Como os mosquitos escolhem seu alvo? Usando cobaia humana, cientistas descobrem trajetória do inseto
“Quatro minutos é muito tempo”.
Essa foi a mensagem que o estudante de graduação Chris Zuo me enviou junto com fotos de inúmeras picadas de mosquito em sua pele nua. Esse massacre por todo o corpo não foi resultado de uma viagem de acampamento que deu errado. Ele passou aquele curto período de tempo em uma sala com 100 mosquitos famintos, vestindo nada além de um traje de malha que achávamos que o protegeria.
Assim começou nossa jornada de três anos tentando entender o comportamento de um inseto aparentemente simples: o mosquito. Pode parecer um plano sádico de um professor, mas, na verdade, fizemos tudo dentro das regras. O comitê de ética da nossa universidade aprovou nossos procedimentos, garantindo que Chris estivesse seguro e não fosse coagido de forma alguma. Os mosquitos eram livres de doenças e nativos do nosso estado, a Geórgia. E essa sessão resultou nas primeiras e últimas picadas que alguém recebeu durante o estudo.
Além do meu papel como torturador de estudantes, eu sou autor e professor na Georgia Tech, com mais de 20 anos de experiência no estudo do movimento dos animais.
Os mosquitos são os animais mais perigosos do mundo. As doenças que eles transmitem, da malária à dengue, causam mais de 700.000 mortes por ano. Mais pessoas morreram por causa dos mosquitos do que em guerras.
O mundo gasta US$ 22 bilhões por ano em bilhões de litros de inseticidas, milhões de quilos de larvicidas e milhões de mosquiteiros tratados com inseticida – tudo para combater um inseto minúsculo que pesa 10 vezes menos que um grão de arroz e tem apenas 200.000 neurônios.
Ainda assim, os humanos estão perdendo a guerra contra os mosquitos. Esses insetos estão evoluindo para prosperar nas cidades e espalhar doenças mais rapidamente como consequência das mudanças climáticas. Como animais tão simples conseguem nos encontrar tão facilmente?
Os cientistas sabem que os mosquitos têm uma visão péssima e dependem de sinais químicos para compensar isso. Saber o que atrai um mosquito, porém, não é suficiente para prever seu comportamento. Você pode saber que um míssil guiado por calor é atraído pelo calor, mas ainda assim não saberá como um míssil funciona.
Entra em cena Chris, e sua oferta como sacrifício na sala dos mosquitos. Ao rastrear o voo de muitos mosquitos ao seu redor, esperávamos determinar como eles tomavam decisões em resposta à sua presença. Compreender como os mosquitos respondem à presença de humanos é o primeiro passo para controlá-los.
Como os mosquitos se concentram em sua refeição
Das 3.500 espécies de mosquitos, mais de 100 são classificadas como antropofílicas, o que significa que preferem humanos para o almoço. Certas espécies de mosquitos encontram uma única pessoa em meio a um rebanho inteiro de gado para sugar sangue humano.
Isso é uma façanha e tanto, considerando que os mosquitos voam mal. Eles param de voar com uma leve brisa de 3 a 5 km/h, a mesma velocidade do ar gerada pelo balançar da cauda de um cavalo. Em condições mais calmas, os mosquitos usam seus minúsculos cérebros para seguir o calor, a umidade e os odores humanos que são transportados pelo vento.
O dióxido de carbono, subproduto da respiração de todos os animais vivos, é particularmente atraente. Os mosquitos percebem o dióxido de carbono da mesma forma que você percebe o mau cheiro de uma lixeira cheia, detectando-o a até 9 metros de distância de um hospedeiro, onde as concentrações caem para algumas partes por milhão, como algumas xícaras de corante em uma piscina olímpica.
A visão dos mosquitos não ajuda muito na busca por sua próxima refeição de sangue. Seus dois olhos compostos têm várias centenas de lentes individuais chamadas ommatídios, cada uma com a largura aproximada de um fio de cabelo humano. Elas produzem uma imagem mosaico um tanto desfocada ou pixelizada. Devido às leis da ótica, os mosquitos só conseguem distinguir um humano adulto a poucos metros de distância. Usando apenas a visão, eles não conseguem distinguir um humano de uma pequena árvore. Eles inspecionam todos os objetos escuros.
Coletando os dados da trajetória de voo
O desafio de estudar o voo dos mosquitos é que, assim como adolescentes trocando provocações, a maior parte do que eles fazem é ruído sem sentido. Mosquitos voando em uma sala vazia estão, em grande parte, fazendo mudanças aleatórias na velocidade e na direção do voo. Precisávamos de muitas trajetórias de voo para filtrar o ruído.
Um de nossos colaboradores, o biólogo Ring Cardé da Universidade da Califórnia em Riverside, nos contou que, na década de 1980, cientistas realizavam “estudos de picadas” ficando em roupa íntima e estapeando os mosquitos que pousavam em seus corpos nus. Ele disse que a nudez evitava variáveis de confusão, como a cor do tecido da camisa.
Chris e eu nos olhamos. Ficar nus e esperar para virar presa dos mosquitos? Em vez disso, criamos o traje de malha que Chris usou originalmente na sala dos mosquitos. Mas depois de ver as picadas de Chris, precisávamos de uma maneira melhor.
Em vez disso, Chris lavou roupas de manga comprida com detergente sem perfume e usou luvas e uma máscara facial. Totalmente protegido, Chris só precisava ficar em pé e esperar, enquanto uma nuvem de mosquitos o cercava.
Os Centros de Controle e Prevenção de Doenças dos EUA (CDC) nos apresentaram a Photonic Sentry, uma câmera que rastreia simultaneamente centenas de insetos voadores em uma sala. Ela grava 100 quadros por segundo com resolução de 5 mm para um espaço como um grande apartamento tipo estúdio. Em apenas algumas horas, Chris e outro estudante de pós-graduação, Soohwan Kim, geraram mais dados de voo de mosquitos do que jamais havia sido medido na história da Humanidade.
Jörn Dunkel, Chenyi Fei e Alex Cohen, nossos colaboradores matemáticos do MIT, nos disseram que a geometria do corpo de Chris ainda era complicada demais para estudar as reações dos mosquitos. Os matemáticos são excelentes em simplificar problemas complexos até sua essência. Chenyi sugeriu que fossemos mais brandos com Chris – por que não substituí-lo por um manequim simples: uma bola de isopor preta em uma vara combinada com um cilindro de dióxido de carbono.
Nos dois anos seguintes, Chris filmou os mosquitos circulando impiedosamente em torno dos manequins de isopor. Em seguida, ele aspirou os mosquitos, tentando não ser picado.
Decifrando as trajetórias
Um mosquito voa como você pilotaria um avião: ele vira para a esquerda ou para a direita, acelera ou freia. Determinamos o comportamento de voo de um mosquito como uma função de sua velocidade, localização e direção em relação ao alvo como o primeiro passo na criação de nosso modelo de comportamento.
Nossa confiança nas regras de comportamento aumentou à medida que analisamos mais trajetórias, chegando a utilizar 20 milhões de posições e velocidades de mosquitos. Essa ideia de incorporar observações para apoiar uma hipótese matemática é um conceito de 200 anos chamado inferência bayesiana. Ilustramos o comportamento dos mosquitos que observamos em um aplicativo web.
Usando nosso modelo, mostramos como alvos diferentes fazem com que os mosquitos voem de maneiras diferentes. Alvos visuais causam sobrevoos, em que os mosquitos passam voando pelo alvo. O dióxido de carbono causa hesitações, em que os mosquitos diminuem a velocidade perto do alvo. A combinação de um estímulo visual e dióxido de carbono cria padrões de órbita em alta velocidade.
Até agora, tínhamos usado apenas experimentos com esferas de isopor para treinar nosso modelo. O verdadeiro teste era se ele poderia prever os voos dos mosquitos ao redor de um ser humano. Chris voltou à câmara, desta vez vestindo roupas totalmente brancas e um chapéu preto, transformando-se em um alvo. Nosso modelo previu com sucesso a distribuição dos mosquitos ao seu redor. Identificamos zonas de perigo, onde havia uma alta chance de um mosquito circular ao seu redor.
Prever o comportamento dos mosquitos é o primeiro passo para sermos mais espertos do que eles. Em áreas propensas a mosquitos, as pessoas projetam casas com recursos para impedir que os mosquitos sigam os sinais humanos e entrem. Da mesma forma, as armadilhas para mosquitos sugam os insetos quando eles se aproximam demais, mas ainda permitem que entre 50% e 90% dos mosquitos escapem. Muitos desses projetos são baseados em tentativa e erro. Esperamos que nosso estudo forneça uma ferramenta mais precisa para o desenvolvimento de métodos de captura ou dissuasão de mosquitos.
Quando a mãe de Chris compareceu à defesa de seu mestrado, perguntei a ela como se sentia em relação ao filho usar a própria pessoa como isca para mosquitos. Ela disse que estava muito orgulhosa. Eu também estou – e não apenas porque fiquei aliviado por Chris não ter me pedido para tomar o lugar dele na câmara de mosquitos.
*David Hu é Professor de Engenharia Mecânica e Biologia, Professor Adjunto de Física, Instituto de Tecnologia da Geórgia
*Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.