Генетика вампіризму: як відучити комара кусатися

Наталія Резнік

При слові «комар» ми відразу згадуємо набридливу кусючу комаху. Його укуси ще можна було б пережити, однак, що набагато гірше, деякі види кровососів служать переносниками важких захворювань. Чи ми коли-небудь позбудемося такого небезпечного сусідства? Теоретично це можливо, адже існують некусячі види комарів, що сталися від кровосисних предків. Такі види в ході еволюції виникали не раз, і якщо це траплялося в природі, то, з’ясувавши, які гени визначають відмінності комарів від нешкідливих, можна спробувати вирішити цю проблему.

На щастя, потрібну відповідь підказала сама природа. Некусачі види в ході еволюції виникали не один раз, і знання того, які гени визначають відмінності комарів від нешкідливих, допоможе вирішити цю проблему.

Нещодавно дослідникам вдалося знайти чудовий модельний об’єкт для вивчення генетики вампіризму. У болотах Північної Америки живуть комарі Wyeomyia smithii. Самиці відкладають яйця в ловче листя-глечики комахоїдної рослини сарраценні пурпурової Sarracenia purpurea. У глечиках завжди є вода, в якій і розвиваються личинки. Вони харчуються комахами, що частково розклалися, потрапили в пастку, а їх виділення служать їжею для сарраценії.

Личинка Wyeomyia smithii (NBC Learn)

Зазвичай самки кров не п’ють, хоча кровосисний апарат у них є. Однак на півдні ареалу, у Флориді, комарі іноді кусаються. Американський ентомолог Вільям Бредшоу (William Bradshaw), який вивчає W. smithii з 1970-х років, особисто спостерігав, як комар п’є кров каролінської коробчастої черепахи Terrapene carolina [1]. Людям теж дістається, а при випадку комарі і щур не побрізкують, так що спектр господарів у них широкий. Один раз самиці можуть відкласти яйця, нікого не кусаючи, але для наступних кладок їм потрібно напитися крові.

Вампірствують не всі комарі Флориди, а приблизно п’ята частина популяції, при цьому самки ніяких захворювань не переносять. Кусаючі і некусючі особини W. smithii тісно сусідять, можуть жити навіть в одному саду, так що генетичні відмінності між ними повинні бути пов’язані переважно з типом харчування.

Вільям Бредшоу і його колеги відловили приблизно 14 тис. флоридських комарів і провели цілеспрямований відбір на «кусючість» [2]. Через три роки і сім поколінь частота кровососів у лабораторній популяції зросла вдвічі — до 40%. Дослідники сформували дві групи комах: в одній всі самки кусаються, в іншій — жодна. Це означає, що, довго перебуваючи в одному приміщенні з щуром, жоден комар його не вкусив. Так само поводяться W. smithii зі штату Мен (північної частини ареалу): під час еволюції вони давно відмовилися від пиття крові.

Вчені порівняли генну експресію у самок усіх трьох груп. Комарам-кровососам дозволяли сісти на шкіру і занурити в неї хоботок, і, як тільки вони це робили, комаху забивали. Вчених цікавила експресія генів комара, який приготувався до трапези, але до неї ще не приступив.

Виявилося, що експресія генів кусачих і некусачих комарів істотно розрізняється, при цьому профілі експресії мирних самок Мена і Флориди дуже схожі. Відмінності в типі живлення W. smithii на півночі і півдні їх ареалу — результат природного відбору. Штучний відбір, проведений в лабораторії, призвів до тих же результатів, тобто в обох випадках молекулярна основа змін була однаковою.

Дослідники виявили, що у кусачих самок ще до того, як вони нап’ються крові, активно працюють гени, пов’язані з білковим харчуванням (розщепленням білків), клітинним поділом і розвитком яєчників. Вони вже заздалегідь готуються переробити білки крові, що стимулюють ділення клітин і дозрівання репродуктивних органів. Така підготовка вимагає значних енергетичних витрат.

Некусючі самки також готові до використання і запасання енергії, але попередня орієнтація на певний метаболічний шлях у них відсутня. Їхні яєчники спочатку краще розвинені, ніж у самок-вампірів, і вони можуть зробити кілька кладок, не підкріплюючи себе кров’ю.

Крім того, у вампірів W. smithii світлосприйняття слабше, ніж у мирних особин, зате вони краще відчувають запахи. У дорослому житті комарам, які кусають, допомагає нюх, а некусающим — зір.

W. smithii — не єдиний вид, який відмовився від пиття крові в ході природного відбору. Причини, що спонукали комарів до відмови від тварини трапези, загубилися в глибинах еволюції, але деякі припущення зробити можна.

Перш за все, харчування кров’ю — надзвичайно енергоємний процес. Як показали експерименти Бредшоу і його колег, значна кількість енергії йде на те, щоб підготувати внутрішні процеси організму до майбутньої трапези. Адже треба ще знайти жертву і не поплатитися життям за обід. Крім того, кров гаряча, і комар, поглинаючи її, відчуває тепловий шок. При розпаді еритроцитів вивільняється токсичний гем і залізо, які треба виводити з організму. Так що вампіризм, якщо врахувати всі пов’язані з ним проблеми, не такий вже й привабливий.

Однак на півдні досліджуваного ареалу частина W. smithii продовжує смоктати кров. На думку Вільяма Бредшоу, це відбувається через відмінність зовнішніх умов [3]. Розвиток личинок комара залежить від кількості як доступних для заселення листя, так і їжі в ньому. Лист живе від шести місяців до року, але як пастка найбільш ефективний у віці 2-4 тижнів, а потім кількість спійманої ним видобутку знижується. Тому самок W. smithii в першу чергу приваблюють тільки що розкрився листя — саме в них вони прагнуть відкласти яйця. У цьому випадку личинки вилупляться якраз у той час, коли пастка буде працювати з найбільшою активністю.

Комарі Wyeomyia smithii відпочивають у глечику сарраценії. Фото з сайту phys.org

На півдні теплий клімат, щільність комарів висока, ловчі глечики переповнені личинками, з яких окукливається зазвичай не більше 12%. На півночі ареалу пастки сарраценні забиті личинками навесні і восени, проте влітку їх щільність істотно нижча, і цей період сприятливий для розмноження.

У Флориді такого періоду немає, тому самкам краще зробити кілька кладок: тоді їм, можливо, пощастить, і вони першими відкладуть яйця в аркуш, що розкривається. На півдні ареалу самки W. smithii живуть довше, ніж на півночі, так що час для декількох спроб у них є, але, щоб робити повторні кладки, потрібна кров.

Тепер, коли дослідникам стали в загальних рисах відомі причини, що дозволяють комарам відмовитися від вампіризму, залишається дізнатися, які саме гени спонукають кровососів відправлятися на пошук господаря.

Сучасні технології дозволяють впливати на ці гени. Таке завдання — справа майбутнього, проте напрям досліджень вже намічено. Можливо, саме W. smithii стануть об’єктом, на якому біотехнологи випробують новий метод боротьби з вампіризмом комарів.

Про те, як борються з комарами-переносниками жовтої лихоманки, див. [4].

1. Bradshaw W. E. Blood-feeding and capacity for increase in the pitcher-plant mosquito, Wyeomyia smithii // Environ Entomol.,1980, 9, p. 86–89.

2. Bradshaw W. E., Burkhart J., Colbourne J., Borowczak R., Lopez J., Denlinger D., Reynolds J., Pfrender M., Holzapfel Ch. Evolutionary transition from blood feeding to obligate nonbiting in a mosquito // Proc Natl Acad Sci USA, 2018, 115, 1009–1014, DOI:10.1073/pnas.1717502115.

3. Bradshaw W. E. Variable iteroparity as a life-history tactic in the pitcher-plant mosquito Wyeomyia smithii // Evolution, 1986, 40 (3), p. 471–478.

4. Резнік Н. Комари проти лихоманки.