Конкурс «био/мол/текст»-2015

Это первая часть статьи о манипулировании. Вторая — «Манипулирование. II. Эмбриональное манипулирование».

---

Эта работа опубликована в номинации «Лучший обзор» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

В Большой советской энциклопедии слово «манипуляция» определяется как «ловкая проделка, ухищрение, подтасовка фактов для достижения неблаговидной цели; то же, что махинация». Однако сам термин «манипуляция» происходит от латинского manus — рука (рис. 1).

Живые организмы находятся в сложных межвидовых и внутривидовых взаимоотношениях. Формально, а значит, довольно грубо, влияние одного организма на другой можно описать следующими состояниями или статусами:

1. Организм приносит пользу другому организму (статус «+»).
2. Организм причиняет вред другому организму (статус «−»).
3. Организм не влияет на другой организм (статус «0»).

Многообразие взаимоотношений двух организмов можно аналогично описать сочетаниями статусов (рис. 2).

С научной точки зрения хищничество и паразитизм — две весьма схожие формы межвидовых отношений, между которыми порой трудно провести четкую границу. В обоих случаях представитель одного вида (хищник или паразит) ищет встречи с представителем другого вида (жертвой или хозяином соответственно). Последний, в свою очередь, всячески избегает этой встречи. Длительная и непрекращающаяся эволюция этих отношений сформировала сбалансированные живые системы «хищник—жертва» и «паразит—хозяин», в которых хищники и паразиты полностью не истребляют жертв и хозяев.

Однако обыденное отношение человека к паразитизму и хищничеству полярное. Хищничество ассоциируется с суровым романтизмом рассказов Джека Лондона, когда внутреннему взору открывается противостояние сил дикой природы, воплощенной в стае волков, и человека, олицетворяющего саму цивилизацию. Образ хищника прочно связан с инстинктом первобытного охотника, который рискует получить смертельную рану в схватке с жертвой. Осознание этого еще больше романтизирует образ хищника. Поэтому во все времена и во многих культурах человек часто отождествлял себя с хищником родных краев.

С паразитами все иначе. У большинства людей эти живые доказательства дегенерации и регресса вызывают чувство омерзения (рис. 3). Паразиты — армия примитивно устроенных и отвратительно выглядящих существ, выбравших «нечестную» жизнь за счет других. Но возмутительнее всего то, что нередко они в конечном счете убивают своего кормильца. Паразиты — воплощение всего ленного, примитивного и подлого, что есть в живых существах и их сообществах.

Это очень распространенный взгляд на хищников и паразитов: хищник — просто убийца, для которого жертва — просто еда; паразит же является ловким манипулятором в отношении хозяина, выступающего в роли «умного дома» с возобновляемым пищевым запасом.

Как правило, за свою жизнь паразит меняет несколько таких домов, так как его жизненный цикл включает нескольких связанных пищевой цепью промежуточных и одного окончательного хозяина (см. подпись к рисунку 3). Когда паразит созревает для переселения, то, ловко манипулируя поведением промежуточного хозяина, «загоняет» его в рот хозяина окончательного [1]. Так система «хищник—жертва» выступает в качестве системы хозяев для паразита!

В отличие от хищника, вступающего в явное противоборство с жертвой, паразит стремится скрыть свое присутствие от иммунной системы хозяина. Особенно четко манипулирование проявляется при смене хозяев: паразит завуалированно, скрытно удовлетворяет свою потребность в новом хозяине за счет (и во вред!) старого хозяина.

Для паразита организм хозяина — это среда обитания, которую он обустраивает на свой лад (рис. 4) . Он воздействует на отношения хозяина с внешней средой (т.е. на его поведение) так, что это выгодно ему как паразиту, но не его хозяину.

Описан предельный случай паразитного манипулирования, в котором нарушитель границ чужого телесного пространства подменяет собой орган хозяина. Так формируется своеобразная зависимость (!) хозяина от паразита. Герои этого природного триллера — калифорнийский паразитический рачок Cymothoa exigua (он же — «пожирающая язык мокрица») и рыба под названием пятнистый розовый люциан (Lutjanus guttatus). На стадии личинки рачок проникает через жабры и прицепляется клешнями-«когтями» к основанию языка своего хозяина (рис. 5). Питаясь кровью и вырастая до 3–4 см в длину, паразит добивается атрофии языка, после чего полностью заменяет его, прикрепляясь к мышцам культи. Далее Cymothoa exigua питается слизью хозяина. Удивительно то, что рыба пользуется паразитом как собственным языком. Кажется, что иного ущерба этот рачок хозяину не причиняет. Однако достигнув зрелости, он умирает, и хозяин остается без языка... Если раньше умирает рыба, то рачок открепляется, покидает ротовую полость и цепляется за поверхность мертвого тела хозяина, дальнейшая его судьба не известна. Пока это единственный описанный случай полного замещения паразитом органа хозяина.

Некоторые паразиты настолько сильно манипулируют поведением своих хозяев, что буквально превращают их в подобие зомби [2]. Таким «зомбирующим паразитам» был посвящен отдельный номер The Journal of Experimental Biology, в котором собрали подходящие статьи паразитологов, нейропсихологов, этологов, экологов и эволюционистов. В одном из обзоров этого журнала рассмотрены основные механизмы изменения поведения хозяина зомбирующим паразитом. Их всего три: 1) влияние на выработку нейромедиаторов через активацию иммунной системы; 2) воздействие на гены, определяющие поведение хозяина; 3) согласованное управление отдельными участками головного мозга [3]. Некоторые паразиты атакуют наряду с нервной системой эндокринный аппарат и мускулатуру хозяина [4].

Особый интерес представляют механизмы, когда извращение поведения осуществляется благодаря процессам, происходящим на элементарном уровне организации жизни — молекулярно-генетическом.

Гены не детерминируют поведение, но именно от них зависит архитектура нейронных сетей, ответственных за обработку поступающих извне сведений и принятие решений. Поэтому каждый поведенческий акт определяется не одним геном, а множеством согласованно функционирующих генов. Например, регуляторный ген egr1 после активации кратковременным стимулом немедленно влияет на активность множества других генов. «Включают» этот ген социально значимые сигналы. У аквариумной рыбки астатотиляпии (Astatotilapia burtoni) социально значимым стимулом является отсутствие самца-доминанта. Даже закоренелый самец-неудачник начинает выглядеть и вести себя как доминант, потому что в нейронах гипоталамуса включается egr1, и они начинают синтезировать половые гормоны [5], [6].

Уже доказано то, что у разных животных (от насекомых до млекопитающих) существуют весьма сложные, но очень схожие системы межгенных взаимодействий, определяющих функционирование нервной системы, поведение и общественные отношения [7]. Например, упомянутый ген egr1 найден и у птиц (рис. 6).

Бывает так, что паразит заражает организм, не являющийся его хозяином (рис. 7а). Для паразита — это тупик, о котором он не догадывается. Однако упомянутая выше схожесть систем генетической регуляции поведения способствует изменению паразитом поведения «ошибочного» хозяина. Паразит старается манипулировать даже им [8].

Например, споровик Toxoplasma gondii определенным образом меняет поведение своего промежуточного хозяина — крысы (рис. 7б). Во-первых, паразит стремительно распространяется среди крыс половым путем, так как в зараженных самцах синтезируется больше тестостерона, что привлекает самок. Во-вторых, инфицированных крыс влечет запах кошачьей мочи, а реакция на опасность снижается. Манипулирование токсоплазмы резко повышает вероятность встречи зараженной крысы с окончательным хозяином — кошкой [9].

У «ошибочного» промежуточного хозяина — человека — отмечаются те же признаки поражения токсоплазмой, что и у крыс: им нравится кошачий запах! Кроме того, некоторые исследователи отмечают, что усиленный синтез дофамина проявляется у человека в виде психозов, весьма схожих с шизофренией [10], [11], мужчины — носители токсоплазм более рослые и мускулистые, а их реакции, связанные с принятием решений, — заторможенные [12], [13].

Поведение представляет собой цепь, звеньями которой являются элементарные поведенческие реакции. Паразит способен разрывать эту цепь на отдельные звенья, а потом собирать их в нужном ему порядке, изменяя тем самым поведение хозяина [14]. Таким образом паразиты весьма гибко подстраивают поведение своего хозяина под собственные изменчивые нужды.

Например, паразитам выгодна гибель зомбированного промежуточного хозяина только тогда, когда паразит «созрел» для заражения окончательного хозяина. Именно в этот период жизненного цикла становится заметным паразитное манипулирование, загоняющее инфицированную жертву в пасть хищника. Напротив, недоразвитому паразиту выгодно оберегать жизнь и здоровье промежуточного хозяина, делая его излишне осторожным и пугливым. «Незрелый» паразит сохраняет до поры до времени жизнь хозяина, уменьшая вероятность встречи с хищником. Однако трусливый хозяин в конечном счете все равно в накладе, поскольку меньше ест и не участвует в рискованных брачных играх (рис. 8) [15]. Выживая как индивидуум, он теряет шансы на размножение [16–18].

Геномы зомбирующих паразитов и манипулируемых ими хозяев тесно взаимодействуют и эволюционируют как одно целое, воплощая собой понятие «расширенного фенотипа» Р. Докинза [19]. Такой взгляд на эволюцию паразитизма перекликается с хологеномной теорией эволюции, согласно которой единицей естественного отбора является так называемый холобионт — симбиотический комплекс, включающий организм хозяина и всех (!) его микроскопических сожителей [20–22].

Это первая часть статьи о манипулировании. Вторая — «Манипулирование. II. Эмбриональное манипулирование».

Литература

1. Moore J. ( 2013). An overview of parasite-induced behavioral alternations — and some lessons from bats. J. Exp. Biol. 216, 11–17;
2. Циммер К. Паразиты. Тайный мир. — М.: Альпина нон-фикшн, 2011 — 368 с.;
3. Adamo S.A. (2013). Parasites: evolution’s neurobiologists. J. Exp. Biol. 216, 3–10;
4. Cézilly F., Favrat A., Perrot-Minnot M.-J. (2013). Multidimensionality in parasite-induced phenotypic alterations: ultimate versus proximate aspects. J. Exp. Biol. 216, 27–35;
5. Элементы: «Рыбы обладают способностью к дедукции»;
6. Элементы: «Гены управляют поведением, а поведение — генами»;
7. Зорина З.А., Полетаева И.И., Резникова Ж.И. Основы этологии и генетики поведения. Учебник. 2-е изд. — М.: Высшая школа, 2002. — 383 с.;
8. Holland C.V. and Hamilton C.M. (2013). The significance of cerebral toxocariasis: a model system for exploring the link between brain involvement, behavior and the immune response. J. Exp. Biol. 216, 78–83;
9. Vyas A. (2013). Parasite-augmented mate choice and reduction in innate fear in rats infected by Toxoplasma gondii. J. Exp. Biol. 216, 120–126;
10. Элементы: «Токсоплазма — паразит, манипулирующий человеческой культурой»;
11. Webster J.P., Kaushik M., Bristow G.C., McConkey G.A. (2013). Toxoplasma gondii infection, from predation to schizophrenia: can animal behaviour help to understand human behaviour? J. Exp. Biol. 216, 99–112;
12. Flegr J. (2013). Influence of latent Toxoplasma infection on human personality, physiology and morphology: pros and cons of the Toxoplasma-human model in studying the manipulation hypothesis. J. Exp. Biol. 216, 127–133;
13. Элементы: «Как паразиты превращают своих хозяев в зомби»;
14. Poulin R. (2013). Parasite manipulation of host personality and behavioural syndrome. J. Exp. Biol. 216, 18–26;
15. Maure F., Daoust S.-P., Brodeur J., Mitta G., Thomas F. (2013). Diversity and evolution of bodyguard manipulation. J. Exp. Biol. 216, 36–42;
16. Parker G.A., Ball M.A., Chubb J.C., Hammerschmidt K., Milinski M. (2009). When should a trophically transmitted parasite manipulate its host? Evolution. 63, 448–458;
17. Dianne L., Perrot-Minnot M.J., Bauer A., Gaillard M., Léger E., Rigaud T. (2011). Protection first then facilitation: a manipulative parasite modulates the vulnerability to predation of its intermediate host according to its own developmental stage. Evolution. 65, 2692–2698;
18. Элементы: «Молодые паразиты берегут хозяина, зрелые загоняют его хищнику в пасть»;
19. Hughes D. (2013). Pathways to understanding the extended phenotype of parasites in their hosts. J. Exp. Biol. 216, 142–147;
20. Zilber-Rosenberg I. and Rosenberg E. (2008). Role of microorganisms in the evolution of animals and plants: the hologenome theory of evolution. FEMS Microbiol. Rev. 32, 723–735;
21. Rosenberg E., Sharon G., Zilber-Rosenberg I. (2009). The hologenome theory of evolution contains Lamarckian aspects within a Darwinian framework . Environ. Microbiol. 11, 2959–2962;
22. Элементы: «Выбор брачного партнера у животных зависит от бактерий».