Evaluating the link between chemicals and declining insect populations

Using a library of 1,000+ agrochemicals, scientists saw significant changes in behaviour and long-term survival of different insect populations

Few people are fans of stink bugs, mosquitoes, or boll weevils, but insects play a key role in the circle of life that makes up the planet’s environment. In fact, world-renowned biologist E. O. Wilson famously declared that if insects vanished, our environment would collapse. 

Scientists have noted that insect behaviour has been changing, and their populations are declining – on average 2-3% per year. This has prompted them to investigate the potential causes of this change, such as habitat loss due to overdevelopment, climate change, and chemical use. 

EMBL researchers and collaborators recently investigated how pesticides, herbicides, and other agrochemicals affect insect populations. They systematically exposed fruit fly larvae to more than 1,000 molecules contained within EMBL’s unique chemical library, which stores a variety of agrochemicals in a format readily usable for large-scale screens. 

These fruit fly larvae came from multiple geographic locations, and the researchers followed their developmental time, behaviour, and long-term survival for the duration of their life cycle. They found that 57% of the tested chemicals altered fruit fly larvae behaviour significantly even in amounts known not to be fatal. A higher level of chemicals compromised long-term survival of the flies after this same kind of exposure. 

“We found that when we exposed larvae to very low doses of chemicals, the exposure caused widespread changes in physiological processes that are at the heart of how they develop and behave,” said Lautaro Gandara, first author of a paper reporting these findings in the journal Science and postdoctoral fellow in EMBL’s Crocker research group. “These changes were exacerbated when we increased the temperature in the growing chambers by four degrees – a decision born from the idea that global temperatures have been on the rise and might affect how pesticides affect the larvae.”

The scientists started by raising the temperature in the growing environment by two degrees (from 25°C/77°F to 27°C/80.6°F). When they didn’t see much difference, they increased the temperature further to 29°C/84.2°F, which is still representative of summer temperature ranges for much of the world. At that point, they saw a pronounced impact.

“Further, we mixed some of the most commonly detected airborne chemicals, at ecologically relevant doses, again exposing fruit flies from when they first hatched. We then saw a much stronger effect,” said Justin Crocker, EMBL Group Leader and senior author of the recent scientific paper. “We observed a 60% drop in egg-laying rates, foreshadowing population decline but also other altered behaviours, such as more frequent hunching, a behaviour rarely seen in the untreated groups.”

‘Hunching’ is when larvae bend or curl their bodies in an exaggerated manner. It can signal stress or discomfort, but more importantly, underlying issues such as toxicity, neurological effects, or physiological processes that have been disrupted.

“On the surface, hunching may seem inconsequential, but even small changes in behaviour can impact fitness if they adversely affect feeding, mating, and migration, for example,” Crocker added. “Scientists need to understand how animals interact with each other and their environment to predict the impact of changes, such as habitat destruction or climate change, on ecosystems.”

The scientists acknowledged they don’t yet know if this hunching is connected to other changes they found, like the reduced egg-laying rate. It’s possible the two behaviours are unrelated. Despite that, it’s likely that larvae that spend a lot of time hunching instead of eating won’t thrive in a natural environment.

Gandara and Crocker teamed up with several other scientists for this study. Jean-Baptiste Masson and François Laurent from the Institut Pasteur, along with Christian Tischer’s team at EMBL, provided AI-driven approaches to understand behavioural effects with high statistical resolution. Other EMBL collaborators included the Zimmermann Group, with its chemical library, the Savitski Group for proteomics expertise, and the Zimmermann-Kogadeeva group for computational biology expertise.

Collaborators Vicky Ingham, a group leader at Heidelberg University Hospital, and Arnaud Martin, an associate professor in Biology at George Washington University, helped the EMBL researchers expand their experiment’s scope to include mosquitoes and Painted Lady butterflies, respectively, where they found similar patterns and were thus able to validate the experimental approach and conclusions. 

“Insects – even those that can seem like pests – are critical to the planet. They pollinate the plants we eat and they’re an important part of the food web,” Gandara said. “For a long time, people speculated on the various reasons for insect behaviour changes, but now this research helps clarify one significant contributing factor. One of the biggest takeaways from this work is that even small amounts of certain chemicals have impacts.” 

Animal behaviour plays a crucial role in maintaining ecosystem balance. Additionally, as insect populations decline, so too does genetic diversity, which is critical for species to adapt to environmental changes presently and in the future.

“The positive aspect to this work is that we have new knowledge about which chemicals can cause certain molecular changes and associated behavioural and developmental changes,” Crocker said. “By providing data on the impact and toxicity of chemicals, these assays can translate into regulatory and industrial practices that better protect human health and the environment.”

Utilizzando una libreria di oltre 1.000 prodotti agrochimici, gli scienziati hanno osservato cambiamenti significativi nel comportamento e nella sopravvivenza a lungo termine di diverse popolazioni di insetti.

Pochi amano le mosche, le zanzare o le cimici, eppure gli insetti svolgono un ruolo fondamentale nel cerchio della vita che costituisce l’ambiente del pianeta. Infatti, il biologo di fama mondiale E. O. Wilson ha dichiarato che se gli insetti scomparissero, il nostro ambiente collasserebbe. 

Da tempo gli scienziati hanno notato che il comportamento degli insetti sta cambiando e che le loro popolazioni stanno diminuendo, in media del 2-3% all’anno. Ciò li ha spinti a indagare sulle potenziali cause di questo cambiamento, come la perdita di habitat dovuta all’eccessivo sviluppo umano, il cambiamento climatico e l’uso di sostanze chimiche. 

I ricercatori dell’EMBL e i loro collaboratori hanno recentemente studiato il modo in cui pesticidi, erbicidi e altri prodotti agrochimici influenzano le popolazioni di insetti. Hanno esposto in maniera sistematica le larve di moscerino della frutta a più di 1.000 molecole contenute nell’esclusiva libreria chimica dell’EMBL, che conserva una varietà di prodotti agrochimici in un formato facilmente utilizzabile per gli screening su larga scala. 

Le larve di moscerino della frutta provenivano da diverse località geografiche e i ricercatori ne hanno seguito i tempi di sviluppo, il comportamento e la sopravvivenza a lungo termine per tutta la durata del loro ciclo vitale. Hanno scoperto che il 57% delle sostanze chimiche testate alterava in modo significativo il comportamento delle larve, anche in quantità considerate non letali. Un livello più elevato di sostanze chimiche ha compromesso la sopravvivenza a lungo termine dei moscerini dopo questo stesso tipo di esposizione. 

“Abbiamo osservato che l’esposizione delle larve a dosi molto basse di sostanze chimiche, causava cambiamenti diffusi nei processi fisiologici che sono alla base del loro sviluppo e del loro comportamento”, ha detto Lautaro Gandara, primo autore dell’articolo pubblicato dalla rivista ‘Science’ e postdoc nel gruppo di ricerca Crocker dell’EMBL. “Questi cambiamenti sono stati esacerbati quando abbiamo aumentato la temperatura nelle camere di crescita di quattro gradi – una decisione nata dall’idea che le temperature globali sono in aumento e potrebbero influenzare il modo in cui i pesticidi agiscono sulle larve”.

Gli scienziati hanno inizialmente aumentato la temperatura dell’ambiente di crescita di due gradi (da 25°C/77°F a 27°C/80,6°F). Quando non hanno notato grandi differenze, hanno aumentato ulteriormente la temperatura fino a 29°C/84,2°F, che è ancora rappresentativa delle temperature estive di gran parte del mondo. A quel punto, hanno osservato un effetto pronunciato.

“In seguito, abbiamo mescolato alcune delle sostanze chimiche più comunemente rilevate nell’aria, a dosi ecologicamente rilevanti, esponendo nuovamente i moscerini della frutta fin dalla loro prima schiusa. In questo caso abbiamo osservato un effetto molto più forte”, ha dichiarato Justin Crocker, responsabile del gruppo EMBL e coordinatore del progetto. “Abbiamo infatti osservato un calo del 60% nel tasso di deposizione delle uova, che fa presagire un declino della popolazione, ma anche altri comportamenti alterati, come un più frequente “hunching”, un comportamento raramente osservato nei gruppi non trattati”.

L’ “hunching” è la forma che assumono le larve quando piegano o arricciano il corpo in modo esagerato. Può segnalare stress o disagio, ma soprattutto problemi di fondo come tossicità, effetti neurologici o processi fisiologici alterati.

“In apparenza l’”hunching” può sembrare irrilevante, ma anche piccoli cambiamenti nel comportamento possono avere un impatto sulla salute di una specie se ne influenzano, ad esempio, l’alimentazione, l’accoppiamento e la migrazione”, ha aggiunto Crocker. “Gli scienziati devono capire come gli animali interagiscono tra loro e con il loro ambiente per prevedere l’impatto dei cambiamenti, come la distruzione dell’habitat o il cambiamento climatico, sugli ecosistemi”.

Gli scienziati non sanno ancora se questo ripiegamento del corpo  sia collegato ad altri cambiamenti riscontrati, come la riduzione del tasso di deposizione delle uova. È possibile che i due comportamenti non siano correlati. Tuttavia, è probabile che le larve che passano molto tempo a ripiegarsi invece che a mangiare non prosperino in un ambiente naturale.

Gandara e Crocker hanno collaborato con molti altri scienziati per questo studio. Jean-Baptiste Masson e François Laurent dell’Istituto Pasteur, insieme al team di Christian Tischer dell’EMBL, hanno fornito approcci guidati dall’intelligenza artificiale per comprendere gli effetti comportamentali con un’elevata affidabilità. Gli altri collaboratori dell’EMBL includono il gruppo Zimmermann, con la sua libreria di sostanze chimica, il gruppo Savitski per le competenze di proteomica e il gruppo Zimmermann-Kogadeeva per le competenze di biologia computazionale.

I collaboratori Vicky Ingham, capogruppo all’ospedale universitario di Heidelberg, e Arnaud Martin, professore associato di biologia alla George Washington University, hanno aiutato i ricercatori dell’EMBL ad ampliare la portata dell’esperimento, includendo rispettivamente le zanzare e le farfalle Painted Lady. In queste specie i ricercatori hanno osservato comportamenti simili, che hanno quindi convalidato l’approccio sperimentale e le conclusioni. 

“Gli insetti, anche quelli che possono sembrare parassiti, sono fondamentali per il pianeta. Impollinano le piante che mangiamo e sono una parte importante della rete alimentare”, ha detto Gandara. Per molto tempo si è speculato sulle varie ragioni dei cambiamenti di comportamento degli insetti, ma ora questa ricerca aiuta a chiarire un fattore significativo che vi contribuisce”. Uno dei risultati più importanti di questo lavoro è che anche piccole quantità di certe sostanze chimiche hanno un impatto”. 

Il comportamento degli animali svolge un ruolo cruciale nel mantenimento dell’equilibrio dell’ecosistema. Inoltre, con la diminuzione delle popolazioni di insetti, diminuisce anche la diversità genetica, che è fondamentale per le specie per adattarsi ai cambiamenti ambientali attuali e futuri.

“L’aspetto positivo di questo lavoro è che abbiamo nuove conoscenze su quali sostanze chimiche possono causare determinati cambiamenti molecolari e relativi cambiamenti comportamentali e di sviluppo”, ha detto Crocker. “Fornendo dati sull’impatto e sulla tossicità delle sostanze chimiche, questi studi possono tradursi in pratiche normative e industriali che proteggono meglio la salute umana e l’ambiente”.

Científicos del EMBL y colaboradores utilizan una biblioteca de más de 1.000 agroquímicos y observan cambios significativos en el comportamiento y la supervivencia a largo plazo de diferentes poblaciones de insectos.

Poca gente es amante de las moscas, los mosquitos, o las chinches, pero los insectos tienen un rol clave en el círculo de la vida que conforma el medio ambiente del planeta. De hecho, el famoso biólogo E. O. Wilson declaró que, si los insectos desaparecieran, nuestro medio ambiente colapsaría.

Los científicos han observado que el comportamiento de los insectos ha ido cambiando y que cada año las poblaciones disminuyen una media del 2 al 3%. Esto les ha llevado a investigar las posibles causas de este cambio, como la pérdida de hábitats debido al desarrollo excesivo, el cambio climático y el uso de productos químicos.

Investigadores del EMBL y colaboradores han estudiado cómo afectan los pesticidas, herbicidas y otros productos agroquímicos a las poblaciones de insectos. En su estudio, expusieron sistemáticamente larvas de mosca de la fruta a más de 1.000 moléculas contenidas en la biblioteca química del EMBL, que almacena una variedad de agroquímicos en un formato fácilmente utilizable para cribas a gran escala.

Las larvas de mosca de la fruta del estudio proceden de múltiples ubicaciones geográficas, y los investigadores siguieron su tiempo de desarrollo, comportamiento y supervivencia durante todo su ciclo vital. Descubrieron que el 57% de las sustancias químicas analizadas alteraban significativamente el comportamiento de las larvas de mosca de la fruta, incluso en cantidades que se sabía que no eran mortales. Un nivel más alto de sustancias químicas comprometía la supervivencia a largo plazo de las moscas tras el mismo tipo de exposición.

«Descubrimos que cuando exponíamos a las larvas a dosis muy bajas de sustancias químicas, la exposición provocaba cambios generalizados en los procesos fisiológicos que son cruciales para su desarrollo y comportamiento», afirma Lautaro Gandara, primer autor de un artículo que recoge estos resultados en la revista Science y postdoc en el grupo de investigación Crocker del EMBL. «Estos cambios se exacerbaron cuando aumentamos cuatro grados la temperatura en las cámaras de cultivo, una decisión nacida de la idea de que las temperaturas globales han ido en aumento y podrían afectar a la forma en que los pesticidas afectan a las larvas».

Los científicos empezaron aumentando dos grados la temperatura del entorno de cultivo (de 25 °C a 27 °C). Como no observaron grandes diferencias, aumentaron aún más la temperatura hasta 29 °C, que sigue siendo representativa de las temperaturas estivales de gran parte del mundo. En ese punto, observaron un mayor impacto.

«Además, mezclamos algunas de las sustancias químicas más comúnmente detectadas en el aire, en dosis ecológicamente relevantes, exponiendo de nuevo a las moscas de la fruta desde el momento de su eclosión. Entonces observamos un efecto mucho mayor», explica Justin Crocker, jefe de grupo del EMBL y autor sénior del reciente artículo científico. «Observamos un descenso del 60% en las tasas de puesta de huevos, presagiando el declive de la población, pero también otros comportamientos alterados, como un encorvamiento más frecuente, un comportamiento raramente observado en los grupos no tratados».

Las larvas expuestas a las sustancias químicas del estudio se encorvaban o doblaban el cuerpo de forma exagerada. Esto puede ser señal de estrés o incomodidad, pero sobre todo de problemas subyacentes como toxicidad, efectos neurológicos o procesos fisiológicos alterados.

«A primera vista, el encorvamiento puede parecer intrascendente, pero incluso pequeños cambios de comportamiento pueden repercutir en la forma física si afectan negativamente a la alimentación, el apareamiento y la migración, por ejemplo», añade Crocker. «Los científicos necesitan comprender cómo interactúan los animales entre sí y con su entorno para predecir el impacto que cambios como la destrucción del hábitat o el cambio climático pueden tener en los ecosistemas».

Los científicos reconocen que aún no saben si este encorvamiento exagerado está relacionado con otros cambios detectados, como la reducción de la tasa de puesta de huevos. Es posible que ambos comportamientos no estén relacionados. A pesar de ello, es probable que las larvas que pasan mucho tiempo encorvadas en lugar de comiendo no prosperen en un entorno natural. 

Gándara y Crocker colaboraron con otros científicos en este estudio. Jean-Baptiste Masson y François Laurent, del Institut Pasteur, junto con el equipo de Christian Tischer, del EMBL, aportaron enfoques basados en IA para comprender los efectos del comportamiento con una alta resolución estadística. Otros colaboradores del EMBL fueron el Grupo Zimmermann, con su biblioteca química, el Grupo Savitski, por su experiencia en proteómica, y el grupo Zimmermann-Kogadeeva, por su experiencia en biología computacional.

Vicky Ingham, jefa de grupo en el Hospital Universitario de Heidelberg, y Arnaud Martin, profesor asociado de Biología en la Universidad George Washington, ayudaron a los investigadores del EMBL a ampliar el alcance de su experimento para incluir mosquitos y mariposas de la especie Vanesa de los cardos, respectivamente, donde encontraron patrones similares y pudieron así validar el enfoque experimental y las conclusiones.

«Los insectos -incluso los que pueden parecer plagas- son fundamentales para el planeta. Polinizan las plantas que comemos y son una parte importante de la cadena alimentaria», afirma Gandara. «Durante mucho tiempo se especuló sobre las razones de los cambios de comportamiento de los insectos, pero ahora esta investigación ayuda a aclarar un factor importante. Una de las mayores conclusiones de este trabajo es que incluso pequeñas cantidades de ciertas sustancias químicas tienen efectos.»

El comportamiento animal desempeña un papel crucial en el mantenimiento del equilibrio de los ecosistemas. Además, a medida que disminuyen las poblaciones de insectos, también lo hace la diversidad genética, que es fundamental para que las especies se adapten a los cambios ambientales actuales y futuros.

«El aspecto positivo de este trabajo es que disponemos de nuevos conocimientos sobre qué sustancias químicas pueden provocar determinados cambios moleculares y cambios de comportamiento y desarrollo asociados», afirma Crocker. «Al aportar datos sobre el impacto y la toxicidad de las sustancias químicas, estos ensayos pueden traducirse en prácticas normativas e industriales que protejan mejor la salud humana y el medio ambiente».

En utilisant une bibliothèque de plus de 1000 produits agrochimiques, les scientifiques ont constaté des changements significatifs dans le comportement et la survie à long terme de différentes populations d’insectes.

Peu de gens aiment les pucerons, les moustiques ou les charançons, mais les insectes jouent un rôle essentiel dans le cercle de vie, qui constitue l’environnement de la planète. De fait, le biologiste de renommée mondiale E. O. Wilson a déclaré que si les insectes disparaissaient, notre environnement s’effondrerait.

Les scientifiques ont constaté un changement dans le comportement des insectes et que leurs populations diminuaient en moyenne de 2 à 3 % par an. Cette constatation les a incités à étudier les causes potentielles de ce changement, telles que la perte d’habitat due au surdéveloppement, au changement climatique et à l’utilisation de produits chimiques.

Les chercheurs de l’EMBL et leurs collaborateurs ont récemment étudié la manière dont les pesticides, les herbicides et d’autres produits agrochimiques affectent les populations d’insectes. Ils ont systématiquement exposé des larves de drosophiles (ou “mouches des fruits”) à plus de 1000 molécules contenues dans la chimiothèque unique de l’EMBL, qui stocke une variété de produits agrochimiques dans un format facilement utilisable pour des criblages à grande échelle.

Ces larves de drosophiles provenaient de différents lieux géographiques et les chercheurs ont suivi leur développement, leur comportement et leur capacité de survie à long terme pendant toute la durée de leur cycle de vie. Ils ont constaté que 57 % des produits chimiques testés modifiaient considérablement le comportement des larves de drosophiles, même en quantités considérés comme non létales. Un niveau plus élevé de produits chimiques compromettait la survie à long terme des mouches après ce même type d’exposition.

« Nous avons découvert que l’exposition des larves à de très faibles doses de produits chimiques provoquait des changements généralisés dans les processus physiologiques qui sont au cœur de leur développement et de leur comportement », explique Lautaro Gandara, premier auteur d’un article publié dans la revue Science et postdoctorant au sein du groupe de recherche de Justin Crocker à l’EMBL. « Ces changements ont été exacerbés lorsque nous avons augmenté la température des chambres de croissance de quatre degrés ; une décision née de l’idée que les températures mondiales ont augmentées et qu’elles pourraient avoir un impact sur la façon dont les pesticides affectent les larves.

Les scientifiques ont commencé par augmenter la température de l’environnement de culture de deux degrés (de 25°C à 27°C). Comme ils ne voyaient pas de grande différence, ils ont augmenté la température jusqu’à 29°C, ce qui est encore représentatif des plages de températures estivales dans la plupart des régions du monde. C’est à ce moment-là qu’ils ont constaté un impact notable.

« Nous avons ensuite mélangé certains des produits chimiques les plus couramment détectés dans l’air, à des doses écologiquement pertinentes, en exposant à nouveau les drosophiles dès leur éclosion. Nous avons alors constaté un effet beaucoup plus important », explique Justin Crocker, directeur de recherche à l’EMBL et investigateur principal du récent article scientifique. « Nous avons observé une chute de 60 % des taux de ponte, ce qui laisse présager un déclin de la population, mais aussi d’autres comportements altérés, tels qu’un recroquevillement plus fréquent, un comportement rarement observé dans les groupes non traités. »

Le “recroquevillement” des larves se manifeste lorsque leur corps se plie ou s’enroule de manière exagérée. Ce comportement peut être un signe de stress ou d’inconfort, mais surtout de problèmes sous-jacents tels que la toxicité, des effets neurologiques ou des processus physiologiques qui ont été perturbés.

« À première vue, ce recroquevillement peut sembler sans conséquence, mais même de petits changements de comportement peuvent avoir un impact sur la condition physique s’ils nuisent à l’alimentation, à l’accouplement et à la migration, par exemple », ajoute Justin Crocker. « Les scientifiques doivent comprendre comment les animaux interagissent entre eux et avec leur environnement pour prédire l’impact de changements tels que la destruction des habitats ou le changement climatique, sur les écosystèmes.

Les scientifiques reconnaissent qu’ils ne savent pas encore si cette attitude de recroquevillement est liée à d’autres changements qu’ils ont constatés, comme la réduction du taux de ponte. Il est possible que les deux comportements ne soient pas liés. Malgré cela, il est probable que les larves qui passent beaucoup de temps à se recroqueviller au lieu de manger ne prospéreront pas dans un environnement naturel.

Lautaro Gandara et Justin Crocker ont fait équipe avec plusieurs autres scientifiques pour cette étude. Jean-Baptiste Masson et François Laurent de l’Institut Pasteur, ainsi que l’équipe de Christian Tischer à l’EMBL, ont fourni des approches basées sur l’IA pour comprendre les effets comportementaux avec une haute résolution statistique. Parmi les autres collaborateurs de l’EMBL figurent le groupe Zimmermann, avec sa chimiothèque, le groupe Savitski pour son expertise en protéomique et le groupe Zimmermann-Kogadeeva pour son expertise en biologie computationnelle.

Les collaborateurs Vicky Ingham, chef de groupe à l’hôpital universitaire de Heidelberg, et Arnaud Martin, professeur associé de biologie à l’université George Washington, ont aidé les chercheurs de l’EMBL à étendre la portée de leur expérience aux moustiques et aux papillons « Painted Lady », respectivement, où ils ont trouvé des modèles similaires et ont ainsi pu valider l’approche expérimentale et les conclusions.

« Les insectes – même ceux qui peuvent sembler nuisibles – sont essentiels pour la planète. Ils pollinisent les plantes que nous mangeons et constituent un élément important du réseau alimentaire », déclare Lautaro Gandara. « Pendant longtemps, les gens ont spéculé sur les différentes raisons des changements de comportement des insectes, mais cette recherche permet maintenant de clarifier un facteur contributif important. L’un des principaux enseignements de ces travaux est que même de petites quantités de certains produits chimiques ont un impact. »

Le comportement des animaux joue un rôle crucial dans le maintien de l’équilibre des écosystèmes. En outre, le déclin des populations d’insectes entraîne celui de la diversité génétique, qui est essentielle pour permettre aux espèces de s’adapter aux changements environnementaux actuels et futurs.

« L’aspect positif de ce travail est que nous disposons de nouvelles connaissances sur les produits chimiques qui peuvent provoquer certains changements moléculaires et les changements de comportement et de développement qui y sont associés », déclare Justin Crocker. « En fournissant des données sur l’impact et la toxicité des produits chimiques, ces analyses peuvent se traduire par des pratiques réglementaires et industrielles qui protègent mieux la santé humaine et l’environnement. »

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