12.08.2017. - Зомбиология. Хакеры мозгов и повелители трупов

Зомбиология. Хакеры мозгов и повелители трупов

Как террорист-смертник из мира плоских червей угоняет шестиногий транспорт, а люди превращаются в зомби внутренне и внешне, как существа без мозгов манипулируют поведением животных с мозгами и заставляют животных забыть обо всем и идти в пасть к хищникам, и что еще осталось за кадром нашего недавнего теста о зомби.

Пока одни пугают зомбированием через телевизор и теориями заговора, а другие полушутя называют плод в утробе матери манипулирующим ею паразитом, настоящие паразиты-манипуляторы успешно подчиняют своих хозяев, превращая их в зомби. И работают эти схемы уже десятки миллионов лет, а не какие-то жалкие десятки веков, пока длится исторический период Homo Sapiens. Другие биологические «зомби» — «ходячие мертвецы» — притаились на ветвях эволюционного древа и даже внутри наших клеток. Третьи ходят по улицам и думают, что все вокруг уже мертвы, а значит, можно совершать преступления, потому что им уже все равно. Так кого ученые называют зомби и где их искать? Давайте разберемся.

Зомби под микроскопом

Начнем с того, что заставить восстать из мертвых и подчинить своей воле можно не только целый организм, но и отдельные клетки. Как это сделать, отлично знает Mycobacterium tuberculosis. Эта бактерия, вызывающая туберкулез, размножается внутри клеток человеческого организма. Поселяется она и внутри макрофагов – клеток иммунитета, которые поедают опасных «чужаков». После заражения мембрана макрофагов становится дырявой, что для клетки почти всегда означает верную смерть. Но микобактерии не хотят так просто терять свои «инкубаторы», поэтому они не дают уже практически мертвым клеткам умереть до конца, превращая их в зомби-фабрики, которые могут производить новые туберкулезные палочки и прятаться от антибактериальной терапии.

Если уменьшиться сильнее и заглянуть еще глубже, зомби можно найти в каждом из нас. Более того, без них мы не могли бы появиться на свет. По крайней мере, так считают авторы гипотезы о «зомби-центриолях», опубликованной в научном журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology. Центриоль – это девять триплетов (троек) микротрубочек. Центриоли «дирижируют» делением клетки, формируя веретено деления, которое растаскивает хромосомы (или их половинки, в зависимости от типа деления) к полюсам клетки. Установлено, что у большинства животных при половом размножении центриоли наследуются от отца, но у человека и других млекопитающих, а также насекомых, центриоли сперматозоида видоизменены (или вообще отсутствуют). Откуда тогда берутся две центриоли в оплодотворенной яйцеклетке? В сперматозоиде у насекомых, например, центриоль всего одна. У человека вообще ничего не понятно: вроде как некоторые ученые наблюдали в оплодотворенной яйцеклетке целых три вместо нормальных двух, а у мыши центриолей вообще не видели до тех пор, пока клетка не поделится на 32 или 64.

Разгадка, по мнению авторов статьи, проста: в сперматозоиде существуют две центриоли, но одна из них – видоизмененная, деградировавшая. Однако «мертвая» центриоль может, не восстанавливаясь в нормальную форму, делиться и функционировать. «Из-за того что они одновременно деградировавшие («мертвые») и функциональные («живые»), мы назвали их зомби-центриолями», – пишут авторы работы. Когда центриоли передаются при оплодотворении в зиготу, эта зомби-центриоль может формировать дочернюю нормальную центриоль, поэтому центриолей и получается три.

Еще более странная вещь, чем зомби-центриоли (но зато точно существующая в реальности) – белки?-зомби. Ученые из Англии, Австралии и Норвегии написали о них целый обзор, сетуя, что лишенные ферментативной активности «белки?-зомби», мягко говоря, не обласканы вниманием их коллег.

И совершенно зря: они присутствуют во всех царствах живого и занимают 10-15% генома. Если бы они были не нужны, естественный отбор потихоньку вычищал бы их (то еще удовольствие – тратить энергию на синтез бесполезного хлама), но этого не происходит. И если мы начинаем понимать, что даже некодирующая, «мусорная» ДНК на самом деле не просто так занимает место в геноме, то кодирующие гены, с которых производятся пусть и нефункциональные белки?, уж точно должны иметь смысл. Такие «зомби» могут влиять на свой работающий прототип, переключать его активность, прикреплять его к нужному месту в клетке – то есть, вести вполне себе жизнь после своей «функциональной смерти».

И зомби на ветвях сидит

А как насчет растений? Мы не собираемся незаслуженно обходить их в нашем повествовании. Тем более, что они тоже могут становиться зомби. Из-за бактерий фитоплазм зомби-растения отращивают на веточках листья вместо цветов. Они больше не могут размножаться и, как колонизированные туберкулезными палочками макрофаги, становятся фабриками по производству бактерий.

Одноклеточные делают растения безвольными рабами с помощью белка SAP54, который взаимодействует с белками домена MADS (нет, они отвечают не за сумасшествие, а за формирование цветка). В процессе эволюции бело?к бактерий SAP54 научился быть похожим на белок K-домена, который в норме взаимодействует с MADS – так он и взломал систему доступа к управлению растением.

Но не только ветви растений могут становиться «зомби». Ветви эволюционного древа ученые тоже могут так назвать. Большие споры идут вокруг модели развития млекопитающих после мел-палеогенового вымирания, уничтожившего динозавров и множество других животных и растений. Существует две версии этих событий. Согласно первой «взрывной» модели с «длинным бикфордовым шнуром» (long fuse explosive model), сначала внутри класса млекопитающих разошлись предки разных отрядов, а затем уже возникли разновидности внутри каждого отряда. Модель «короткого шнура» (short fuse explosive model) предполагает, что эти события происходили практически одновременно. Недавно была предложена модель «мягкого взрыва», согласно которой некоторые линии возникли еще в меловом периоде, а уже после вымирания произошел основной «взрыв».

Проблемы и слабые места последней модели выявляют возникшие на эволюционном древе ветви-призраки и ветви-зомби. Первые появляются из-за того, что палеонтологическая летопись неполна: не было найдено никаких предков, а потомки на месте. Вторые приносят больше проблем, потому что они возникают раньше, чем молекулярные данные предсказали расхождение их предковых групп.

Авторы статьи в Molecular Phylogenetic and Evolution анализируют все три модели и приводят доводы в пользу «длинного бикфордова шнура», показывая, что разделение на уровне отрядов вероятнее всего началось еще в меловом периоде. Эта концепция позволяет победить зомби-ветви и сделать эволюционное древо млекопитающих точнее.

Черви-террористы внутри раков и муравьев

В ходе эволюции паразиты обзавелись обширным набором технологий зомбирования. Тут в дело идут все средства: манипуляция, убеждение в ложности сигналов собственных органов чувств, войны с иммунитетом и гормоны-подделки.

«Нейропаразитология – это наука на грани с научной фантастикой», – пишет один из редакторов The Journal of Experimental Biology Майкл Дикинсон из Университета Вашингтона. Эта фраза приправлена смесью ужаса и восхищения: от просьбы «не ешь меня, я тебе еще пригожусь», направленной к чужой иммунной системе, до коварной манипуляции и зомбирования хозяев – один шаг. И пройти его можно, подделывая молекулы, которые используют для общения клетки самого хозяина.

Иногда кажется, что в этом нет никакого особенного смысла. Есть рачки-гаммарусы, которые относятся к отряду бокоплавов (они так зовутся потому, что буквально плавают боком). Но когда на них нападают паразиты, рачки теряют контроль над собой и начинают двигаться как все остальные ракообразные, да еще и плыть на свет, вместо того, чтобы прятаться от него.

В итоге их с большей вероятностью съест рыба, в которую и нужно попасть паразиту. Ученые смогли повлиять на движение гаммарусов серотонином и показали, что скорее всего паразиты влияют на иммунный ответ, из-за чего у рачков воспаляется нервная система. В итоге нарушается работа нейромедиатора серотонина – молекулы-посредника, передающей сигналы между нервными клетками, а также между нервными и другими клетками. Рачок неправильно получает зрительные и обонятельные сигналы и плывет навстречу своей смерти.

Бывает, что паразиты должны провести «детство» в одном организме, «отрочество» в другом, а повзрослеть – в третьем. Так проходит свой жизненный путь червь-сосальщик ланцетовидная двуустка Dicrocoelium dendriticum.

Его яйца должны лежать в почве, в «детский сад» будущие двуустки направляются внутрь улитки. На следующем этапе они некоторое время плавают на свободе в виде личинок-церкариев с хвостиками, потом их проглатывает муравей, после чего они становятся метацеркариями.

Но не все церкарии пройдут муравьиную «школу»: одной из них суждено погибнуть, чтобы дать остальным повзрослеть. Она залезает в подглоточный нервный узел муравья – нижнюю половину того прообраза мозга, который есть у насекомых. Там церкария устраивается поудобнее, окружив себя тонкой оболочкой, и садится за «пульт управления». Отныне муравей работает днем, как и все его собратья, но ночью превращается в безвольного зомби. Он покидает муравейник, залезает на травинку, вцепляется в нее зубами и ждет, пока его не проглотит млекопитающее: зомбированный муравей – лишь угнанный червями шестиногий транспорт для достижения заветной цели, которой становится печень или желчные протоки овцы или коровы. Там черви будут процветать и могут размножиться до десятков тысяч особей.

Другие паразиты, черви-волосатики, посылают на верную смерть кузнечиков и тараканов, заставляя их прыгать в воду, где насекомых должна съесть рыба – следующий хозяин паразита.

Кошки-мышки и цветы зла на космическом корабле

Но если зомбировать муравья или рачка не так уж трудно, то «взломать» мозг большого и сложного позвоночного – задачка для самых продвинутых «хакеров». Поэтому самый известный и даже канонический пример зомбирования – это, конечно, токсоплазмоз. Вызывает эту болезнь простейшее Toxoplasma gondii. Токсоплазмы, в отличие от личинок червей, состоят всего из одной клетки, но могут подчинить себе триллионы чужих.

Конечная цель маршрута токсоплазм, их земля обетованная, – это кошка. Сразу попасть в нее коварные одноклеточные паразиты могут редко, поэтому чаще всего путь в токсоплазмовый рай лежит через смерть. Правда, не свою: чтобы добраться до кошки, они используют транспорт поменьше – крыс, мышей или птиц.

В этих животных токсоплазмы переживают разные превращения. Оказавшись в мозгу, они производят тирозингидроксилазу – белок, регулирующий скорость синтеза гормона дофамина. Этот гормон, связанный с удовольствием и доверием – ключевое звено системы мотивации и вознаграждения. Поддавшись на обещание счастья, ту самую внутреннюю морковку на удочке любой мотивации, грызуны или птицы становятся бесстрашными и сами начинают искать встречи с когтистыми лапами пушистого зверя.

Но даже самые красивые механизмы могут давать сбой. Представьте, что вы должны угнать автомобиль или вертолет, чтобы добраться до, например, райского острова, где вас ждет безмятежная жизнь. Но тут случается непредвиденное: очередной ваш десант по ошибке оказывается в космическом корабле. Вы научились захватывать машины и самолеты, знаете, как ими рулить, прятаться от охраны – иммунной системы – и размножаться, заселяя разные ткани, вы сделали своих жертв привлекательнее для противоположного пола, вы даже угрожаете популяциям гавайских казарок, «угнав» в некоторых местах до 48% из них. Но управлять космическими кораблями вы не научились. И вообще ваш корабль летит на Марс на автопилоте. Мало того, что райского острова теперь не видать, так еще у вас и скафандра нет с собой. Конечно, у космического корабля внутри есть кнопочки, похожие на те, на которые вы привыкли нажимать – но порой работают они совсем по-другому.

К тому же, иммунная система жертв тоже может влиять на нервную (например, через воспаление, как у тех же гаммарусов) и менять их поведение – причем не всегда в ту сторону, в которую выгодно токсоплазмам.

Зомбирование людей: эхо мышиной любви и апокалипсис в Нью-Йорке

Наверное, так чувствовала бы себя токсоплазма, если бы могла оценить свои шансы на успех, заразив человека. Кошка его вряд ли съест, да и реагирует на стимулы токсоплазмы он как-то по-своему. Например, у него усиливается шизофрения или повышается риск ее проявления. Также опросы зараженных людей показывают, что жертвы токсоплазмы становятся медленнее и пассивнее в присутствии опасности, инстинкт самосохранения становится слабее, и хотя в целом больные более раздражительны, они не хотят ни за что бороться. В пугающих ситуациях – в темном лесу, в пустом доме ночью – они остаются спокойными.

У людей также может сильно меняться уровень подозрительности и общительности. Женщины становятся дружелюбнее и альтруистичнее, тогда как мужчины, наоборот, не желают ничем делиться. На подозрительность зараженных влияет не только пол, но и место проживания: городские мужчины и деревенские женщины становятся доверчивее из-за токсоплазмы, тогда как деревенские мужчины и городские женщины, наоборот, ищут во всем подвох.

И снова мы видим «дофаминовый» почерк паразита, напоминающий о том, что этот гормон на самцов и самок млекопитающих действительно влияет по-разному. Эксперименты с прерийными полевками, образцами любви и верности в мире грызунов, показали, что дофамин нужен не только для привязанности к своей половинке, но и для агрессии по отношению к чужакам. На самцов и самок такие воздействия могут влиять по-разному: одним надо охранять территорию, другим – привязываться и быть дружелюбными. Возможно, этот отклик чувствуется и в различиях в поведении зараженных токсоплазмой мужчин и женщин – хотя, конечно, люди не мыши, да и интерфейс для токсоплазм не такой удобный.

Но токсоплазмы не учатся на своих ошибках и продолжают посягать на космические корабли: в регионах, где санитария не пользуется особым успехом, а в пищу попадает много сырого мяса, больше чем у половины людей образуются антитела к токсоплазмам. А значит, они больны или, как минимум, встречались с этими паразитами в прошлом. Вылечить эту инфекцию антибиотиками непросто: где-нибудь да выживает покоящаяся форма паразита – циста, которая всегда готова размножиться снова. И снова человек – уже не совсем он, а управляемый изнутри космический корабль токсоплазм, стремящийся внутрь недостижимой кошки.

Но есть и другие сценарии зомби-апокалипсиса. Растения тоже могут быть не только жертвами, ведь получаемые из них наркотические вещества могут одурманивать людей. История о том, как химики, исследуя каннабиноидные рецепторы (которые реагируют не только на наркотические каннабиноиды, но и на многие внутренние нейромедиаторы организма), случайно спровоцировали появление «зомби» на улицах Нью-Йорка, – не сюжет фильма про апокалипсис, а тема настоящей научной статьи, вышедшей в The New England Journal of Medicine в январе 2017 года.

12 июля прошлого года подразделения быстрого реагирования были брошены на поиск и поимку зловещих людей, ведущих себя в точности как зомби. В Бруклине, Нью-Йорк, было найдено в сумме 33 человека, механически бродящих по улицам с пустым непонимающим взглядом. Люди медленно, как сомнамбулы, двигали руками и рычали, как настоящие зомби. У восьми новоиспеченных «зомби» взяли анализы мочи и крови. После расследования, длившегося 17 дней, ученым удалось установить, что виной всему стал недавно синтезированный с целью поиска лекарств каннабиноид, который люди купили под видом наркотика растительного происхождения AK-47 24 Karat Gold, который воздействовал на каннабиноидные рецепторы первого типа.

Источник