Apie vidurdienį, po kelių valandų laipiojimo ir betikslio slankiojimo, skruzdėlė dabar yra ne aukščiau kaip 25 cm virš žemės ir be tikslo šliaužia pirmamečio medelio lapo apačia. Tuomet, be įspėjimo, jėga įkiša savo galingus nasrus į vieną iš lapo gyslų ir tvirtai sugriebia.
Po šešių valandų ji miršta. Po dviejų dienų tarp jos sąnarių išnyra balti plaukeliai, o po kelių dienų jie tampa storu, rudu kilimėliu, dengiančiu visą vabzdį. Iš skruzdėlės galvos pradeda veržtis rausvai baltas stiebas ir toliau auga. Per dvi savaites jis jau būna dvigubai ilgesnis už skruzdės kūną.
Galiausiai, stiebas išleis savo sporas į orą – šios pasklis ir užkrės dar daugiau nieko neįtariančių skruzdėlių.
Šį keistą elgesį pirmą kartą užfiksavo gamtininkas Alfredas Russellas Wallace'as Indonezijoje 1859 m., tačiau iki šiol jis nebuvo išsamiai ištirtas. Nuo to laiko buvo nustatyta, kad grybelis dėl cheminių trukdžių smegenyse sutrikdo įprastą skruzdėlės elgesį, todėl užkrėstos skruzdėlės elgiasi taip, kad padidėtų grybelio galimybės plisti sporoms ir taip daugintis.
Grybelis auga visoje skruzdėlės kūno ertmėje, naudodamas vidaus organus kaip maistą, o stiprus skruzdėlės egzoskeletas tarnauja kaip tam tikra kapsulė, apsauganti grybelį nuo išdžiūvimo, suvartojimo ar infekcijos.
Atsikratymas gybeliu
Ankstyviausias žinomas grybas, akivaizdžiai parazitavęs vabzdyje, yra maždaug 105 mln. metų senumo. Tai sužinota iš žvynuoto vabzdžio, išlikusio gintare, su dviem grybo stiebeliais, išsikišusiais iš galvos. Tačiau žvelgdami į fosiliją negalime tiksliai pasakyti, ar užkrėsto vabzdžio įprastas elgesys buvo kaip nors pasikeitęs, ar sutrikęs.
Galutiniai „skruzdžių zombių“ elgesio įrodymai, datuojami maždaug 48 mln. metų, gaunami iš suakmenėjusių lapų, ant kurių abiejose lapų gyslų pusėse matomos ryškios žymės, kurias paliko užkrėstų skruzdžių apatinis žandikaulis. Ši skruzdėlių ir grybų sąsaja ne tik akivaizdžiai sena, bet ir labai paplitusi – iki šiol buvo aptikta apie 1000 vabzdžių grybelinių parazitų rūšių.
Šioje senoje kovoje už išlikimą skruzdėlės sukūrė prisitaikymo būdą, kad apsaugotų save ir savo lizdus nuo grybelinių infekcijų.
Tvarkydamiesi save ir valydami vienas kitą vabzdžiai pašalina potencialiai kenksmingas sporas, kol jos dar neprasiskverbusios pro odą ir neįsitvirtinusios. Kai kurios skruzdėlės savo lizduose purškia nuodus, kad šie veiktų kaip fungicidai – o jei taip nepavyksta sustabdyti užkrėtimo, jos perskiria savo lizdus uždarydamos izoliuodamos užterštas vietas.
Kai kuriais atvejais užkrėstus individus iš lizdo išneša sveikos skruzdės, o kraštutiniu atveju visa kolonija persikelia ir palieka užkrėstą lizdą.
Grybeliniai patogenai išsivystė: vieni tapo būdingais griežtai konkrečiai rūšiai, kiti – labiau bendri, pasirenkantys vabzdį nešiotoją, o dar kai kurie gali užkrėsti šimtus skirtingų rūšių. Ši nuostabi grybelinių patogenų ir galimų nešiotojų įvairovė sukūrė tam tikrą savitą vabzdžių elgesį – nes jie kartu vystėsi, kad susidorotų su grybais.
Kartais sunku suprasti, koks elgesys yra visiškai nevalingas ir skatinamas grybelio, kad šis galėtų efektyviai daugintis, ir kas išsivystė kaip apsaugos nuo infekcijos forma. Pavyzdžiui, kai užkrėsta skruzdė pakyla į aukštą padėtį, ir toks elgesys padidina plotą, kuriame sporos gali išplisti, dėl vėjo. Bet taip pat skruzdė yra atskiriama nuo savo giminaičių kolonijoje – taip užkertamas kelias infekcijos plitimui.
Neaišku, ar toks elgesys – zombio būsena, kurią sukelia grybelis, ar tiesiog altruistinis skruzdėlės pasiaukojimo aktas. Jei tai tyčinis skruzdėlės veiksmas, tai gali išgelbėti likusią kolonijos dalį nuo infekcijos. Kartais toks elgesys vadinamas „adaptyviąja savižudybe“.
Į zombius panašų vabzdžių elgesį taip pat sukelia daugybė kitų rūšių parazitų – bakterijos ir net kiti bestuburiai. Todėl kyla tam tikrų klausimų apie bet kurio organizmo tikrosios nepriklausomybės pobūdį šiose neabejotinai labai sudėtingose tarpusavyje susijusiose gyvose sistemose. Skruzdėlės-zombės suteikia mums galimybę pažvelgti į šį sudėtingą molekulinių įtakų ir elgesio adaptacijų tinklą. Tai verčia mus susimąstyti – kas galiausiai ką valdo?
Zombių skruzdžių grybelis
Ophiocordyceps unilateralis, paprastai žinomas kaip zombių skruzdžių grybelis, yra vabzdžių patogeninis grybas, kurį 1859 m. atrado britų gamtininkas Alfredas Russellas Wallace'as ir šiuo metu jis daugiausia randamas atogrąžų miškų ekosistemose. O. unilateralis užkrečia Camponotini genties skruzdėles, kurių visa patogenezė pasižymi užkrėstos skruzdėlės elgesio modelių pasikeitimu. Užkrėstos skruzdėlės palieka savo lajų lizdus ir maisto ieškojimo takus iškeičia į miško paklotę – vietą, kurioje temperatūra ir drėgmė tinkama grybeliams daugintis. Tada jos panaudoja savo apatinį žandikaulį, kad prisitvirtintų prie pagrindinės gyslos apatinėje lapo pusėje, kur grybelis lieka po skruzdės mirties.
Procesas trunka 4–10 dienų ir apima dauginimosi stadiją, kai iš skruzdėlės galvos išauga vaisiakūniai, kurie plyšdami išlaisvina grybelio sporas. O. unilateralis savo ruožtu taip pat yra jautrus pačiai grybelinei infekcijai, kuri gali apriboti jo poveikį skruzdžių populiacijoms.
Yra žinoma, kad Ophiocordyceps unilateralis ir susijusios rūšys dalyvauja aktyviame antriniame metabolizme, gamindamos medžiagas, turinčias antibakterinių savybių ir apsaugančias grybelio-šeimininko ekosistemą nuo tolesnės patogenezės grybelio dauginimosi metu.
Dėl šio antrinio metabolizmo natūralių produktų chemikai susidomėjo šia rūšimi, atitinkamai atradę mažų molekulių agentų (pavyzdžiui, iš poliketidų šeimos), kurie gali būti naudingi kaip žmogaus imunomoduliuojantys, priešinfekciniai ir priešvėžiniai agentai.
Mokslinis grybo pavadinimas kartais rašomas kaip Ophiocordyceps unilateralis sensu lato – o tai reiškia „plačiąja prasme“, nes rūšis iš tikrųjų atstovauja daugelio rūšių kompleksui O. unilateralis.
2011 m. buvo iškelta hipotezė, kad zombių skruzdžių grybelį iš tikrųjų galima apibūdinti kaip rūšių kompleksą, kuris yra specifinis nešiotojui – o tai reiškia, kad viena O. unilateralis rūšis gali sėkmingai užkrėsti ir manipuliuoti tik viena skruzdžių rūšimi kaip nešiotoja. Gali būti, kad tai paskatino arba sustiprino grybų reprodukcinę izoliaciją, o tai lėmė jų specifiką. Vėliau Brazilijoje buvo atliktas tyrimas – naudojant morfologinį askosporų, dygimo proceso ir nelytinių morfų palyginimą, buvo išskirtos keturios skirtingos Ophiocordyceps rūšys. Vėliau trys naujos rūšys buvo aprašytos Brazilijos Amazonėje, šešios Tailande ir viena Japonijoje.
Palyginus neseniai – 2018 m. – buvo aprašyta 15 naujų O. unilateralis rūšių, remiantis klasikiniais taksonominiais kriterijais ir makromorfologiniais duomenimis, daugiau dėmesio skiriant askosporų ir aseksualinei morfologijai.
Tipinė morfologija
Zombių skruzdžių grybelį lengva atpažinti, kai jo reprodukcinė struktūra išryškėja ant mirusio nešiotojo – dažniausiai skruzdėlės dailidės. Pasibaigus gyvavimo ciklui, O. unilateralis paprastai sukuria vieną, bet lankstų, tamsiai pigmentuotą stiebą, kuris atsiranda ant skruzdėlės nugarinės galvos srities, kai ji nugaišta. Be to, ant stiebo, tiesiai po jo galiuku, galima pastebėti peritecijas – sporas turinčią lytinę struktūrą. Šis kompleksas sudaro grybo vaisiakūnį.
Dauguma rūšių turi ir lytinį (teleomorfą), ir nelytinį morfą (anamorfą). Jie skiriasi savo funkcijomis ir savybėmis. Paprastai Ophiocordyceps nelytiniai morfai yra Hirsutella ir Hymenostilbe - dvi nelytiniu būdu besidauginančių grybų gentys.
O. unilateralis rūšys pasižymi morfologiniais skirtumais, kurie neabejotinai atsiranda dėl plataus geografinio diapazono – nuo Japonijos iki Amerikos. Be to, buvo iškelta hipotezė, kad jų morfologiniai pokyčiai taip pat gali atsirasti dėl to, kad viena grybelio rūšis maksimaliai padidina savo užsikrėtimą viena konkrečia skruzdžių rūšimi. Toje pačioje teritorijoje gali atsirasti skirtingų skruzdžių porūšių – o tai reiškia, kad tam, kad galėtų sugyventi, jos turi užimti skirtingas ekologines nišas. Vadinasi, grybai galėjo išsivystyti porūšio lygmeniu, kad maksimaliai padidintų savo plitimą.
Grybelio veikimo principai
Grybelis plinta skruzdėlės kūne – ir, tikėtina, gamina junginius, kurie veikia skruzdėlės vidinę kūno ertmę, naudojant išplėstinio fenotipo evoliucinį bruožą, kad būtų galima manipuliuoti skruzdėlės elgesio modeliais. Užsikrėtusiai skruzdėlei pasireiškia viso kūno traukuliai, kurie išstumia ją iš lajos lizdo į miško paklotę.
Užkrėstų skruzdžių elgesio pokyčiai labai specifiniai, todėl atsirado populiarus terminas „zombės skruzdėlės“. Grybelio elgesys yra pritaikytas jo augimui ir plitimui. Skruzdėlė užlipa ant augalo stiebo ir nenormalia jėga naudoja apatinį žandikaulį, kad prisitvirtintų prie lapo gyslos, palikdama ant jos žymes. Skruzdėlės paprastai priglunda prie lapo gyslos 26 cm aukštyje virš miško paklotės šiaurinėje augalo pusėje, aplinkoje, kurioje drėgnumas 94–95 proc., o temperatūra 20–30 °C. Vidutinio klimato miškuose tipiškas zombių skruzdėlių elgesys kiek kitoks – prisikabinama prie apatinės šakelių pusės, o ne lapų.
Skruzdėlės apatiniam žandikauliui prisitvirtinus prie lapo gyslos, greitai atsiranda atrofija – taip sunaikinamos sarkomerų jungtys raumenų skaidulose ir sumažinamas mitochondrijos bei sarkoplazminis tinklelis. Skruzdėlė nebegali valdyti apatinio žandikaulio raumenų ir lieka užfiksuota vietoje, kabo aukštyn kojomis po lapu. Šis bruožas žinomas kaip „mirties rankena“ ir yra būtinas grybelio gyvavimo cikle.
Grybelis naikina skruzdėlę ir toliau auga, nes jo hifai įsiskverbia į daugiau minkštųjų audinių ir struktūriškai sustiprina skruzdėlės egzoskeletą. Tada iš skruzdėlės išdygsta daugiau grybienos, kuri saugiai pritvirtina ją prie augalo substrato ir išskiria antimikrobines medžiagas, kad išvengtų konkurencijos. Kai grybas yra pasiruošęs daugintis, jo vaisiakūniai išauga iš skruzdėlės galvos ir plyšta, išlaisvindami sporas. Šis procesas trunka 4–10 dienų. Negyvos skruzdėlės randamos vietose, vadinamose „kapinėmis“, kuriose daug negyvų skruzdžių, anksčiau užkrėstų tuo pačiu grybeliu.
Zombės skruzdėlės pavadinimas kilo dėl jos elgesio. Iš pradžių grybelis sukelia skruzdėlės traukulius, dėl kurių ji nukrenta į miško paklotę. Po to grybelis kontroliuoja skruzdėlės laipiojimą bei jos žandikaulio užsifiksavimą (ir vėlesnę mirtį).
Elgsenos manipuliavimas nebūtų įmanomas be didžiulių grybelinių ląstelių populiacijų nešiotojo smegenyse ir raumenyse, nes dėl to išsiskiria įvairūs metabolitai, kurie, kaip žinoma, turi svarbių pasekmių elgesiui. Infekcijos metu parazitas susiduria su skirtingais šeimininko audiniais arba imuniniu atsakau. Tyrimai parodė, kad O. unilateralis reaguoja nevienodai išskirdamas skirtingus metabolitus, priklausomai nuo nešiotojo audinio, su kuriuo susiduria – ir ar jie gyvi, ar negyvi. Šių natūralių produktų identifikavimas yra svarbus norint suprasti, kurie skruzdėlių aspektai yra kontroliuojami ir kaip O. unilateralis manipuliuoja skruzdėlėmis.
Pirmas žingsnis, kurį O. unilateralis turi įveikti, kad sėkmingai užkrėstų, – prisitvirtinti prie skruzdėlės odelės ir į ją įsiskverbti. Šiuo tikslu grybelio hifas perveria egzoskeletą naudodamas fermentus – tokius kaip chitinazę, lipazę ir proteazę.
Grybeliui patekus į skruzdėlę, jis dauginasi, o grybų ląstelės randamos šalia nešiotojo smegenų. Kai populiacija yra pakankamo dydžio, grybelis išskiria junginius ir perima centrinę nervų sistemą (CNS) – o tai leidžia manipuliuoti skruzdėle, kad ji pasiektų miško paklotę ir koptų į augmeniją. Garsioji skruzdėlės „mirties rankena“ taip pat yra grybelio sukeltos manipuliacijos rezultatas. Toks elgesys pasireiškia tuo, kad užkrėstos skruzdės apatinis žandikaulis užsirakina sukandęs lapo gyslą taip stipriai, kad skruzdė negali nukristi, kai miršta pakibusi aukštyn kojomis – todėl grybelio vaisiakūnis tinkamai auga.
Tai gali įvykti dėl skruzdžių apatinio žandikaulio raumenų atrofijos, kurią sukelia grybelinių junginių sekrecija. Daugelio tyrimų metu grybelinių ląstelių populiacijos buvo aptiktos atrofuotuose apatinio žandikaulio raumenų audiniuose. Dažna mokslininkų hipotezė yra ta, kad grybelinės ląstelės įsiskverbia tarp raumenų skaidulų ir išskiria chemines medžiagas, dėl kurių raumenys atrofuojasi.
Užkrėstose skruzdėlėse nustatytas reikšmingas leucino koncentracijos ir mitochondrijų skaičiaus sumažėjimas. Leucino trūkumas užkerta kelią raumenų regeneracijai, nes aminorūgštis yra raumenų baltymų sintezės maistinių medžiagų reguliatorius. Mitochondrijų sumažėjimas galiausiai lemia energijos ir kalcio kiekio sumažėjimą dėl ATP ir sarkoplazminio tinklelio trūkumo, kuris aprūpina kalciu aktino ir miozino surišimui, o šis yra būtinas raumenų ląstelėms.
Geografinis pasiskirstymas
Daugelyje tyrimų Ophiocordyceps unilateralis paplitimas apibūdinamas kaip pantropinis, nes jis daugiausia aptinkamas atogrąžų miškų ekosistemose. Tačiau yra keletas pranešimų apie zombių skruzdžių grybelį šilto vidutinio klimato ekosistemose.
Jos paplitusios Brazilijos, Australijos ir Tailando atogrąžų miškuose bei Pietų Karolinos, Floridos ir Japonijos vidutinio klimato miškuose.
Vaistinis potencialas
Ofiokordicepsas farmacijos pasaulyje žinomas kaip mediciniškai svarbi grupė. O. unilateralis grybai gamina įvairius žinomus antrinius metabolitus, taip pat keletą struktūriškai nebūdingų medžiagų. Pranešama, kad šie natūralūs produktai yra tiriami kaip galimi impulsai ieškant imunomoduliuojančių, priešnavikinių, hipoglikeminių ir hipocholesteroleminių taikinių.
Naftochinono dariniai – antrinio metabolito, turinčio svarbų farmacinį potencialą, kurį gamina O. unilateralis – to pavyzdys. Įrodyta, kad visi šeši antriniai metabolitai veikia ne tik prieš maliariją, bet ir prieš vėžį, o taip pat ir antibakteriškai.
Be to, raudonieji naftochinono pigmentai naudojami kaip dažiklis maisto, kosmetikos ir vaistų gamybos procesuose. Tiesą sakant, grybelio gaminami naftochinono dariniai rūgštinėmis sąlygomis yra raudonos spalvos, o bazinėmis sąlygomis – purpurinės. Šie pigmentai nėra toksiški, todėl juos galima naudoti maisto ir kitų medžiagų dažymui. Dėl šių savybių jie taip pat yra tinka atliekant tuberkuliozės tyrimus sergantiems pacientams – nes pagerina simptomus ir stiprina imunitetą kartu su chemoterapiniais vaistais.
2009 metais atliktas tyrimas parodė, kad O. unilateralis gamina ir poliketidus. Šie antriniai metabolitai buvo naudojami antibiotikams (tokiems kaip patulinas), cholesterolio vaistams (tokiems kaip kompaktinas) ir priešgrybeliniam gydymui. Taip pat buvo pranešta, kad poliketidai turi kitokių gydomųjų savybių – priešnavikinių, antioksidacinų ir senėjimą stabdančių.
