Nattsvermer gir svar på luktesansens hemmeligheter

På mikroskopisk nivå er det er mange slående likheter mellom mennesker og insekter – særlig når det kommer til luktesansen.

Publisert
Hunnens lettflyktige feromon, bombykol, som frigis fra en kjertel på bakkroppen, gjenkjennes av hannens spesifikke feromonsystem. Signalet utløser en stereotyp adferdsrespons hos hannen. (Foto: biology-blog.com)
Hunnens lettflyktige feromon, bombykol, som frigis fra en kjertel på bakkroppen, gjenkjennes av hannens spesifikke feromonsystem. Signalet utløser en stereotyp adferdsrespons hos hannen. (Foto: biology-blog.com)

En hann-nattsvermer av arten Heliotis virescens flyr målbevisst mot det han nettopp har kjent lukten av: En hunn som faktisk kan befinne seg opptil én kilometer unna.

Nattsvermerhannen har egne luktbaner som gjør at han kan gjenkjenne duften av en hunn av samme art på lang avstand. Hunnen skiller ut et lettflyktig feromon, altså et kjemisk signalstoff eller duftstoff, som hannen plukker opp med sine velutviklede luktereseptorer.

Feromonsporet etter hunnen trigger en adferdsrespons hos hannen som gjør at han straks setter kursen mot kilden – altså hunnen.

Når det oppstår søt musikk mellom mennesker, sier vi ofte at kjemien stemmer, og hos nattsvermerne er det ingen tvil om at dette er tilfelle. Denne hannspesifikke seksualresponsen på lukt finner vi ikke hos mennesker, men det er likevel mange bemerkelsesverdige likheter mellom vårt og insektenes luktesystem.

Luktebaner hos ulike organismer

Likhetene omfatter blant annet strukturen på det sensoriske luktenevronet – en liten nervecelle som via to forgreininger danner en direkte forbindelse mellom hjernen og verden utenfor.

Også menneskets luktelapp og insektets antennelobe, altså hjernens primære luktsentre, har en slående likhet i form av et nervenettverk som består av kuleformede strukturer kalt glomeruli.

– Luktesansen beskrives ofte som den mest primitive av sansene. Alle organismer, fra encellede bakterier opp til mennesket, har utviklet et system for å detektere kjemisk stimuli fra omgivelsene.

– Det evolusjonært gamle luktesystemet viser, mer enn noe annet sansesystem, slående likheter hos de ulike organismer, forteller professor Bente G. Berg ved Psykologisk institutt ved NTNU.

Lukt og instinkt

Hos nattsvermerne utløser bestemte lukter straks en instinktiv handling eller en refleks. Ett av særtrekkene ved oss mennesker er at vi klarer å overstyre instinktene våre; vi klarer å gjøre noe annet enn det vi synes «biologisk bestemt» til umiddelbart å gjøre.

Likevel er også vårt luktesystem i bemerkelsesverdig grad koblet til instinktive reaksjoner. Vi brekker oss av enkelte illeluktende substanser, og vi kan få «vann i munnen» av god matlukt.

Nattsvermerhjernen sett forfra. Ved bruk av en spesiell immunofargingsteknikk, er velorganiserte synapseområder synliggjort. For eksempel kan hjernens primære luktsenter, antenneloben, som består av karakteristiske kuleformede strukturer, ses i hver hemisfære. Ved antennelobens øvre del, ser vi den såkalte antennenerven - som altså tilsvarer vår luktenerve. (Foto: NTNU)
Nattsvermerhjernen sett forfra. Ved bruk av en spesiell immunofargingsteknikk, er velorganiserte synapseområder synliggjort. For eksempel kan hjernens primære luktsenter, antenneloben, som består av karakteristiske kuleformede strukturer, ses i hver hemisfære. Ved antennelobens øvre del, ser vi den såkalte antennenerven - som altså tilsvarer vår luktenerve. (Foto: NTNU)

Luktesystemet er også koblet til emosjoner og hukommelse, og enkelte lukter kan for eksempel fremkalle minner fra tidlig barndom. Det virker derimot som om luktesystemet er relativt svakt koblet til vårt intellekt, som for eksempel analytisk tenkning.

Liten skapning egnet for luktforskning

Berg og kollegene utgjør den eneste norske forskningsgruppen som jobber med nevrovitenskap på insekter. Internasjonalt benytter imidlertid en rekke forskere virvelløse dyr, heriblant insekter, i studier av nervesystemet.

Det norske forskningsmiljøet så dagens lys i 1980, da professor Hanna Mustaparta startet sin virksomhet ved det som den gang het Zoologisk institutt.

I dagens laboratorium ved Psykologisk institutt finnes avansert vitenskapelig utstyr for ulike eksperimentelle tilnærminger, samt plexiglass-beholdere med både hann- og hunn-nattsvermere.

Med sin utsøkte luktesans og relativt enkle nervesystem er det lille insektet spesielt godt egnet som modellobjekt for utforskning av luktesystemets mange hemmeligheter.

Lyden av hjerneaktivitet

Forskerne kan for eksempel åpne skalletoppen på et levende insekt, slik at hjernen, som er mindre enn et knappenålshode, blir eksponert. Deretter stikkes enn tynn glasselektrode inn i det hjerneområdet man ønsker å undersøke.

Glasselektroden inngår i en strømkrets, som også består av blant annet en referanseelektrode og en forsterker. Dersom forskeren klarer å penetrere ett enkeltnevron, kan den nevrale aktiviteten registreres i form av nerveimpulser.

Disse elektriske signalene kan både ses og høres ved hjelp av skjerm og høyttaler som inngår i strømkretsen. Den levende nattsvermeren stimuleres med ulike dufter som forskerne blåser over insektets «nese», det vil si antennene.

Skjematisk fremstilling av menneskehjernens primære luktsenter, lukteloben. I likhet med insekthjernen, består dette synapseområdet av et nervenettverk som danner karakteristiske kuleformede strukturer (glomeruli). (Foto: (Illustrasjon: NTNU))
Skjematisk fremstilling av menneskehjernens primære luktsenter, lukteloben. I likhet med insekthjernen, består dette synapseområdet av et nervenettverk som danner karakteristiske kuleformede strukturer (glomeruli). (Foto: (Illustrasjon: NTNU))

Duftene kan være biologisk relevante blomsterdufter eller feromonene som hunnen sender ut for å tiltrekke seg hannen. Hvis nevronet reagerer på en duftsubstans, endres frekvensen av nerveimpulser.

Synliggjør funksjonelle nervenettverk

Tuppen på glasselektroden som stikkes inn i nevronet, inneholder et spesielt fargestoff, og dette injiseres slik at det fraktes til alle nerveforgreninger via nevronets eget transportsystem.

Forskerne dissekerer deretter nattsvermerhjernen ut, og behandler den med et stoff som gjør den transparent.

Den lille hjernen kan så avbildes i sin helhet i et avansert mikroskop, og forskerne kan se hvordan enkeltnevroner ligger inne i den intakte hjernen. De kan også studere hvordan nervebanene som behandler ulike typer duftinformasjon, er organisert.

Ved å undersøke ulike nivåer i de sentrale luktebaner, kan forskerne få innsikt i hvordan hele nervenettverket er satt sammen og hvordan de ulike nervecellene kommuniserer med hverandre.

Hørsel knyttet til fluktrespons

Forskergruppen har til nå i hovedsak konsentrert seg om lukt, men den siste tiden har de også begynt å jobbe med et annet sansesystem: hørselen.

Nattsvermeren er også her en utmerket «forsøkskanin». Den har et spesielt øre som er plassert nede på kroppen, og som aktiveres spesifikt av ultralyd fra jaktende flaggermus. Det meget følsomme øret består av en tympanisk membran, og er dermed bygd etter samme grunnprinsipp som menneskeøret.

Nattsvermerens øre er imidlertid svært enkelt, ettersom det kun har to sensoriske hørselsceller. Begge er laget for å kjenne igjen lydbølger i samme frekvensområde. Lyden fra flaggermusen utløser en spesifikk fluktrespons hos nattsvermeren, og det antas at det auditive systemet er utviklet for at insektet skal overleve denne predatoren.

På samme måte som at feromonsporet fra hunnen trigget en respons hos hannen, er altså nattsvermerens hørsel direkte koblet til en spesifikk adferd.

Finjustering av damejakten

La oss igjen ta en titt på nattsvermerhannen som akkurat har fått teften av en hunn og som nå målbevisst flyr mot den attraktive luktkilden. 

Selv om dette er en instinktiv handling, er det én ting som med ganske stor sikkerhet kan få insektet til å avbryte adferden: lyden av en flaggermus. Hvis nattsvermeren registrerer ultralyd av en viss styrke i det relevante frekvensområdet, vil den umiddelbart klappe vingene sammen over kroppen, slik at den faller rett ned.

– Dette er åpenbart en svært hensiktsmessig adferdsrespons for å sikre individets overlevelse. Imidlertid er det selvsagt også viktig å ivareta artens overlevelse, noe som forutsetter at man finner en make, sier Berg.

Den russiske gjesteforskeren Mikhail Zhemchuzhnikov setter fargestoff i spesifikke områder av nattsvermerhjernen for å kartlegge sentrale nervebaner. (Foto: Lena Knutli, NTNU)
Den russiske gjesteforskeren Mikhail Zhemchuzhnikov setter fargestoff i spesifikke områder av nattsvermerhjernen for å kartlegge sentrale nervebaner. (Foto: Lena Knutli, NTNU)

Nattsvermeren foretar derfor en helhetsvurdering der informasjonen både fra lukt og lyd tas til etterretning. Disse små skapningene har evne til å utøve ikke bare stereotype reflekser, men også mer avanserte adferdsresponser som er tilpasset de skiftende omgivelser.

– Videre er det vist at en erfaren nattsvermerhann vil ta en større risiko og fly lengre i feromonsporet av en potensiell make, enn en nybegynner, forteller Berg.

Forskergruppen ved NTNU har dessuten nylig oppdaget et bemerkelsesverdig nevron i nattsvermerhjernen som reagerer på ultralyd og som sender tallrike forgreninger inn i hjernens primære luktsenter.

– Dette nevronet kan muligens bidra til å finjustere informasjonsflyten i hjernen, slik at hannen greier å finne en hunn før han blir tatt av en flaggermus, avslutter Berg.