Это открытие было сделано международной исследовательской группой, состоящей из аспиранта ОБАЯСИ Насоно, доцента САКУРА Мидори и доцента САТО Такуя из Высшей школы естественных наук Университета Кобе, доцента ИВАТАНИ Ясуси (факультет науки и технологий Университета Хиросаки), профессора ТАМОЦУ. Сатоши (Научный центр жизни и природы KYOUSEI, Женский университет Нара) и д-р. CHIU Ming-Chung (Национальный педагогический университет Чанхуа, Тайвань).
Эти результаты исследования были опубликованы в научном журнале Current Biology 21 июня 2021 г.
Основные моменты
Паразит-волосяной червь живет внутри тела насекомого-хозяина (например, богомолов и сверчков), который обычно населяет леса и луга. Когда волосяной червь достигает зрелости, он побуждает хозяина войти в воду (включая пруды и реки), где размножается волосяной червь, завершая таким образом свой жизненный цикл.
Как волосяной червь заставляет своего хозяина войти в воду, более 100 лет сбивает исследователей с толку.
Эксперимент с двумя вариантами выбора, проведенный в лаборатории, показал, что больший процент богомолов, инфицированных волосяным червем, привлекался горизонтально поляризованным светом (* 1) по сравнению с неинфицированными людьми.
В эксперименте на открытом воздухе большее количество инфицированных богомолов вошло в глубокий бассейн, который сильно отражал горизонтальный свет, чем в неглубокий бассейн, который отражал слабополяризованный свет.
Существует большая вероятность того, что волосатые черви побуждают хозяина войти в воду, манипулируя восприятием хозяином горизонтально поляризованного света.
Предпосылки исследования
Обычно морфология и поведение животного регулируются, чтобы способствовать выживанию и воспроизводству человека. Однако примерно 40% наземных организмов являются паразитами, и считается, что все дикие животные имеют по крайней мере один тип паразитов.
Другими словами, паразиты могут сильно влиять на различные анатомические изменения и поведение, наблюдаемые у диких животных. Примечательно, что существует множество видов паразитов, которые могут изменять аспекты морфологии и поведения своего хозяина (манипулирование хозяином) в своих интересах (i.е. для увеличения приспособленности паразитов). Паразиты, которые манипулируют своими хозяевами, являются хорошим примером расширенного фенотипа (* 2) и очаровывают многих биологов.
Известный феномен, при котором паразит манипулирует поведением хозяина, можно увидеть у волосяных червей.
Волосы-черви – паразиты-нематоморфы, которые живут внутри насекомых, таких как богомолы и верблюжьи сверчки (называемые «хозяевами»). Тем не менее, волосяные черви размножаются в реках и прудах, поэтому, чтобы переместиться в эти среды, они манипулируют хозяином, чтобы тот прыгнул в воду.
Предыдущие исследования показали, что яркость отраженного света (интенсивность света) на поверхности воды привлекает хозяина, заставляя его падать в воду. Однако, помимо поверхностей рек и прудов, в природе есть много других светящихся сред и примеров, в том числе лесные проемы, яркие песчаные места обитания и луга, отражающие солнечный или лунный свет. Если бы хозяина привлекало каждое явление яркого света в природе, то манипуляции с хозяином потерпели бы неудачу.
Поэтому такое поведение входа в воду нельзя в достаточной мере объяснить с точки зрения простого притяжения к свету.
Поляризованный свет (* 3) – это тип света, в котором электрическое поле световой волны колеблется только в одном направлении. Свет, отраженный от поверхности водоема, содержит много горизонтально поляризованного света, и в последние годы было показано, что многие членистоногие используют этот горизонтально поляризованный свет для поиска воды или избегания ее.
Исследователи предположили, что хозяин, которым манипулирует волосяной червь, привлекается горизонтально поляризованным светом и входит в воду.
Методология и результаты исследования
Чтобы исследовать эту гипотезу, исследователи начали с проведения лабораторных экспериментов, чтобы выяснить, инфицированы ли богомолы (азиатский вид богомолов Hierodula patellifera, далее именуемые “ инфицированные богомолы ”) паразитом волосяного червя (Chordodes sp.) и незараженных богомолов того же вида привлекает горизонтально поляризованный свет.
Эксперименты проводились с использованием цилиндра, разделенного на три секции, с секцией поляризованного света на одном конце и секцией неполяризованного света на другом конце. Богомола помещали в среднюю часть, и его местоположение записывали по истечении 10 минут (i.е. переместился ли он в поляризованные или неполяризованные световые секции). В ходе этих тестов с двумя вариантами выбора использовались четыре различных уровня освещенности (они соответствовали сумеречному свету: ~ 150 люкс, пасмурная погода: 2000 и 6000 люкс и солнечная погода: 15000 люкс), чтобы выяснить, влияет ли яркость на процентное соотношение. людей, привлеченных поляризованным светом.
Результаты показали, что более высокий процент инфицированных богомолов выбрали поляризованный свет по сравнению с неинфицированными людьми. Среди вариантов выбора поляризованного света особенно высока тенденция к выбору поляризованного света более 2000 люкс. И наоборот, богомолы не склонны выбирать секцию поляризованного света, если угол поляризации был изменен на вертикальный, независимо от силы света и их статуса заражения. Из этих результатов можно сделать вывод, что богомолов, инфицированных паразитами волосяных червей, привлекает горизонтально поляризованный свет.
Затем исследовательская группа провела эксперименты на открытом воздухе, чтобы выяснить, будут ли инфицированные богомолы прыгать в бассейн, отражающий сильный горизонтально поляризованный свет. Эксперименты проводились на возделываемой территории, принадлежащей Образовательному и исследовательскому центру пищевых ресурсов Высшей школы сельскохозяйственных наук Университета Кобе. Был установлен сетчатый корпус, содержащий два бассейна: бассейн A, сильно отражающий горизонтально поляризованный, но тусклый свет (низкая интенсивность света), и бассейн B, где отражение от поверхности было более ярким (сильная интенсивность света), но слабо поляризованным.
Исследователи выпустили зараженных богомолов на дерево, расположенное между двумя бассейнами, и наблюдали за проникновением насекомых в воду с помощью видеозаписи, снятой стационарными камерами.
Среди 16 инфицированных богомолов, проявлявших такое поведение, 14 человек вошли в бассейн А, который сильно отражал горизонтально поляризованный свет.
Таким образом, основываясь на результатах лабораторных экспериментов и экспериментов на открытом воздухе, можно сделать вывод, что инфицированные богомолы заставляются горизонтально поляризованным светом прыгать в воду.
Еще одно интересное открытие, сделанное в ходе этого исследования, заключается в том, что многие инфицированные богомолы вошли в воду около полудня.
В лабораторных экспериментах было измерено расстояние, пройденное богомолами, и было обнаружено, что инфицированные богомолы ходили больше в полдень. Это представляет новую возможность того, что циркадный ритм хозяина или паразита может быть вовлечен в увеличение как притяжения хозяина к горизонтально поляризованному свету, так и уровня активности хозяина, что в конечном итоге вызывает поведение, связанное с попаданием воды в определенное время суток.
Значение исследования и дальнейшие разработки
В природе животные развили разнообразные способности воспринимать интенсивность, цвет, оттенок и поляризацию света.
Эти результаты исследования впервые в мире показывают, что паразиты могут умело манипулировать этими способностями, чтобы заставить животное-хозяин проявлять поведение, которое приносит пользу паразиту.
Эта исследовательская группа недавно начала изучать, какой механизм имеют неинфицированные богомолы для восприятия горизонтально поляризованного света. Они также пытаются выяснить, как волосатые черви манипулируют этим механизмом. Освещение этих аспектов не только позволит нам понять паразитарные поведенческие манипуляции, но также может внести вклад в разработку новых методов контроля поведения животных.
Глоссарий
1. Горизонтально поляризованный свет: линейная поляризация – это когда электромагнитные волны света идут только в одном направлении (например, горизонтальном или вертикальном). Свет, отраженный от поверхности воды, содержит горизонтально поляризованный свет.
Водоемы отражают больший уровень горизонтально поляризованного света, чем глубже и темнее дно.
2. Расширенный фенотип: основная идея этой биологической концепции заключается в том, что гены отдельного организма не только влияют на морфологию и выраженное поведение человека, но и оказывают расширенное влияние на других людей и окружающую среду. Через манипуляции с хозяином гены паразита влияют на морфологию или выраженное поведение хозяина.
Это пример расширенного фенотипа.
3. Поляризованный свет: свет, исходящий от Солнца, неполяризован. Однако, когда этот свет отражается (например, молекулами и объектами над атмосферой или поверхностью воды), направление некоторых электромагнитных волн становится линейно поляризованным (т.е. они бегут в одном направлении), в результате чего свет поляризуется до некоторой степени.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = ci42nMom988
Это исследование проводилось при финансовой поддержке грантов KAKENHI Японского общества содействия науке (JSPS) (19K22457, 19H04925 и 19H04934) и Фонда содействия совместным международным исследованиям Университета Кобе.