Одержимость или... как микроорганизмы управляют своими жертвами

Знаменитый грибок O. unilateralis, превращающий муравьев в послушных зомби, преподнес ученым ряд сюрпризов. Оказалось, что он буквально врастает в тело насекомого и пожирает его клетки, делая для себя из муравья своеобразный «мясной доспех».

Одно странное обстоятельство усугубляет и без того нелегкую жизнь бразильских муравьев-плотников — их неожиданное превращение в зомби.

Это происходит после заражения их 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 там, где природные условия наиболее способствуют жизни и размножению грибка-одержателя.

Прийдя на благоприятное для грибка место, погибающий муравей цепляется лапками за нижнюю сторону листа и замирает, тем самым показывая, что он смирился со своей участью.

Гриб развивается внутри его тела до тех пор, пока не пронзит головной отдел и не высвободит новые споры. Весь этот процесс занимает 10 мучительных дней, на протяжении которых насекомое остается в живых.

Науке уже давно известен этот феномен, однако до сих пор ученые долго не могли понять, каким именно способом паразитический гриб O. unilateralis выполняет роль "кукловода".

Прежде его называют «мозговым паразитом». Однако новое исследование, опубликованное на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, данную теорию опровергает.

Оказалось, что мозг насекомого остается совершенно неповрежденным. Контроль же за своей жертвой паразит осуществляет, внедряя свои споры в мышечные волокна по всему телу!

После этого, зараженный муравей становится для гриба, своего рода, «мясными доспехами» и средством передвижения. Часть же клеток муравья постепенно заменяются на грибные.

Чтобы сделать это удивительное открытие, ДЭВИД ХЬЮЗ 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 гриба — то есть, в то время когда муравей вцепляется в лист своими мощными мандибулами.

Ведущий автор исследования, МАРИДЕЛЬ ФРЕДЕРИКСЕН (из Университета 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 для того, 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 обеспечивать мониторинг и обработку изображений 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.

«Как кукловод, тянет за нитки, управляя движениями марионетки, так грибок контролирует мышцы муравья, манипулируя конечностями и мандибулами хозяина».

До сих пор неизвестно, как именно гриб заставляет муравья двигаться в направлении конкретной цели. Но ученые полагают, что факт целостности мозга является ключом к решению головоломки. Они считают, что...

гриб использует потенциал муравьиного мозга для того, 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), 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.