Смарагдова оса та її тарган-зомбі Для науки
Уколюючи отруту, маленька і мерехтлива оса віддає таргана на свою милість і перетворює на живу їжу для своїх нащадків. Дуже хороший приклад неврологічних маніпуляцій одного виду іншим.
Смарагдові оси (тут Ampulex compressa) - сліпучі види, як візуально, так і еволюційно. Їх отрута дозволяє контролювати поведінку інших комах, щоб забезпечити харчування своїх нащадків.
Я не знаю, чи сняться таргани, але я думаю, якщо вони є, смарагдові оси Ampulex compressa та їх суміжні види помітно фігурують у своїх кошмарах. Ці маленькі, поодинокі тропічні оси маніпулюють нервовою системою своєї здобичі, так що останні служать живою коморою для своїх щойно вилуплених нащадків. Це речі деяких фільмів жахів, майже буквально: ці види осей надихнули страхітливих грудників франшизи Alien.
Історія і проста, і екстравагантна: самка оси бере під контроль нервову систему таргана, яким вона годує своє потомство, яке потім втрачає будь-який страх або волю, щоб уникнути своєї долі. Але на відміну від того, що ми бачимо на великому екрані, це не невиліковний вірус, який перетворює живого таргана на безмозгового зомбі, а отрута. Також не будь-який отрута: специфічний отрута, який діє як наркотик на нервову систему тарганів.
У їхньому серці нервова система, будь то людина чи комаха, - це просто сукупності нейронів. Є потенційно мільйони отруйних сполук, які можуть активувати або деактивувати нейрони. Тому не повинно бути несподіванкою, що деякі отрути можуть впливати на центральну нервову систему, яка, зокрема, у людини, ретельно захищена. Деякі з цих отрут вводяться далеко від мозку, і їм вдається пробитися крізь фізіологічні захисні бар'єри, такі як гематоенцефалічний бар'єр у людини. Інші вводяться безпосередньо в мозок, як у випадку із смарагдовою осою та її тарганом-господарем, яких вона перетворює на зомбі.
Тарган паралізував, а потім перетворився на зомбі
Смарагдові оси - прекрасний, хоч і жахливий приклад того, як нейротоксичні отрути можуть робити набагато більше, ніж каліки. Їх багато років вивчали біологи, зокрема Фредерік Ліберсат та його колеги з Ізраїльського університету Бен-Гуріона.
Оса, розмір якої приблизно вдвічі менше жертви, починає атаку зверху; він накидається на таргана і захоплює його ротовими апаратами, в той час як він вводить у грудну клітку своєї жертви, між двома передніми ногами, свій яйцеклад (жало, яке дозволяє йому відкладати яйця, а також вводити отруту). Це жало займає лише кілька секунд, і отруйні компоненти швидко працюють. Таким чином тарган тимчасово паралізований, що дає осі час вдруге з більшою точністю вжалити свою здобич. Своїм довгим жалом вона вводить свій нейротоксичний отруту в дві області гангліїв мозку, еквівалент мозку комахи.
Високоточна пункція
Укус оси настільки добре пристосований до своєї жертви, що він чутливий до того, де знаходиться всередині голови таргана. Використовуючи механічні та хімічні сигнали, жало пробирається через голову таргана та гангліозну оболонку (еквівалент комахи гематоенцефалічний бар’єр), поки не знайде точне місце, на яке націлено. Дві цільові області мозку дуже важливі для оси: коли в експериментах їх раніше виймали з таргана, осі потрібно було довго шукати відсутніми частинами мозку своїм вбудованим жалом.
Ганглії таргана, якого укушують, починається контроль мозку. По-перше, жертва конюхує себе, і нічого іншого: як тільки передні ноги таргана відновлюються від тимчасового паралічу, спричиненого укусом на тілі, починається ретельна процедура догляду, яка триває близько півроку. -Години. Вчені показали, що така поведінка характерна для отрути: пірсинг мозкових гангліїв, загальний стрес таргана або контакт без укусу з осою не спровокували такого ж гігієнічного потягу. Ця раптова потреба в чистоті також може бути викликана припливом дофаміну в нервові ганглії таргана, і дофаміноподібна сполука в отруті тепер є причиною такої примусової поведінки догляду.
Невідомо, чи є цей догляд корисною характеристикою адаптивного отрути, чи це просто побічний ефект. На думку деяких дослідників, така поведінка гарантує, що комора, яка принесе користь тендітному потомству оси, буде позбавлена грибків та бактерій; інші дослідники вважають, що це дозволяє зайняти таргана, час, коли оса продовжується і закінчує свою роботу.
Дофамін - одна з тих інтригуючих хімічних речовин, що містяться в мозку найрізноманітніших тварин, і яка має життєво-рятувальні ефекти. У наших головах це частина "системи винагород": сплески дофаміну викликаються приємними речами. Оскільки дофамін змушує нас почуватися добре, це може бути фантастично, але це також пов’язано із звиканням до поведінки та відчуттями, які ми отримуємо від наркотиків, таких як кокаїн. Нам неможливо дізнатися, чи відчуває тарган також спалах ейфорії, коли його мозок залитий дофаміном, але я волію думати, що це відбувається, враховуючи сумний кінець, який зазнає комаха.
Поки тарган жує себе, оса покидає його, щоб шукати підходяще місце. Їй потрібна нора, де вона може залишити своє яйце та таргана-зомбі, і потрібно трохи часу, щоб знайти потрібне місце та встановити його. Коли вона повертається, приблизно через тридцять хвилин, отрута взяла своє - тарган втратив всяку волю до втечі.
В принципі, цей етап є тимчасовим: якщо ми видалимо з отруєного таргана яйце, яке там розміщує оса, тобто до того, як личинка зможе вилупитися, прогодуватися і метаморфозуватися, зомбіфікація зникає. На жаль для отруєного таргана, цей час занадто довгий. Перш ніж його мозок має шанс нормалізуватися, новонароджена оса вже наситилася і вбила свого господаря.
Моторика отруєного таргана залишається цілою, але комаха просто не бажає ними користуватися. Отже, отрута не пригнічує почуття тварини - вона змінює спосіб реагування на нього мозку. Вчені навіть показали, що подразники, які зазвичай викликають поведінку польоту, наприклад, коли торкаються таргана крилами або ногами, завжди досягають мозку комахи; вони просто не викликають поведінкової реакції. Насправді отрута модифікує певні нейрони таким чином, що вони стають менш активними та реактивними. Ось що призводить таргана до цієї раптової відсутності страху і цієї відсутності опору бути похованим і з’їденим живим.
Ця активність отрути вимагає токсинів, спрямованих на певні іонні канали, що знаходяться на мембрані нейронів, ГАМК-залежні хлоридні канали. ГАМК, або g-аміномасляна кислота, є одним з найважливіших нейромедіаторів у нервовій системі тварин. Це гальмівний нейромедіатор. Якщо ми думаємо про нейронну діяльність як про партію, то ГАМК - це неприємний досвід. Дійсно, викликаючи відкриття хлоридних каналів, це зменшує здатність нейрона активуватися.
Пояснимо як. Коли хлоридні канали відкриваються, хлоридні іони (Cl -) можуть перетинати мембрану нейрона. Що відбувається, коли, крім того, відкривається натрієвий (Na +) канал, процес, який зазвичай є початком каскаду реакцій, що утворюють нейрональну активацію? Оскільки негативні іони, як правило, супроводжують позитивні іони, хлоридні іони перетинають клітинну мембрану з такою ж швидкістю, як іони натрію, або близько неї. Таким чином, коли хлоридні канали відкриваються, навіть якщо нейрону наказано активувати, потенціал дії зупиняється мертвим.
Однак ГАМК не є загальним інгібітором. Хлоридні канали не повністю компенсують дію натрієвих каналів, тому сильний подразник може подолати гальмівний ефект. Саме цю систему оніміння використовує оса, щоб піддавати таргана своїй волі. Його отрута містить ГАМК та дві інші сполуки, які також активують хлоридні канали, b-аланін та таурин. Вони також працюють для запобігання поглинанню ГАМК нейронами, що подовжує інгібуючий ефект.
Хоча ці сполуки в отруті здатні пригнічувати мозкову діяльність, яка відлякує таргана, вони не можуть самостійно рухатися до відповідних частин мозкових гангліїв. Тому оси повинні вводити їх безпосередньо у потрібне місце. На її щастя, завдяки своєчасному химерному характеру отрута, яка зомбіфікує мозок таргана, також створює тимчасовий параліч, необхідний для підготовки до ін’єкції в голову. Дійсно, ГАМК, b-аланін і таурин також тимчасово інактивують рухові нейрони. Отже, осі потрібен лише один отрута для виконання двох дуже різних завдань.
Видобуток, який став спокійним і пасивним, із повільнішим метаболізмом
Її здобич тепер спокійна і пасивна, оса може поповнювати свою енергію, розбиваючи вуси таргана і всмоктуючи через посічені кінчики трохи гемолімфи, поживної рідини, яка купає тіло комахи (свого роду кров, але яка не нести кисень). Потім вона веде свою жертву до останнього місця відпочинку, використовуючи те, що залишилося від антени, як вершник, який керує своїм конем своїми поводами. Опинившись у своїй норі, вона фіксує яйце біля основи ноги таргана, а потім закриває нору за допомогою дрібних предметів або сміття (листя, дрібних каменів).
Як би ця маніпуляція з мозком була недостатньо жорстокою, отрута оси робить ще один ефект на таргана: він уповільнює його метаболізм. Тарган проживе досить довго, щоб його можна було їсти, поки він ще свіжий і повний поживних речовин.
Один із способів вимірювати метаболізм - це вимірювати кількість споживаного кисню з часом, оскільки всі тварини спалюють кисень для отримання енергії з їжі або з жирових запасів. Вчені виявили, що споживання кисню укушеними тарганами набагато нижче, ніж у здорових побратимів. Спочатку вони вважали, що цей знижений метаболізм є наслідком поганої рухливості жертв. Однак вони виявили, що коли параліч тарганів викликаний хімічними речовинами або розривом нейронів, комаха живе менше, ніж тарган, отруєний смарагдовою осою.
Ключем до цього тривалого виживання, здається, є гідратація. Незрозуміло, як саме діє отрута, щоб утримувати воду таргана та залишатись гідратованою, але він гарантує, що коли личинка оси вилупиться з її яйця, її шрот готовий до вживання. Ця личинка починає з всмоктування гемолімфи комахи, а потім, через кілька днів, потрапляє в черевце, щоб поглинути його, перед тим як перетворитися на лялечку. Приблизно через місяць із нори виходить нова оса, залишаючи за собою тушу таргана.
Отрута смарагдової оси - лише один із прикладів нейротоксичної отрути, доведений до крайності. У роді, до якого належить оса Ampulex compressa, відомо понад 130 видів. Сам рід Ampulex належить до дуже великої та різноманітної групи ос, яка налічує десятки тисяч видів (і, можливо, сотні тисяч і більше, на думку деяких вчених), відомих маніпулятивним ефектом їх отрути. Усі мають жахливий життєвий цикл: на стадії дорослого годування вони харчуються, як інші оси та бджоли, але на етапі личинок вони харчуються іншими тваринами. Вони не є ні цілком незалежними, ні цілком паразитичними - вони є "паразитоїдами".
Велика кількість маніпулятивних видів
Таргани - не єдині їх цілі; є паразитоїдні оси, які відкладають свої яйця на павуків, гусениць, мурах.
Оса Агріотип, яка мешкає в помірній північній півкулі, пірнає під водою, щоб закріпити свої яйця на личинках каддісу (або каддісфілах, комах, схожих на молі), і може залишатися під водою протягом п’ятнадцяти хвилин, щоб виконати завдання.
Оси ласіохальцідії з Європи та Африки мужньо кидаються в кошмарну мандібу мурахи, розкладають їх і кладуть яйця в горло.
Існують навіть так звані гіперпаразитоїдні оси, які паразитують на інших схожих на них осах, як євроазіатські види роду Lysibia: вони виявляють гусениць, паразитованих паразитоїдними осами роду Cotesia, і відкладають свої яйця в личинках осів, які щойно метаморфізувались у лялечки. У деяких випадках кілька видів ос паразитують одна на одній, приводячи до російської ляльки паразитарних взаємодій.
А щоб забезпечити безпечний перехід від личинки до дорослого віку, ці оси часто отримують не лише їжу від господаря. Таким чином, вид перетворює своїх гусениць-господарів на неживих охоронців, які захищатимуть молодих ос, які перетворилися на лялечок і щойно харчувалися їхнім тілом. Личинка іншого виду змушує господаря-павука плести павутину, яка захищатиме його кокон, безпосередньо перед тим, як вбити павукоподібних.
Хоча оси цієї незвичайної родини довели до досконалості мистецтво контролю мозку, є й інші отруйні тварини, токсини яких змінюють психічний стан. Існують навіть види, нейротоксичні сполуки яких перетинають наш власний гематоенцефалічний бар’єр - подвиг, якого не робить жодна отрута оси. Але на відміну від тарганів, ми, Homo sapiens, маємо дивне спорідненість до речовин, які порушують наш мозок. Хоча таргани уникають тих, хто прагне зіпсувати собі мізки, деякі люди готові заплатити кілька сотень доларів за дозу продукту, яка дасть їм подібний досвід.