Паразиты: поработители мозга
В поисках жертвы он «настраивает» свои антенны, где расположены химические рецепторы, и улавливает сигналы, исходящие от поедаемого тлей растения. Напав на след, жук перестраивается на восприятие запахов своей добычи. Дело остается за малым — он подкрадывается и разрывает жертву на части острыми зазубренными челюстями.
Паразит: корнеголовый рак Heterosaccus californicus. Хозяин: краб Loxorhynchus grandis. Самец краба под воздействием корнеголового рака-паразита вынужден стать самкой: развитие его клешней приостанавливается, а брюшко, расширяясь, превращается в уютное «гнездышко» для многочисленного потомства рака. Отложенные паразитом яйца постепенно созревают в организме краба, и вылупившиеся из них личинки устремляются на поиски новых жертв.
Фото: Ананд Варма
Божья коровка хорошо защищена от большинства хищников. Ее яркий пятнистый панцирь, столь милый человеческому глазу, предупреждает всех: «Надкусишь – пожалеешь». Если же птица или другой враг все-таки отважится напасть, насекомое выделяет очень горькую на вкус — и ядовитую — гемолимфу оранжевого цвета, едва распробовав которую, незадачливый хищник тут же выплевывает противную жертву и усваивает урок на всю жизнь: он никогда больше не тронет «крапленых» жучков.
Паразит: дубовая орехотворка (Cynips quercusfolii). Хозяин: дуб (Quercus). Отложив яйца в дубовые листья, орехотворка также впрыскивает туда коктейль химических веществ, заставляющий растение образовывать розовые наросты вокруг растущих личинок осы — так называемые галлы. Надежно укрытые коконом, личинки кормятся питательными веществами из растения. Древние галлы были куда менее коварны.
Ну чем не идеально защищенное создание? Однако и у него нашлась ахиллесова пята: паразитические перепончатокрылые – наездники — приспособились откладывать яйца прямо в тело божьей коровки. Когда трехмиллиметровая самка наездника Dinocampus coccinellae готова к размножению, она приземляется рядом с жуком и ловким движением вонзает жало-яйцеклад в его тело, попутно вкалывая туда же порцию химических веществ, о действии которых расскажем ниже.
Паразит: наездник Dinocampus coccinellae. Хозяин: божья коровка Coleomegilla maculata. Говорят, что божьи коровки приносят удачу, но им самим, случается, не везет: они превращаются в рабов наездника Dinocampus coccinellae. С помощью жала-яйцеклада самка наездника помещает в жука яйцо, из которого вылупляется личинка – и начинает пожирать своего хозяина изнутри. Закончив фазу развития в божьей коровке, личинка плетет кокон в ее лапках, и, хотя тело жертвы наконец освобождается от паразита, ее мозг остается порабощенным – насекомое послушно стоит на месте, оберегая кокон от посягательств хищников одним своим видом. Лаборатория Жака Бродо, Университет Монреаля.
Фото: Ананд Варма
Вылупившаяся личинка начинает питаться внутренними соками хозяина. Причем с божьей коровкой не происходит никаких внешних изменений: она продолжает неустанно охотиться на тлю. Однако переваренная добыча уходит на пропитание затаившегося внутри паразита.
Паразит: сумчатый гриб Ophiocordyceps. Хозяин: муравей Dinoponera longipes. Муравьям, подцепившим грибок Ophiocordyceps, не позавидуешь — как только его споры попадают на панцирь насекомого, они прорастают внутрь и поражают мозг, заставляя муравья покинуть привычную среду обитания в лесной подстилке и начать карабкаться на дерево. Забравшись повыше, муравей вцепляется челюстями в лист. тем временем споры, разросшиеся внутри погибающей жертвы, разрывают тельце бедолаги на части, обильно посыпая ползающих внизу насекомых, и жизненный цикл грибка возобновляется.
Фото: Лаборатория Дэвида Хьюза, Университет штата Пенсильвания.
Через три недели личинка вырастает и готовится покинуть тело хозяина, чтобы переродиться во взрослую особь. Она протискивается сквозь щель в панцире жучка, выбирается наружу и начинает плести себе шелковый кокон прямо у него под брюшком. Казалось бы, что теперь тело освободилось от паразита, однако мозг остается порабощенным: зомбированная божья коровка, которая при приближении угрозы начинает дрыгать лапками, теперь служит для отпугивания хищников. Ведь для наездника это вопрос жизни и смерти: малоподвижная куколка в коконе практически беззащитна и может стать легкой добычей для своих врагов вроде личинки хрупкой на вид златоглазки.
Паразит: сосальщик Ribeiroia ondatrae. Хозяин: лягушка-бык Lithobates catesbeianus. Червь сосальщик часть своей жизни проводит в организме улитки, размножаясь бесполым путем. Затем его личинки находят головастика лягушки-быка и, проникнув сквозь кожу, образуют цисты в месте заложения конечности, что нарушает ее развитие. Неуклюжая лягушка с дополнительной или поврежденной лапкой становится легкой добычей для пернатых. Оказавшись в кишечнике птицы, паразиты размножаются половым путем. Отложенные ими яйца попадают в воду вместе с пометом, снова заражая улиток и замыкая жизненный цикл червя.
Фото: Лаборатория Питера Джонсона, Колорадский университет (Боулдер).
В роли подневольного телохранителя жук пробудет еще неделю, пока окончательно не сформируется взрослый наездник, который выберется из кокона и улетит. В этот момент большинство божьих коровок погибает, выполнив свою миссию носителя и няньки для личинки наездника. Особо стойким особям удается выжить, пройдя через все круги ада.
Паразит: червь скребень Pseudocorynosoma constrictum. Хозяин: рачок бокоплав Hyalella azteca. Крошечные рачки бокоплавы ведут тихую жизнь на илистом дне небольших водоемов. Нарушают эту идиллию скребни, чьи личинки, заселяясь в рачка, заставляют его покинуть уютный сумрак и отправиться навстречу проникающему с поверхности свету. Для носителя заразы это путешествие опасно, ведь у поверхности он может стать легкой добычей уток и других водоплавающих. Паразиту, окрасившемуся в яркий оранжевый цвет за счет пигментов из тканей хозяина, только этого и надо: чтобы завершить развитие, скребень должен попасть в кишечник птицы.
Фото: Линден И. Рейд, Биологическая станция Сидер-Пойнт, Университет штата Небраска.
Функция внешней защитной оболочки — одна из немногих услуг, которые хозяева невольно предоставляют непрошеным постояльцам. Например, костариканский паук-вязальщик Leucauge argyra, развешивающий свою паутину для охоты, преображается до неузнаваемости под влиянием другого наездника-паразита Hymenoepimecis argyraphaga.
Паразит: нематода Myrmeconema neotropicumю Хозяин: древесный муравей Cephalotes atratus. Птичий помет, собранный древесным муравьем Cephalotes atratus на прокорм для своих личинок, иногда таит в себе угрозу: паразитическую нематоду Myrmeconema neotropicum. Попав в тело муравья, нематода придает брюшку хозяина бордовый цвет, добавляя насекомому сходства со спелой ягодой, столь привлекательной для птиц. Чтобы ни о чем не подозревающий муравей выглядел еще более заманчиво, нематода побуждает его ходить с поднятым животом, как бы говоря: съешь меня!
Самка этого перепончатокрылого приклеивает яйцо к тельцу жертвы, а вылупившаяся личинка прогрызает брюшко паука и начинает питаться его кровью. Вскармливание длится несколько недель, после чего паук-хозяин вдруг полностью перекраивает свои искусные тенета: раскидистая сеть превращается в сплетение нескольких толстых жгутов, увязанных в центральной точке. Там и закрепляется высосавшая все соки из жертвы личинка, чтобы сплести собственный кокон. Разве можно придумать лучший способ обезопасить себя от нападения?
Паразит: оса Hymenoepimecis argyraphaga. Хозяин: паук Leucauge argyra. Прежде чем он будет избавлен от страданий, попавший во власть осы-паразита паук испытывает череду унижений. Парализованный жалом осы, паук не может сопротивляться, пока мучительница откладывает яйцо ему на брюшко. Вылупившись, личинка крепко держится за паука — словно злокозненный малыш, привыкший ездить у мамы на шее — и питается жидкостями его тела на протяжении недели. Приготовившись к окукливанию, личинка побуждает хозяина затеять последний, безрассудный строительный проект. Разрывая свою тщательно сооруженную сеть, паук вьет новую, состоящую лишь из нескольких толстых перекрещивающихся нитей. Благодарность личинки сводится к высасыванию хозяина досуха. Затем она начинает заворачиваться в кокон на пересечении двух нитей, где сможет спокойно висеть, недосягаемая до хищник.
Некоторым паразитам удается еще искуснее манипулировать поведением хозяев. Так, одноклеточное существо — кровяной споровик, или малярийный плазмодий (Plasmodium malariae и родственные виды), прежде чем заразить человека, проводит часть жизненного цикла в теле комара, пьющего кровь, в том числе и человеческую.
Паразит: наездник Microgaster. Хозяин: капустная белянка Pieris brassicae. Подобно божьей коровке-телохранителю, гусеница бабочки капустницы охраняет заразившего ее кукловода-паразита. Самка этого наездника откладывает в жертве сразу несколько десятков яиц. Личинки вылупляются, едят, растут… и в какой-то момент парализуют своего еще живого хозяина, а затем прогрызают проход наружу. Выбравшись на свободу, личинки плетут себе коконы, а порабощенная гусеница, вместо того чтобы позаботиться о себе, покрывает их дополнительным слоем шелка. Пока куколки созревают, гусеница будет сторожить их от хищников.
Фото: Лаборатория Джеффа Харвея, Нидерландский институт экологии
Удовлетворение потребности в пище сопряжено с риском для жизни кровососа, а значит, и обитающих в нем плазмодиев, ведь раздраженный назойливым писком человек и мокрого места от комара не оставит, лишив кровяной споровик шанса на переход в следующую стадию развития — уже внутри человеческого организма.
Чтобы не погибнуть вместе с кровососом, паразит старается умерить его аппетит, заставляя реже выходить на охоту и не зудеть у жертвы над ухом, если первые попытки получить порцию крови оказались неудачными. Однако как только у плазмодия формируется поколение спорозоитов — клеток, готовых к бесполому размножению и сосредоточенных в слюнных железах комара, паразит начинает добиваться от хозяина прямо противоположного: возбуждает в насекомом жажду крови и толкает на рискованные попытки укусить еще раз, даже когда кровь в него больше не лезет. При этом судьба кровопийцы уже не волнует паразита, который достиг своей цели и перебрался в организм нового хозяина для дальнейшего развития.
Плазмодии вызывают лишь незначительные изменения в поведении комаров, другие же паразиты могут и вовсе довести свою марионетку до гибели. Маленькие рыбки из семейства карпозубых — хорошо знакомые аквариумистам обитатели мелких африканских водоемов — в естественной среде держатся подальше от водной глади, чтобы не попасть в клюв какой-нибудь забредшей в тихую заводь птицы.
Паразит: червь Paragordius obamai. Хозяин: домовый сверчок Acheta domesticus. Домовый сверчок готов отдать свою волю и саму жизнь паразитическому червю, личинка которого попадает в организм сверчка вместе с останками мертвых насекомых, которыми он питается, и начинает развиваться. Сверчок — наземное существо, а вот взрослый волосатик живет в воде, и в момент, когда он готовится выйти наружу, сознание сверчка затуманивается, и он прыгает в ближайший водоем. Хозяин гибнет, а толкнувший его на самоубийство паразит выходит на волю, в некоторых случаях дорастая до 30 сантиметров в длину
Но стоит им подцепить червя сосальщика, как они начинают подплывать к поверхности, даже переворачиваться, чтобы блеснуть серебристым брюшком в солнечных лучах, тем самым превращаясь в заметную цель. Птицы с гораздо большей вероятностью съедят зараженных рыбок, вместе с которыми к ним в желудок попадут и черви, получив возможность расти и размножаться.
Самый известный паразит-манипулятор следует весьма похожей стратегии на суше. Крысы и мыши (а также другие млекопитающие) могут инфицироваться споровиком Toxoplasma gondii, родственником малярийного плазмодия. Эти паразиты образуют многочисленные (до нескольких тысяч) цисты — клетки, затаившиеся под защитной оболочкой в мозгу жертвы. Но для завершения жизненного цикла токсоплазма должна попасть в кишечную выстилку кошки. Как ей этого добиться, ведь самостоятельно переместиться туда споровик попросту не может? Чтобы обеспечить продолжение рода, паразиту приходится принести в жертву своего промежуточного хозяина — грызуна.
Так, в поисках кошки они и становятся легкой добычей: пара взмахов когтистых лап, и грызун оказывается в желудке хищника вместе с уготовившим ему такую участь паразитом.
Каким же образом у одноклеточных вроде споровиков в результате естественного отбора могут развиться столь впечатляющие способности к управлению поведением высокоорганизованных животных? Пока это остается одной из интереснейших загадок эволюционной биологии. Одну из гипотез предложил биолог Ричард Докинз, автор научно-популярного бестселлера «Эгоистичный ген» (1976 год).
Докинз считает, что гены эволюционируют лишь для того, чтобы все более успешно воспроизводить самих себя. Наши тела что-то значат для нас самих, но с точки зрения генов они играют роль управляемой оболочки, необходимой для передачи ДНК из одного поколения в другое. Набор генов любого человека или иного организма называется генотипом; все внешние признаки тела и его функции, предопределенные генотипом, но приобретающие свой окончательный вид в результате развития особи, — фенотипом.
Как утверждает Докинз, фенотип не ограничивается внешними особенностями тела — он включает и обусловленное генами поведение. Скажем, в генах бобра «закодированы» его кости, мышцы и шкура. Но помимо этого гены определяют и структуру нейронных сетей в мозге животного, заставляющих его точить стволы деревьев и возводить плотины.
Вся жизнь бобра и его семьи зависит от запруды, которую ему удастся создать: окружающая бобровую нору вода ограждает его жилище от посягательств хищников. Если какая-то мутация гена позволит бобру выстроить плотину лучше, это повысит шансы конкретного фенотипа — носителя такого гена на выживание и на большую (в среднем) плодовитость все того же гена. А значит, у конкретной мутации появится возможность закрепиться и распространиться в популяции за несколько поколений.
Но если воздействие гена материализуется в физическом мире, например в виде запруды и искусственного водоема, то, предполагает Докинз, почему бы ему не распространиться и на управление другими живыми существами? Для примера он приводит все тех же паразитов. Действительно, способность управлять поведением хозяев запрограммирована в их ДНК, мутация хотя бы одного из генов может отразиться на всей поведенческой цепочке, связанной с влиянием на хозяина. Окажется ли это на руку паразиту или, напротив, помешает, целиком зависит от типа мутации.
Так, если заболевший гриппом человек, вместо того, чтобы чихать и заражать других, вдруг запрется в комнате до самой смерти, то такой штамм вируса не сможет распространиться среди новых хозяев и очень быстро исчезнет из популяции. Успешнее оказываются те мутации, которые меняют поведение хозяев в благоприятном для паразитов ключе. Например, если гены наездника изменятся так, что его личинке удастся привить божьей коровке повадки, способствующие защите паразита, то особи с этой мутацией получат преимущество (будут реже гибнуть от хищников), и потомство такого наездника окажется более многочисленным.
Согласно гипотезе Докинза, высказанной в 1982 году в книге «Расширенный фенотип», некоторые из генов захватчиков оказываются успешнее собственных генов жертв, отвечающих за их поведенческие повадки. Книга во многом опередила свое время: в те годы ученые только приступали к изучению паразитов, меняющих поведение хозяев. Несколько десятилетий спустя исследователям наконец удалось приподнять завесу тайны и разгадать уловки паразитов-кукловодов.
Группа ученых под руководством Фреда Либерсата из Университета имени Бен-Гуриона детально изучает осу Ampulex compressa, которая жалит тараканов, превращает их в послушных зомби и ведет в свою норку, придерживая за усики, словно собаку на поводке. При этом таракан не теряет способность ходить, у него просто пропадает желание передвигаться самостоятельно.
Оса-ампулицида тем временем откладывает яйца ему на брюшко, и бедная жертва послушно ждет, пока личинка не вылупится и не проникнет внутрь. Но как же осе удается так виртуозно верховодить тараканом? Группа Либерсата установила, что ее тонкое жало проникает с хирургической точностью в области мозга насекомого, отвечающие за его двигательные функции, и щедро обрабатывает нервные клетки коктейлем из нейромедиаторов, имеющих схожий с психотропными наркотиками эффект.
Эксперименты, поставленные Либерсатом, указывают на подавление активности нейронов, отвечающих за спасение бегством в случае, когда таракану грозит опасность. И хотя ученые смогли в мельчайших деталях разгадать нейрохирургические манипуляции осы-ампулициды, они далеки от полного понимания процесса порабощения.
Осиный эликсир состоит из смеси разных веществ, среди которых группе Либерсата еще предстоит выявить соединения, влияющие на поведение таракана, и описать сам механизм воздействия. Однако уже на нынешнем этапе исследования хорошо согласуются с идеей «расширенного фенотипа» Докинза: гены, кодирующие молекулы вводимых осой нейромедиаторов, делают подневольного таракана частью плана по продолжению ее рода: он превращается в колыбель для осиной личинки.
В некоторых случаях ученым удалось понять, какие именно гены позволяют паразитам манипулировать поведением хозяина. Бакуловирусы, поражающие гусениц непарного шелкопряда и других бабочек, преобразуют их клетки в фабрики по производству новых вирусов. Зараженная гусеница внешне не отличается от здоровой: все так же усердно грызет листья, но при этом карабкается вверх по дереву, чего никогда не делают здоровые особи, и довольно быстро достигает вершины.
В это время по воле вируса в клетках гусеницы просыпаются гены, которые запускают лавинообразное производство энзимов, растворяющих тельце, так что оно буквально стекает на расположенные ниже ветки и орошает их мириадами новых копий вируса, готовых заселиться в следующие жертвы.
Келли Хувер и Дэвид Хьюз из Университета штата Пенсильвания трактуют подобное поведение гусеницы как ярчайшую иллюстрацию концепции «расширенного фенотипа». Для проверки гипотезы Докинза они занялись детальным изучением генов бакуловируса, чтобы установить те из них, которые отвечают за перемещение насекомого.
Они обнаружили, что при выключении гена egt вирус продолжает размножаться среди здоровых клеток, в итоге превращая гусеницу в желе, но больные личинки уже не карабкаются наверх. Контроль за поведением животного с помощью лишь одного гена скорее исключение из правил. У большинства паразитов за это отвечают целые генные сети. А что за тайну скрывает наездник Dinocampus coccinellae вместе с подконтрольной его личинке божьей коровкой?
Фанни Маур с коллегами из Монреальского университета удалось выяснить, что превращающий жертву в послушного телохранителя наездник, возможно, представляет собой «расширенный фенотип» еще одного организма: вместе с яйцами наездник вводит в брюшко божьей коровки смесь, в которой присутствует вирус, живущий в его яичниках. Судя по всему, именно он обездвиживает жука и превращает его в защитника личинки.
Эволюционные задачи вируса и наездника при этом совпадают: под опекой божьих коровок выводится больше наездников, а значит, среда обитания вируса расширяется. Поэтому их гены объединили усилия по зомбированию общей жертвы. Однако истинным кукловодом в этом случае выступает не наездник — его крылышки аккуратно подвешены к тонким ниточкам, за которые ловко дергает более могущественный господин, надежно укрытый от наших глаз, — вирус.