Зомбирующий гриб оказался куда опаснее, чем считали ученые: абсолютный паразит

Зомби в реальном мире: что скрывает гриб-паразит

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 , 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.

Стадии заражения муравья паразитическим грибом

Ведущий автор исследования, Маридель Фредериксен, кандидат в докторанты в Университете Базельского зоологического института, Швейцария, заявила, 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.

Взбираться, чтобы взорваться

Гусениц можно считать чемпионами по количеству микроорганизмов и насекомых, которые управляют их разумом.

Вирус зомби микроорганизм-бакуловирус, он отправляет гусениц из графства Ланкашир на северо-западе Англии на верную смерть. Он блокирует природное неприятие гусениц к солнечному свету, заставляя их взбираться на верхушки растений, где они быстро погибают. Более того, бакуловирус буквально взрывается из трупа своего хозяина, чтобы попасть в тело новой жертвы.

Этот вирус заразил гусениц дубового эггара распространенного вида моли, обитающего на многих вересковых пустошах и лугах Британских островов. Открытие удалось сделать, когда ученые стали слишком часто замечать шкурки мертвых гусениц, свисающие с верхушек кустов в заповеднике Винмарли Мосс города Гастанг.

Подобные наблюдения были отмечены учеными во всем регионе. По словам доктора Миллера, руководителя исследования по изучению этого странного явления, этим гусеницам абсолютно несвойственно забираться на высокие кустарники и быть под воздействием солнца, потому что вереск и черника, которыми они питаются, находятся вдали от солнечного света. Исследователи обнаружили, что бакуловирус уже в самом начале заражения изменяет реакцию насекомых на свет. На более поздних стадиях паразит превращает своего хозяина в зомбиподобное существо, заставляя его постоянно питаться, прежде чем подняться на более высокие, более открытые участки. Вирус активно размножается почти в каждой клетке тела гусеницы. Когда гусеница умирает, она подвергается естественному процессу разложения, при котором ее экзоскелет распадается. Каждая частичка гусеницы при этом содержит бакуловирус.

Убивающие коня наездники

Некоторые виды паразитических ос вида Glyptapaneteles, которых еще называют наездники, откладывают свои яйца в тела других насекомых, например, в уже описанных выше гусениц. Оса-паразит за один раз вводит в хозяина около 80 яиц вместе с поли-ДНК-вирусом и небольшим количеством яда, который парализует гусеницу, пока оса не сделает кладку. Вирус помогает им подавить иммунную систему хозяина, чтобы тот полностью подстроился под функцию выращивания личинок и не превратился в куколку. После многочисленных исследований энтомологи пришли к выводу, что токсины ос содержат особый вирус, если точнее, нудивирус (вирусоподобные частицы Хайтек), который помогает осам подавлять иммунную систему гусениц. Он производится в яичниках осы.

Ученые считают, что гены, управляющие формированием этих частиц, были приобретены предками ос от настоящего вируса, который еще 100 млн лет назад встроился в их геном.

Вылупившиеся личинки растут и развиваются внутри несчастной жертвы, питаясь ее лимфой, при этом не травмируя внутренние органы. После чего покидают тело гусеницы, прикрепляются рядом к листу и окукливаются. Но две-три личинки остаются внутри, чтобы управлять гусеницей. Под таким контролем она, вместо того чтобы продолжать свое развитие, остается на месте и самоотверженно защищает чужих личинок от других насекомых. Когда молодые наездники появляются на свет, она погибает.

Дарвин считал, что существование таких организмов, как Glyptapanteles, противоречит одному из центральных постулатов естественной теологии, рассматривающей изучение природы как путь к демонстрации благонамеренности бога. Он не мог убедить себя в том, что бог мог создать насекомых, которые питаются телами живых гусениц.

Вид паразитических плоских червей Leucochloridium paradoxum проникает в организм улитки и развивается в ее теле. Из яиц появляется личинка, которая в виде яркого нароста вылезает из глазных щупальцев своей жертвы. Ослепшая улитка теряет бдительность и больше не прячется от опасности. Птицы легко замечают добычу благодаря этим новым ярким глазам. Так Leucochloridium paradoxum достигает цели попадает в новый организм, где откладывает свои яйца. Вместе с пометом они оказываются в траве, где начинается новый цикл их жизни.

Кровожадные грибы

Разновидность энтомопатогенных грибов Ophiocordyceps unatellis изменяет поведение муравьев, чтобы обеспечить как можно более широкое распространение своих спор. В переводе название паразита звучит как кордицепс однобокий. Этот гриб попадает в тело муравья через дыхательные отверстия, где начинает питаться мягкими тканями. Порабощенный муравей вынужденно покидает свое гнездо для более влажного микроклимата, благоприятного для роста гриба. В конечном итоге муравей поднимается на вершину невысокого кустарника и вгрызается челюстями в стебль. Тогда гриб убивает несчастного и поедает его тело. Благодаря этому через несколько дней после смерти муравья гриб выпускает плодовое тело через основание головы муравья, превращая его труп в площадку для запуска, из которой он может выбросить свои споры и заразить новых насекомых.

Исследование, опубликованное в 2017 году, показало, что устоявшееся мнение о поражении грибком ЦНС муравья ошибочно. Мозг муравьев-зомби остается нетронутым паразитом, а O. unatellis способен контролировать действия своего хозяина, проникая и окружая мышечные волокна по всему телу муравья. По сути, он превращает зараженного муравья во внешнюю версию себя. Таким образом, муравьи-зомби частично остаются насекомыми, но, с другой стороны, становятся грибком.

Другие энтомопатогенные грибки Entomophthora muscae, что в переводе с греческого означает уничтожитель мух, проникает в экзоскелет мух через одну из многочисленных трещин в их броне. Первое, что делает гриб, врастает в определенную область мозга, которая контролирует поведение мухи, заставляя ее приземляться на близлежащую поверхность и ползти как можно выше. Зараженные мухи поднимаются на определенную высоту, прикрепляются к любому растению и принимают смертельную позу животом вверх, оптимальную для рассеивания спор. В конце концов клетки гриба поражают все тело мухи и она умирает.

Чтобы сделать это открытие, ученый Дэвид Хьюз из штата Пенсильвания создал международную команду энтомологов, генетиков, компьютерщиков и микробиологов. Цель исследования состояла в том, чтобы посмотреть на клеточные взаимодействия между O. unatellis и муравьями вида Camponotus castaneus во время критической стадии жизненного цикла паразита той фазы, когда муравей закрепляется на дне листа с помощью своих мощных мандибул (челюстей).

Используя электронные микроскопы, исследователи создали трехмерные модели для определения местоположения, численности и активности грибов внутри тел муравьев. Кусочки ткани были взяты с разрешением 50 нм, с использованием машины, которая могла повторять процесс нарезки и формирования изображения со скоростью 2 тыс. кадров в минуту в течение 24-часового периода. Чтобы проанализировать это огромное количество данных, исследователи обратились к искусственному интеллекту, а алгоритм машинного обучения научился различать клетки гриба и муравья. Это позволило исследователям определить, какую часть тел насекомых все еще можно было считать муравьем и сколько из них уже было превращено в гриб. Клетки O. unatellis распространились по всему телу муравья, от головы и грудной клетки до брюшной полости и ног. Более того, все эти грибковые клетки были связаны между собой, создавая некое подобие коллективной биологической сети, которая контролировала поведение муравьев.

Обычно у животных поведение контролируется мозгом, посылающим сигналы мышцам, но результаты исследования показывали, что паразит контролирует поведение хозяина, не проникая в голову, как кукловод.

Исследование показало, что гриб выделяет тканеспецифичные метаболиты и вызывает изменения в экспрессии генов хозяина, а также атрофию мышц нижней челюсти муравья. Измененное поведение хозяина это расширенный фенотип генов микробного паразита, который экспрессируется через организм хозяина. Но до сих пор неизвестно, как гриб добивается полного контроля над поведением своей жертвы.

Cymothoa exigua уникальный паразит, который не только ест части тела своего хозяина, но и полностью заменяет собой съеденное. Мокрица проникает через жабры и устраивается в теле рыбы пятнистого розового луциана. Она поедает язык своей жертвы, а затем начинает питаться слизью и, впрочем, исправно работать вместо языка. В настоящее время считается, что Сymothoa exigua не представляет угрозы для человека. Однако некоторые исследователи утверждают, что риск быть укушенным все же есть.

Мокрица, которая превращает крабов в нянек

Саккулина паразитическое членистоногое животное из подтипа ракообразных. Ему очень нравится управлять крабами. Личинки саккулины это планктонные организмы, что путешествуют по соленым морям и океанам. Через четыре-пять суток после рождения у самок начинает появляться небольшая хитиновая раковина (циприсовидная стадия). С этого момента у саккулины только одна цель найти поскорее подходящего краба, закрепиться на нем и спокойно развиваться дальше. Чаще всего саккулина прикрепляется к клешням.

Там личинки превращаются в своего рода живой шприц для подкожных инъекций (так называемый кентрогон). Он прокалывает панцирь у основания щетинистых волос краба и вводит следующую стадию паразита микроскопическую каплю, называемую вермигоном, в кровь и пищеварительный тракт краба. По сути, саккулина впрыскивает саму себя в форме жидкости. После внедрения внутрь панциря начинается ее активная стадия роста. Бесформенный комок клеток сильно разрастается и достигает размеров до 3 см. Саккулина высасывает из краба все питательные вещества, но не убивает. Паразит делает из него послушного зомби под полным контролем. Также саккулина уничтожает половые органы краба, у самцов еще и меняет гормональный фон, чтобы сделать их послушными и заботливыми мамочками.

Тело полностью зрелой саккулины состоит из частей, называемых междоузлиями, которые больше похожи на корни растения, чем на животное. Его усики распространяются по всем внутренностям краба, и только часть паразита видно снаружи женский репродуктивный орган, который выступает из брюшка. На этой мешковидной стадии саккулина становится половозрелой. В месте крепления к брюшку открывается крошечное отверстие, через которое к саккулине попадает самец, который выглядит как личинка самки до внедрения в краба. Он прикрепляется к ней и остается до конца жизни краба, ежедневно производя сперму и оплодотворяя яйцеклетки. При этом каждая самка саккулины имеет два входных канала, в которых могут одновременно жить два самца.

Оплодотворенные яйца саккулина откладывает там, где здоровая самка краба вынашивала бы собственную кладку. И несчастное ракообразное заботится о ней точно так же, как заботилось бы о своем потомстве. Краб, зомбированный саккулиной, покорно чистит ее кладку от водорослей, защищает от хищников и других паразитов. Удивительно, что живут такие крабы дольше, чем незараженные.

Некоторые эксперты утверждают, что так называемая болезнь хронического истощения, поражающая оленей и лосей в 24 штатах США и ​​двух провинциях Канады, в будущем сможет заражать и людей подобно сценам из зомби-апокалипсиса.

Сам вирус поражает головной, спинной мозг и ткани животного, вызывая агрессивность, потерю концентрации внимания, слюнотечение, отсутствие страха перед людьми и вялость. В последнее время этот феномен стал предметом разговоров, поскольку он продолжает распространяться по всей Северной Америке. Скорее всего, это просто мутировавший вирус бешенства, но до конца заболевание не изучено.

Красивая и смертоносная

Природа создала изумрудную осу, которая превращает тараканов в зомби. Самка осы спаривается только один раз в жизни. После спаривания с десятками оплодотворенных яиц оса ищет таракана, используя зрение и звук, а затем атакует.

Но тараканы в шесть и более раз крупнее ос, поэтому точность наносимых жалом ударов крайне важна. Оса жалит таракана в грудную клетку и вводит гамма- аминомасляную кислоту с таурином и бета-аланином. ГАМК это нейротрансмиттер, который блокирует передачу двигательных сигналов между нервами и вместе с двумя другими химическими веществами временно парализует передние ноги таракана.

Затем она вводит жало с токсином в две области мозга таракана, ганглии. Оса использует специальные органы чувств на кончике жала, чтобы определить точные участки ганглиев тараканов для поражения. После активации яда вся центральная нервная система жертвы становится подконтрольной, так как он блокирует ключевые сигналы в мозг. Это заставляет жертву потерять чувство самосохранения, благодаря чему оса, будучи слишком маленькой, чтобы перенести таракана, ведет его, как собаку, на поводке, в свое гнездо, где откладывает яйцо в животе насекомого и запечатывает его внутри, а затем улетает искать новую жертву.

Через два дня осиное яйцо вылупляется, и новорожденная личинка начинает уничтожать таракана. Личинки питаются гемолимфой, которая содержит в себе питательные вещества, эквивалент человеческой крови. Они поглощают и все органы в брюшной полости, пока таракан еще жив. Как только все органы съедены, личинка поглощает нервную систему таракана и наносит антимикробный секрет на внутренние стенки трупа таракана. В течение следующего месяца личинка превращается в куколку внутри трупа таракана и, достигая следующей стадии развития, пробивает его оболочку и выбирается наружу.

Зомби не просто реквизит из фильмов ужасов, они часто встречаются в природе, нравится нам это или нет. Есть много примеров паразитов, управляющих сознанием, которые могут поразить нервную систему хозяина, порабощая своих жертв самыми извращенными способами. Возможно ли то, что эти механизмы будут применимы и к людям? Мы тоже всего лишь биологический вид, один из миллиона, поэтому зомбирование может коснуться и нас.

Исследования и открытия

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.

Компьютерная имитация того, как нити грибных клеток врастают в мышечную ткань хозяина

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 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?