Ухудшение зрения у зараженных трематодой рыб — паразитическая манипуляция или побочный эффект?

Рис. 1. Слева: сеголетки мальмы (Salvelinus malma). «Эти глаза напротив» вполне могут служить обиталищем для трематод. В центре: тени внутри рыбьего хрусталика — метацеркарии трематоды D. pseudospathaceum. В одном хрусталике их могут быть десятки и даже сотни. Справа: метацеркарии при большем увеличении. Хорошо видны присоски и две темные ветви кишечника. Фото © Андрей Молчанов и Катя Миронова

Удивительная способность многих паразитов менять поведение хозяина к своей выгоде (паразитические манипуляции) давно привлекает внимание ученых, популяризаторов науки и широкой публики. К сожалению, несмотря на большой интерес к этому феномену, мы не так много знаем о механизмах таких манипуляций. Одним из примеров паразитов-манипуляторов служит трематода Diplostomum pseudospathaceum, которая обитает в хрусталиках глаз рыб и подавляет их защитное поведение, делая их более доступной добычей для рыбоядных птиц — окончательных хозяев паразита. Считается, что причина изменения поведения хозяина — ухудшение зрения, вызванное паразитом. Мы решили поставить под сомнение эту гипотезу и изучили поведение рыб, зараженных D. pseudospathaceum, на свету и в темноте. Предполагалось, что если дело и впрямь в ухудшении зрения, то в темноте различия в поведении между контрольными и зараженными рыбами должны исчезнуть. Однако и в темноте зараженные рыбы были более активны, плавали ближе к поверхности воды и раньше попадались в сачок. Результаты исследования подтвердили способность трематоды манипулировать поведением рыб, но ставят под сомнение предположение об ухудшении зрения хозяина как об основном механизме манипуляций и намекают на то, что паразит использует более изощренные механизмы, чтобы контролировать свою «жертву».

Что такое паразитическая манипуляция?

Многие паразиты используют весьма изощренные стратегии выживания. Здесь и избегание иммунной системы хозяина, и хитроумные адаптации для проникновения в его организм, и сложные жизненные циклы, включающие подчас четырех и даже более хозяев (R. Maizels et al., 2018. Modulation of Host Immunity by Helminths: The Expanding Repertoire of Parasite Effector Molecules; D. Benesh et al., 2021. Life-cycle complexity in helminths: What are the benefits?). При этом для многих паразитов «узким местом» их жизненного цикла является передача от одного хозяина к другому. В песне поется, что «с любовью встретиться — проблема трудная», и я уверен, что множество видов паразитов охотно подпишутся под этим утверждением. Зачастую паразиту требуется пройти по лезвию бритвы, буквально перепрыгивая с одного хозяина на другого над эволюционной пропастью, чтобы в конечном итоге найти себе полового партнера в организме окончательного хозяина. Нередко такой хозяин может найтись лишь за многие сотни, если не тысячи, километров от первого хозяина паразита, а его поиск может затянуться на годы или вообще закончиться провалом.

Всё осложняется тем, что два хозяина паразита могут довольно редко встречаться в обыденной жизни. Чтобы облегчить себе жизнь, многие паразиты меняют поведение или, говоря шире, фенотип своих хозяев, делая последних удобным инструментом для передачи инфекции. Например, под влиянием паразитов рыба может начать вести себя вызывающе, привлекая внимание хищной птицы, у мыши может атрофироваться врожденный страх перед кошкой, а больное бешенством животное будет проявлять повышенную агрессию. Такие изменения фенотипа хозяина, способствующие передаче инфекции, и называют паразитическими манипуляциями (некоторые примеры таких паразитических манипуляций описаны в новостях Мушиный гриб-паразит делает из самцов домашних мух некрофилов («Элементы», 21.01.2022), Расширенный фенотип объяснен на генетическом уровне («Элементы, 13.09.2011) и статье Паразитические манипуляции: один паразит — две (эко)системы).

С легкого пера Ричарда Докинза, использовавшего этот феномен для иллюстрации своей концепции «расширенного фенотипа», паразитические манипуляции стали излюбленной темой эволюционных экологов и популяризаторов науки. «Everyone knows that parasites manipulate their hosts» — писал он в одной из своих статей (R. Dawkins, 2004. Extended Phenotype — But Not Too Extended. A Reply to Laland, Turner and Jablonka). Тем печальнее, что до сего дня мы досадно мало знаем о том, как именно паразиты меняют поведение своих хозяев. Вообще, несмотря на обилие шума вокруг, о паразитических манипуляциях хорошо известно только то, что они существуют. Чуть ли не всё остальное покрыто мраком неизвестности. Например, мы прекрасно знаем, что экспрессия большинства фенотипических признаков в той или иной степени регулируется внешней средой: сколько волка ни корми — он все равно в лес смотрит, но, если кормить лучше — смотрит меньше. В то же время о влиянии внешних факторов на выраженность паразитических манипуляций (а ведь это фенотипический признак, не так ли?) ученым почти ничего не известно. Поведение животных, зараженных паразитами, редко тестируют в разных условиях, по крайней мере редко делают это осознанно, хотя подобного рода тесты позволяют хотя бы косвенно судить о механизмах, лежащих в основе паразитических манипуляций. Ведь правильно подобрав окружающие условия, этот механизм можно сломать, разбалансировать или усовершенствовать, а значит — понять.

Мы изучали то, как трематода Diplostomum pseudospathaceum манипулирует поведением своих хозяев на свету и в темноте, чтобы разобраться в возможном механизме манипуляции. Прежде чем двигаться дальше, я чуть подробнее расскажу об этом животном.

Объект исследования

Трематода Diplostomum pseudospathaceum — любопытное создание даже по меркам и без того полного чудес мира паразитов. Для исследователей эволюционной экологии паразитов это модельный объект, о котором известно достаточно много. На первый взгляд, D. pseudospathaceum — довольно обычная трематода с типичным для этого класса плоских червей жизненным циклом. Первым промежуточным хозяином ей служит пресноводный брюхоногий моллюск (например, большой прудовик), вторым — множество видов пресноводных рыб (D. pseudospathaceum — вид-генералист, заражающий широкий спектр хозяев), а третьим — рыбоядные птицы. Нас интересовали взаимодействия между вторым промежуточным хозяином, которым в нашем исследовании служила лососевая рыба мальма, и паразитом.

Трематода проникает в организм рыбы через покровы (чаще всего — жабры, см. V. Mikheev et al., 2014. Increased ventilation by fish leads to a higher risk of parasitism) и, как моргульский клинок назгула, неотвратимо продвигается... только не сердцу, а к хрусталику глаза хозяина. Хрусталик глаза — довольно неожиданное место обитания для паразита. Казалось бы, зачем это ему? На этот счет есть стройная теория. Внутренняя среда глаза позвоночных — часть тела, обладающая так называемыми иммунными привилегиями. Вопреки интуиции, иммунно-привилегированные части организма — не те, где иммунитет особенно зверствует, а те, где его полномочия ограничены. Все как в обычной жизни: иногда главная привилегия заключается в том, чтобы вас оставили в покое.

Дело в том, что иммунитет позвоночных, несмотря на свою эффективность, не является высокоточным оружием и частенько, работая по площадям, бьет своих, чтобы чужие боялись, и палит в белый свет как в копеечку. Однако есть в наших телах органы, по отношению к которым такое грубое обращение со стороны иммунитета неприемлемо, поскольку чревато несовместимыми с жизнью последствиями. Эти органы отделены от прочего организма специальными барьерами, за которыми иммунитет работает иначе: например, в норме в этих органах слабо развивается воспаление. Такие комфортные места обитания нередко, хотя и далеко не всегда, предпочитают заселять паразиты. Так и хочется провести аналогию с суровым Законом, который почему-то несколько робеет, оказавшись за воротами роскошных вилл и на борту дорогих яхт. Я не буду перечислять все привилегированные органы позвоночных. Скажу только, что у читателей этой заметки таких мест в норме два (не считая глаз), а у читательниц обычно одно, но порой бывает и пара. Своими соображениями на этот счет можете делиться в комментариях, а мы с D. pseudospathaceum поползем дальше.

Паразит быстро (за несколько часов — короткое время, когда паразит уязвим для иммунитета хозяина) проскальзывает в хрусталик глаза, а в самом хрусталике ему уже ничего не страшно: кровеносных и лимфатических сосудов там нет, и иммунитет там почти бессилен. Попав в пункт назначения, паразит начинает расти, стараясь скорее достигнуть инвазионной стадии, то есть состояния, когда он уже готов заражать следующего хозяина — птицу. Процесс обычно занимает 1–3 месяца в зависимости от температурных условий. После этого начинается всё самое интересное.

Власть тьмы или тьма власти?

Чтобы попасть в следующего хозяина (рыбоядную птицу), созревший паразит начинает менять защитное поведение рыбы, делая ее более уязвимой для атаки с воздуха. Зараженные рыбы хуже маскируются, более активны, чем контрольные, а стало быть, и более заметны для хищника (O. Seppälä et al., 2005. Impaired crypsis of fish infected with a trophically transmitted parasite). Кроме того, они стараются держаться ближе к поверхности, а если их напугать, то возвращаются к обычному беззаботному плаванию гораздо быстрее, чем их незараженные сородичи (M. Gopko et al., 2017. Deterioration of basic components of the anti-predator behavior in fish harboring eye fluke larvae).

Также известно, что, очутившись в глазу рыбы, D. pseudospathaceum меняет метаболизм хрусталика, вызывая катаракту, которая в свою очередь приводит к ухудшению зрения хозяина. Например, показано, что зараженная рыба атакует корм с меньшего расстояния, чем контрольная, то есть, вероятно, хуже видит объекты атаки (S. Owen et al., 1993. Low level infection by eye fluke, Diplostomum spp., affects the vision of three-spined sticklebacks, Gasterosteus aculeatus). Да и невооруженным глазом можно заметить помутнение хрусталика у зараженной рыбы. Долгое время считалось, что изменения в поведении хозяина — следствие ухудшения зрения (T. Lefèvre, F. Thomas, 2008. Behind the scene, something else is pulling the strings: Emphasizing parasitic manipulation in vector-borne diseases; O. Seppälä et al., 2005. Manipulation of fish host by eye flukes in relation to cataract formation and parasite infectivity). Мол, погружая рыбу во тьму, паразит захватывает власть над ее поведением. Однако некоторые факты ставят эту гипотезу под сомнение. Например, поведенческие изменения иногда возникают на таких ранних этапах инфекции или при столь низких уровнях заражения, что ни о каких катарактах речи не идет. Кроме того, не так-то просто объяснить, почему слепота ведет к повышенной активности рыб. Возможно, ухудшение зрения и поведенческие изменения происходят параллельно и мало зависят друг от друга. Таким образом, вопрос о механизме манипуляции в данной системе «паразит–хозяин» остается открытым, и в нашем исследовании мы попытались его прояснить.

Поведенческие эксперименты

Мы заражали мальму трематодами D. pseudospathaceum, ждали, пока паразиты созреют, а потом сравнивали поведение зараженных и контрольных рыб на свету и в темноте. Одной из задач исследования было установить, влияет ли заражение D. pseudospathaeum на поведение мальмы в принципе. Дело в том, что конкретно для этого вида рыб поведенческие манипуляции ранее показаны не были. Но основной целью работы было проверить следующую идею: если поведенческие изменения у зараженной мальмы связаны со слепотой, то в темноте, когда зрение не играет большой роли в ориентации рыбы, разница в поведении зараженных и незараженных особей должна уменьшиться или исчезнуть. Если же работают какие-то другие механизмы (скажем, паразит может выделять вещества, каким-то образом воздействующие на биохимию мозга хозяина), то разница в поведении зараженных и контрольных рыб будет сохраняться как на свету, так и в темноте.

Рис. 2. Ожидаемые результаты исследования. А — если паразит меняет поведение хозяина, ухудшая его зрение, то в темноте различия в поведении между контрольными и зараженными рыбами исчезнут. B — если же задействован какой-то другой механизм, то освещение принципиально не повлияет на поведенческие различия в опыте и контроле. При этом сами по себе световые условия вполне могут влиять на поведение рыб. Скажем, на этом графике, построенном по выдуманным данным, выраженность поведенческой черты в темноте в целом ниже, чем на свету. Рисунок предоставлен автором

В ходе эксперимента мы протестировали самые обычные поведенческие черты рыб: активность, предпочитаемую глубину погружения и способность избегать сачка (довольно условная, но общепринятая имитация атаки хищника). До начала экспериментов зараженных и контрольных рыб содержали вместе, поэтому различия в условиях едва ли могли повлиять на разницу в их поведении. Эксперименты проводились «вслепую», то есть исследователи не знали, какую рыбу, зараженную или контрольную, они тестируют и поведение какой рыбы анализируют на видеозаписях. То, заражена или не заражена рыба, показывало только вскрытие. Чтобы выравнять физиологическое состояние животных, их переставали кормить за сутки до проведения поведенческих тестов. Затем рыб поодиночке помещали в тестовые аквариумы и давали им два часа, чтобы привыкнуть к новым условиям (акклимироваться). После акклимации поведение рыб записывали на камеры, способные снимать и в обычном, и в инфракрасном режиме и включавшиеся удаленно, чтобы минимизировать возможное воздействие экспериментаторов на поведение рыб. Каждую рыбу тестировали на свету и в темноте, причем порядок тестов в разных световых условиях определялся случайным образом. Между тестами делался небольшой перерыв, чтобы дать рыбам привыкнуть к свету или темноте.

Рис. 3. Поведение рыб снимали на свету и в темноте с помощью камер, чувствительных в ИК-диапазоне. Справа: фрагменты видеозаписей, по которым оценивали глубину погружения рыб (в программе ImageJ). Из каждого видео вырезали 15 кадров с интервалом 20 секунд. Слева: кадры с камеры, снимавшей активность рыбы. Активность определяли как число линий сетки, которые пересекла мальма в течение пяти минут. Фото © Даша Ткаченко и Катя Миронова.

Им всё равно, им всё едино...

Первый важный результат эксперимента — поведение зараженной трематодой D. pseudospathaceum мальмы отличается от поведения контрольных рыб, что совпало и с нашими ожиданиями, и с результатами, полученными для других видов лососевых рыб ранее. Зараженные рыбы были более активны, плавали ближе к поверхности воды и раньше попадались в сачок. Стало быть, есть некоторые основания считать, что паразит в данном случае способен менять поведение хозяина к своей выгоде. Но главное, что разница в поведении зараженных и незараженных рыб была одинаковой как на свету, так и в темноте. Другими словами, поведенческие изменения у зараженных рыб проявлялись и в кромешном мраке. Эти результаты заставляют усомниться в том, что D. pseudospathaceum манипулирует поведением рыбы, ухудшая ее зрение. Очевидно, стоит рассмотреть и другие возможные механизмы манипуляции. Конечно, исследование не ставит окончательную точку в этом вопросе. В первую очередь, оно призвано спровоцировать дискуссию и побудить исследователей уделять больше внимания изучению роли окружающей среды в проявлении паразитических манипуляций.

Рис. 4. Результаты экспериментов. Слева: зараженные рыбы держались ближе к поверхности, то есть предпочитаемая ими глубина погружения была меньше. Важно, что различия в предпочитаемой глубине погружения сохранялись как на свету, так и в темноте. Заметьте, что в целом в темноте рыбы предпочитали плавать ближе к поверхности, чем при свете. В центре: сходная картина с активностью, которую измеряли, как число пересеченных рыбой линий сетки, нанесенной на дно аквариума. Видно, что зараженная рыба была активнее, причем вне зависимости от световых условий. Справа: по вертикальной оси показан порядок, в котором рыбы попадались в сачок. Зараженные рыбы откровенно хуже избегали сачка экспериментатора, чем контрольные. Рисунок предоставлен автором

Напоследок скажу несколько слов о возможных недостатках работы и альтернативной интерпретации результатов. Кто-то может задаться вопросом: «А с чего исследователи взяли, что рыба вообще почувствовала разницу в освещенности. Может, они, как кошки, видят в темноте не хуже, чем на свету?» Это резонное предположение, учитывая, что многие лососевые и впрямь прекрасно видят в темноте. Однако есть два возражения: во-первых, в комнате, где проводились тесты, при выключенном свете был такой кромешный мрак, что люксметр показывал величины, близкие к границе возможностей ночного зрения лососевых рыб или даже переходящие ее. Во-вторых, результаты самого исследования говорят о том, что рыбы в наших экспериментах прекрасно отличали свет от тьмы. Их поведение на свету и в темноте отличалось. Например, в темноте рыбы были несколько «раскованней» и держались ближе к поверхности, что неудивительно, поскольку ночных хищников, охочих до мальмы, не так много. Однако масштаб различий в поведении между зараженной и контрольной рыбой оставался тем же.

Еще один критический аргумент более философский. Наука устроена так, что нельзя строго доказать отсутствие различий между чем-либо. Любую гипотезу при анализе данных можно отвергнуть, но ни одну нельзя однозначно подтвердить. То есть тот факт, что различия в поведении рыб сохраняются на свету и в темноте, правильнее интерпретировать так: нам не удалось отклонить гипотезу, что световые условия влияют на выраженность паразитической манипуляции. Возможно, на больших выборках (большем числе рыб в нашем случае) или при другой постановке эксперимента нам это удалось бы. Никакого убойного аргумента против этого возражения не существует, но можно опереться на здравый смысл. Если при разумной постановке эксперимента и пристойных выборках нет никакого намека на связь света и поведенческих изменений, то, возможно, имеет смысл поискать какие-то другие механизмы паразитической манипуляции. В конце концов, глупо искать черную кошку в черной комнате, учитывая, что ее там, возможно, и нет.

Источник: Mikhail Gopko, Darya Tkachenko, Anastasia Shpagina, Darya Maximenko, Ekaterina Mironova. Is vision deterioration responsible for changes in the host's behavior caused by eye flukes? // International Journal for Parasitology. 2023. DOI: 10.1016/j.ijpara.2023.06.001.

Михаил Гопко