حشرات چگونه برای زمستان آماده می شوند ؟

زمستان در حال آمدن است. این پیامی است که در مناطق آب‌و‌هوایی معتدل وقتی که روزها کوتاه‌تر می‌شوند و کیفیت و کمیت غذاها کم می‌شود، توسط حشرات دریافت می‌شود. این تغییرات حاوی این پیام است که محیط اطراف به زودی غیر قابل زیست می‌شود و به تمام انواع حیوانات هشدار می‌دهد که برای این فصل دشوار خود را آماده کنند. بعضی از آن‌ها به مناطق گرم‌تر مهاجرت می‌کنند و برخی در جایی پناه می‌گیرند.

برای بسیاری از آن‌هایی که می‌مانند، تغییرات فصلی به معنای زمان وارد شدن به وضعیت تعلیق حیات است. برای پستاندارانی نظیر سنجاب‌ها، راسوها و خفاش‌ها این به معنای آماده شدن برای خواب زمستانی است و برای بسیاری از حشرات این وضعیت به معنای زمان وارد شدن به حالت دیاپوز است.

پشه‌ی ببری آسیایی که عامل انتشار بیماری تب دنگی است، در دوران جنینی وارد دیاپوز می‌شود

دیاپوز در حشرات شباهت زیادی به خواب زمستانی دارد اما تفاوت‌هایی هم بین این دو وجود دارد. تفاوت اصلی این است که پستانداران تا زمانی که زمستان کاملا پدیدار شود و دما به حد یخ زدن برسد، فعال می‌مانند اما حشراتی که وارد مرحله‌ی دیاپوز می‌شوند در پاییز و قبل از اینکه هوا خیلی سرد شود، به خواب فرو می‌روند. تفاوت دیگر این است که پستانداران گاهی می‌توانند برای دوره‌های کوتاهی طی زمستان بیدار شوند ولی وقتی که حشره وارد مرحله‌ی دیاپوز شد تا زمان بهار در این وضعیت خواهد ماند حتی اگر آن زمستان برای رشد طبیعی او مناسب باشد.

دیاپوز حشرات فرایندی جالب است. اینکه چگونه حشرات قادرند خود را خاموش کنند و در عین حال بافت‌ها و مواد مورد نیاز برای برگشت خود در هنگام بهار را حفظ کنند، موضوع شگفت‌آوری است. درک این فرایندها و مکانیسم‌هایی که تنطیم‌کننده‌ی دیاپوز در حشرات هستند، می‌تواند منافعی برای انسان‌ها هم داشته باشد.

وقتی حشرات وارد دیاپوز می‌شوند، رشد را متوقف کرده و یک دوره طولانی را در یکی از مراحل رشد‌و‌نمو خود سپری می‌کنند. زندگی تمامی حشرات از یک تخم آغاز می‌شود و پس از آن وارد مراحل لاروی و شفیرگی (زمانی که دگردیسی اتفاق می‌افتد) شده و در نهایت به بلوغ می‌رسند. حشرات می‌توانند در هر مرحله‌ای از رشد‌و‌نمو وارد دیاپوز شوند اما مرحله‌ای که هر گونه وارد دیاپوز می‌شود، توسط ژن‌های آن گونه مشخص می‌شود. پشه‌ی ببری آسیایی، که در انتشار بیماری‌هایی نظیر تب دنگی نقش دارد و کرم ابریشم، هر دو در مرحله‌ی جنینی وارد دیاپوز می‌شوند.

کرم خوشه‌خوار ذرت در مرحله‌ی شفیرگی وارد حالت دیاپوز می‌شود. پشه‌ی کولکس پیپینس، که عامل انتشار ویروس نیل غربیاست در دوران بلوغ خود وارد وضعیت دیاپوز می‌شود و تنها ماده‌های این گونه هستند که می‌توانند در طول زمستان زنده بمانند.

مراحل رشد‌و‌نمو در حشرات: تخم، لارو، شفیره و حشره‌ی بالغ

علاوه بر توقف فرایندهای مربوط به رشد‌و‌نمو، وارد شدن به دیاپوز شامل کاهشی در سرعت متابولیسم است که گاهی به حدی می‌رسد که تقریبا مصرف اکسیژن توسط حشره غیر قابل تشخیص می‌شود. این موضوع به همراه توقف رشد‌و‌نمو، نیاز حشره به سوزاندن ذخایز چربی و کربوهیدرات را کاهش می‌دهد. این امر موجب می‌شود ذخایر سوختی برای مدت زمان بیشتری بمانند و نیاز حشره در هنگام آغاز فعالیت مجدد را نیز تامین کند. این انرژی ذخیره‌شده همچنین می‌تواند برای تولید پروتئین‌ها، الکل‌های قندی و دیگر موادی که در بدن حشره مانند ضد‌یخ عمل می‌کنند، استفاده شود و از غشاهای ظریف و دیگر ساختارهای موجود در بدن حشره در برابر آسیب ناشی از سرما، کاهش آب بدن و کمبود اکسیژن محافظت کند.

آن چه ما امروز در مورد دیاپوز می‌دانیم، حاصل تلاش زیاد دانشمندانی است که از سال ۱۹۳۷ تاکنون در حال مطالعه‌ی این موضوع بوده‌اند. در آغاز، مطالعات بیشتر توصیفی بوده و بر شناسایی نشانه‌های فصلی و مرحله‌ای از رشد‌و‌نمو که هر گونه از حشرات در آن وارد دیاپوز می‌شدند، تمرکز داشته‌است. از آن زمان تاکنون پژوهش‌های مرتبط با دیاپوز همراه با افزایش دانش در زمینه‌ی فیزیولوژی، بیوشیمی و زیست‌شناسی ملکولی، پیشرفت زیادی کرده‌است.

کرم خوشه‌خوار ذرت در مرحله‌ی شفیرگی وارد دیاپوز می‌شود

اگاهی از ساختار و عملکرد ژنوم نیز منجر به پیشرفت‌های قابل توجهی در درک ژن‌های خاص یا شبکه‌های ژنی که طی این فرایند، فعال یا غیرفعال می‌شوند، شده‌است. برای مثال ما می‌دانیم که تغییر در چگونگی تولید و استفاده از انسولین برای دیاپوز مهم است. همچنین تغییرات در زمینه‌ی تنظیم پروتئین‌هایی که این ساعت زیستی را کنترل می‌کنند، برای تعیین زمان آماده شدن برای دیاپوز اهمیت دارند. پژوهشگرانی نظیر جولی رینولد هم‌اکنون در حال بررسی جزئیات دقیق‌تری از نحوه‌ی کنترل دیاپوز هستند. این که چگونه میکروRNAها (قطعات کوچک RNA که در عمل سنتز پروتئین دخالت می‌کنند) می‌توانند موجب فعال شدن ژن‌های خاصی طی این مراحل شوند. رینولد ژن‌هایی را مورد بررسی قرار می‌دهد که در کنترل متابولیسم، تعیین زمان رویدادهای رشد‌و‌نمو و فعال‌شدن مسیرهایی که موجب کاهش اثرات ناشی از استرس‌های محیطی می‌شود، نقش دارند.

درک کامل از اینکه حشرات چگونه زمستان‌گذرانی می‌کنند، دارای مزایایی برای انسان‌ها هم است. دانشمندانی نظیر رینولد در حال استفاده از دانش مربوط به دیاپوز برای یافتن راه‌هایی جدید برای کنترل حشراتی نظیر پشه‌ها یا کرم خوشه‌خوار ذرت هستند. مطالعه‌ی دیاپوز می‌تواند به پیش‌بینی دقیق‌تر زمان و مکانی که ناگهان جمعیت پشه‌ها زیاد می‌شود، کمک کند. بر این اساس می‌توان بهترین زمان و مکان استفاده از حشره‌کش‌ها را مشخص کرد و استفاده از این مواد شیمیایی بهینه‌تر و ایمن‌تر خواهد شد.

دانشمندان در حال تلاش برای یافتن راه‌هایی برای کنترل آفات کشاورزی نظیر کرم خوشه‌خوار ذرت، با ایجاد اختلال در توانایی آن‌ها برای رفتن یا ماندن در حالت سکون زمستانی هستند. اگر بتوان از فرو رفتن آن‌ها به حالت دیاپوز جلوگیری کرد یا اینکه خیلی زودتر آن‌ها را از این حالت بیرون آورد، این حشرات احتمالا در اثر یخبندان خواهند مرد و تعداد کمتری از آن‌ها ذرت‌های فصل بعد ما را خواهند خورد!