen oder auf den anderen Reiz stärker reagieren, erfüllen die Voraussetzung für einen kombinatorischen Kode. Die Differenz oder das Verhältnis der Erregungsstärke der beiden Wärmezellen könnte dem Nervensystem zur Kodierung von T und IR Reizen dienen. Wie wir zeigen konnten, werden diese beiden Formen der Kodierung nicht von Änderungen der Erregungsstärke beeinflusst, die durch Variation der Reizstärke entstehen. Zwei Dinge sind zur Unterscheidung von T und IR Reizen wichtig, nämlich welche Wärmezellen auf die beiden Reize reagiert und wie stark sie reagieren. Die Bezeichnung T-Rezeptor oder IR-Rezeptor kann zwar die Sinneszellen klassifizieren, ihre Funktion ergibt sich aber erst durch den Vergleich der Reaktionen der beiden Sinneszellen. Somit sind reine IR Sensoren, die nicht auf Erwärmung durch warme Luft (Konvektion) reagieren, zur eindeutigen Identifikation von IR Reizen nicht erforderlich IR Reize werden in der Aktivität von zwei unterschiedlich empfindlichen Thermorezeptoren kodiert.Beide Wärmezellen zeigten starke Reaktionen bei Änderungen der IR Intensität, wenn natürliche Konvektion die T der Luft festlegt, bei erzwungener Konvektion zeigten sie dagegen schwache Reaktionen, selbst wenn die T der Luft höher war als bei natürlicher Konvektion. Die Intensität von IR bestimmte die Reaktionen auf Änderungen der Luft T. Je höher die IR Intensität, um stärker waren die Reaktionen auf T Änderungen. Ein Vergleich der Reaktionen der Wärmezellen mit der T in kleinen Modellobjekten ergab, dass passive thermische Eigenschaften der Sinnesorgane die Reaktionen bei Kombination von IR und T erklären. Die Fähigkeit zur Unterscheidung von T und IR basiert somit nicht auf besonderen Eigenschaften der Wärmezellen.