Зомбирующие грибы лишили муравьев сна и обоняния
Чтобы превратить муравья в послушного зомби, паразитический гриб кордицепс нарушает его циркадные ритмы, систему восприятия запахов и передачу нейромедиаторов. В результате насекомое покидает муравейник, поднимается на подходящее растение и висит на нем до самой смерти. Это позволяет грибу попасть в оптимальное место для распространения спор. Описать манипуляции кордицепса на молекулярно-генетическом уровне удалось авторам статьи, опубликованной в журнале G3: Genes, Genomes, Genetics.
Многие паразиты искусно манипулируют поведением хозяина, чтобы повысить свои шансы на выживание и продолжение рода. Например, некоторые виды грибов кордицепсов из рода Ophiocordyceps заставляют зараженных муравьев покидать колонию, взбираться на растение и повисать на нем, удерживаясь челюстями. После смерти насекомого из него прорастает плодовое тело гриба. По сути, кордицепс превращает хозяина в транспортное средство для перемещения в место, идеальное с точки зрения созревания и распространения спор.
Драматичные взаимоотношения кордицепсов и муравьев получили широкую известность не только среди биологов, но и в массовой культуре. Тем не менее, у ученых все еще нет точного ответа, как именно гриб управляет поведением хозяина.
Исследователи во главе с Иэном Уиллом (Ian Will) из Университета Центральной Флориды решили рассмотреть этот вопрос на молекулярно-генетическом уровне. Они сосредоточили свое внимание на кордицепсе O. camponoti-floridani и его специфическом хозяине — муравье-древоточце Camponotus floridanus. Насекомых инфицировали спорами гриба и проверяли, как это скажется на активности генов обоих видов. Для этого ученые трижды провели секвенирование РНК паразита и хозяина — до заражения, после заражения и после смерти муравья.
Анализ выделил целый ряд генов-кандидатов, которые позволяют кордицепсу производить токсины, ферменты и вторичные метаболиты для управления поведением хозяина. Аналогичным образом в геноме муравья были выделены гены, которые служат мишенями для паразита.
Исследователи продемонстрировали, что гриб наносит удар сразу по нескольким важным функциям нервной системы хозяина. Например, он сбивает муравьиный режим дня, нарушая работу связанных с циркадными ритмами генов. Еще более разрушительно паразит воздействует на обоняние жертвы, основной канал ее общения с сородичами. В результате зараженная особь теряет связь с колонией, далеко уходит от нее и не возвращается вовремя. Дополнительный эффект оказывает вмешательство кордицепса в передачу нейромедиаторов.
На последнем этапе полученные данные сравнили с результатами аналогичного исследования, которое проводилось с другой парой паразит-хозяин — O. kimflemingiae и C. castaneus. Оказалось, что взаимоотношения различных видов кордицепсов и муравьев довольно похожи с молекулярно-генетической точки зрения. Возможно, паразитические грибы приобрели способность зомбировать муравьев один раз, а затем подстраивали ее под конкретные виды.
Кордицепсы — далеко не единственные паразиты, способные манипулировать поведением хозяев.
Сегодня ученым известно, что эта черта широко распространена в природе. Больше узнать о существах, которые превращают своих жертв в настоящих зомби, можно из нашего теста «Обитель зла».
Сергей Коленов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Зомбирующий гриб оказался куда опаснее, чем думали ученые
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».
Василий Макаров
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?
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 исследование, опубликованное в феврале 2021 года 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, 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.
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.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 последнем 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?
Кордицепс-зомби-гриб захватывает тела муравьев
- Животные
- Враждебная планета
Грандиозный финал смертоносного паразита заключается в том, что ядовитые споры вырастают из головы мертвого муравья.
Глубоко в тропических лесах Амазонки паразитические грибы, называемые паразитами, захватывают тела муравьев, чтобы размножаться. Он показан в эпизоде «Враждебная планета» на канале National Geographic о джунглях, который выйдет в эфир в понедельник, 22 апреля, в 21:00. СТАНДАРТНОЕ ВОСТОЧНОЕ ВРЕМЯ.
Национальный географический канал
Они ходят среди нас: насекомые, захваченные паразитическими грибами, которые контролируют каждое их движение.
У грибка Ophiocordyceps unilateralis есть только одна цель: саморазмножение и распространение. Исследователи считают, что грибок, обитающий в тропических лесах, заражает муравья-фуражировщика через споры, которые прикрепляются к экзоскелету и проникают в него, постепенно перенимая его поведение.
По мере распространения инфекции порабощенный муравей вынужден покинуть свое гнездо и отправиться в более влажный микроклимат, благоприятный для роста грибка. Муравей вынужден спуститься на выгодную позицию примерно в 10 дюймах от земли, вонзить свои челюсти в жилку листа на северной стороне растения и ждать смерти.
Тем временем гриб питается внутренностями своей жертвы, пока не будет готов к финальной стадии. Через несколько дней после смерти муравья гриб выпускает плодовое тело через основание головы муравья, превращая его сморщенный труп в стартовую площадку, с которой он может выбрасывать свои споры и заражать новых муравьев.
«Это определенно говорит о воображении как ученых, так и широкой публики», — говорит Чарисса де Беккер, профессор Университета Центральной Флориды, изучающая взаимодействие паразита и хозяина, которое приводит к поведенческим манипуляциям.
Как и в мифах о зомби, существует инкубационный период, когда зараженные муравьи выглядят совершенно нормально и занимаются своими делами, оставаясь незамеченными для остальной части колонии. Это необычно, потому что социальные насекомые, такие как муравьи, обычно обладают так называемым социальным иммунитетом: больных членов выгоняют из группы, чтобы остальные тоже не заболели. «Мы думаем, что у муравьев на самом деле нет механизма, чтобы избавиться от Ophiocordyceps », — говорит де Беккер.
Хотя инфекция на 100% смертельна, цель не в том, чтобы превратить всех муравьев в ходячих мертвецов. Чтобы экосистемы оставались сбалансированными, грибы должны контролировать популяции хозяев. На самом деле, в любой момент времени инфицировано лишь несколько муравьев в колонии.
«Это почти как хроническая простуда, — говорит де Беккер.
И, возможно, самое большое отклонение от сценария зомби, Ophiocordyceps unilateralis , похоже, не вторгается в мозг.
С помощью флуоресцентной микроскопии исследователи из Университета штата Пенсильвания наблюдали за колонизацией грибков у муравьев от желудка, задней части брюшка, до головы — и не обнаружили никаких следов грибковых клеток в мозгу. Они объединили эту информацию с компьютерными алгоритмами, чтобы наметить движение грибов, когда они образовывали своего рода трубчатые леса внутри и вокруг мышечных пучков муравьев.
Это говорит о том, что грибок осуществляет контроль над разумом с помощью биоактивных соединений, которые воздействуют на нервную систему муравья и контролируют хозяина непосредственно через мышцы, говорит де Беккер.
Исследователи из Таиланда и США изучают различные виды Ophiocordyceps , которые заражают другие виды муравьев, чтобы сравнить их механизмы контроля. В целом, исследователи идентифицировали более 200 видов Ophiocordyceps , которые могут заражать хозяев из 10 отрядов насекомых, а также пауков, хотя не все приводят к поведенческим манипуляциям.
Один родственный вид, O . sinensis , колонизирует гусениц бабочки-призрака и вырастает из их головы, как рог единорога. Комбинация гриба и шелухи гусеницы ценится в традиционной тибетской и китайской медицине как иммуностимулятор, средство для лечения рака и афродизиак. Как ни странно, видов Ophiocordyceps , населяющих японских цикад, могли даже заменить симбиотических бактерий, чтобы помочь своим хозяевам перерабатывать питательные вещества из сока.
Подобно микробиому в нашем собственном кишечнике, насекомые содержат целый ряд видов грибов, говорит Барретт Кляйн, энтомолог из Висконсинского университета в Ла-Кроссе.
Но поскольку не все грибы можно выращивать в лаборатории, тщательно изучалась лишь пара, не говоря уже о том, что они вызывают манипуляции с поведением.
Ученые знают о некоторых. Есть Entomophthora muscae , что буквально означает «истребитель насекомых-мух» на греческом языке. Он заставляет зараженных мух взбираться на определенную высоту, приклеиваться ртом к растению и принимать «позу смерти» вверх брюшком, которая оптимальна для распространения спор. (Смотрите, как мухи превращаются в зомби.)
И есть Massospora cicadina , который накачивает своих хозяев-цикад галлюциногенными препаратами и заставляет часть их брюшка отваливаться. Затем цикада с голым дном извивается навстречу смерти — опять же в интересах рассеивания спор. (Узнайте больше о паразитах, контролирующих разум.)
«Это захватывающая область на периферии нашего понимания, чтобы посмотреть, насколько паразиты контролируют своего хозяина», — говорит Кляйн. «Если животными так легко манипулировать, что это значит для нас?»
Читать дальше
15 знаковых изображений из архива National Geographic
- Фотография
15 знаковых изображений из архива National Geographic
Более 115 лет назад National Geographic опубликовала свой первый фоторепортаж и никогда не оглядывалась назад.
Эти недавние изображения взяты из архива National Geographic и прославляют силу современной фотографии.
Черная канадская рысь впервые замечена
- Животные
Черная канадская рысь впервые замечена
У темношерстной кошки есть генетическое заболевание, называемое меланизмом, которое наблюдалось примерно у трети кошек, но ранее не наблюдалось у этого вида.
Эксклюзивный контент для подписчиков
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Посмотрите, как люди представляли жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе в истории
марсоходы НАСА будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе в истории
марсоходы НАСА исследует красную планету
Подробнее
Зомби-грибок порабощает только свой любимый мозг муравья
Живая наука поддерживается своей аудиторией.
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам. Муравей-плотник, зараженный грибком-паразитом, контролирующим мозг.
(Изображение предоставлено Дэвидом П. Хьюзом)Паразитический грибок, который, как известно, манипулирует мозгом муравьев, не делает рабоподобных «зомби» из любого старого хозяина.
Вместо этого микроорганизм каким-то образом способен распознавать мозг разных видов муравьев и выпускает свой химический коктейль, контролирующий разум, только в том случае, если он находится в предпочитаемом им хозяине, как показывают новые исследования.
«Поведенческие манипуляции настолько сложны [характеристики], что они возникают только при очень близкой коэволюции между патогеном и хозяином», — сказала Чарисса де Беккер, молекулярный биолог из Пенсильванского государственного университета и ведущий автор нового исследования, опубликованного в Август в журнале BMC Evolutionary Biology.
«Теория состоит в том, что у каждого вида муравьев есть свои виды грибков, которыми они заражаются», — сказал де Беккер Live Science.
[Управление разумом: см. изображения муравьев-зомби]
Создание зомби
Грибы рода Ophiocordyceps — так называемые грибы-зомби-муравьи — нуждаются в муравьях для завершения своего жизненного цикла. Когда муравей сталкивается со спорами гриба во время кормления, грибок заражает насекомое и быстро распространяется по всему его телу.
Муравей-плотник, зараженный грибком муравья-зомби из рода Ophiocordyceps. Как только грибок убивает своего несчастного трутня, он отращивает из головы муравья стебель, выделяющий споры, чтобы заразить больше муравьев. (Изображение предоставлено Ким Флеминг) Грибковые клетки в голове муравья выделяют химические вещества, которые воздействуют на центральную нервную систему насекомого. Гриб заставляет муравья карабкаться по растительности и цепляться за лист или ветку, прежде чем убить своего незадачливого трутня. Затем из затылка жертвы вырастает стебель, выделяющий споры, чтобы заразить больше муравьев на земле внизу.
Де Беккер и ее коллеги задались вопросом, почему разные виды Ophiocordyceps заражают только определенных муравьев. «Это может быть по многим причинам», — сказала она. «Может быть, у муравьев разные жизненные циклы. Или, может быть, они никогда не сталкиваются со спорами».
Чтобы выяснить, может ли Ophiocordyceps зомбировать многие виды муравьев, исследователи сосредоточились на грибковом виде, известном как
Команда ввела грибковый материал (в жидкой среде) двум видам муравьев, а также Camponotus pennsylvanicus и Formica dolosa , которые, как известно, не являются хозяевами грибка, несмотря на то, что живут в тех же районах, что и другие муравьи.
Они также провели контрольные эксперименты, в которых муравьев либо оставляли в покое, либо вводили им жидкость, не содержащую грибков.
Исследователи обнаружили, что грибок убил все три из видов Camponotus , применяя свой трюк контроля над разумом только на этих двух известных носителях. ( F. dolosa долго не выживал после любого инъекционного лечения.)
Обнаружение химических веществ, контролирующих разум
Затем де Беккер и ее коллеги хотели выяснить, выделяет ли гриб определенный набор химических веществ, которые позволяют ему управлять поведением C. castaneus и C. americanus, . но не другие муравьи.
Грибок муравья-зомби Ophiocordyceps unilateralis sense lato можно увидеть растущим на муравье-плотнике в лаборатории. (Изображение предоставлено Чариссой де Беккер/Hughes Lab) «Мы взяли четыре вида муравьев, которых мы использовали для исследования инъекций, препарировали их мозг и сохранили [мозги] живыми, поместив их в среду для культивирования клеток насекомых», де — сказал Беккер.
«Мы добавили грибок в эту среду и дали ему прореагировать на окружающую среду, а затем мы извлекли среду, в которой были все молекулы, произведенные грибком».
Среда каждого муравья содержала тысячи уникальных химических веществ, многие из которых были неизвестны. Используя данные контрольных экспериментов, команда отсеяла химические вещества, которые, вероятно, производятся мозгом или грибком в ответ на воздействие среды, оставив сотни химических веществ, выделяемых грибком в ответ на воздействие мозга муравья.
Интересно, что грибок производил разные химические смеси для каждого вида муравьев, предполагая, что он «знает» мозг своих хозяев-мишеней и реагирует соответствующим образом, сказал де Беккер. Грибок не эволюционировал вместе с C. pennsylvanicus или F. dolosa , поэтому он не может приготовить правильный коктейль для манипулирования ими.
Команде удалось идентифицировать два соединения, гуанидиномасляную кислоту (GBA) и сфингозин, которые, вероятно, участвуют в зомбировании двух своих хозяев — эти два соединения, по-видимому, также играют роль в некоторых неврологических расстройствах, отмечают исследователи.
Они также нашли много других соединений-кандидатов, но пока не могут их идентифицировать.
«Возможно, это будет целая смесь химических веществ, которые должны быть там в нужном количестве, работая вместе, чтобы манипулировать поведением муравьев», — сказал де Беккер.
Подпишитесь на Джозефа Кастро на Twitter . Подпишитесь на нас @livescience , Facebook и Google+ . Оригинальная статья о живой науке.
Джозеф Беннингтон-Кастро — проживающий на Гавайях автор статей для Live Science и Space.com. Он имеет степень магистра научной журналистики Нью-Йоркского университета и степень бакалавра физики Гавайского университета. Его работы охватывают все области науки, от причудливого брачного поведения различных животных до пристрастия древних культур к наркотикам и алкоголю и новых достижений в технологии солнечных батарей. Если говорить более лично, Джозеф был почти одержим видеоиграми столько, сколько себя помнит, и, вероятно, в этот самый момент играет в игру.