По словам исследователей, результаты, которые предполагают, что гриб «знает» своего предпочтительного хозяина, дают новое понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе этого явления.«Грибы хорошо известны своей способностью выделять химические вещества, влияющие на окружающую их среду», — отметили ведущий автор исследования Харисса де Беккер, научный сотрудник колледжа сельскохозяйственных наук Пенсильванского государственного университета имени Марии Кюри, и Людвиг Максимилиан из Мюнхенского университета.
«Поэтому мы хотели знать, какие химические вещества используются для столь точного контроля поведения муравьев».Исследование было сосредоточено на видах из рода Ophiocordyceps, известных как «грибки-зомби-муравьи», которые контролируют своих муравьёв-хозяев, вызывая укусы. Хотя эти грибы заражают многих насекомых, виды, которые заражают муравьев, разработали механизм, который заставляет хозяев умирать, прикрепляясь своими нижними челюстями к растительному материалу, обеспечивая платформу, на которой гриб может расти и выпускать споры для заражения других муравьев.
Чтобы изучить этот механизм, исследователи объединили полевые исследования с участием гражданина-ученого из Южной Каролины, эксперименты по заражению в лабораторных условиях и анализ с использованием метаболомики, которая представляет собой изучение химических процессов, связанных с молекулярными продуктами метаболизма.Ученые использовали недавно обнаруженный вид грибов из Северной Америки — первоначально названный Ophiocordyceps unateralis sensu lato, пока он ожидает нового названия — который обычно контролирует виды муравьев из рода Camponotus.
Чтобы проверить, может ли грибок, который эволюционировал для управления поведением одного вида муравьев, инфицировать и контролировать другие, они заразили нецелевых хозяев из того же рода муравьев и другого рода (Formica).Они обнаружили, что этот облигатный убийца может заражать и убивать нецелевых муравьев, но не может управлять их поведением. «Мозг целевого вида был ключом к пониманию манипуляции», — сказал де Беккер.Затем исследователи удалили мозг муравьев, сохранив органы в специальных средах.
Затем гриб выращивали в присутствии мозга разных видов муравьев, чтобы определить, какие химические вещества он производит для каждого мозга.«Это была наука« мозг в банке »в лучшем виде», — сказал соавтор Дэвид Хьюз, доцент энтомологии и биологии Пенсильванского университета. «Было необходимо уменьшить сложность, связанную с целым, живым муравьем, и просто спросить, какие химические вещества производит гриб, когда сталкивается с мозгом муравья.«Нечасто можно увидеть поведение грибов», — сказал он. «Вы должны сделать вывод, что они делают, изучив, как они растут, где они растут и, что наиболее важно, какие химические вещества они выделяют».
Он объяснил, что грибки питаются за счет осмотрофии, посредством которой они выделяют соединения, которые разлагают более крупные молекулы в окружающей среде на более мелкие, которые затем могут быть поглощены грибком. Используя метаболомику, исследователи смогли точно определить химическое взаимодействие между грибком и мозгом муравья, рядом с которым он рос.
«Мы могли видеть в данных, что гриб вёл себя по-разному в присутствии мозга муравья, с которым он совместно эволюционировал», — сказал де Беккер, в число соавторов которого также входили Эндрю Паттерсон, доцент молекулярной токсикологии, и Фил. Смит, директор Центра метаболомики.
Исследователи обнаружили тысячи уникальных химических веществ, большинство из которых совершенно неизвестны. По словам Хьюза, это неудивительно, поскольку до сих пор из этих грибов не удавалось добывать химические вещества.
Но что действительно выделялось, так это два известных нейромодулятора, гуаномасляная кислота (GBA) и сфингозин. Сообщалось, что они оба участвуют в неврологических расстройствах и были обогащены, когда гриб выращивали в присутствии мозга его целевых видов.«Не существует единого соединения, которое позволило бы точно контролировать поведение муравьев, которое мы наблюдаем», — сказал де Беккер. «Скорее, это смесь различных химических веществ, которые, как мы предполагаем, действуют совместно.«Но какой бы ни была точная смесь и темп секреции химических веществ, — сказала она, — впечатляет то, что эти грибы, кажется,« знают », когда они находятся рядом с мозгом своего обычного хозяина, и ведут себя соответствующим образом».
Как отметил Хьюз, «это один из самых сложных примеров паразитов, контролирующих поведение животных, потому что это микроб, управляющий животным, — тот, у кого нет мозга, контролирует тот, у кого есть мозг. Используя метаболомику и контролируемые лабораторные инфекции, мы можем теперь начать понимать, как грибы справляются с этим впечатляющим трюком ».
Ученые утверждают, что это исследование примечательно еще и тем, что это первое обширное исследование муравьев-зомби в Северной Америке. Обычно считается тропическим явлением, они существуют в местообитаниях с умеренным климатом, но их трудно найти.«Весь этот проект стал возможным благодаря Ким Флеминг, жительнице Дональдса, Южная Каролина, заядлому фотографу природы, который нашел оригинальные образцы и разместил их фотографии в Интернете», — сказал Хьюз.«Было приятно работать с Ким, которая стала неотъемлемой частью нашей команды, делая тысячи фотографий грибов-зомби-муравьев во время ее ежедневной прогулки по лесу».
Он отметил, что недавно обнаруженный вид грибка-зомби-муравья будет назван в честь Флеминга, который является соавтором исследования.«Благодаря Киму мы смогли взаимодействовать с более широким сообществом в Южной Каролине, включая программу биологии в Эрскин-колледже», — сказал де Беккер. «Это был отличный способ поделиться нашей наукой с общественностью».