Obr. 1. Grafická rekonstrukce svalového vlákna mravence propleteného XNUMXD sítí parazitické houby Ophiocordyceps unilateralis. ve žluté barvě Jsou označena těla hyf a hyfy, které je spojují. Čerpání z diskutovaného článku v PNAS
Američtí biologové zjistili, že parazitická houba Cordyceps lopsided, která dělá z mravenců tesaře poslušné zombie, vytváří v jejich těle trojrozměrnou síť. Tato síť proplétá všechny vnitřní orgány mravence včetně jednotlivých svalových vláken, ale nevstupuje do mozku. Ukazuje se, že ke komplexní manipulaci s chováním hostitele nemusí parazit nutně proniknout do jeho centrálního nervového systému.
Entomopatogenní houba-askomyceta cordyceps jednostranná (Ophiocordyceps unilateralis), který se vyvíjí u mravenců tesařských (Camponotus), slouží jako nápadný příklad primitivního parazita podmaňujícího vysoce organizovanou bytost jejím potřebám. 2–3 týdny po vstupu do těla mravence houba donutí opustit hnízdo, čelistmi uchopí žílu na spodní straně listu a v této poloze zemře (obr. 2). V tomto případě si zombie mravenec na popud houby vybere přesně definované místo pro svou smrt: na severní straně rostliny ve výšce 20–30 cm nad zemí. Právě tam je vlhkost a teplota optimální pro vývoj spór v plodnici, která vyrůstá z hlavy mrtvého hmyzu (viz S. Andersen et al., 2009. Život mrtvého mravence: výraz adaptivní rozšířený fenotyp).
Obr. 2. Mrtvý mravenec tesař, kterému z hlavy vyrůstá plodnice O. unilateralis. Fotografie z nsf.gov
Stále zůstává záhadou, jak se houbě podaří mravence ovládnout. Aby tento problém osvětlila, rozhodla se skupina amerických vědců z University of Pennsylvania (University Park) a University of Notre Dame (South Bend, Indiana) podrobně zjistit, co se děje uvnitř infikovaného hmyzu. Vědci vytvořili několik tisíc řezů tkáně extrahovaných z různých částí těla mravence a zmrazených v tekutém dusíku. Rozteč mezi řezy byla pouze 50–100 nm a každý řez byl fotografován pod rastrovacím elektronovým mikroskopem. Pomocí technologie strojového učení (používá se například v systémech automatického rozpoznávání obličeje) vědci vytvořili algoritmus, který nezávisle rozlišoval buňky hub od buněk mravenců a počítal je. „Slepením“ řezů pomocí počítačového programu vědci rekonstruovali trojrozměrný obraz toho, co se dělo.
Mravenci tesaři infikovaní houbou Boveria bassiana (Beauveria bassiana). Tato houba patří do stejného hypokraeského řádu jako houba manipulátorská O. unilateralis, ale na rozdíl od něj nijak zvlášť nemodifikuje chování hostitele. Na příkladu Boveria se vědci snažili pochopit, jak se běžná entomopatogenní houba chová u mravence, takže při práci s O. unilateralis nezaměňujte obecné syndromy mykotické infekce s účinky spojenými s manipulativním vlivem.
Ukázalo se, že buňky obou hub jsou přítomny ve svalech mravenčí hlavy a končetin (obr. 3), stejně jako v hrudníku a břiše. Jediným rozdílem je jejich koncentrace – buňky manipulační houby O. unilateralis v průměru zabírají 10 % objemu veškeré svalové tkáně, zatímco pro B. bassiana toto číslo je pouze 2 %. Ale v obou případech houba způsobuje svalovou atrofii – mezi svalovými vlákny infikovaného mravence se tvoří mezery. V některých případech houbové hyfy prorůstají membránou přímo do svalového vlákna.
Obr. 3. Adduktorový čelistní sval (A) a svaly končetin (D) zdravý tesař mravenec. Podobné svaly mravence napadeného houbou B. bassiana (B, E) a houby O. unilateralis (C, F). Znatelné mezery mezi svalovými vlákny infikovaných mravenců a také vyšší koncentrace buněk O. unilateralis ve srovnání s B. bassiana. Délka měřítka – 50 mikronů. Foto z diskutovaného článku v PNAS
Dříve vědci předpokládali, že houba O. unilateralis specificky provokuje atrofii čelistních svalů mravence, takže nemůže uvolnit své smrtelné sevření a umírá vyčerpáním (viz DP Hughes et al., 2011. Behaviorální mechanismy a morfologické příznaky zombie mravenců umírajících na houbovou infekci). Ale nyní je jasné, že taková atrofie je pouze vedlejším efektem života parazita. Svaly hmyzu jsou zvláště cenné pro jakoukoli parazitickou houbu jako zdroj energie – pamatujte, kolik mitochondrií se v nich nachází. Není proto divu, že buňky O. unilateralis jsou soustředěny ve velkém množství právě v čelistních svalech mravence, které jsou v jeho těle nejmohutnější (obr. 4).
Obr. 4. Carpenter ant svaly infikované houbou O. unilateralis. A – tělíska hyf (HB) a hyfy, které je spojují (trojúhelníky) mezi svalovými vlákny (M) v mravenčí čelisti. Délka měřítka – 50 mikronů. B – cytoplazmatické můstky (šipky), spojující sousední těla hyf. Délka měřítka – 10 mikronů. С – hyfy (šipky), rostoucí uvnitř svalových buněk. Délka měřítka – 1 mikronů. D – průměry kruhy ukazují relativní podíl hyfových těles navzájem spojených jednou nebo více hyfami. v červené jsou zobrazena tělíska hyf umístěná ve svalech mravenčí hlavy, modrá – ve svalech končetiny. Čísla na ose y uveďte počty studovaných mravenců, hvězdičky označené infikované mravence shromážděné mrtvé. E – průměr černé kruhy označuje relativní počet svalových vláken mravenců, do kterých vrostla jedna nebo více houbových hyf. Čerpání z diskutovaného článku v PNAS
Navzdory obecné podobnosti v uspořádání buněk hub, houbový manipulátor O. unilateralisna rozdíl od B. bassiana, staví z nich trojrozměrnou síť. Přibližně 59 % všech hyfových těl této houby je spojeno hyfovými vlákny s alespoň jedním ze svých sousedů. Díky tomu mohou tělíska hyf (jsou navenek podobná buňkám kvasinek a rozmnožují se pučením) koordinovat svou činnost, vyměňovat si živiny a synchronně uvolňovat speciální sloučeniny do okolních tkání. Není právě v tomto koordinovaném chování buněk hub tajemství jeho manipulačního účinku?
Ukazuje se, že struktura houby není tak jednoduchá: kromě nervového systému hostitele buduje paralelní buněčnou síť, která na chemické úrovni ovládá každý kout jejího těla. Kvůli jakým konkrétním látkám k tomu dochází, zatím nelze říci. Je známo, že mezi sloučeninami vylučovanými houbou O. unilateralis, existuje alkohol sfingosin a kyselina guanidinomáselná, které u savců způsobují záchvaty a křeče (viz C. de Bekker et al., 2014. Druhově specifická manipulace s mozkem mravenců specializovaným houbovým parazitem). Mravenci, kterým byly tyto látky uměle injikovány, však nevykazovaly žádné odchylky v chování – takže zombifikační houbový „koktejl“ se rozhodně neomezuje pouze na tyto dvě složky.
Zajímavé je, že manipulativní houba funguje tak sofistikovaně, že nemusí pronikat do centrálního nervového systému své oběti. V každém případě, navzdory skutečnosti, že pouzdro hlavy mravence je doslova nabité těly hyf, vědci zjistili, že houba neproniká do samotného mozku. Ostatní parazité působí neobratněji. Například jedním z typů jaterních motolic je Dicrocoelium hospes – napadá tykadlové laloky mozku mravenců a dalšího druhu – motolice kopinaté (Dicrocoelium dendriticum) – proniká do subfaryngeálního ganglionu jejich ventrálního nervového provazce, kde jsou umístěny neurony, které řídí pohyby čelistí. Díky tomu červi nutí mravence vylézt po stéblech trávy a přilepit se na ně a čekat na pasoucí se dobytek – konečného hostitele parazita (viz T. Romig et al., 1980. Mozkové larvy ve druhém mezihostiteli z Dicrocoelium dendriticum (Rudolphi, 1819) a Dicrocoelium hospes looss, 1907 (Trematodes, Dicrocoeliidae).
Vlastně houba O. unilateralis mění chování mravenců podobným způsobem, ale nachází se na periferii jejich těla. V tomto ohledu se Cordyceps nakloněný liší od nejznámějšího manipulativního parazita Toxoplasma. Pod vlivem těchto prvoků se hlodavci přestávají bát koček a navíc začnou pociťovat sexuální vzrušení z pachu moči (viz PK House et al., 2011. Pachy predátorů aktivují dráhy sexuálního vzrušení v mozku Toxoplasma gondii infikované krysy). V důsledku toho se prudce zvyšuje pravděpodobnost, že se takoví hlodavci setkají s kočkou, definitivním hostitelem toxoplasmy. Toxoplasma však opět ovlivňuje chování hlodavce, napadá hippocampus a amygdalu v jeho mozku (viz J. Gatkowska et al., 2012. Změny chování u myší způsobené invazí Toxoplasma gondii do mozku). A houba O. unilateralis Je možné ovládat činnost nervového systému hostitele na dálku.
Zdroj: Maridel A. Fredericksen, Yizhe Zhang, Missy L. Hazen, Raquel G. Loreto, Colleen A. Mangold, Danny Z. Chen, David P. Hughes. Trojrozměrná vizualizace a model hlubokého učení odhalují komplexní sítě houbových parazitů u mravenců manipulovaných s chováním // PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1711673114.
V posledních letech si téma zombie získává stále větší oblibu. Stále častěji se organizují flash moby chodících mrtvých, natáčejí se filmy a televizní seriály, vydávají se videohry, komiksy, hračky atd. Málokdo ale ví, že zombie skutečně existují, i když ne v té podobě, v jaké jsme je zvyklí představovat. Lze je nalézt v tropických lesích: jedná se o mravence a další malý hmyz. Stanou se z nich zombie poté, co je předběhne Cordyceps, houba, která ovládá jejich tělo.
Postižený hmyz, v tomto případě mravenec, opustí svou kolonii a usadí se na listu stromu. Poté, co oběť zaujme polohu vhodnou pro manipulátora, začne mu houba prorůstat tělem a hlavou.
Podobný fenomén se stal základem zápletky videohry „The Last of Us“ od Naughty Dog, kde zmutovaný cordyceps infikoval lidstvo.
Pojďme se o této houbě dozvědět více.
V přírodě existuje parazitická houba, která nutí tesařské mravence plnit své „rozkazy“ a proměňovat je v zombie se slabou vůlí. Řeč je o parazitovi Cordyceps unilateralis. Obvykle spóry této parazitické houby přistávají na těle mravence a rostou uvnitř jeho těla. Celý tento proces je doprovázen uvolňováním určitých látek ze skupiny alkaloidů do těla mravence, které mravence nutí zapomenout na své potřeby a zcela se podřídit parazitovi. Mravenci postižení touto houbou opouštějí své mraveniště a začnou bloudit sami a hledají nejpříznivější místo pro život svého majitele.
Právě to je hlavním cílem Cordycepsu jednostranného – s pomocí mravence se dostat na to nejlepší místo, kde by mohl dále růst. Vzhledem k tomu, že tento parazit nemůže růst vysoko v korunách stromů nebo na zemi nebo blízko země, dostane mravenec příkaz najít místo, kde má houba ideální teplotu a vlhkost k rozmnožování. Když se najde vhodné místo pro parazita, mravenec zahyne a z hlavy mu vyroste houba, která vytvoří schránku se sporami. Výtrusy odpadávají a padají na další mravence, které brzy čeká jistý osud.
Nedávno se vědcům podařilo zjistit, že tato houba parazituje již 48 milionů let, což dokazují fosilie nalezené v místě bývalého německého kráteru Grube Messel.
Paraziti jako Cordyceps navíc proměňují nejen mravence, ale i další tvory v zombie. Například parazit Toxoplasma gondii, který způsobuje toxoplazmózu u lidí, ovládá své mezioběti – myši. Obvykle zasahuje do určitých částí mozku myši, čímž eliminuje její strach ze sežrání kočkou.
Cordyceps jednostranný – jeden z entomopatogenní houby. Jsou to houby, které infikují pouze hmyz. Některé houby mohou infikovat členovce (například pavouky), ale to je spíše výjimka z jejich pravidla. Cordyceps nakřivo ovlivňuje pouze mravence a pouze jeden druh – Camponotus leonardi. Houba může infikovat další blízce příbuzné druhy mravenců, ale s menším reprodukčním a manipulačním úspěchem.
Není přesně jasné, jak se spory plísní dostanou dovnitř mravence. S největší pravděpodobností dochází k infekci přes póry v buňkách nebo přes kutikuly. Kvasinky Cordyceps se po vstupu do těla v něm začínají aktivně množit a šířit po celém těle mravence. Spory plísní pravděpodobně tvoří aktivní chemické sloučeniny, které ovlivňují mozek mravence a mění jeho chování.
Mravenec opustí svou kolonii a sestoupí na zem (tento druh mravence žije na stromech). Hmyz si vybere krátké stéblo trávy, vyleze na něj a velmi pevně se přichytí k centrální žilce listu. Mravenec uchopí rostlinu svými mohutnými čelistmi maximální silou a vítr ani déšť ji neodstrčí. Poté mravenec zcela ztratí kontrolu nad svým tělem a již se nehýbe. Ještě není mrtvý, ale už nemůže nic dělat.
Postupně houba zabíjí mravence a pokračuje v růstu. Jeho kořeny již pronikly do měkkých tkání hmyzu, prošly celým tělem a jsou bezpečně připevněny k listu. Nyní z mravence zbylo pouze velké mycelium Cordyceps jednostranné. Houba okamžitě začne produkovat silné antimikrobiální činidlo, aby se chránila před malými lapači. Když je houba bezpečně upevněna, roste nahoru přes hlavu mravence. Proces růstu trvá 4-10 dní.
Změny v chování infikovaných mravenců jsou velmi specifické. Infikovaný hmyz se nazývá „zombie mravenci“. Trpí silnými křečemi, kvůli kterým padají ze stromů a nemohou najít cestu do svého hnízda. Instinktivně se mravenci šplhají vzhůru na nízké rostliny a trávu, kde nalézají své poslední útočiště. Pokud zvíře nemůže vylézt na trávu, pak houba přestává růst, nebo je růst doprovázen různými anomáliemi. Ale zvíře v každém případě zemře.
Cordyceps jednostranný je schopen zničit celou kolonii mravenců. Hmyz si vyvinul schopnost vycítit infikované druhy a vyhnat je ze své kolonie. Pokud houba pronikne do hnízda, infikovaný mravenec je odtažen, aby celá rodina na epidemii nezemřela. Průměrná hustota houbové infekce je 20-30 jedinců na m2.
Cordyceps unilateral obsahuje různé známé i nevyužité bioaktivní metabolity a je zkoumán jako nový zdroj léčiv s imunomodulačními, protinádorovými, hypoglykemickými a hypocholesterolemickými vlastnostmi.
Entomopatogenní houby – parazitické houby, které napadají hmyz. Někdy se používá v zemědělství jako pesticidy ke kontrole počtu škodlivého hmyzu.
Připomeňme si, co dalšího jsme na téma ZOMBIE V PŘÍRODĚ již probrali: například Paradoxní parazit a tady jsou Páni housenek. Pamatujte si také Kdo zombizuje šváby? a jak parazitický červ způsobí sebevraždu hmyzu
