Гриб-манипулятор строит внутри муравья-зомби трехмерную сеть

Американские биологи выяснили, что паразитический гриб кордицепс однобокий, превращающий муравьев-древоточцев в послушных зомби, образует внутри их тела трехмерную сеть. Эта сеть оплетает все внутренние органы муравья, включая отдельные мышечные волокна, однако не заходит в мозг. Получается, для сложного манипулирования поведением хозяина паразиту совершенно не обязательно проникать в его центральную нервную систему.

Энтомопатогенный гриб-аскомицет кордицепс однобокий (Ophiocordyceps unilateralis), который развивается в муравьях-древоточцах (Camponotus), служит ярким примером примитивного паразита, подчиняющего своим нуждам высокоорганизованное существо. Спустя 2–3 недели после попадания в организм муравья гриб заставляет его покинуть гнездо, вцепиться челюстями в жилку на нижней стороне какого-нибудь листка и затем умереть в такой позе (рис. 2). При этом муравей-зомби по наущению гриба выбирает строго определенное место для своей смерти: на северной стороне растения на высоте 20–30 см над землей. Именно там влажность и температура оптимальны для развития спор в плодовом теле, которое вырастает из головы умершего насекомого (см. S. Andersen et al., 2009. The life of a dead ant: the expression of an adaptive extended phenotype).

Рис. 2. Мертвый муравей-древоточец, из головы которого выросло плодовое тело O. unilateralis. Фото с сайта nsf.gov

До сих пор остается загадкой, как грибу удается взять муравья под свой контроль. Чтобы пролить свет на эту проблему, группа американских ученых из Университета штата Пенсильвания (Юниверсити-Парк) и Университета Нотр-Дам (Саут-Бенд, Индиана) решила в деталях выяснить, что же происходит внутри зараженного насекомого. Исследователи сделали несколько тысяч срезов тканей, извлеченных из разных отделов тела муравья и замороженных в жидком азоте. Шаг между срезами составлял всего 50–100 нм, каждый срез был сфотографирован под сканирующим электронным микроскопом. Используя технологию машинного обучения (она применяется, например, в системах автоматического распознавания лиц), ученые создали алгоритм, который самостоятельно отличал грибные клетки от клеток муравья и подсчитывал их. «Склеивая» срезы с помощью компьютерной программы, ученые реконструировали трехмерную картину происходящего.

Аналогичным образом были изучены и муравьи-древоточцы, зараженные грибом боверия бассиана (Beauveria bassiana). Этот гриб относится к тому же порядку гипокрейных, что и гриб-манипулятор O. unilateralis, но, в отличие от него, не видоизменяет поведение хозяина специальным образом. На примере боверии ученые попытались понять, как ведет себя в муравье обычный энтомопатогенный гриб, чтобы при работе с O. unilateralis не спутать общие синдромы грибного заражения с эффектами, связанными с манипуляторным воздействием.

Выяснилось, что клетки и того и другого гриба присутствуют в мышцах головы и конечностей муравья (рис. 3), а также в груди и брюшке. Единственное отличие состоит в их концентрации — клетки гриба-манипулятора O. unilateralis в среднем занимают 10% объема всей мышечной ткани, тогда как для B. bassiana этот показатель составляет всего 2%. Но в обоих случаях гриб вызывает мышечную атрофию — у зараженного муравья формируются зазоры между мышечными волокнами. В ряде случаев грибные гифы прорастают сквозь мембрану прямо внутрь мышечного волокна.

Рис. 3. Приводящая мышца челюстей (A) и мускулатура конечностей (D) здорового муравья-древоточца. Аналогичные мышцы муравья, пораженного грибом B. bassiana (B, E) и грибом O. unilateralis (C, F). Бросаются в глаза промежутки между мышечными волокнами инфицированных муравьев, а также более высокая концентрация клеток O. unilateralis по сравнению с B. bassiana. Длина масштабного отрезка — 50 мкм. Фото из обсуждаемой статьи в PNAS

Ранее ученые предполагали, что гриб O. unilateralis специально провоцирует атрофию челюстных мышц муравья, чтобы тот не мог разжать свою смертельную хватку и умер от истощения (см. D. P. Hughes et al., 2011. Behavioral mechanisms and morphological symptoms of zombie ants dying from fungal infection). Но теперь ясно, что такая атрофия является лишь побочным эффектом жизнедеятельности паразита. Мышцы насекомого представляют особую ценность для любого паразитического гриба как источник энергии — вспомним, как много в них располагается митохондрий. Поэтому неудивительно, что клетки O. unilateralis в большом количестве сосредоточены именно в челюстных мышцах муравья, которые являются самыми массивными в его организме (рис. 4).

Рис. 4. Мышцы муравья-древоточца, зараженные грибом O. unilateralis. A — гифальные тельца (HB) и связывающие их гифы (треугольники) между мышечными волокнами (М) в челюсти муравья. Длина масштабного отрезка — 50 мкм. B — цитоплазматические мостики (стрелки), соединяющие соседние гифальные тельца. Длина масштабного отрезка — 10 мкм. С — гифы (стрелки), вросшие внутрь мышечных клеток. Длина масштабного отрезка — 1 мкм. D — диаметры кружков показывают относительную долю гифальных телец, связанных друг с другом одним или несколькими гифами. Красным цветом показаны гифальные тельца, расположенные в мышцах головы муравья, синим — в мышцах конечности. Цифры по оси ординат означают номера изученных муравьев, звездочками отмечены зараженные муравьи, собранные мертвыми. E — диаметр черных кружков обозначает относительное число мышечных волокон муравья, в которые вросли один или несколько грибных гиф. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Несмотря на общее сходство в расположении грибных клеток, гриб-манипулятор O. unilateralis, в отличие от B. bassiana, выстраивает из них трехмерную сеть. Примерно 59% всех гифальных телец этого гриба соединены нитями-гифами по крайне мере с одним из своих соседей. В результате гифальные тельца (внешне они похожи на дрожжевые клетки и размножаются почкованием) могут координировать свою активность, обмениваться питательными веществами и синхронно выделять в окружающие ткани особые соединения. Не в этом ли согласованном поведении грибных клеток и кроется секрет его манипулятивного воздействия?

Получается, гриб устроен не так уж и просто: он выстраивает в дополнение к нервной системе хозяина параллельную клеточную сеть, которая на химическом уровне контролирует каждый уголок его организма. Пока нельзя сказать, за счет каких именно веществ это происходит. Известно, что среди соединений, секретируемых грибом O. unilateralis, имеются спирт сфингозин и гуанидиномасляная кислота, которая вызывает у млекопитающих припадки и конвульсии (см. C. de Bekker et al., 2014. Species-specific ant brain manipulation by a specialized fungal parasite). Впрочем, муравьи, которым искусственно вводились данные вещества, не демонстрировали отклонений в поведении — так что наверняка зомбирующий грибной «коктейль» не исчерпывается этими двумя ингредиентами.

Интересно, что гриб-манипулятор работает настолько изощренно, что ему не приходится внедряться в центральную нервную систему своей жертвы. Во всяком случае, несмотря на то, что головная капсула муравья буквально набита гифальными тельцами, ученые обнаружили, что в сам мозг гриб не проникает. Другие паразиты действуют более «топорно». Например, один из видов печеночных сосальщиков — Dicrocoelium hospes — внедряется в антеннальные доли головного мозга муравьев, а другой вид — ланцетовидная двуустка (Dicrocoelium dendriticum) — проникает в подглоточный ганглий их брюшной нервной цепочки, где находятся нейроны, управляющие движениями челюстей. Благодаря этому черви заставляют муравьев забираться вверх по травинкам и вцепляться в них, дожидаясь пасущегося рогатого скота — окончательного хозяина паразита (см. T. Romig et al., 1980. Cerebral larvae in the second intermediate host of Dicrocoelium dendriticum (Rudolphi, 1819) and Dicrocoelium hospes looss, 1907 (Trematodes, Dicrocoeliidae).

Фактически, гриб O. unilateralis изменяет поведение муравьев схожим образом, но находясь на периферии их тела. В этом отношении кордицепс однобокий отличается и от самого знаменитого паразита-манипулятора — токсоплазмы. Под действием этих простейших грызуны перестают бояться кошек и, более того, начинают испытывать сексуальное возбуждение от запаха их мочи (см. P. K. House et al., 2011. Predator сat odors activate sexual arousal pathways in brains of Toxoplasma gondii infected rats). В итоге резко увеличивается вероятность встречи таких грызунов с кошкой — окончательным хозяином токсоплазмы. Но, опять же, токсоплазма воздействует на поведение грызуна, внедряясь в гиппокамп и миндалевидные тела в его мозгу (см. J. Gatkowska et al., 2012. Behavioral changes in mice caused by Toxoplasma gondii invasion of brain). А грибу O. unilateralis удается контролировать работу нервной системы хозяина дистанционно.

Источник: Maridel A. Fredericksen, Yizhe Zhang, Missy L. Hazen, Raquel G. Loreto, Colleen A. Mangold, Danny Z. Chen, David P. Hughes. Three-dimensional visualization and a deep-learning model reveal complex fungal parasite networks in behaviorally manipulated ants // PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1711673114.

Александр Храмов