Паразиты на службе у биологов, медиков и экологов

В одном из недавних выпусков радиожурнала «Наука и техника» мы рассказывали о том, как глобальное потепление отражается на природе Центральной Европы, как оно уже сегодня влияет на окружающую нас среду. Речь, в частности, шла об изменениях в жизненном цикле лесных грибов и о миграции клещей. Но если возможность собирать грибы чуть ли не круглый год многих, скорее всего, порадует, то перспектива встретиться в лесу с десятками голодных клещей, караулящих грибников на каждом кусте, вполне способна эту радость изрядно омрачить. Хотя укусы клеща, как правило, безболезненны, они чреваты серьёзными неприятностями, поскольку клещи часто являются переносчиками опасных инфекционных заболеваний. Короче говоря, с клещами необходимо бороться. Но как? Профессор Уте Маккенштедт (Ute Mackenstedt), заведующая кафедрой паразитологии зоологического факультета университета в Хохенхайме близ Штутгарта, поясняет:

Главная проблема в случае с клещами состоит в том, что они являются исключительно кровососущими паразитами, то есть питаются только кровью и ничем иным. Таким образом, вы не можете распылить какую-то специальную ядовитую приманку в надежде, что клещи на неё набросятся и погибнут. Я не говорю уже о том, что практически не существует химических препаратов с такой высокой избирательностью, чтобы они уничтожали один-единственный вид насекомых или паукообразных и не причиняли вреда всем остальным. Все ядохимикаты обладают более или менее широким спектром действия, а значит, такая химическая дубина ударила бы по всей экосистеме леса в целом, нанесла бы природе серьёзный ущерб. Короче говоря, это не метод. Нам представляется перспективным лишь один способ борьбы с клещами: применение против них их природных врагов-паразитов.

А таковых у клещей, к счастью, немало. Например, Ixodiphagus hookeri – один из видов ос, принадлежащий к надсемейству хальцид подотряда паразитических перепончатокрылых. Это надсемейство объединяет немало видов, отлично зарекомендовавших себя на поприще борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Наиболее известны среди них трихограммы и афелинус. Трихограммы – это наездники-яйцееды, паразитирующие на множестве видов насекомых, в том числе яблонной и восточной персиковой плодожорках, зерновой моли, рисовой и тростниковой огнёвках, капустной и озимой совках, сосновом шелкопряде и так далее, а афелинус прославился как эффективное средство борьбы с опасным вредителем яблонь – кровяной тлёй. Ixodiphagus hookeri – близкий родственник этих героев. Профессор Йоханнес Штайдле (Johannes Steidle), заведующий кафедрой экологии животных того же зоологического факультета университета в Хохенхайме, берёт в руки стеклянную пробирку, долго разглядывает её со всех сторон и наконец удовлетворённо поясняет:

Вот здесь, внизу, эта едва заметная чёрная точка – это и есть наша оса.

Понятно, что эта точка не отвечает расхожим представлениям о том, как должна выглядеть нормальная оса, – говорит профессор Штайдле:

Эта оса имеет мало общего с обычными осами в чёрно-жёлтую полоску, слетающимися на сладкое. Это очень мелкие насекомые, даже взрослые особи часто не достигают и одного миллиметра в длину. И они ведут паразитический образ жизни, развиваются внутри организма других животных, наподобие инопланетного чудовища в фильме Ридли Скотта «Чужой». Для человека такие осы совершенно безопасны – они даже ужалить не могут.

На мысль использовать миниатюрную осу для борьбы с клещами учёных навели наблюдения в США и Кении. Именно там впервые было обнаружено, что этот вид перепончатокрылых, обитающий и в Германии, успешно паразитирует на клещах – правда, не том виде, который получил наибольшее распространение в Европе, а на местных видах того же рода. Однако вероятность, что оса окажется эффективным средством и против европейского клеща, довольно велика. Но о практическом применении паразитических ос в качестве биологического средства борьбы с клещами говорить пока рано – исследования находятся ещё на ранней стадии. Во всяком случае, учёные университета в Хохенхайме гораздо больше надежд возлагают сегодня на других паразитов – на определённых нематод, или круглых червей, и на некоторые виды грибов. Профессор Уте Маккенштедт говорит:

Это грибы, также проникающие в организм клеща через дыхательные пути. Со временем внутри инфицированного клеща развивается мицелий, который постепенно начинает его буквально распирать.

Профессор Маккенштедт и её коллеги два года посвятили разведению в лабораторных условиях червей и грибов, паразитирующих на клещах. Статистика экспериментов выглядела многообещающе: смертность среди инфицированных клещей превышала 90 процентов. Затем исследователи отважились на первые полевые испытания. На территории университета был воздвигнут сарай, в котором учёные постарались воссоздать своего рода естественную среду обитания для клещей и их природных врагов: заполнили большие плоские пластмассовые ванны торфом и листвой и поместили туда главных действующих лиц предстоящей драмы. Профессор Уте Маккенштедт рассказывает:

По краю этих ванн, по всему их периметру, мы провели нагревательную проволоку, чтобы клещи не могли из ванн выбраться. И мы поместили туда же врагов клещей: в одну ванну – нематод, в другую – грибы.

Оказалось, что степень восприимчивости клещей к нападению того или иного врага-паразита зависит от того, на какой стадии жизненного цикла находится клещ. Относительно первой стадии – шестиногой личинки – статистики нет; на второй стадии – восьминогой нимфы – клещи чаще становится жертвами грибов; зато на третьей стадии – взрослой особи – эффективнее уничтожают клещей, особенно самок, нематоды. В ходе экспериментов в университетском сарае черви стали причиной гибели половины всех клещей, грибы смогли убить каждого пятого клеща. Понятно, что останавливаться на достигнутом учёные не намерены, – поясняет профессор Уте Маккенштедт:

Последним шагом должно стать полевое испытание в совершенно естественных природных условиях.

Идеальным местом проведения такого эксперимента мог бы стать биотоп в непосредственной близости от университета. Однако опыты подобного рода сопряжены с определённым риском. Вроде бы и эти грибы, и эти нематоды паразитируют исключительно на клещах, но стопроцентной уверенности у учёных нет, а значит, нельзя исключать и возможность сюрпризов. Поэтому опыты решено в нынешнем году всё же провести, но ограничиться при этом круглыми червями. Будут ли они и в живой природе столь же эффективным оружием, каким проявили себя в лаборатории, и не окажутся ли опасными патогенами для каких-то посторонних видов животных, покажет время. Профессор Уте Маккенштедт не скрывает озабоченности:

Это безусловно один из самых критических моментов проекта. Ведь мы знаем немало примеров, когда всё функционировало совсем не так, как задумывалось, и естественные враги делали всё что угодно кроме того, чего от них ожидали.

Один из таких примеров – искусственное переселение в Австралию жабы-аги (Bufo marinus), естественный ареал обитания которой находится в Центральной Америке. Инициаторы этой акции полагали, что жаба-ага, будучи весьма крупным и прожорливым ядовитым земноводным, поможет справиться с вредителями сахарного тростника. Однако ничего подобного не произошло: в борьбе с вредителями жаба оказалась неэффективной, поскольку нашла себе другую добычу, зато за прошедшие с тех пор 70 с лишним лет она настолько увеличила численность популяции и расширила ареал обитания, что стала серьёзной угрозой для многих видов местной фауны. Между тем, методов борьбы с агами пока не разработано. Конечно, немецкие биологи хотят избежать таких ошибок и стараются действовать с максимальной осмотрительностью. Впрочем, чтобы в полной мере понять механизмы, управляющие действиями паразитов, одних лишь прикладных экспериментов недостаточно, нужны и фундаментальные исследования. Такие исследования ведутся, например, учёными факультета эволюционной биологии Боннского университета. Хотя, на первый взгляд, единственными обитателями лабораторных аквариумов кажутся лишь речные окуни да мелкие рачки, на самом деле объектом пристального внимания и изучения здесь является паразит:

Этот паразит именуется Pomphorhynchus laevis. Относится к классу Acanthocephala – колючеголовых. А ещё их называют скребнями. Это черви, во многом похожие на нематод. Они обитают в пищеварительном тракте позвоночных. Тот вид, что изучаем мы, живёт в кишечнике хищных рыб, –

говорит научный сотрудник факультета Себастиан Бальдауф (Sebastian Baldauf). Как и многие другие паразитические черви, этот вид скребня также на протяжении своего жизненного цикла меняет хозяина. Сперва яйца паразита с пищей попадают в организм промежуточного хозяина – пресноводного речного рака бокоплава-блохи (Rivulogammarus pulex) из отряда разноногих (Amphypoda). Там из яиц паразита вылупляются личинки. Когда же они достигают определённого размера, для скребня наступает самый ответственный момент его жизни – смена хозяина:

Потому что внутри организма бокоплава ему не хватает питательных веществ и мало места для роста.

Ведь бокоплав-блоха не превышает в длину полутора сантиметров, между тем как длина тела скребня может достигать 65-ти сантиметров. Поэтому паразит жизненно заинтересован в том, чтобы его хозяина сожрало какое-нибудь более крупное животное – в данном случае, окунь. Для достижения этой цели скребень применяет разные трюки. Во-первых, он имеет ярко-оранжевую окраску, которая просвечивает сквозь полупрозрачного рачка и привлекает хищных рыб. А во-вторых – и этот механизм ещё интереснее – он влияет на поведение хозяина. Об этом наглядно свидетельствуют опыты Бальдауфа и его коллег. Сначала они разделили аквариум мелкоячеистой сеткой как бы на два этажа – верхний и нижний:

Верхний этаж аквариума над сеткой разделён, в свою очередь, на два отсека. И в один из этих отсеков – иногда в левый, иногда в правый, – запускался хищник, питающийся, в частности, и рачками-бокоплавами. В данном конкретном случае – речной окунь.

А в нижнем этаже аквариума плавали эти самые бокоплавы-блохи – как здоровые, так и инфицированные скребнем. Здоровые рачки реагировали на появление хищника вполне ожидаемо: забивались в самый дальний угол аквариума:

Однако инфицированные паразитом животные вели себя прямо противоположным образом: они сразу устремлялись навстречу окуню.

Чтобы выяснить, что побуждает бокоплавов совершать самоубийственные действия, боннские биологи провели ещё несколько серий экспериментов. В частности, вместо того, чтобы запустить в аквариум с бокоплавами окуня, туда подавалась дополнительная порция воды:

Причём это была вода из бассейна, в котором содержались окуни. В этой воде высока концентрация специфических пахучих веществ, выделяемых рыбами. И оказалось, что именно запах является тем самым фактором, на который реагируют рачки. То есть не вид, а запах хищника заставляет их обращаться в бегство.

А паразит нарушает, вернее, перепрограммирует обоняние бокоплавов так, что запах окуня становится для них не отпугивающим, а приманивающим. В результате рачки, инфицированные скребнем, чаще становятся добычей хищника, и личинки червя получают возможность дальнейшего развития и роста в кишечнике рыбы. Яйца скребня вместе с экскрементами хозяина попадают в воду, снова становятся пищей бокоплавов-блох, и круговорот продолжается. Вот только пока неясно, каков биохимический механизм, позволяющий паразиту манипулировать промежуточным хозяином, что там происходит на молекулярном уровне. Возможно, скребень влияет на синтез серотонина – биологически активного вещества, выполняющего функцию нейромедиатора. Себастиан Бальдауф говорит:

Неясно, то ли паразит выделяет вещества, которые оказывают активное влияние на нервную систему промежуточного хозяина, то ли он блокирует пути передачи тех или иных нервных импульсов и сигналов. Единственное, что учёным удалось точно установить, так это то, что паразитарная инфекция изменяет концентрацию серотонина в организме хозяина.

Правда, не всегда паразиты активно заставляют промежуточного хозяина менять поведение. Порой им достаточно собственным поведением свести на нет систему его мимикрии. Типичным примером здесь может служить плоский червь-сосальщик Leucochloridium paradoxum, проводящий первую часть своего жизненного цикла в организме улитки-янтарки – наземного брюхоногого моллюска из отряда стебельчатоглазых. Личинки червя проникают в щупальца улитки и превращают их в ярко светящиеся и пульсирующие всеми цветами радуги отростки, привлекающие внимание хищника – в данном случае оляпки, птицы отряда воробьиных, которой и предназначено стать окончательным хозяином червя-сосальщика. Однако чаще паразиты всё же превращают промежуточных хозяев в послушных им марионеток. Когда паразиту, обитающему в муравьях, приходит пора менять хозяина, он заставляет их карабкаться как можно выше на стебли травы – это повышает вероятность того, что насекомое станет добычей хищника. Ещё интереснее ведёт себя длинный тонкий червь-волосатик Paragordius tricuspidatus – он умудряется управлять не промежуточным, а окончательным хозяином. Взрослые особи этого вида вообще не питаются, они свободно плавают в мелких пресных водоёмах, но их личинки ведут паразитический образ жизни. Сперва они инфицируют личинок водных насекомых вроде подёнок или комаров-дергунов, а затем, когда те превращаются во взрослых особей, паразит попадает с ними на сушу. Теперь его цель состоит в том, чтобы инфицированное насекомое стало добычей зелёного кузнечика, который является окончательным хозяином волосатика. Но как взрослые черви попадают обратно в водоём, в котором они размножаются? Фредерик Тома (Frédéric Thomas), научный сотрудник лаборатории генетики и эволюции инфекционных заболеваний в Монпелье, говорит:

Паразит развивается внутри кузнечика до половозрелого состояния, при этом пожирая насекомое изнутри почти целиком. А затем он заставляет хозяина покончить жизнь самоубийством, бросившись в водоём.

Что же понуждает и без того умирающего кузнечика топиться?

Словно фильм, в котором то и дело пропадает звук, – так же отрывочно мы понимаем молекулярный механизм взаимодействия между паразитом и хозяином. Однако мы пытаемся выявить все участвующие в этом процессе нейромедиаторы и установить их функции. Пробелов по-прежнему много, но кое-какие обрывки разговора, то есть отдельные молекулы, нам всё же удалось идентифицировать. Самое удивительное открытие состоит в том, что червь синтезирует протеины, идентичные белкам насекомого-хозяина. Похоже, тут имеет место нечто вроде молекулярной мимикрии.

То есть волосатик, судя по всему, способен копировать нейромедиаторы хозяина и таким образом управлять его нервной системой. Фредерик Тома говорит:

Теперь мы хотим выяснить, прыгнет ли кузнечик в воду, если мы введём ему этот протеин. Но такой эксперимент – дело будущего.