Как грибы паразиты убивают насекомых
Обновлено: 24.04.2024
Последние несколько лет тема зомби набирает все большей популярности. Всё чаще устраиваются флешмобы ходячих мертвецов, снимаются фильмы и сериалы, выпускаются видеоигры, комиксы, игрушки и т.д. Но мало кто знает, что зомби действительно существуют, правда, не в таком виде, как мы привыкли их представлять. Их можно встретить в тропических лесах: это муравьи и другие мелкие насекомые. Они становятся зомби после того, как их настигает кордицепс — гриб, управляющий их телом.
Поражённое насекомое, в данном случае муравей, покидает свою колонию и обосновывается на листе дерева. После того как жертва занимает удобное для манипулятора положение, гриб начинает прорастать сквозь его тело и голову.
Давайте узнаем про этот гриб подробнее …
Именно в этом и состоит главная цель кордицепса однобокого – с помощью муравья добраться до лучшего места, где он смог бы продолжить расти. Поскольку этот паразит не может расти ни высоко в кронах деревьев, ни на земле или близко к ней, муравью дается команда отыскать место, где грибу идеально подойдет температура и влажность для размножения. Когда подходящее для паразита место найдено, муравей погибает, и из его головы вырастает гриб, образуя коробочку со спорами. Споры, осыпаясь, попадают на других муравьев, которых вскоре постигнет известная участь.
Недавно ученым удалось выяснить, что этот гриб паразитирует уже 48 млн. лет, о чем свидетельствуют окаменелости, найденные в месте бывшего немецкого кратера Grube Messel.
Кроме того, паразиты, подобные кордицепсу, превращают в зомби не только муравьев, но и других существ. Например, паразит Toxoplasma gondii, который вызывает у людей токсоплазмоз, управляет своими промежуточными жертвами – мышами. Обычно он вмешивается в работу определенных частей мозга мыши, лишая её страха быть съеденной кошкой.
Кордицепс однобокий - один из энтомопатогенных грибов. Это такие грибы, которые поражают только насекомых. Некоторые грибы могут поражать членистоногих (пауков, например), но это скорее исключение их правил. Кордицепс однобокий поражает только муравьев, причем только одного вида - Camponotus leonardi. Грибок может заражать и другие близкородственные виды муравьев, но с меньшим репродуктивным и манипуляционным успехом.
Точно не ясно, каким именно способом споры гриба попадают внутрь муравья. Скорее всего заражение происходит через поры в клетках, или через кутикулы. Дрожжи кордицепса после попадания внутрь организма начинают активно в нем размножаться и распространятся по всему телу муравья. Предположительно, споры гриба формируют активные химические соединения, которые и влияют на мозг муравья, изменяя его поведение.
Муравей покидает свою колонию и спускается на землю (этот вид муравьев обитает на деревьях). Насекомое выбирает невысокую травинку, залазит на нее и очень крепко закрепляется за центральную жилку листа. Муравей с максимальной силой ухватывается за растение мощными челюстями и ни ветер, ни дождь не может столкнуть его. После этого муравей полностью теряет контроль над своим телом и больше не двигается. Он еще не умер, но уже ничего не может сделать.
Постепенно грибок убивает муравья, а сам продолжает расти. Его корни уже проникли в мягкие ткани насекомого, прошли сквозь все тело и надежно закрепились на листе. Теперь все что осталось от муравья — это большая грибница кордицепса однобокого. Сразу же гриб начинает вырабатывать сильный противомикробный препарат, чтобы обезопасить себя от мелких падальщиков. Когда гриб надежно зафиксировался, он прорастает вверх через голову муравья. Процесс роста занимает 4-10 дней.
Кордицепс однобокий способен уничтожить целую колонию муравьев. Насекомые выработали способность чувствовать зараженных собратьев и изгонять их из своей колонии. Если грибок проникает в гнездо, то зараженного муравья оттаскивают подальше, чтобы вся семья не погибла от эпидемии. Средняя плотность заражения грибком — 20-30 особей на м 2 .
Кордицепс однобокий содержит различные известные и неиспользованные биологически активные метаболиты, и исследуется как новый источник препаратов с иммуномодулирующими, противоопухолевыми, гипогликемическими и гипохолестеринемическими свойствами.
Энтомопатогенные грибы - паразитические грибы, поражающие насекомых. Иногда используются в сельском хозяйстве в качестве пестицидов, для контроля численности вредных насекомых.
Давайте вспомним что еще по теме ЗОМБИРОВАНИЯ В ПРИРОДЕ мы уже проходили : вот например Паразит парадоксальный, а вот Повелители гусениц. Вспомните еще Кто зомбирует тараканов ? и как Червь-паразит заставляет насекомых совершать самоубийство
Грибы рода кордицепс, паразитирующие на различных насекомых, известны своим умением управлять поведением жертв. Поселившись, например, в муравье, гриб влияет на его нервную систему таким образом, чтобы муравей погиб именно в том месте, где нужно грибку. Так, паразит Ophiocordyceps camponoti-rufipedis, заражающий муравьёв-древоточцев Camponotus rufipes, заставляет свои жертвы перед смертью ползти на нижнюю сторону какого-нибудь листа и умирать, впившись челюстями в жилку листа. После этого из трупа муравья гриб прорастает наружу и рассеивает споры. Такое поведение насекомого достаточно необычно, так что кордицепсы называют грибами-зомбификаторами, превращающими муравьёв в зомби, подчинённых чужой воле.
Как пишут исследователи в своей статье в PLoS ONE, гриб не смог дать спор ни в одном случае. Если его забрасывали в муравейник с живущими в нём муравьями, то часть заражённых трупов просто исчезала – хозяева очищали дом от потенциальной заразы. Однако, что важно, паразитический грибок не мог развиваться даже в пустых муравейниках. То есть, видимо, кордицепсу мешал сам микроклимат муравьиного дома, локальные экологические условия. Так что понятно, почему гриб побуждает свою жертву отойти от муравейника.
Однако это ещё не всё. Дэвид Хьюз (David Hughes) вместе с коллегами проанализировал расположение муравьиных трупов, подвешенных к листьям, вокруг муравьиных же колоний в лесах на юго-востоке Бразилии. В течение 20 месяцев зоологи оценивали, насколько муравьи в той или иной колонии страдают от паразитов, где именно висят заражённые мертвецы и каков рисунок муравьиных троп вокруг их гнезда. Оказалось, что, хотя гриб и не стремится попасть в муравейник, он направляет муравья-хозяина поближе к главным тропинкам, ведущим в муравейник. Фактически, кордицепс заставляет муравья умирать рядом с порогом в дом: с одной стороны, на преддверную территорию социальный иммунитет муравьёв уже не распространяется, труп отсюда никто убирать не будет, с другой стороны, тут постоянно кто-то ходит, и гриб гарантированно заразит кого-нибудь своими спорами.
Грибы-паразиты наносят вред не только животным, растениям, но и человеку. Существуют виды, которые паразитируют за счет насекомых, их называют энтомопатогенными. Обычно паразит заражает свою жертву спорами, после чего развивается внутри и этим самым убивает ее. В природе встречается более 400 видов паразитирующих грибов.
Грибы-паразиты стараются не убивать свою жертву, а изнуряют ее и добиваются того, чтобы насекомое погибло среди собратьев, для того чтобы споры заразили максимальное количество особей. Вид поражает воображение не только своей опасностью, но и изобретательностью, с которой использует других насекомых.
Паразитизм — форма межвидовых взаимоотношений, где один вид использует другой в целях источника пищи или среды обитания.
Энтомопатогенные грибы существуют за счет насекомых
Убийцы муравьев, цикад и гусениц
После того как гриб попадает на муравья, он гипнотизирует его, заставляя насекомого искать определенное место для своей смерти. Обычно это какой-нибудь лист на расстоянии примерно 25 см от земли. После того как муравей приползает в заданное место, он цепляется челюстью за лист и умирает. В это время гриб начинает активно развиваться и готовиться для будущего своего размножения. Мускулы муравья паразит не трогает, для того чтобы тот продолжал держаться на листе, а внутренности насекомого превращаются в сахар — это самая благотворная среда для роста гриба. Через неделю из муравья вырастает отросток с шариком, который предназначен для размножения. В нем находятся споры, которые распространяются на расстоянии до одного квадратного метра и заражают новых насекомых. Насекомое, на которое попала спора, обречено. Зачастую насекомое умирает вблизи своего муравейника, что в будущем приводит к гибели всех остальных муравьев.
Грибы паразитируют цикад, но только определенных — семнадцатилетних. Паразит попадает на насекомых с земли и начинает развиваться в нем до тех пор, пока жертва не погибает. Этот процесс занимает примерно около недели. Насекомое умирает от выделяемых грибом продуктов жизнедеятельности — различных токсинов и вредных веществ. Брюшко цикады полностью заполняется мицелиями и становится похожим на крошащийся мел. Далее паразит снова попадает на землю и ожидает следующую жертву.
После того как летом в гусеницу попадает спора гриба, она живет там всю зиму, а весной прорастает, напоминая травинку. Постепенно насекомое погибает, но не разлагается, имея первоначальный вид. Это связано с тем, что паразит имеет множество антибактериальных веществ. Помимо этого, гриб обладает наличием огромного количества различных ферментов, витаминов и микроэлементов, поэтому является ценнейшим лекарственным средством в Китае. Условия, в которых развивается данный паразит, очень суровые: постоянный холод и тающие ледники Тибета. Чтобы выжить, гриб вырабатывает множество полезных веществ, которые впоследствии использует человек. Ни одно лекарство в мире не сравнится по количеству полезных ферментов. Цена лекарства, которое впоследствии готовится из этого паразита, очень велика.
Паразит жуков и комаров
Данный вид не убивает свою жертву, а использует ее в качестве своего личного транспорта, не принося никакого вреда. Паразит является наружным и селится на панцире насекомых. Жуки с таким паразитом покрываются ворсинками. Маленькие ворсинки — это плодовые тела, которые сложно увидеть невооруженным глазом.
Паразит жуков селится на панцире и использует насекомое как транспорт
Польза грибов-паразитов
Энтомопатогенные грибы используются в сельском хозяйстве для уничтожения вредных насекомых, таких как паразит саранчи, комнатных мух и тли. Поэтому эти грибы не всегда можно называть вредными. Они приносят пользу человеку и регулируют процесс круговорота в природе.
Рис. 1. Графическая реконструкция мышечного волокна муравья, оплетенного трехмерной сетью паразитического гриба Ophiocordyceps unilateralis. Желтым цветом обозначены гифальные тельца и соединяющие их гифы. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
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
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?
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.
Читайте также: