Знаменитый грибок, превращающий муравьев в послушных зомби, преподнес ученым ряд сюрпризов. Оказалось, что он буквально врастает в тело насекомого и пожирает его клетки, делая из муравья своеобразный «мясной доспех».
У бразильских муравьев-плотников и без того нелегкую жизнь дополняет весьма странное обстоятельство — они могут превратиться в самых настоящих зомби. Это происходит благодаря заражению паразитическим грибком, споры которого прорастают в тело насекомого и влияют на его симпатическую нервную систему. Зараженный паразитом, муравей оставляет уют своего родного гнезда и отправляется блуждать в чащу леса, условия которого больше подходят грибу для полноценного созревания. Обычно муравей цепляется лапками за нижнюю сторону листа, после чего замирает, тем самым окончательно принося себя в жертву. Гриб продолжает развиваться внутри его тела, пока в конце концов не пронзит головной отдел и не высвободит новые споры. Весь этот процесс занимает примерно 10 мучительных дней, на протяжении которых большую часть времени насекомое остается в живых. Кошмар наяву, не правда ли?
Науке уже давно известен этот феномен, однако до сих пор ученые долго не могли понять, как именно паразитический гриб O. unilateralis играет свою роль кукловода. Его часто называли «мозговым паразитом», однако новое исследование, опубликованное на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, опровергает данную теорию. Оказалось, что как раз мозг насекомого остается неповрежденным, а контроль за своим хозяином паразит осуществляет путем внедрения в мышечные волокна по всему телу! По сути, зараженный муравей становится для гриба своего рода «мясными доспехами» и средством передвижения, а часть клеток тканей муравья в процессе заменяются на грибные.
Чтобы сделать это удивительное открытие, Дэвид Хьюз (а именно он впервые обнаружил гриб-паразит) начал обширное исследование, в котором приняла участие международная команда энтомологов, генетиков, программистов и нейробиологов. Цель работы состояла в том, чтобы изучить клеточные взаимодействия между паразитом и его хозяином в ходе критической стадии жизненного цикла первого — той, во время которой муравей вцепляется в лист своими мощными мандибулами.
Ведущий автор исследования, Маридель Фредериксен, кандидат в докторанты в Университете Базельского зоологического института, Швейцария, заявил, что грибок выделяет тканеспецифические метаболиты в организм хозяина, вызывая тем самым изменения в экспрессии генов. Это также приводит к атрофии мышц нижней челюсти муравья, чтобы тот уже никогда не смог разжать их и позволить своему телу упасть на землю — это вызвало бы преждевременную гибель хозяина или подвергло бы паразита лишнему риску. Впрочем, до начала работы ученые не знали, как именно грибок координирует свои действия, чтобы так ловко манипулировать организмом хозяина.
Для проведения исследования ученые заразили муравья-плотника O. unilateralis. При этом некоторые особи получили дозу менее опасного, не зомбирующего грибкового патогена, известного как Beauveria bassiana — они служили в качестве контрольной группы. Сравнивая динамику заболевания, вызванного этими двумя грибами, исследователи смогли выделить специфические физиологические проявления деятельности O. unilateralis у муравьев.
С помощью электронных микроскопов, группа создала трехмерную модель, позволяющую определять местоположение, численность и активность грибковых тканей внутри тел насекомых. Для этого были взяты образцы этих тканей размером всего 50 нм, а наблюдение велось с помощью приборов, способных мониторить и обрабатывать изображение с частотой 2000 раз за 24 часа. Чтобы проанализировать внушительный объем поступающих данных, ученые обратились к искусственному интеллекту: алгоритм, основанный на глубоком обучении, в ходе анализа выделял различия в деятельности грибковых и муравьиных клеток. Это позволило исследователям наглядно увидеть то, на какой стадии заболевания ткани организма все еще принадлежали насекомому, а где уже были преобразованы в гриб.
Результаты оказались одновременно чрезвычайно интересными и пугающими. Клетки O. unilateralis распространялись по всему телу муравья, от головы и грудного отдела до живота и ног. Более того, они были взаимосвязаны, создавая своего рода коллективную биологическую сеть, которая и контролировала поведение муравьев. Хьюз отметил, что под конец высокий процент клеток в организме хозяина превратился в клетки гриба — тот буквально сделал насекомое частью самого себя.
Но самое удивительное заключалось в том, что мозговая ткань осталась… нетронутой. «Обычно поведение животных контролируется мозгом, передающим сигналы мышцам, но результаты нашего исследования показывают, что паразит контролирует поведение хозяина с помощью периферических систем», объясняет Хьюз. «Почти как кукловод, тянущий за нитки, чтобы управлять движениями марионетки, грибок также контролирует мышцы муравья, манипулируя конечностями и мандибулами хозяина».
Может ли паразит влиять на мозг?
До сих пор неизвестно, как именно гриб заставляет муравья двигаться по направлению конкретного листа. Ученые полагают, что факт целостности мозга — это на самом деле ключ к решению головоломки: гриб использует потенциал муравьиного мозга достаточно долго, чтобы тот был жив и смог самостоятельно найти подходящую «площадку» для размножения паразита. Другая теория заключается в том, что гриб косвенно влияет на мозг, в частности на его сенсорные функции, чтобы «управлять» муравьями и заставлять их уходить в лес.
Гаймодо Чарисса де Беккер, энтомолог из Университета Центральной Флориды, не принимавшая участия в новом исследовании, уверена, что проделанная работа подтверждает тот факт, что гриб может контролировать хозяина с помощью специальных секреционных соединений, которые играют роль нейромедиаторов. На это указывают в первую очередь данные, полученные при изучении грибкового генома.
Почему для нас это так важно? Понимание механизма зомбирования открывает целый ряд перспектив. В первую очередь, это синтез новых биологически активных соединений, которые могут быть использованы в качестве мощных лекарственных средств. Кроме того, ученые обратили внимание на то, что у гриба Ophiocordyceps kimflemingiae (родственного гриба-паразита) проявляются признаки активности в рамках «биологических часов»: одни гены гриба активны в дневное время, другие — в ночное. Судя по всему, ночью гриб активирует секрецию белков, которые могут взаимодействовать с мозгом хозяина, таким образом обеспечивая собственное доминирование над его нервной активностью. Кто знает, может быть в будущем подобный коктейль из имплантов и нейромедиаторов даст нам возможность управлять мозгом человека и, таким образом, раскрыть все его секреты?
http://www.pnas.org/content/early/2017/11/06/1711673114.full
