Parazitiniai grybai užvaldo protą ir kūną – konvulsijų kankinamos skruzdėlės elgiasi tarsi zombiai (Foto, Video)

Apie vidurdienį, po kelių valandų laipiojimo ir betikslio slankiojimo, skruzdėlė dabar yra ne aukščiau kaip 25 cm virš žemės ir be tikslo šliaužia pirmamečio medelio lapo apačioje, kur, be įspėjimo, jėga įkiša savo galingus nasrus į vieną iš lapo gyslų, tvirtai sugriebdama ją tarp tvirtai užrakinto apatinio žandikaulio.

Po šešių valandų ji negyva. Po dviejų dienų tarp jos sąnarių išnyra balti plaukeliai, o po kelių dienų jie tampa storu, rudu kilimėliu, dengiančiu visą vabzdį. Iš skruzdėlės galvos pagrindo pradeda veržtis rausvai baltas stiebas ir toliau auga. Per dvi savaites jis pasiekia dvigubai ilgesnį nei skruzdėlės kūno ilgį.

Galiausiai, stiebas išleis savo sporas į orą, pasiruošusias išplaukti ir užkrėsti daugiau nieko neįtariančių skruzdėlių.

Šį keistą elgesį pirmą kartą užfiksavo gamtininkas Alfredas Russellas Wallace'as Indonezijoje 1859 m., tačiau iki šiol jis nebuvo išsamiai ištirtas. Nuo to laiko buvo nustatyta, kad grybelis sutrikdo įprastą skruzdėlės elgesį dėl cheminių trukdžių smegenyse, todėl užkrėstos skruzdėlės elgiasi taip, kad padidėtų grybelio galimybės plisti sporoms ir taip daugintis.

Grybelis auga visoje skruzdėlės kūno ertmėje, naudodamas vidaus organus kaip maistą, o stiprus skruzdėlės egzoskeletas tarnauja kaip tam tikra kapsulė, apsauganti grybelį nuo išdžiūvimo, suvartojimo ar infekcijos.

Grybelio atsikratymas

Ankstyviausias žinomas grybas, akivaizdžiai parazitavęs vabzdyje, yra maždaug 105 mln. metų senumo. Tai žvynuotas vabzdys, išsilaikęs gintare, su dviem grybo stiebeliais, išsikišusiais iš galvos. Tačiau ši fosilija negali mums pasakyti, ar užkrėsto vabzdžio įprastas elgesys buvo kaip nors pasikeitęs ar sutrikęs.

Galutiniai „zombių skruzdžių“ elgesio įrodymai, datuojami maždaug prieš 48 mln. metų, gaunami iš suakmenėjusių lapų, ant kurių abiejose lapų gyslų pusėse matomos ryškios žymės, kurias paliko užkrėstų skruzdžių apatinis žandikaulis. Ši skruzdėlių ir grybų sąsaja ne tik akivaizdžiai sena, bet ir labai paplitusi – iki šiol buvo aptikta apie 1000 vabzdžių grybelinių parazitų rūšių.

Šioje senoje kovoje už išlikimą skruzdėlės sukūrė prisitaikymo būdą, kad apsaugotų save ir savo lizdus nuo grybelinių infekcijų.

Tvarkydami save ir valydami vienas kitą vabzdžiai pašalina potencialiai kenksmingas sporas, kol jos dar neprasiskverbusios pro odą ir neįsitvirtinusios. Kai kurios skruzdėlės savo lizduose purškia nuodų, kad šie veiktų kaip fungicidai, o jei taip nepavyksta sustabdyti užkrėtimo, jos perskiria savo lizdus uždarydamos užterštas kameras.

Kai kuriais atvejais užkrėstus individus iš lizdo išneša sveikos skruzdės, o kraštutiniu atveju visa kolonija persikelia, palikdama užkrėstą lizdą.

Grybeliniai patogenai išsivystė ir tapo griežtai konkrečiai rūšiai būdingi arba labiau bendri pasirenkant vabzdžių šeimininką, o kai kurie gali užkrėsti šimtus skirtingų rūšių. Ši nuostabi grybelinių patogenų ir galimų šeimininkų įvairovė sukūrė tam tikrą savitą vabzdžių elgesį, nes jie kartu vystėsi, kad susidorotų su grybų taktika.

Kartais sunku suprasti, koks elgesys yra visiškai nevalingas ir skatinamas grybelio, kad šis pagerintų savo reprodukcinę sėkmę, ir kas išsivystė kaip apsaugos nuo infekcijos forma. Pavyzdžiui, kai skruzdėlių šeimininkas pakyla į aukštą padėtį, vadinamą „viršūnių liga“, toks elgesys padidina plotą, kuriame sporos gali išplisti dėl vėjo – bet taip pat pašalina skruzdėlę iš jos giminaičių aplinkos kolonijoje, užkertant kelią infekcijos plitimui tarp jos seserų.

Neaišku, ar toks elgesys yra zombio būsena, kurią sukelia grybelis, ar tai yra altruistinis skruzdėlės pasiaukojimo aktas. Jei tai tyčinis skruzdėlės veiksmas, tai gali išgelbėti likusią kolonijos dalį nuo infekcijos, kuri kartais vadinama „adaptyviąja savižudybe“.

Į zombius panašų vabzdžių elgesį taip pat sukelia daugybė kitų rūšių parazitų, įskaitant bakterijas ir net kitus bestuburius. Tai kelia įdomių klausimų apie bet kurio organizmo tikrosios nepriklausomybės pobūdį šiose neabejotinai labai sudėtingose tarpusavyje susijusiose gyvose sistemose. Skruzdėlės zombės suteikia mums galimybę pažvelgti į šį sudėtingą molekulinių įtakų ir elgesio adaptacijų tinklą. Tai verčia mus susimąstyti, kas galiausiai ką valdo?

Zombių skruzdžių grybelis

Ophiocordyceps unilateralis, paprastai žinomas kaip zombių skruzdžių grybelis, yra vabzdžių patogeninis grybas, kurį 1859 m. atrado britų gamtininkas Alfredas Russellas Wallace'as ir šiuo metu daugiausia randamas atogrąžų miškų ekosistemose. O. unilateralis užkrečia Camponotini genties skruzdėles, kurių visa patogenezė pasižymi užkrėstos skruzdėlės elgesio modelių pasikeitimu. Užkrėstos skruzdėlės palieka savo lajų lizdus ir maisto ieškojimo takus iškeičia į miško paklotę – vietą, kurioje temperatūra ir drėgmė tinkama grybeliams daugintis. Tada jos naudoja savo apatinį žandikaulį, kad prisitvirtintų prie pagrindinės gyslos apatinėje lapo pusėje, kur grybelis lieka po skruzdės mirties.

Procesas trunka 4–10 dienų ir apima dauginimosi stadiją, kai iš skruzdėlės galvos išauga vaisiakūniai, kurie plyšdami išlaisvina grybelio sporas. O. unilateralis, savo ruožtu, taip pat yra jautrus pačiai grybelinei infekcijai, kuri gali apriboti jo poveikį skruzdžių populiacijoms.

Yra žinoma, kad Ophiocordyceps unilateralis ir susijusios rūšys dalyvauja aktyviame antriniame metabolizme, be kitų priežasčių, gamindamos medžiagas, veikiančias kaip antibakterinės medžiagos, apsaugančios grybelio-šeimininko ekosistemą nuo tolesnės patogenezės grybelio dauginimosi metu.

Dėl šio antrinio metabolizmo natūralių produktų chemikai susidomėjo šia rūšimi, atitinkamai atradę mažų molekulių agentų (pvz., iš poliketidų šeimos), kurie gali būti naudingi kaip žmogaus imunomoduliuojantys, priešinfekciniai ir priešvėžiniai agentai.

Mokslinis grybo pavadinimas kartais rašomas kaip Ophiocordyceps unilateralis sensu lato, o tai reiškia „plačiąja prasme“, nes rūšis iš tikrųjų atstovauja daugelio rūšių kompleksui O. unilateralis.

Palaikymas šiam terminui tapo vis svarbesnis. 2011 m. buvo iškelta hipotezė, kad zombių skruzdžių grybelį iš tikrųjų galima apibūdinti kaip rūšių kompleksą, kuris yra specifinis šeimininkui, o tai reiškia, kad viena O. unilateralis rūšis gali sėkmingai užkrėsti ir manipuliuoti tik viena skruzdžių rūšimi šeimininke. Gali būti, kad tai paskatino arba sustiprino grybų reprodukcinę izoliaciją, o tai lėmė jų specifiką. Po to Brazilijoje atliktas tyrimas, naudojant morfologinį askosporų, dygimo proceso ir nelytinių morfų palyginimą, atribojo keturias skirtingas Ophiocordyceps rūšis. Vėliau trys naujos rūšys buvo aprašytos Brazilijos Amazonėje, šešios Tailande ir viena Japonijoje.

Visai neseniai, 2018 m., buvo aprašyta 15 naujų O. unilateralis rūšių, remiantis klasikiniais taksonominiais kriterijais ir makromorfologiniais duomenimis, daugiau dėmesio skiriant askosporų ir aseksualinei morfologijai.

Tipinė morfologija

Zombių skruzdžių grybelį lengva atpažinti, kai jo reprodukcinė struktūra išryškėja ant mirusio šeimininko, dažniausiai skruzdėlės dailidės. Pasibaigus gyvavimo ciklui, O. unilateralis paprastai sukuria vieną, bet lankstų, tamsiai pigmentuotą stiebą, kuris atsiranda iš skruzdėlės nugarinės galvos srities, kai ji nugaišta. Be to, ant stiebo, tiesiai po jo galiuku, galima pastebėti peritecijas – sporas turinčią lytinę struktūrą. Šis kompleksas sudaro grybo vaisiakūnį.

Dauguma rūšių turi ir lytinį (teleomorfą), ir nelytinį morfą (anamorfą). Jie skiriasi savo funkcijomis ir savybėmis. Paprastai Ophiocordyceps nelytiniai morfai yra Hirsutella ir Hymenostilbe, dvi nelytiniu būdu besidauginančių grybų gentys.

O. unilateralis rūšys pasižymi morfologiniais skirtumais, kurie neabejotinai atsiranda dėl plataus geografinio diapazono – nuo ​​Japonijos iki Amerikos. Be to, buvo iškelta hipotezė, kad jų morfologiniai pokyčiai taip pat gali atsirasti dėl to, kad viena grybelio rūšis maksimaliai padidina savo užsikrėtimą viena konkrečia skruzdžių rūšimi šeimininku (šeimininkui būdingos infekcijos). Toje pačioje teritorijoje gali atsirasti skirtingų skruzdžių porūšių, o tai reiškia, kad tam, kad galėtų sugyventi, jos turi užimti skirtingas ekologines nišas. Vadinasi, grybai galėjo išsivystyti porūšio lygmeniu, siekiant maksimaliai padidinti savo plitimą.

Grybelio veikimo principai

Grybelis plinta skruzdėlės kūne ir, tikėtina, gamina junginius, kurie veikia skruzdėlės vidinę kūno ertmę, naudojant išplėstinio fenotipo evoliucinį bruožą, kad būtų galima manipuliuoti skruzdėlės elgesio modeliais. Užsikrėtusiai skruzdėlei pasireiškia viso kūno traukuliai, kurie išstumia ją iš lajos lizdo į miško paklotę.

Užkrėstų skruzdžių elgesio pokyčiai yra labai specifiniai, todėl atsirado populiarus terminas „zombės skruzdėlės“. Grybelio elgesys yra pritaikytas jo augimui ir plitimui. Skruzdėlė užlipa ant augalo stiebo ir nenormalia jėga naudoja apatinį žandikaulį, kad prisitvirtintų prie lapo gyslos, palikdama ant jos žymes. Skruzdėlės paprastai priglunda prie lapo gyslos 26 cm aukštyje virš miško paklotės šiaurinėje augalo pusėje, aplinkoje, kurioje drėgnumas 94–95 %, o temperatūra 20–30 °C. Vidutinio klimato miškuose tipiškas zombių skruzdėlių elgesys yra prisikabinti prie apatinės šakelių pusės, o ne lapų.

Skruzdėlės apatiniam žandikauliui prisitvirtinus prie lapo gyslos, greitai atsiranda atrofija, sunaikindama sarkomerų jungtis raumenų skaidulose ir sumažindama mitochondrijas bei sarkoplazminį tinklelį. Skruzdėlė nebegali valdyti apatinio žandikaulio raumenų ir lieka užfiksuota vietoje, kabo aukštyn kojomis po lapu. Šis užrakto bruožas yra populiariai žinomas kaip „mirties rankena“ ir yra būtinas grybelio gyvavimo cikle.

Grybelis naikina skruzdėlę ir toliau auga, nes jo hifai įsiskverbia į daugiau minkštųjų audinių ir struktūriškai sustiprina skruzdėlės egzoskeletą. Tada iš skruzdėlės išdygsta daugiau grybienos, kuri saugiai pritvirtina ją prie augalo substrato ir išskiria antimikrobines medžiagas, kad išvengtų konkurencijos. Kai grybas yra pasiruošęs daugintis, jo vaisiakūniai išauga iš skruzdėlės galvos ir plyšta, išlaisvindami sporas. Šis procesas trunka 4–10 dienų. Negyvos skruzdėlės randamos vietose, vadinamose „kapinėmis“, kuriose yra daug negyvų skruzdžių, anksčiau užkrėstų tuo pačiu grybeliu.

Zombės skruzdėlės pavadinimas kilo nuo jos elgesio. Iš pradžių grybelis sukelia skruzdėlės traukulius, dėl kurių ji nukrenta į miško paklotę. Po to grybelis kontroliuoja skruzdėlės laipiojimą ir jos žandikaulio užsifiksavimą (ir vėlesnę mirtį).

Elgsenos manipuliavimas nebūtų įmanomas be didžiulių grybelinių ląstelių populiacijų šeimininko smegenyse ir raumenyse, nes dėl to išsiskiria įvairūs metabolitai, kurie, kaip žinoma, turi svarbių elgesio pasekmių. Infekcijos metu parazitas susiduria su įvairiomis aplinkomis, tokiomis kaip skirtingi šeimininko audiniai arba imuninis atsakas. Tyrimai parodė, kad O. unilateralis reaguoja nevienodai išskirdamas skirtingus metabolitus, priklausomai nuo šeimininko audinio, su kuriuo susiduria ir ar jie gyvi, ar negyvi. Šių natūralių produktų identifikavimas yra svarbus norint suprasti, kurie skruzdėlių aspektai yra kontroliuojami ir kaip O. unilateralis manipuliuoja skruzdėlėmis.

Pirmas žingsnis, kurį O. unilateralis turi įveikti, kad užkrėstų sėkmingai infekcija, yra prisitvirtinti prie skruzdėlės odelės ir į ją įsiskverbti. Šiuo tikslu grybelio hifas perveria egzoskeletą naudodamas fermentus, tokius kaip chitinazė, lipazė ir proteazė, kartu su mechaniniu slėgiu.

Grybeliui patekus į skruzdėlę, jis dauginasi, o grybų ląstelės randamos šalia šeimininko smegenų. Kai populiacija yra pakankamo dydžio, grybelis išskiria junginius ir perima centrinę nervų sistemą (CNS), o tai leidžia manipuliuoti skruzdėle, kad ji pasiektų miško paklotę ir koptų į augmeniją. Garsioji skruzdėlės „mirties rankena“ taip pat yra grybelio sukeltos manipuliacijos rezultatas. Toks elgesys pasireiškia tuo, kad užkrėsta skruzdė užrakina apatinį žandikaulį (t. y. įkanda) lapo gyslą taip stipriai, kad skruzdė negali nukristi, kai miršta pakibusi aukštyn kojomis, todėl grybelio vaisiakūnis tinkamai auga.

Tai gali būti dėl skruzdžių apatinio žandikaulio raumenų atrofijos, kurią sukelia grybelinių junginių sekrecija. Daugelio tyrimų metu grybelinių ląstelių populiacijos buvo aptiktos atrofuotuose apatinio žandikaulio raumenų audiniuose. Dažna mokslininkų hipotezė yra ta, kad grybelinės ląstelės įsiskverbia tarp raumenų skaidulų ir išskiria chemines medžiagas, dėl kurių raumenys atrofuojasi.

Užkrėstose skruzdėlėse nustatytas reikšmingas leucino koncentracijos ir mitochondrijų skaičiaus sumažėjimas. Leucino trūkumas užkerta kelią raumenų regeneracijai, nes aminorūgštis yra raumenų baltymų sintezės maistinių medžiagų reguliatorius. Mitochondrijų sumažėjimas galiausiai lemia energijos ir kalcio kiekio sumažėjimą dėl ATP ir sarkoplazminio tinklelio trūkumo, kuris aprūpina kalciu aktino ir miozino surišimui, kuris yra būtinas raumenų ląstelėms.

Geografinis pasiskirstymas

Daugelyje tyrimų Ophiocordyceps unilateralis paplitimas apibūdinamas kaip pantropinis, nes jis daugiausia aptinkamas atogrąžų miškų ekosistemose. Tačiau yra keletas pranešimų apie zombių skruzdžių grybelį šilto vidutinio klimato ekosistemose.

Jo paplitimas apima atogrąžų miškus, esančius Brazilijoje, Australijoje ir Tailande, ir vidutinio klimato miškus Pietų Karolinoje, Floridoje ir Japonijoje.

Vaistinis potencialas

Ofiokordicepsas farmacijos pasaulyje yra žinomas kaip mediciniškai svarbi grupė. O. unilateralis grybai gamina įvairius žinomus antrinius metabolitus, taip pat keletą struktūriškai nebūdingų medžiagų. Pranešama, kad šie natūralūs produktai yra tiriami kaip galimi impulsai ieškant imunomoduliuojančių, priešnavikinių, hipoglikeminių ir hipocholesteroleminių taikinių.

Naftochinono dariniai yra antrinio metabolito, turinčio svarbų farmacinį potencialą, kurį gamina O. unilateralis, pavyzdys. Įrodyta, kad visi šeši antriniai metabolitai turi ne tik antimalarinį poveikį, bet ir priešvėžinį ir antibakterinį poveikį.

Be to, raudonieji naftochinono pigmentai naudojami kaip dažiklis maisto, kosmetikos ir vaistų gamybos procesuose. Tiesą sakant, grybelio gaminami naftochinono dariniai rūgštinėmis sąlygomis yra raudonos spalvos, o bazinėmis sąlygomis – purpurinės. Šie pigmentai nėra toksiški, todėl juos galima naudoti maisto ir kitų medžiagų dažymui. Dėl šių savybių jie taip pat yra pagrindinis kandidatas atlikti tuberkuliozės tyrimus sergantiems pacientams, nes pagerina simptomus ir stiprina imunitetą kartu su chemoterapiniais vaistais.

2009 metais atliktas tyrimas parodė, kad O. unilateralis gamina ir poliketidus. Šie antriniai metabolitai buvo naudojami antibiotikams, tokiems kaip patulinas, cholesterolio vaistams, tokiems kaip kompaktinas, ir priešgrybeliniam gydymui. Taip pat buvo pranešta, kad poliketidai turi kitokį gydomąjį poveikį, pavyzdžiui, priešnavikinį, antioksidacinį ir senėjimą stabdantį poveikį.