Біологія

Коли паразит – не ворог Якою може бути користь від паразитів?

Паразитичний черв анкілостома, широко посміхаючись, намагається завоювати трохи прихильності. James Cook University / The Naked Scientists

Паразитичний черв анкілостома, широко посміхаючись, намагається завоювати трохи прихильності. James Cook University / The Naked Scientists

Поки що людству вдалося побороти лише двох паразитів – вірус чуми великої рогатої худоби та вірус натуральної віспи, що вражає людей. За одне тільки 20 сторіччя натуральна віспа забрала життя близько 300 мільйонів людей. На щастя, зараз збудники залишилися лише в захищених лабораторіях, тому більше не становлять загрози. І не схоже, що хтось зостався незадоволеним через їхнє зникнення, радше навпаки. Але що, якби раптом на нашій планеті зникли взагалі всі паразити? Чи стало б життя ще простішим і кращим?

Обережно з мріями

Завдяки статті американських вчених у журналі Frontiers in Ecology and the Environment та матеріалу BBC Earth ми можемо приблизно змалювати світ без паразитів. Тож уявімо, що якимось чином паразитизм все ж зумів зникнути із земного життя.

Людство нарешті повністю позбулося збудників таких страшних захворювань як малярія та СНІД, і навіть таких невинних, як нежить. Смертність значно скоротилася завдяки тому, що люди, які хворіли на важкі паразитарні захворювання та інфекції, зцілилися. Деякі бідні країни отримали можливість покращити своє економічне становище. Їх тепер населяли здоровіші й сильніші громадяни, ніж раніше, які можуть працювати більше й ефективніше. Свійські тварини теж перестали страждати від заразних захворювань, що дало можливість розвиватися тваринництву. Здавалося, у світу без паразитів нарешті відкрилося друге дихання.

Але зовсім скоро стали очевидними й негативні наслідки. Виявилося, що насправді здоров’я так і не побільшало, адже одні хвороби замінили інші. Алергії, яких і в минулому фіксували дедалі частіше, зараз набули катастрофічного поширення. Якщо раніше про аутоімунні захворювання не кожен навіть чув, то тепер такі хвороби, як ревматоїдний артрит, розсіяний склероз чи системний червоний вовчак у всіх на вустах. І якщо колись люди були занепокоєні тим, як «підіймати» імунітет, то зараз для багатьох актуальнішим питанням є, як його вгамувати.

Популяціям деяких видів організмів дуже пощастило – у них з’явилася можливість значно збільшити чисельність. Інші ж виявилися пригніченими натиском численних сусідів та навіть опинилися під загрозою вимирання. Зокрема, шкідники культурних рослин, що завжди завдавали значних збитків, як-от зернова совка чи тютюнова білокрилка, почали ще більш нещадно нищити урожаї по всьому світу. Щоб урятувати хоча б частину, фермери змушені використовувати більше пестицидів і це створило загрозу небезпечного хімічного забруднення довкілля.

Після зникнення паразитів різноманіття хижих видів у природі теж змінилося. Одні хижаки суттєво скоротили свою чисельність чи навіть стали вимирущими, а кількість інших значно зросла – вони змогли зайняти звільнені від паразитів екологічні ніші. Наприклад, одні з найменш улюблених для більшості тварин — павуки — швидко замістили паразитів на посаді регуляторів чисельності й тепер вони буквально всюди. А, приміром, величина популяцій деяких водоплавних птахів суттєво зменшилася через те, що здобич їм стало значно важче зловити.

Однак чи не найбільшою дивиною стало зменшення у новому світі сексу. Види, що мають змогу не розмножуватися статево, так і роблять. Вони надають перевагу простішому безстатевому розмноженню. Деякі вчені вважають, що більшість видів тепер розвиватиметься у напрямку набуття «асексуальності». Можливо, навіть люди колись позбавляться від чоловіків, які стануть непотрібними за можливості жінок до самовідтворення. Таким чином не тільки видове різноманіття збідніє, а й особини одного виду ставатимуть менш унікальними і більш подібними одне на одного.

Можемо скільки завгодно не любити непривабливих паразитів, але, схоже, без них життя не стане ані простішим, ані принаймні красивішим. Перед тим, як відповісти на запитання, чому так відбувається, згадаймо, що взагалі таке паразитизм.

Непомітний легіон

Паразитизм – це вид симбіозу, тобто співіснування різних видів організмів, коли один із них використовує іншого як джерело харчування або середовище для існування. При цьому паразити не зацікавлені у швидкій смерті хазяїна, але завдають йому певну шкоду.

Вперше він виник майже одночасно із появою перших форм життя. Відтоді паразитизм як форма міжвидового співіснування організмів незалежно виникав у різних групах організмів сотні разів. Може здатися дивним, але це найпоширеніший тип відносин між організмами в природі, а з усіх відомих видів живих істот близько 40 відсотків припадає саме на паразитів.

Ми звикли вважати паразитами в основному лише гельмінтів, але позаяк основними ознаками паразита є використання організму хазяїна для забезпечення власної життєдіяльності та шкідливість, то стає явним, що такий спосіб існування притаманний представникам чи не всіх груп. Немало їх, наприклад, серед комах, як-от оводи, чиї личинки паразитують в тілі хребетних тварин, або людські воші. Паразитичні види є і в царстві рослин, типові представники яких повитиця й омела. Цілком підходять під визначення паразитів і деякі бактерії, що є збудниками захворювань, також усі віруси. Останні не мають клітинної будови, власного метаболізму, тому для розмноження змушені використовувати клітини господарів.

Втім, залежність від хазяїна не означає слабкість – бути паразитом, попри поширене уявлення про їхню примітивність та деградованість, непросто. При переході до паразитичного способу життя «нахлібники» справді можуть спрощувати свою будову: наприклад, в аскарид відсутні дихальна та кровоносна системи, а у стьожкових червів – травна. Натомість у процесі еволюції паразити набули інших особливостей, що допомогли їм освоїти нове, організмове середовище існування, тому називатися примітивними паразити точно не заслуговують.

Прикріплювальні апарати різних видів стьожкових червів

Прикріплювальні апарати різних видів стьожкових червів

Вони розвинули особливі органи фіксації в організмі хазяїна (присоски, гачки, шипи), неймовірну плодючість (бичачий ціп’як за життя може відкласти 11 мільярдів яєць), складний життєвий цикл зі зміною поколінь, хитрі пристосування для уникнення впливу імунної системи та навіть здатність маніпулювати поведінкою хазяїна заради власної вигоди. Приміром, паразитичні гриби, що перетворюють комах на зомбі, трематоди, які змушують своїх проміжних хазяїв рухатися назустріч хижим птахам, або токсоплазма – вид мікроскопічних найпростіших, що змушує мишей не боятися кішок.

Паразитичний гриб Ophiocordyceps buquetii, проростаючи крізь тіло мурахи, змушує її поводитися нетипово, щоб забезпечити краще розповсюдження своїх спор. João Araújo / The New York Times

Паразитичний гриб Ophiocordyceps buquetii, проростаючи крізь тіло мурахи, змушує її поводитися нетипово, щоб забезпечити краще розповсюдження своїх спор. João Araújo / The New York Times

То яку ж таку важливу роль можуть виконувати ці по визначенню шкідливі істоти, що без них ми не можемо обійтися? Ось деякі вагомі та навіть корисні функції, що їх виконують паразити.

Паразити проти алергії

Безперечно, однією з особливостей паразитичного способу життя є завдання шкоди організмові хазяїна, і не можна зменшувати небезпечний для життя вплив деяких патогенів, як-от малярійного плазмодія чи трипаносом. Однак у сучасній паразитології існує уявлення про те, що не дивлячись на шкоду, спричинену паразитами, хазяїн може отримувати від такого співжиття і користь. Це про випадки, коли варто обирати менше із зол.

Зважаючи на давність виникнення паразитизму, усі наявні види організмів еволюціонували у тісному зв’язку зі своїми супутниками-шкідниками. В ході еволюції стосунки паразита і хазяїна схильні ставати менш агресивними. Це проявляється у зниженні патогенності паразита та сили імунної реакції хазяїна проти нього. Тобто, тенденція йде не до знищення одним видом іншого, а радше до пошуку компромісу. Зазвичай, найбільш небезпечними є нові в еволюційному плані для хазяїв збудники захворювань.

За час тісної еволюції паразит набуває здатності успішно пригнічувати надмірне напруження імунної системи хазяїна. За умови ж вилучення паразитів із популяції хазяїв імунна система останніх позбавляється від стримувача та стає надчутливою. У такому разі імунітет починає «кидатися» на звичайно нешкідливі для здоров’я речі, наприклад, на пилок чи навіть власні клітини. Так проявляються алергії чи аутоімунні захворювання, які виявляють серед людей дедалі частіше. Можливо, це саме завдяки нашій схильності до покращення санітарних умов проживання, тобто до обмеження контактів із хвороботворними організмами, особливо гельмінтами. Так пояснює зростання частоти порушень імунної системи гігієнічна гіпотеза.

Вчені з Ноттінгемського університету навіть пропонують із лікувальною метою заражати нематодами анкілостомами хворих на розсіяний склероз. Ця недуга характеризується тим, що імунна система хворих руйнує власну нервову систему. Дослідження науковців показало, що зараження невеликою кількістю цих нематод (до 25 личинок) є не тільки безпечним, а й має імунорегуляторну дію та допомагає хворим зменшити прояви й знизити кількість рецидивів розсіяного склерозу.

Паразити при помірній інвазії здатні захищати своїх хазяїв від розвитку й інших захворювань (наприклад, гельмінти можуть запобігати виникненню синдрому подразненого кишківника) або ж не допустити їхнього зараження більш небезпечними паразитами. Існує припущення, що інвазія людськими аскаридами може надавати певний захист від захворювання на малярію.

А дослідження американських вчених, опубліковане в журналі Science показало, що паразити здатні також впливати на плодовитість. Вони тривалий час вивчали населення племені Цимане, що в Болівії, та дійшли до висновку, що заражені аскаридами жінки народжують раніше і більше дітей, аніж здорові жінки чи заражені анкілостомою. Ймовірно, це теж пов’язано зі змінами в імунній системі, що їх спричиняють паразити.

Заражені аскаридами жінки з племені Цимане народжують в середньому на 2-3 дітей більше, ніж незаражені. Michael Gurven / New Scientist

Заражені аскаридами жінки з племені Цимане народжують в середньому на 2-3 дітей більше, ніж незаражені. Michael Gurven / New Scientist

Тож паразити або ж ліки, похідні від них, видаються перспективним напрямом лікування, який, однак, потребує ще подальших досліджень. Зважаючи на згадані вище властивості паразитів, не варто приймати протипаразитарні препарати «для профілактики» без рекомендацій лікаря, особливо, якщо ви почуваєтеся здоровим, проте і навмисно заражати себе паразитами не слід.

Суворі наглядачі

Хоча наступна дія дуже важлива для підтримки екосистем, її важко назвати очевидною з боку конкретних особин – паразити є вагомим регулятором чисельності популяцій. Вони є одним із лімітувальних факторів, що тримає під контролем групи особин, перешкоджаючи їхньому перенаселенню, та утримує екосистеми в рівновазі. Регулюють вони величину популяцій, очевидно, вбиваючи деяких особин, але у такий спосіб паразити є ще й фактором природного добору, що сприяє виживанню у популяціях найбільш витривалих і здорових особин. Їх можна назвати певного роду санітарами популяцій.

Зазвичай, головними регуляторами є високопатогенні організми, що викликають захворювання із високою летальністю. Механізм дії такий. Чим більше зростає щільність популяції та, відповідно, число контактів між особинами, тим простіше буде в ній циркулювати збудникові захворювання. А що більше особин він вражатиме, то більше їх гинутиме. Через це чисельність популяції скорочуватиметься аж до того рівня, коли й сама хвороба не матиме змоги безперешкодно поширюватися.

Людська популяція теж підвладна контролю з боку паразитів, особливо явно це проявлялося в минулі епохи. В Античність та Середні віки, коли людські поселення мали тенденцію до ущільнення у містах, а антисанітарія процвітала, ефективно включалися в дію збудники захворювань, що викликали епідемії та навіть пандемії зі значними втратами. Наприклад, пандемія чуми середини 14 століття забрала життя близько 25 мільйонів людей.

Брудні середньовічні вулиці були справжнім розсадником інфекцій: на них викидали всі органічні відходи, а мешканці спустошували нічні горщики прямо з вікон будинків. Archiv Gerstenberg / BBC History

Брудні середньовічні вулиці були справжнім розсадником інфекцій: на них викидали всі органічні відходи, а мешканці спустошували нічні горщики прямо з вікон будинків. Archiv Gerstenberg / BBC History

Регуляторну властивість паразитів людство оцінило давно і ми успішно використовуємо її заради власних цілей. Так, у методі біологічного контролю паразитів використовують для боротьби зі шкідливими організмами.

Ворог мого ворога – мій друг?

Інколи буває потрібно захиститися від чужинців і паразити можуть у цьому допомогти. Популяції, що населяють ендемічні по певним паразитам регіони, часто є пристосованими до співжиття зі збудниками захворювань. Вони навіть можуть бути майже поголівно зараженими певними паразитами, але не проявляти ніяких симптомів і ознак захворюваності або ж мати помірні прояви. Таким чином паразит може ставати на заваді прибуттю до екосистеми небезпечних для неї чужинців.

Наприклад, на північноамериканських територіях, що населені білохвостими оленями, не можуть прижитися інші копитні. Річ у тім, що білохвості олені є звичайними носіями нематоди Parelaphostrongylus tenuis, яка вражає нервову систему. За довгий час спільної еволюції цих оленів та гельмінта вони зуміли пристосуватися одне до одного, тому хвороба у хазяїв проходить легко і зазвичай не призводить до смерті. Але коли в зону природного вогнища цього паразита потрапляють нові види та заражаються збудником – у них хвороба протікає у важкій формі, часто призводячи до загибелі. Припускають, що цей паразит є однією з основних причин скорочення популяцій лося звичайного в Північній Америці, який через потепління став частіше контактувати з білохвостим оленем.

Життєвий цикл гельмінта при потраплянні в організм білохвостого оленя і лося. Natalie Sacco / University of Minnesota

Життєвий цикл гельмінта при потраплянні в організм білохвостого оленя і лося. Natalie Sacco / University of Minnesota

Серед людей теж існують приклади, коли паразити можуть ускладнити міграцію на нові території. Наприклад, у деяких частинах Сибіру зараженість людей трематодою Opisthorchis сягає майже 100 відсотків, але переважно хвороба в них перебігає безсимптомно або слабо виражено. Однак, коли в радянські часи на ці території масово прибули робітники з різних кутків країни для видобутку корисних копалин, то вони почали хворіти на опісторхоз у важкій формі.

Червона королева еволюції

Ми вже говорили про те, що паразит і його хазяїн через тісний взаємозв’язок еволюціонують невіддільно. Але насправді вони ще й прискорюють еволюцію одне одного. Між паразитом і його хазяїном весь час відбуваються справжні перегони озброєнь. Кожен член системи паразит-хазяїн намагається перевершити іншого.

Паразит у ході еволюції регулярно набуває властивостей, що допомагають йому успішніше заражати та використовувати організм хазяїна. Набуття таких рис призводить до зростання смертності в популяції хазяїна. Але тільки вразливих особин, водночас перевагу виживання та розмноження отримують стійкі до небезпечної форми паразита особини. Завдяки цьому згодом вони стають численними та панівними у популяції, та врешті пригнічують раніше успішного паразита. Правда лише до того часу, поки у паразита не з’явиться нове пристосування, що зробить його знову згубним. А приборкати його вдасться знову ж особинам із розвиненим контрпристосуванням проти паразитів. Наступний хід знову за паразитами.

Зміна частоти алельних генів хазяїна (синій колір) та паразита (червоний колір) протягом поколінь. Engelstädter Lab

Зміна частоти алельних генів хазяїна (синій колір) та паразита (червоний колір) протягом поколінь. Engelstädter Lab

Хазяїни завжди розвиваються таким чином, щоб протистояти зараженню, а паразити – щоб сприяти йому. Таким чином вони змушують одне одного неспинно змінюватися. Цей процес в еволюційній біології описують гіпотезою Червоної Королеви, на честь персонажа «Аліси в Задзеркаллі». Вона сказала: «Ну, а тут, як бачиш, треба бігти щодуху, щоб тільки залишатися на місці». Інакше кажучи, для того, щоб вид залишався живим, він мусить постійно розвиватися й не відставати від «противника».

Ілюстрація до “Аліси в Задзеркаллі”, Льюїса Керрола. John Tenniel / Nautilus

Ілюстрація до “Аліси в Задзеркаллі”, Льюїса Керрола. John Tenniel / Nautilus

Європейські вчені перевірили гіпотезу експериментально на жуках хрущаках та їхніх паразитах мікроспоридіях. У комах з експериментальної групи, які спільно розвивалися зі своїм паразитом, через 11 поколінь спостерігалося більше генетичних змін, на відміну від хрущаків, що були звільнені від інвазії.

У людини теж простежили такі перегони озброєнь із паразитами. Наприклад, із трипаносомою. У людей та інших приматів, яких вражає цей найпростіший, розвинулися імунні механізми захисту від деяких підвидів збудника сонної хвороби. Але з часом у трипаносом виникли пристосування у відповідь, що дозволили їм обійти захист.

Протипаразитарний секс

Біологи дуже довго билися над питання, чому в природі настільки поширене статеве розмноження, чим, власне, секс і є. З точки зору біології – це вельми складний, енерговитратний і навіть марний процес.

Для статевого розмноження двом особинам одного виду потрібно для початку знайти одне одного, а це буває складно (тварини можуть долати кілометри у пошуках партнера). Водночас для безстатевого достатньо однієї особини, а всі нащадки будуть точним відтворенням материнського організму. Марнотратством може розглядатися і продукування для статевого розмноження самців, які не можуть давати потомство, але «займають місце» плодючих самок чи гермафродитів. Тобто, статеве розмноження – це неефективно: воно вимагає багато часу й енергії, а в результаті потомства за той самий період у безстатевих організмів буде навіть більше. Тож, якби у статевого розмноження не було значної вигоди перед безстатевим, що покривала б усі ці витрати, то воно просто не закріпилося б і не набуло такого поширення у живій природі.

Пояснити наявність сексу змогла знову ж гіпотеза Червоної Королеви. Оскільки під час статевого розмноження відбувається злиття генетичного матеріалу двох організмів, то завдяки перетасовуванню генів батьків потомство отримує унікальний генотип, а не є копією матері. Через це у нових поколіннях можуть швидше накопичуватися рідкісні корисні пристосування або утворюватися нові, у порівнянні з потомством від нестатевого розмноження, яке значно рідше зазнає генетичних змін, тому еволюціонує повільніше.

Завдяки тому, що кожен організм у результаті перебудови батьківських генів є унікальним, значно зростає швидкість і здатність популяції пристосуватися до нових умов середовища. При несприятливих факторах, можливо, значна частина особин і загине, але залишаться ті, чиї видозміни сприятимуть кращій витривалості. Вони зможуть відтворити чисельність популяції та передати свої пристосування дітям.

Однак після успішної адаптації до довкілля, постійне набуття нових властивостей може бути навіть шкідливим. Тому біологи припустили, що секрет успіху статевого розмноження в тому, що воно дозволяє краще протистояти паразитам. Якщо вся популяція складається із генетично однакових особин, то високопатогенний паразит, що зумів згубити одну з них, може знищити всіх. Коли ж популяція різноманітна, знайдуться стійкі до зараження певним паразитом особини, які його пригальмують.

Підтвердженням цьому можуть слугувати результати вивчення організмів, що здатні розмножуватися як статево, так і безстатево. Наприклад, дослідження новозеландських прісноводних равликів Potamopyrgus antipodarum показало, що на глибоководді, де їхні найпоширеніші паразити – трематоди Microphallus – майже відсутні, популяції равликів могли складатися майже повністю із партеногенетичних самок, відсоток самців не перевищував 5. А на мілині, де паразитів є найбільше, самців було також майже в 5 разів більше і статеве розмноження, відповідно, відбувається там частіше.

Інший приклад – експеримент, проведений із круглим червом Caenorhabditis elegans та його паразитом – патогенною бактерією Serratia marcescens. У природі популяції нематоди складаються із самців та гермафродитів, що можуть самозапліднюватися або спарюватися з самцями.

Експеримент показав, що за присутності небезпечних паразитів, які не розвивалися, тобто чия патогенність залишалася весь час на однаковому рівні, у популяції нематод частка статевого розмноження за вісім поколінь зросла із 20 до 80 відсотків, але згодом знову знизилася до початкових значень. Якщо ж паразити невпинно еволюціонують, частота статевого розмноження так само зростає, але вже не падає і стійкість до патогену залишається весь час на високому рівні. Натомість нематоди, яких «змусили» розмножуватися лише нестатево, із кожним поколінням ставали менш стійкими до інфекції, а через 20 поколінь ця популяція взагалі вимерла.

Зміна частоти схрещування протягом поколінь у популяціях нематод, де високопатогенний паразит постійно еволюціонує (Coevolution), його патогенність залишається фіксованою (Evolution) або ж він відсутній (Control). Levi T. Morran et al. / Science, 2011

Зміна частоти схрещування протягом поколінь у популяціях нематод, де високопатогенний паразит постійно еволюціонує (Coevolution), його патогенність залишається фіксованою (Evolution) або ж він відсутній (Control). Levi T. Morran et al. / Science, 2011

Таким чином секс – ніщо інше, як ефективна еволюційна зброя у вічному бою з паразитами.

Індикатори здоров’я екосистем

Паразити завжди сприймалися як незначна огидна частина живого світу. Навіть екологи, що прагнули детально дослідити екосистеми, часто при цьому не враховували фактор паразитизму. Вони вважали, що паразити є надто мізерним і малозначним елементом екосистем, щоб робити на них поправки. Проте сучасні дослідження надають докази, що паразити можуть бути, без перебільшення, ланкою, яка зв’язує все біологічне угруповання екосистеми в одне ціле.

Паразити забезпечують стабільний потік енергії харчовими мережами. Наприклад, змінюючи поведінку проміжних хазяїв, вони роблять їх легшою здобиччю для хижаків. Дослідження 2006 року виявило, що паразити можуть бути залучені у 78 відсотках міжорганізмових зв’язків, що вдвічі більше, ніж кількість зв’язків типу хижак-жертва. Зараз науковці схиляються до думки, що по тому, наскільки багате різноманіття паразитів в екосистемі, можна оцінювати її здоров’я.

Дослідники тільки недавно змінили своє ставлення до паразитів від гидливості до байдужості й врешті захоплення та побачили в них цінну частину природи. Тож відкриття, що дозволять повністю розкрити їхню важливу роль, чекають на нас ще попереду.