Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы .12
1.1. Влияние угрозы хищничества на фенотип рыб 12
1.2. Влияние паразитов на поведение хозяев до заражения (на примере рыб) .19
1.3. Влияние паразитов на поведение хозяев после заражения. Манипуляции паразитов поведением хозяина .23
1.3.1. Паразитические манипуляции: терминология, история, теоретические предпосылки и перспективы 24
1.3.2. Основные стратегии манипулирования. «Классическая» манипуляция (манипуляция инвазионных паразитов 33
1.3.3. Неклассическая манипуляция. Кооперация и эусоциальность у паразитов .55
1.3.4. Паразитические манипуляции и их роль в экосистеме 63
1.3.5. Взаимодействие между паразитами разных видов в организме хозяина .68
Глава 2. Объекты и методы исследования 71
2.1. Объекты исследования 71
2.2. Экспериментальное заражение рыб 74
2.3. Поведенческие эксперименты .77
2.4. Кооперация между паразитами и затраты на манипуляции. Способны ли паразиты регулировать эти затраты в зависимости от условий внешней среды? .79
2.5. Взаимодействие между паразитами в организме хозяина 82
2.6. Эксперименты по питанию моллюсков-фильтраторов (A. anatina) церкариями трематод .85
2.7. Статистическая обработка данных 87
Глава 3. Возде йствие трематоды Diplostomum pseudospathaceum на поведение рыб 91
3.1. Результаты 91
3.2. Обсуждение 98
Глава 4. Конфликт и кооперация между паразитами: внутри- и межвидовые взаимодействия .103
4.1. Внутривидовое взаимодействие между паразитами и затраты на манипуляции 103
4.1.1. D. pseudospathaceum и M. margaritifera. Предзаражение и успех инфекции. Результаты 103
4.1.2. Обсуждение .106
4.2. Межвидовые взаимодействия паразитов в организме хозяина 109
4.2.1. D. pseudospathaceum и M. margaritifera. Предзаражение и успех инфекции. Результаты .109
4.2.2. D. pseudospathaceum и M. margaritifera. Предзаражение и успех инфекции. Обсуждение 112
4.2.3. Паразиты щуки: конфликт интересов. Результаты и обсуждение .116
Глава 5. Влияние хищника на взаимодействия в системе паразит – хозяин .117
5.1. Влияние моллюска-фильтратора (A. anatina) на успех передачи инфекции в системе трематода (D. pseudospathaceum) – микижа (O. mykiss) 117
5.2. Влияние хищника на скорость роста паразита в организме хозяина в системе верховка (Leucaspius delineatus) – трематода (D. pseudospathaceum) .121
Глава 6. Последствия взаимодействий в системе паразит – хозяин – хищник для экосистемы в целом .125
6.1. Влияние паразитов на взаимоотношения хищников и их жертв .125
6.2. Влияние паразита на поведение жертв в системе хищник – жертва. Временные (сезонные) эффекты 126
6.3.Влияние паразита на поведение жертв в системе хищник – жертва. Пространственные эффекты 127
6.4. Влияние паразита на поведение хищников в системе хищник – жертва .129
6.5. Взаимодействие паразитов в организме хозяина .130
6.6. Влияние хищника на взаимоотношения паразита и хозяина 132
Выводы 134
Список литературы 135
Приложение 164
- Паразитические манипуляции: терминология, история, теоретические предпосылки и перспективы
- Неклассическая манипуляция. Кооперация и эусоциальность у паразитов
- D. pseudospathaceum и M. margaritifera. Предзаражение и успех инфекции. Результаты
- Влияние хищника на скорость роста паразита в организме хозяина в системе верховка (Leucaspius delineatus) – трематода (D. pseudospathaceum)
Паразитические манипуляции: терминология, история, теоретические предпосылки и перспективы
Манипуляции паразитов фенотипом vs манипуляции поведением хозяина.
Одной из центральных задач паразитологии является изучение способов переноса паразитов или их потомства от одного хозяина к другому (Thomas et al., 2005). Среди большого количества возможных стратегий есть одна, которая вот уже на притяжении нескольких десятилетий привлекает интерес исследователей и вызывает оживленную дискуссию, -стратегия манипуляции паразита фенотипом своего хозяина. Традиционно принято говорить о манипуляциях паразита поведением хозяина, однако, строго говоря, манипуляции нередко затрагивают целый комплекс фенотипических черт хозяина как поведенческих, так и морфологических, и физиологических. Например, трематоды Leucochloridium spp. поселяются в глазных щупальцах улиток, окрашивая их в яркие цвета и заставляя пульсировать (Dawkins, 1999; Wesolowska, Wesolowski, 2014). Подобные изменения фенотипа улитки делают ее более заметной для следующего хозяина паразита – птицы. По всей видимости, птицы принимают ярко окрашенные щупальца улитки за гусениц или каких-то других личинок насекомых, склевывают их и в свою очередь заражаются трематодами, помогая паразиту завершить жизненный цикл (Dawkins, 1999: пер. с англ. Докинз, 2010; Wesolowska, Wesolowski, 2014). Изменения во внешнем виде улитки сопровождаются изменениями в ее поведении: зараженные спороцистами Leucochloridium spp. улитки более активны, совершают длинные переходы, проводя много времени на открытых пространствах и поднимаются выше по стеблям растений по сравнению с незараженными улитками (Wesolowska, Wesolowski, 2014). Хотя в данном случае влияние паразита на своего хозяина не ограничивалось поведением, воздействие Leucochloridium spp. на фенотип улитки тоже принято называть паразитической манипуляцией (Wesolowska, Wesolowski, 2014). То же относится, например, и к нематодам Myrmeconema neotropicum, паразитирующим в абдомене муравьев Cephalotes atratus (Yanoviak et al., 2008). Если незараженные муравьи полностью окрашены в черный цвет, то брюшко зараженных ярко-красное и приподнято вверх. В этом примере паразиты вновь сочетают манипуляцию поведением с манипуляцией внешним обликом хозяина. Вероятно, ярко окрашенное брюшко муравья привлекает птиц, принимающих его за ягоду, они съедают муравья и разносят яйца нематод со своими фекалиями (Yanoviak et al., 2008). Еще одним примером не поведенческих манипуляций паразита может служить феминизация самцов или индукция партеногенеза вольбахией (Wolbachia spp.) (Werren et al., 2008) – бактерией, которая является облигатным паразитом яйцеклеток многих видов беспозвоночных (например, от 40 до 66% наземных членистоногих по современным оценкам заражены этим паразитом (Zug, Hammerstein, 2012).
Развитие представлений о манипуляциях паразитов фенотипом хозяина.
Первые предположения о том, что паразиты способны менять фенотип своего хозяина с целью увеличить собственную приспособленность, появились еще в середине ХХ столетия. Например, ван Доббен (Dobben, 1952) обратил внимание на тот факт, что рыбы, зараженные цестодой Ligula intestinalis, значительно чаще становятся жертвой рыбоядных птиц – окончательных хозяев этого паразита. Однако первыми, кто начал рассматривать изменения поведения хозяина с точки зрения адаптации паразита, были канадские исследователи Беттл и Холмс, выпустившие в середине 1970-х годов серию статей, посвященных этому вопросу (Bethel, Holmes, 1973, 1974, 1977). Они изучали поведение амфипод (Gammarus lacustris и Hyalella azteca), зараженных скребнями (несколько видов), окончательные хозяева которых – водоплавающие птицы. Незараженные рачки – фотофобы, при малейшей угрозе ныряющие на глубину. Однако амфиподы, зараженные цистакантами скребней, ведут себя иначе. Во-первых, в отличие от незараженных рачков, они фотофильны и стремятся к свету. Во-вторых, почувствовав опасность, они не ныряют, а напротив скользят в верхних слоях воды и/или прикрепляются к мелкому мусору на поверхности водоема (Bethel, Holmes, 1973, 1974). Более того, поведение рачков менялось именно тогда, когда паразиты достигали инвазионной стадии, т. е. были готовы заразить следующего хозяина (Bethel, Holmes, 1974). Наконец, Бетлу и Холмсу удалось показать, что эти поведенческие изменения действительно увеличивают вероятность попадания амфипод в пищеварительный тракт водоплавающей птицы (Bethel, Holmes, 1977). Все эти данные позволили этим ученым высказать предположение, что паразит в их экспериментах целенаправленно менял поведение своего хозяина с целью увеличить собственную приспособленность. Подобный подход привлек внимание широкого круга исследователей-экспериментаторов и к настоящему моменту число примеров паразитических манипуляций уже исчисляется сотнями (Poulin, 2010).
Опыты В. Бетла и Дж. Холмса могли бы остаться незамеченными, не совпади они по времени с глобальной сменой парадигмы в биологии. В 70-е годы XX века взгляд биологов на организм, как таковой, претерпел существенные изменения. Во-первых, биологи обратили внимание, что естественный отбор, на самом деле, действует не на организменном уровне, а на уровне генов (Dawkins, 1976: пер. с англ. Докинз, 1993). Организм же представляет для генов всего лишь удобную среду обитания или, как метафорически выразился известный эволюционист Р. Докинз, – «машину выживания». Во-вторых, на поведение животных (как, впрочем, и на их фенотип в целом) оказывают влияние самые различные гены, зачастую находящиеся в разных организмах (Докинз, 2010). Простейший пример, пение самца канарейки заставляет клетки гипофиза самки производить больше гонадотропинов. Другими словами, гены самца, ответственные за пение, «коварно вмешиваются» в работу гипофиза самки, чтобы подготовить ее к спариванию (Докинз, 2010, с. 117-118). В-третьих, интересы генов нередко расходятся, и тогда фенотип особи является некоторым «компромиссом» между двумя крайностями (выгодой только для одной или только для другой группы генов) (Докинз, 2010, гл. 8, 13). Эти соображения легли в основу концепции «расширенного фенотипа», которую можно кратко сформулировать так: «поведение животного стремится максимизировать выживание «генов этого поведения» независимо от того, находятся ли гены этого поведения в организме животного данное поведение осуществляющего» (Докинз, 2010, с. 393). Манипуляции паразита являются одним из типичных примеров этой концепции, поскольку гены, управляющие проявлением фенотипического признака (например, реакции рачка на свет), находятся в двух разных «машинах выживания» – организме хозяина и организме паразита (Poulin, 2010; Hughes, 2014; Heil, 2016).
Со времени первых работ В. Бетла, Дж. Холмса и Р. Докинза прошло уже несколько десятилетий и за это время паразитические манипуляции превратились в общепринятую и хорошо устоявшуюся научную концепцию (Poulin, 2010). Если поначалу манипуляции поведением хозяина воспринимались, как нечто исключительное (Hughes, 2014), то к настоящему моменту принято считать, что они весьма распространены в природе, и едва ли не первыми привлекаются в качестве объяснения изменений в поведении хозяина (Parker et al., 2009; Poulin, 2010; Weinersmith, Faulkes, 2014; Moore, 2013).
Адаптивность манипуляций. В 1980-е годы изменения в поведении хозяина было принято рассматривать с точки зрения трех не исключающих друг друга гипотез. Изменения в поведении могли считаться адаптацией паразита - собственно манипуляция, адаптацией хозяина – попыткой избавиться от инфекции и/или ослабить ее негативное влияние на организм и, наконец, просто побочным эффектом инфекции (Moore, 2013). Последнюю гипотезу, кажущуюся на первый взгляд привлекательной, в последнее время все чаще принято отбрасывать, как непродуктивную и не выдерживающую проверку в эксперименте (Moore, 2013). Как ни странно, но при пристальном изучении изменения в поведении зараженного животного, как правило, оказываются адаптацией либо хозяина, либо паразита Изначальная популярность гипотезы «побочного эффекта инфекции», вероятно, связана с традиционным биомедицинским взглядом на паразитов как на нечто чуждое, неестественное и вредное. Однако по мере распространения адаптационистских и эволюционистских взглядов на взаимоотношения паразита и хозяина в измененном фенотипе зараженного животного все чаще стали искать и находить адаптации одной из сторон биологического взаимодействия (Moore, 2013). Согласно современному определению адаптивным считается тот фенотип, который в данных условиях окружающей среды обеспечивает максимальную приспособленность по сравнению с определенным набором альтернативных фенотипов (Lefvre, Thomas, 2008). Другими словами, любые изменения фенотипа хозяина, ведущие к повышению приспособленности паразита, будут поддерживаться отбором и потому являются адаптациями (Lefvre, Thomas, 2008; Poulin, 2010). Действительно, даже если вначале изменения фенотипа хозяина и являются побочным эффектом инфекции, то в дальнейшем естественный отбор будет благоприятствовать тем из них, которые адаптивны, скажем, для паразита, в то время как неадаптивные фенотипические изменения будут элиминироваться (Докинз, 2010, с. 362; Lefvre, Thomas, 2008). Таким образом, в устоявшейся системе паразит – хозяин, т.е. если паразит и хозяин коэволюционировали достаточно долго, шансы обнаружить побочный эффект инфекции, не подвергавшийся давлению естественного отбора, невелики.
Провести четкую грань между фенотипическими изменениями, адаптивными для паразита и хозяина оказывается не так просто по нескольким причинам. Во-первых, не все системы паразит – хозяин удобны для экспериментальной проверки каждого из этих предположений (Moore, 2013). Во-вторых, одно и то же фенотипическое изменение может оказаться одновременно и приспособлением паразита, и приспособлением хозяина. Например, стремление многих насекомых, зараженных паразитами, искать открытые возвышенные и хорошо освещенные солнцем участки может быть объяснено двумя не исключающими друг друга способами (Moore, 2013). С одной стороны, такое поведение делает насекомое более заметной жертвой для следующего хозяина, что выгодно паразиту. С другой стороны, хозяин может оставаться на солнцепеке, чтобы искусственно повысить температуру своего тела и попытаться избавиться от инфекции, поскольку температурная выносливость паразита может быть ниже таковой хозяина (Lefvre, Thomas, 2008; Moore, 2013). Аналогичная смена температурных предпочтений обнаружена также у других видов животных, например, моллюсков (Wesolowska, Wesolowski, 2014) и рыб (Macnab, Barber, 2011). Есть, однако, ряд теоретических рассуждений, свидетельствующий в пользу того, что фенотипические изменения будут гораздо чаще оказываться манипуляциями паразита, а не защитными приспособления хозяина.
Неклассическая манипуляция. Кооперация и эусоциальность у паразитов
Манипуляции неинвазионных паразитов. Bodyguard manipulation. На протяжении долгого времени манипуляции считались прерогативой инвазионных паразитов, т.е. паразитов уже способных заразить следующего хозяина (Poulin, 1995). Предполагалось, что манипуляция возникает только тогда, когда паразит достигает инвазионности. Скажем, для гетероксенного паразита, меняющего в течение жизни нескольких хозяев, необходимым условием передачи своих генов является попадание в окончательного хозяина, в организме которого паразит размножается половым путем. Часто, хотя и далеко не всегда, этот хозяин должен просто съесть предыдущего, гарантированно приобретая паразита. Следовательно, цель манипулирования для такого паразита – повысить шансы промежуточного хозяина встретиться со следующим хозяином, скажем, сделать его более заметным для хищника или изменить его место обитания. Однако все это справедливо только для инвазионного паразита.
В последнее десятилетие исследователей все больше стали интересовать манипуляции паразитов неинвазионных. Для неинвазионного паразита хозяин представляет собой ценный ресурс, который может быть использован в будущем. Гибель хозяина окажется и гибелью для паразита. Поэтому цель такого паразита – продлить жизнь хозяина до того момента, когда он достигнет инвазионной стадии (Parker et al., 2009; Hafer, Milinski, 2015; Gopko et al., 2015). Один из способов сохранить жизнь своему хозяину – изменить его поведение в сторону большей осторожности (подавления хищничества - predation suppression – в англоязычной литературе), и только потом, когда паразит будет готов заразить следующего хозяина, при необходимости поменять его поведение в противоположном направлении (predation enhancement) (Parker et al., 2009).
Довольно быстро выяснилось, что паразиты действительно способны менять поведение своих хозяев в сторону большей осторожности, причем подобные манипуляции едва ли являются чем-то уникальным. Во всяком случае, они были обнаружены в нескольких весьма непохожих друг на друга системах паразит – хозяин: скребни – гаммарусы (Dianne et al., 2011); ленточные черви/нематоды – копеподы (Hammerschidt et al., 2009; Weinreich et al., 2012); трематоды – рыбы (Gopko et al., 2015; Гопко и др., 2014) и пр. Для трех из этих систем было напрямую показано, как по мере «созревания» паразиты переходят от усиления защитного поведения хозяина к его подавлению. Более того, в одном случае усиление/подавление защитного поведение было подтверждено в прямых экспериментах с хищником (Dianne et al., 2011).
Теоретическая модель предполагает, что манипуляции неинвазионных паразитов (подавление защитного поведения хозяина) должны быть достаточно широко распространены в природе, поскольку с эволюционной точки зрения таким манипуляциям проще сформироваться (Parker et al., 2009). Условие специфичности манипуляции для них не обязательно ни при каких обстоятельствах, хотя и возможно. Для неинвазионного паразита подходящих хищников не бывает и ему, в отличие от инвазионного паразита, нет необходимости одновременно решать две противоположные задачи – избегать «тупиковых» хозяев и привлекать подходящих (Parker et al., 2009). Тем не менее, в научной литературе не так много данных о манипуляциях неинвазионных паразитов.
Самое простое объяснение этому – относительная новизна темы. По большому счету, целенаправленно манипуляции неинвазионных паразитов начали исследовать не более 10 лет назад (Parker et al., 2009; Hammerschmidt et al., 2009; Koella et al. 2002; Shirakashi, Goater, 2005). Другая возможная причина – манипуляции неинвазионных паразитов мало заметны человеческому взгляду (Parker et al., 2009). Действительно, манипуляции «зрелых» паразитов часто вызывают хорошо заметные фенотипические изменения – появление ярких пятен, привлекающих хищника, неосторожное или откровенно суицидальное поведение. Такие изменения могут быть легко замечены в природе и потом подтверждены в ходе лабораторных экспериментов. Неинвазионные паразиты не дают исследователю таких подсказок. Они должны увеличивать осторожность и скрытность хозяина, а осторожность и скрытность не слишком заметны для стороннего наблюдателя. Третье возможное объяснение того, что данных о манипуляциях неинвазионных паразитов мало, связано с тем, что паразитическая манипуляция, как и любая другая адаптация (Докинз, 2010, с. 91), процесс затратный (Poulin, 1994; Poulin et al., 2005). Каким бы ни был механизм манипуляции, она наверняка требует от паразита вкладывать в нее некоторое количество вещества и энергии (например, чтобы синтезировать молекулы, воздействующие на нервную систему хозяина). Паразит, достигший инвазионной стадии, обычно прекращает свой рост (GALM – growth arrest at larval maturity) (Parker et al., 2015), в то время как неинвазионный паразит тратит много энергии на собственный рост и развитие. Возможно, в некоторых случаях такому паразиту предпочтительнее вкладывать все ресурсы в скорейший рост, жертвуя такой возможностью, как манипуляция поведением хозяина.
Возникает еще один естественный вопрос: как незараженные паразитом особи могут быть менее осторожны по сравнению с зараженными неинвазионными паразитами? Разве животное не пытается максимизировать свои защитные возможности? По всей видимости, нет.
Дело в том, что, несмотря на всю свою важность, защита от хищника – не самоцель. Помимо обеспечения собственной безопасности в долгосрочной перспективе животное должно питаться, бороться за территорию, спариваться и делать массу других вещей, необходимых для успешной передачи своих генов в следующее поколение. И естественный отбор поддерживает распределение времени и ресурсов на все эти разнообразные типы поведения близкое к оптимальному (Parker et al., 2009; Gopko et al., 2015). Паразита не интересуют эти долгосрочные и чуждые ему планы – его интересует только собственное воспроизведение и, как правило, он не задерживается в организме промежуточного хозяина надолго. Поэтому он способен смещать распределение времени и ресурсов хозяина от оптимального в сторону гипертрофированного защитного поведения (Parker et al., 2009; Gopko et al., 2015).
Наконец, стоит отметить еще один тип манипуляций, в сущности, очень похожий на манипуляции неинвазионных паразитов. Это уже упомянутые выше bodyguard manipulations, когда паразит заставляет хозяина играть роль своего телохранителя (Maure et al., 2013). Так поступают многие паразиты-наездники, хозяева которых плетут защитные коконы для не способной постоять за себя личинки паразита или даже прикрывают ее своим телом от нападений хищников. В этом случае паразиты (паразитоиды) стремятся не достигнуть инвазионной стадии, а пройти процесс метаморфоза и превратиться в имаго. Кроме того, паразитоид к этому моменту находится не внутри тела хозяина, а вне его, и соответственно манипуляция заключается не в том, что хозяин становится более осторожным, а в том, что он непосредственно защищает манипулятора. Еще находясь в внутри хозяина, личинка наездника, вероятнее всего, химически воздействует на его организм так, чтобы потом, в течение некоторого времени, иногда это продолжается неделю и больше, хозяин вел себя так, как требуется паразиту (Maure et al.,2011, 2013). Конфликты и кооперация между паразитами одного вида. Затраты на манипуляцию. Сразу оговоримся, что в этом обзоре мы не затрагиваем такой важной и захватывающей темы, как межвидовые взаимоотношения паразитов в организме хозяина. Возможные взаимодействия подобного рода разнообразны и заслуживают отдельной статьи. Желающим ближе познакомиться с этой интереснейшей темой рекомендуем посмотреть следующие обзоры (Cox, 2001; Thomas et al., 2005; Cezilly et al., 2014) и ссылки в них. Здесь же мы остановимся на внутривидовых конфликтах и внутривидовой кооперации у паразитов, манипулирующих поведением хозяина.
Возможность внутривидового конфликта возникает из простого наблюдения, что инвазионные и неинвазионные паразиты преследуют своей манипуляцией разные цели и зачастую пытаются изменить поведение хозяина в противоположных направлениях (Hafer, Milinski, 2015). Так, инвазионные паразиты стараются ослабить защитное поведение хозяина, неинвазионные напротив усилить его. Если хозяин заражен одновременно и «зрелыми» и «незрелыми» паразитами, то возникает конфликт, для которого возможны, как минимум, три логичных исхода. Это либо полная победа одной из сторон конфликта – фенотип хозяина, зараженного паразитами разных возрастов, соответствует фенотипу хозяина, зараженного только инвазионным или неинвазионным паразитом, либо некий компромисс, когда изменения поведенческих черт, вызванных «зрелыми» и «незрелыми» паразитами компенсируют друг друга. Интуитивно наиболее вероятным кажется третий вариант, а теоретические предпосылки говорят в пользу того, что более эффективной окажется манипуляция неинвазионного паразита (Parker et al., 2009). Однако экспериментальные данные свидетельствуют скорее о превосходстве инвазионных паразитов в подобных конфликтах. Так, Хафер и Милински (Hafer, Milinski, 2015) изучали внутривидовой конфликт у ленточных червей Schistocephalus solidus, промежуточным хозяином которым служили копеподы Macrocyclops albidus. И инвазионные, и неинвазионные черви манипулируют поведением своих хозяев (активностью после имитации атаки хищника), но в разных направлениях. Неинвазионные паразиты снижают активность хозяина и соответственно риск быть съеденным, а инвазионные, напротив, активность увеличивают. Когда же копепод заражали паразитами разного возраста, их активность была сходна с активностью рачков, зараженных только инвазионными паразитами. Аналогичные результаты были получены и в системе скребень – изопода (Sparkes et al., 2004). И только в одной работе (Dianne et al., 2011), где авторы изучали скребней P. laevis, паразитирующих в рачках G. pulex, авторы обнаружили у зараженных паразитами разного возраста особей промежуточный фенотип, свидетельствующий о «компромиссе» между паразитами. Впрочем, работы, посвященные конфликтам между паразитами одного вида (но разного возраста) пока единичны, и нужны дополнительные эмпирические данные и последующий мета-анализ для того, чтобы оценить, какая из сторон чаще получает преимущество в таких конфликтах.
Кооперация между манипулирующими паразитами может проявляться в разнообразных формах. Простейший пример: два паразита способны сильнее изменить поведение хозяина, чем один. Это может привести к тому, что оба паразита увеличат свои шансы попасть в организм следующего хозяина. Другой пример - гибель одной особи в инфрапопуляции паразитов, ради успешной манипуляции и передачи других особей по трофической цепи, как это происходит у трематоды Dicrocoelium dendriticum и родственных ей видов (Poulin et al., 2005). В данном случае кооперация скорее всего следствие кин-отбора (Докинз, 2010 c. 369; Poulin et al., 2005). Однако второй пример довольно экзотический, а первый совсем тривиальный. Кроме того, далеко не всегда степень изменений фенотипа хозяина положительно коррелирует с интенсивностью заражения хозяина, и это логично, поскольку паразит вовсе необязательно должен стремиться максимизировать отклонения от нормального фенотипа. Скажем, трематода, заинтересованная в том, чтобы раковина улитки, в которой она паразитирует, утолщалась, обеспечивая червю дополнительную защиту, едва ли стремится сделать эту раковину бесконечно толстой. Скорее всего, существует некоторая оптимальная для паразита толщина раковины, хотя и превышающая оптимальную толщину раковины с точки зрения хозяина, но все-таки конечная (Докинз, 2010 гл. 12). Другими словами, паразит не максимизирует, а оптимизирует фенотипические изменения у хозяина (Vyas et al., 2007). Следовательно, вклад энергии необходимый для достижения такого оптимума тоже имеет предел, а не растет бесконечно (Vyas et al., 2007). Это приводит нас к следующей форме кооперации между паразитами одного вида – разделению затрат.
D. pseudospathaceum и M. margaritifera. Предзаражение и успех инфекции. Результаты
В ходе вскрытия выяснилось, что не все рыбы, которых предзаражали глохидиями, действительно, заражены ими. Вероятнее всего, это связано с тем, что у части рыб глохидии уже успели перейти к свободному образу жизни. Известно, что паразитическая стадия у M. margaritifera может продолжаться от нескольких недель до 9-10 месяцев, и зависит от нескольких факторов, включая индивидуальную восприимчивость хозяина к паразитической инфекции (Geist et al., 2010; Marwaha et al., 2017). Так как мы не могли точно определить, сколько времени прошло с того момента, когда глохидии покинули жабры хозяина, этих рыб было решено просто исключить из статистического анализа. Для эксперимента с низкой и высокой концентрацией церкарий D. pseudospathaceum при повторном заражении, число исключенных из выборки рыб составило 23 и 44 рыбы соответственно. Решение об удалении рыб из выборок было принято до того, как был проведен статистический анализ данных, поэтому проблемы множественных сравнений не возникло. Кроме того, потом выяснилось, что включение этих рыб в выборку не влияет на значимость статистических тестов.
В обоих экспериментах (с высокой и низкой концентрацией церкарий при экспозиции) предзаражение глохидиями делало рыбу достоверно более предрасположенной к последующему заражению трематодами.
При высокой концентрации церкарий экстенсивность заражения рыб трематодой составила 100%, т.е. заразились все рыбы (N = 64, средняя масса±SD = 7.03±2.17 г). При этом предзараженные рыбы были достоверно сильнее заражены метацеркариями по сравнению с контрольными (GLM ANOVA, t = 2.7, p = 0.008; Рис. 4). Если массу рыб включали как ковариату в статистическую модель, то ее влияние оказывалось незначимым (p 0.6). Кроме того, массы рыб в опыте и контроле были сходными (GLM ANOVA, t = 0.03; p = 0.98). Поэтому в окончательную модель масса рыб не была включена.
При низкой концентрации церкарий при экспозиции результаты были сходными (Таблица 10, Рис. 4). Робастная регрессия показала, что предзараженные глохидиями рыбы менее устойчивы к трематодной инфекции, чем контрольные. Любопытно, что в этом случае масса рыб достоверно влияла на интенсивность заражения трематодами – более крупные рыбы заражались меньше. Масса рыб (средняя масса±SD = 21.58±4.65) была сходной в опыте и контроле (GLM ANOVA, t = 1.25; p = 0.22).
Поскольку при низкой концентрации церкарий далеко не все рыбы заразились трематодами (28 из 83) был проведен точный тест Фишера, чтобы оценить вероятность заражения для предзараженных и контрольных рыб. Оказалось, что группе рыб, предзараженных глохидиями вероятность заразиться трематодами была достоверно выше, чем в контроле (точный тест Фишера, p = 0.016).
Интересно, что ни в одном из экспериментов интенсивность предзаражения глохидиями не коррелировала с интенсивностью последующего заражения трематодами (r = -0.13, p = 0.53, N = 28 и r = 0.30, p = 0.12, N = 28 для экспериментов с высокой и низкой концентрациями церкарий соответственно). Масса рыб тоже не оказывала достоверного влияния на интенсивность заражения (r = 0.19, p 0.33, N = 28 и r = 0.15, p = 0.47, N = 28 для экспериментов с высокой и низкой концентрациями церкарий соответственно).
В экспериментах с обратным порядком заражения (вначале метацеркарии, а потом глохидии) предзаражение также достоверно влияло на интенсивность последующей инфекции (GLM с логарифмической функцией связи, t=2.69, p=0.008, Таблица 11, Рис. 5). Так, предзараженые рыбы достоверно сильнее заражались глохидиями, чем контрольные, но только если предзаражение осуществляли за сутки до заражения вторым паразитом (post-hoc сравнение z=2.69, p=0.022). Если же кумжу предзаражали за две недели, то эффекта не наблюдалось.
При этом, если предзаражение осуществляли за две недели до следующей инфекции, то подобного паттерна не наблюдалось. На графике по оси y представлены ошибки (residuals) регрессии интенсивности заражения глохидиями на массу моллюска.
Влияние хищника на скорость роста паразита в организме хозяина в системе верховка (Leucaspius delineatus) – трематода (D. pseudospathaceum)
В присутствии хищника паразиты в глазах верховки росли достоверно медленнее, чем в контроле (Таблица 13). Любопытно, что, как и в случае с радужной форелью, интенсивность заражения верховок церкариями положительно коррелировала с численностью метацеркарий D. pseudospathaceum в организме хозяина, однако связь не была статистически достоверной. Была обнаружена положительная корреляция между численностью неинвазионных метацеркарий D. pseudospathaceum и порядком, в котором вылавливались верховки (Rs = 0.41; p = 0.002). Другими словами, чем сильнее была зараженность рыбы метацеркариями, тем труднее было ее поймать. Инвазионные метацеркарии не оказывали достоверного влияния на порядок вылова рыбы. Интересно, что присутствие хищника в среде не оказывало влияния на пищедобывательную активность верховок (Таблица 14). При этом порядок проведения экспериментов достоверно влиял на эту активность, что легко объяснить привыканием рыб к условиям эксперимента. Напомню, что мы повторяли эксперименты по три раза в каждом контейнере.
Объясняемая переменная – размер метацеркарий D. pseudospathaceum. Индивидуальный номер рыбы и день вскрытия использовался для конструирования случайных эффектов. Значения оценок коэффициентов приведены только для моделей с наименьшими значениями критерия Акаике (AIC). Нулевая модель включала только случайные эффекты: размер метацеркарий (1ID) и день вскрытия. Затем я последовательно добавлял следующие факторы: режим эксперимента (присутствие/отсутствие хищника в среде), интенсивность экспериментального заражения рыбы метацеркариями D. pseudospathaceum (Iэксп), массу рыбы, интенсивность естественного заражения рыбы метацеркариями D. pseudospathaceum (Iест), интенсивность естественного заражения рыбы метацеркариями T. clavata (ITyl) и все попарные взаимодействия факторов. Достоверные значения критерия 2, полученные в результате тестов отношения правдоподобия (LRT), выделены жирным шрифтом. df – степени свободы, оценки – оценки коэффициентов регрессии, SE – стандартная ошибка среднего.
Обсуждение. Изначально мы предполагали, что в среде, где присутствует хищник, паразиты будут расти быстрее, чем в контроле. Действительно, в соответствии с Теорией Оптимальной Защиты ресурсы, которые организм может направить на защиту от различных угроз, лимитированы и перераспределяются с появлением новой угрозы (Rigby, Jokela 2000). Таким образом, рыбы вынужденные защищаться от хищника, а защита от хищника это целый комплекс поведенческих, физиологических и морфологических изменений в их организме (Langerhans, 2006), не имеют возможности вкладывать в защиту от паразитов больше ресурсов, чем рыбы, вынужденные защищаться только одной угрозы – угрозы паразитизма.
Полученные результаты не подтвердили эту гипотезу – в присутствии кайромонов хищника паразиты росли медленнее. Самое простое объяснение такому результату – пониженная пищедобывательная активность рыб при наличии угрозы в среде. В свою очередь недостаток корма у хозяина может привести к тому, что и паразит внутри его организма может недополучать питательные вещества, необходимые для его роста развития. Скажем, метацеркарии Diplostomum sp. в первые недели своего развития в основном питаются глюкозой, поступающей в хрусталик глаза из тканей хозяина (Bibby, Rees, 1971). Если глюкозы мало в крови хозяина, то и в хрусталик глаза она не будет поступать в большом количестве. Однако хотя рыбы часто реагируют на присутствие хищника, снижая свою активность (Lima, Dill, 1990), в наших экспериментах по питанию верховки добавление в контейнеры кайромонов хищников никак не влияло на количество съеденного рыбами корма. Таким образом, маловероятно, что именно недостаток питания служил причиной замедленного роста паразитов в присутствии хищника.
Еще одно возможное объяснение связано с затратами паразитов на манипуляции. Неинвазионные трематоды D. pseudospathaceum манипулируют поведением своих хозяев, делая его более осторожным (Гопко и др., 2014; Gopko et al., 2015). Так, в наших экспериментах верховки, сильнее зараженные неинвазионными метацеркариями, дольше избегали сачка по сравнению с менее зараженными рыбами. Паразитическая манипуляция возникает из-за того, что «представления» паразита об оптимальной эскпрессии некой фенотипической черты отличаются от таковых хозяина (Dawkins, 1999; Parker et al., 2009). Если хищник в среде отсутствует, то эти «представления» у паразита и хищника могут совпадать: паразит почти не манипулирует поведением хозяина, поскольку в этом нет необходимости. Если же в среде появляется хищник, то хозяин увеличивает осторожность, однако с точки зрения неинвазионного паразита эти защитные меры могут оказаться недостаточными. Действительно, помимо защиты от хищника хозяин вынужден решать различные долговременные задачи, скажем, питаться, конкурировать за подходящие места обитания с другими особями своего вида и пр. Его защитное поведение – результат компромисса между всеми этими зачастую противоположными с точки зрения проявления поведенческих черт задачами. Скажем, активно питаться и одновременно скрываться от хищника трудно (Lima, Dill, 1990). Для неинвазионного паразита все эти задачи не имеют никакого значения, поскольку его главная цель прожить достаточно долго для того, чтобы достигнуть инвазионной стадии и передаться следующему хозяину (Parker et al., 2009). Это значит, что гипертрофированное защитное поведение хозяина вполне может оказаться в интересах паразита. Поэтому разрыв между представлениями об оптимальном защитном поведении с точки зрения паразита и хозяина может увеличиться в присутствии хищника. А это в свою очередь потребует от паразита тратить больше ресурсов на манипуляцию и меньше вкладывать в свой рост.
Результат, полученный на верховке, отличается от полученного на микиже (см. главу 4). Напомню, что добавление кайромонов хищников и вещества тревоги не влияло на скорость роста паразитов в организме лососёвой рыбы. Объяснить это можно как особенностями биологии этих двух видов рыб, так и особенностями постановки экспериментов. У микижи и верховки разные вещества тревоги, и влияние, которое они оказывают на рыб и паразитов в их организме, тоже может разниться. Кроме того, верховку во время экспериментов содержали обычных аквариумах, воду в которых меняли три раза в неделю, а кайромоны и вещества тревоги поступали в них постоянно через пластиковые трубочки. В то время как микижу содержали в танках с проточной водой. Два раза в день течение воды в них останавливали на полчаса и добавляли туда смесь свежеприготовленных кайромонов и веществ тревоги, а потом воду включали вновь. Таким образом, воздействие хищника на микиж было более краткосрочным, но и более интенсивным. Возможно, в таком режиме влияние кайромонов и веществ тревоги на паразитов в организме хозяина обнаружить труднее.
Полученные нами данные показывают, что хищничество – это важный фактор, модифицирующий взаимоотношения в системе паразит – хозяин как на стадии, предшествующей заражению, так и впоследствии, когда паразит уже оказался в организме хозяина. Организмы, питающиеся свободноживущими стадиями паразитов, могут эффективно препятствовать переносу инфекции, а хищники, присутствующие в окружающей хозяина среде, способны, как ни странно, сдерживать рост развитие паразита. Такие опосредованные взаимодействие в тройной системе паразит – хозяин – хищник изучались редко, а их роль в экосистемах еще только предстоит оценить. Однако можно с уверенностью сказать, что, по крайней мере, для некоторых систем паразит – хозяин хищничество может быть важным фактором, сдерживающим распространение инфекции.