В колонках играет - эпидемия
Первое знакомство
Эволюционная биология традиционно рассматривала системы размножения с точки зрения тех преимуществ, которые получает размножающийся тем или иным способом организм. Оказалось, однако, что у очень многих насекомых выбор системы размножения диктуется интересами не макроорганизма, а живущего в его клетках микроорганизма.
(И.И.Горячева, 2004)
Бактерия вольбахия живет в клетках огромного множества наземных беспозвоночных. Трудно сказать однозначно, кем она является - вредным паразитом, комменсалом (безвредным сожителем) или полезным симбионтом. Встречаются все три варианта - с разными хозяевами отношения вольбахии складываются по-разному. Эта бактерия уникальна тем, что вызываемые ей эффекты крайне разнообразны. Иногда она как будто вообще никак не влияет на жизнедеятельность хозяина. Гораздо чаще, впрочем, ее присутствие ведет к весьма драматическим последствиям. Вольбахия научилась тонко регулировать размножение, развитие и даже эволюцию своих хозяев. Поэтому ее называют "микробом - манипулятором".
Вольбахией заражены многие насекомые (по последним данным, не менее 20% видов), а именно мухи (в том числе излюбленный объект генетиков - дрозофила), комары, бабочки, жуки, блохи, прямокрылые (кузнечики, саранчовые, сверчки), перепончатокрылые (муравьи, осы и др.), ногохвостки и многие другие. Кроме насекомых, вольбахия найдена у пауков, клещей, мокриц (наземных равноногих ракообразных), нематод (круглых червей). Далеко не все группы беспозвоночных досконально проверены, и по мере изучения круг известных хозяев вольбахии постоянно растет. Но уже сейчас ясно, что зараженность вольбахией у наземных беспозвоночных - явление повсеместное и массовое. Например, из общего числа видов муравьев, обитающих в Индонезии, вольбахией заражено 50%, из всех наземных изопод (мокриц) - 35%, из нематод-филярий - 90% (данные 1999 г.). Подробности об эволюции различных штаммов (разновидностей) вольбахии.
Чего хочет микроб?
Управляя своими хозяевами, вольбахия, разумеется, преследует свои собственные корыстные интересы. В чем же они состоят?
Вольбахия может жить только внутри клеток живого организма (ее нельзя вырастить на искусственных средах, и даже в культурах ткани разводить ее удается с большим трудом). Передается вольбахия "вертикально", по материнской линии, проникая в цитоплазму яйцеклеток, и, таким образом, заражая потомство. Горизонтальная передача, безусловно, тоже происходит, но очень редко. Она сильно затруднена тем, что вольбахия абсолютно не способна жить вне клеток живого организма. Поэтому вольбахия заинтересована прежде всего в том, чтобы:
1) Проникнуть по возможности в каждое яйцо, откладываемое зараженной самкой.
2) Причинить как можно меньше вреда зараженной самке, а по возможности - даже повысить ее жизнеспособность;
3) Повысить плодовитость зараженных самок, а если возможно - еще и снизить плодовитость незараженных самок (чтобы доля зараженного потомства в популяции хозяев росла). Как же вольбахии удается влиять на плодовитость тех самок, которые ею не заражены? Бактерия научилась это делать, используя в качестве своего орудия зараженных самцов. О том, как это осуществляется, мы расскажем ниже.
4) Самцы для вольбахии являются, вообще говоря, ненужным балластом. Бактерии, попавшие в организм самца, обречены умереть вместе с ним - у них нет никаких шансов передать свое потомство следующему поколению хозяев. Вольбахия не может передаваться со сперматозоидами, которые для этого слишком малы. Значит, с точки зрения вольбахии, нужно либо сократить численность самцов в популяции (чтобы не конкурировали с самками за ресурсы), либо вообще от них избавиться, если возможно; либо, наконец, использовать их в своих целях - как орудие воздействия на самок.
Вольбахия добилась удивительных успехов в достижении указанных "целей". Разные штаммы вольбахии научились проделывать разнообразные удивительнейшие манипуляции со своими хозяевами, радикально изменяя их размножение, развитие и даже ход эволюции. Эффект, оказываемый вольбахией на хозяина, определяется в первую очередь штаммом вольбахии, то есть разновидностью самой бактерии (которых известно несколько сотен), во вторую - биологией хозяина.
Основные типы манипуляций, проделываемых вольбахией со своими хозяевами
1. "Цитоплазматическая несовместимость" - наиболее широко распространенный (и, по-видимому, эволюционно самый древний, первичный) эффект вольбахии. Проявляется он в том, что когда зараженный самец оплодотворяет незараженную самку, эмбрионы оказываются нежизнеспособными и гибнут на ранних стадиях развития. Происходит это потому, что мужские хромосомы в оплодотворенном яйце ведут себя ненормально и в конце концов разрушаются, и яйцо остается гаплоидным. Установлено, что вольбахии, живущие в самце, каким-то образом изменяют ("метят") хромосомы сперматозоидов. Эта "метка" и является причиной разрушения хромосом после оплодотворения. Однако если самка заражена тем же самым штаммом вольбахии, мужские хромосомы не разрушаются, и из яйца развивается нормальная особь (естественно, зараженная). По-видимому, присутствующие в яйцеклетке бактерии "распознают" метку и спасают хромосомы от разрушения. Это распознавание и "спасение" (rescue) - обычно является штаммоспецифичным, т.е. вольбахии "спасают" только хромосомы, "помеченные" тем же самым штаммом (хотя есть и исключения).
Зараженные самки производят нормальное потомство независимо от того, какой самец их оплодотворит - зараженный или "здоровый", в то время как у здоровых самок потомство выживает только во втором случае, а в первом - гибнет. Таким образом, зараженные самцы используются вольбахией как средство снижения плодовитости незараженных самок. Это приводит к росту относительного числа зараженных особей в популяции хозяев, т.е. к распространению инфекции.
Вызываемая вольбахией цитоплазматическая несовместимость в норме является односторонней (скрещивания здоровых самок с зараженными самцами бесплодны, зараженных самок со здоровыми самцами - плодовиты). Однако если две популяции одного и того же вида насекомых заражены разными штаммами вольбахии, между ними возникает двусторонняя несовместимость. В принципе это может привести к полной репродуктивной изоляции - так называемому "инфекционному видообразованию". Не исключено, что именно таким способом возникли многие виды насекомых, хотя прямых доказательств этого пока нет. Подробнее о цитоплазматической несовместимости.
2. Партеногенез. В некоторых случаях вольбахии удается заставить своих хозяев (а именно ос, клещей, трипсов и ногохвосток) размножаться партеногенетически (без оплодотворения). Так, у перепончатокрылых в норме из неоплодотворенных (гаплоидных) яиц развиваются самцы, из оплодотворенных - самки. Таким образом, насекомые имеют возможность регулировать пол потомства, оплодотворяя или не оплодотворяя свои яйцеклетки. Вольбахия вмешивается в этот процесс, нарушая нормальный ход развития насекомого. Когда неоплодотворенное гаплоидное яйцо (из которого должен развиться самец) начинает делиться, вольбахия останавливает процесс митоза, когда хромосомы уже удвоились, а дочерние клетки еще не разделились. В результате в клетке оказывается двойной набор хромосом, и из нее развивается самка. Некоторые популяции ос, зараженные вольбахией, полностью утратили способность к нормальному половому размножению, и не возвращаются к нему, даже если их вылечить от вольбахии антибиотиком. В таких популяциях самцы отсутствуют. Кроме вольбахии, партеногенез у ос иногда вызывают и другие цитоплазматические бактерии. Подробнее о партеногенезе.
3. Феминизация. У мокриц (наземных равноногих ракообразных) и бабочек вольбахии научились превращать генетических самцов в самок, воздействуя на систему выработки так называемого "андрогенного гормона". При отсутствии этого гормона из эмбриона развивается самка, при его наличии - самец. У зародышей мокриц мужского пола вольбахия подавляет развитие андрогенной железы, вырабатывающей данный гормон. Если заразить вольбахией более взрослого самца мокрицы, у которого уже имеется андрогенная железа, все равно происходит частичная феминизация, хотя деятельность андрогенной железы при этом продолжается. При частичной феминизации появлются интерсексы - особи с различными сочетаниями мужских и женских признаков. По-видимому, в этом случае вольбахия подавляет способность тканей адекватно реагировать на андрогенный гормон. Из этого видно, что воздействие вольбахии на хозяина может иметь комплексный характер; разные механизмы воздействия могут дублировать и "подстраховывать" друг друга. Интересно, что у обеих групп, где наблюдается индуцированная вольбахией феминизация (изопод и бабочек) самки гетерогаметны (т.е. имеют две разные половые хромосомы WZ; у самцов ZZ). Если вылечить "неосамку" (т.е. зараженную мокрицу с хромосомами ZZ - генетического самца), то, если "самка" молодая, она частично или полностью превращается в самца, а если старая - остается самкой, но производит на свет исключительно одних самцов (т.к. у нее нет "женской" хромосомы W). Кроме вольбахии, феминизацию различных видов беспозвоночных могут вызывать некоторые другие бактерии, а также простейшие (микроспоридии и парамиксидии). Подробнее о феминизации.
4. Гибель самцов (андроцид). Иногда вольбахия вызывает гибель эмбрионов мужского пола (у божьей коровки, двух близких видов африканских бабочек, одного вида дрозофил). Гибель самцов вызывается целым рядом других бактерий (риккетсиями, эрлихиями, спироплазмами), а также паразитическими простейшими. Для вольбахии же это скорее исключение. Любопытно, что по крайней мере в некоторых случаях эффект гибели самцов вызывается вольбахией у тех видов насекомых (в частности, у божьих коровок), в популяциях которых присутствуют и другие виды бактерий - "самцеубийц" (male-killers). Высказано предположение, что иногда частичная гибель самцов может быть выгодна самим насекомым. Тогда данный эффект может быть генетически закреплен со стороны хозяина. Может быть, со стороны вольбахии в этом даже нет "ничего личного". Возможно, насекомые сами реагируют гибелью самцов на какие-то факторы, общие для вольбахии и других "самцеубийц". Важно отметить, что среди немногочисленных насекомых, у которых вольбахия вызывает андроцид, есть виды как с гетерогаметными самками (самки WZ, самцы ZZ у бабочек), так и самцами (самки XX, самцу XY у дрозофил и божьих коровок). Следовательно, скорее всего, "распознавание" самцов происходит не по набору половых хромосом, а как-то иначе. Подробнее об андроциде.
5. Повышение плодовитости и жизнеспособности. У одной осы единственный эффект, производимый вольбахией - резкое увеличение плодовитости самок. У других мух и ос этот эффект сочетается с цитоплазматической несовместимостью. Иногда вольбахия повышает плодовитость самцов. У некоторых насекомых (например, дрозофил) после излечения от вольбахии отмечается снижение плодовитости, продолжительности жизни и других параметров "общей приспособленности". Интересно, что в ряде случаев эти эффекты исчезают через несколько поколений (жизнеспособность и плодовитость вновь становятся такими же высокими, как у зараженных особей). Это наводит на мысль о том, что "польза", приносимая вольбахией хозяину - какая-то ненастоящая, иллюзорная (по крайней мере в некоторых случаях). Может быть, вольбахия иногда вызывает нечто вроде наркотической зависимости или пользуется известным приемом "яд-противоядие", распространенным у некоторых паразитов. Например, паразит может вырабатывать длительно действующий яд и не столь длительно действующее противоядие. В результате гибель паразита незамедлительно ведет к смерти хозяина. Хозяин становится сам заинтересован в том, чтобы любой ценой сохранить своего паразита.
Для нематод-филярий вольбахия является жизненно необходимым симбионтом. "Вылеченные" от вольбахии нематоды погибают. На этом основана новая методика лечения филяриоза. Самих нематод "заморить" гораздо труднее, чем их симбионтов - вольбахий, которые быстро погибают от обычного тетрациклина.
Разнообразные эффекты вольбахии, судя по всему, возникали в эволюции различных ее штаммов многократно и независимо. Например, штаммы, вызывающие феминизацию у бабочек и мокриц, вовсе не родственны между собой. Это говорит о том, что, вероятно, все эти эффекты базируются на какой-то единой молекулярно-генетической основе и могут сравнительно легко переходить один в другой.

Как вольбахия влияет на эволюцию своих хозяев?
К сожалению, фактические подтверждения влияния вольбахии на эволюцию хозяев получить весьма трудно. Возможные эффекты пока рассчитываются чисто теоретически. Так, самый очевидный из возможных эффектов - "инфекционное видообразование". Если часть особей какого-то вида насекомых заражена одним штаммом вольбахии, другая - другим, и оба штамма вызывают цитоплазматическую несовместимость, то между насекомыми, зараженными разными штаммами, возникает полная репродуктивная изоляция. Какую роль играл этот механизм видообразования в эволюции насекомых - неизвестно.
Такие эффекты, как партеногенез, гибель самцов, феминизация в общем должны снижать интенсивность рекомбинации и полиморфизм популяций хозяев, тем самым снижая их эволюционную пластичность и приспособляемость к меняющимся условиям. В эволюционном масштабе времени это должно проявляться в сокращении средней продолжительности существования видов, в ускорении "оборота" видового состава.
Самый распространенный эффект - односторонняя цитоплазматическая несовместимость - в принципе может приводить к весьма интересным последствиям. В зараженной популяции начинают действовать факторы отбора, способствующие выработке репродуктивной изоляции между зараженными и незараженными особями.
Зараженным самкам и здоровым самцам все равно, с кем скрещиваться; они оставят потомство в любом случае. Однако здоровым самкам, чтобы оставить потомство, нужно спариться обязательно со здоровым самцом. Зараженным самцам необходимо выбрать зараженную самку, иначе его потомство погибнет. Таким образом, насекомому выгодно научиться распознавать "статус" партнера в смысле его зараженности вольбахией, и спариваться только с теми, чей статус совпадает с его собственным.
Может ли в принципе выработаться такой механизм распознавания? По-видимому, да. Об этом говорят эксперименты по "экспериментальному видообразованию", проведенные на различных насекомых (Шапошников, 1961, 1965, 1966; Dodd, 1989; см. Доску объявлений, №15). По-видимому, существуют какие-то общие механизмы, регулирующие эволюционные изменения половых предпочтений у животных по принципу биохимической и/или иммунологической близости.
В таком случае заражение вольбахией создает предпосылки для "отпочковывания" незараженной части популяции в отдельный вид. После установления репродуктивной изоляции отбор будет способствовать экологическому расхождению разделившихся видов (чтобы снизить конкуренцию). В результате неабсолютной способности вольбахии проникать в каждое яйцо, откладываемое зараженной самкой, в "зараженном" виде снова может сформироваться незараженная фракция (возможны и другие способы потери вольбахии - например, перегрев или естественные антибиотики); "незараженный" вид может получить вольбахию в результате "горизонтального переноса"... Таким образом, вольбахия, по идее, может служить движущей силой интенсивного видообразования, приводить к дроблению видов и экологических ниш.
Будет ли разгадана тайна вольбахии?
Важнейшей научной задачей является расшифровка молекулярно-генетических механизмов всех этих сложных манипуляций, осуществляемых вольбахией со своими хозяевами (само слово "хозяин" здесь даже кажется не совсем подходящим, потому что еще не известно, кто кем командует - скорее, это тот случай, когда "хвост виляет собакой"). Понятно, что расшифровка этих механизмов даст человеку мощные новые средства воздействия на живые организмы и природу в целом.
Экспериментальные исследования вольбахии до крайности затруднены невозможностью ее культивирования вне живого хозяина. Поэтому главные надежды ученые возлагают на анализ генома этого удивительного микроба - "повелителя мух". Уже отсеквенированы геномы нескольких штаммов. О результатах анализа этих геномов, приподнимающие завесу тайны над молекулярными "технологиями" вольбахии, мы будем рассказывать на отдельной страничке, которая будет пополняться по мере поступления новых данных.
Вольбахия интересна не только сама по себе, как уникальный природный объект. Изучение этой бактерии позволяет лучше понять общие принципы становления и развития симбиотических систем, отношений паразита и хозяина, общие законы сопряженной эволюции видов в сообществе. Изучение вольбахии имеет немаловажное значение и для понимания происхождения эукариотической клетки. Дело в том, что вольбахия относится к группе альфа-протеобактерий, из которой происходят предки митохондрий. Сравнительный анализ взаимоотношений нуклеоцитоплазмы эукариот с митохондриями и с вольбахиями позволяет лучше понять многие аспекты становления эукариот. Этому вопросу тоже будет посвящена отдельная страничка.