Долгожитель-паразит, продлевающий жизнь хозяина

Доклады Российской академии наук, 2005, том 403, № 5, с. 1–5 | ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова Российской Академии наук, Москва

В данной статье на примере системы «моллюск-рыба» мы представим доказательства того, что паразит одновременно может ингибировать старение хозяина и стимулировать неспецифиче­скую устойчивость к стрессам, т. е. регулировать продолжительность жизни. Эти многолетние данные были получены в ходе разработки биотехнологии восстановления исчезающего вида жемчужницы и приведены ниже.

Тихоокеанский лосось рода Oncorhynchus (сем. Salmonidae), неизбежно умирающий после первого же в жизни нереста, является ярким примером природного феномена, названного феноптозом — запрограммированной смерти особи — как способа очистки сообщества организмов от ставших лишними индивидуумов посредством включения ими программы собственной гибели [10]. Все без исключения виды рода Oncorhynchus — кета, горбуша, кижуч, чавыча, нерка, сима и другие — массово гибнут в результате ускоренного старения (прогерии) вскоре после окончания длительной анадромной миграции из океана в реку на нерестилище и вымета икры. Их смерть не связана с перерасходом энергии, так как даже когда кета и горбуша нерестятся в совсем коротких речках — ключах, где течение едва заметно, рыбы все равно умирают в двухнедельный или месячный срок после нереста. Гибель происходит вследствие включения особой биохимической программы, в которой ключевую роль играет продукция стероидных гормонов, в частности гормона стресса кортизола. Ускоренное старение тихоокеанских лососей можно предотвратить, если у неполовозрелых рыб удалить гонады или надпочечники. Тогда жизненный цикл чавычи продлевается в два раза: с 4 до 8 лет [9, 8]. Биологический смысл самоубийства родителей-лососей состоит в том, что тела рыб служат источником пищи для речных беспозвоночных, которые в свою очередь поедаются маленькими лососями [13]. Важными сигналами к включению программы прогерии служит переход лососей из морской воды в пресную, вымет половых продуктов, стрессы от конфронтации на нерестилищах.

В природе, однако, обнаруживается удивительный пример, когда биохимическая программа пострепродуктивного самоубийства атлантического лосося (семги) Salmo salar может выключиться под воздействием симбиотического организма — тканевого паразита эпителия жабр лосося — личинки пресноводной жемчужницы Margaritifera margaritifera. Тем самым предельная продолжительность жизни лососей — хозяев жемчужницы в процессе коэволюции продлевается до 13 лет, и лососи оказываются способными нерестится многократно — от 2 до 6 раз.

В данной статье на примере системы «моллюск-рыба» мы представим доказательства того, что паразит одновременно может ингибировать старение хозяина и стимулировать неспецифическую устойчивость к стрессам, т. е. регулировать продолжительность жизни. Эти многолетние данные были получены в ходе разработки биотехнологии восстановления исчезающего вида жемчужницы и приведены в табл. 1, 2.

Пресноводная жемчужница (сем. Margaritiferidae, отряд Unionoida) — наиболее долгоживущий вид из беспозвоночных животных, достигающий максимального возраста 200 лет [3, 14]. Палеонтологические данные указывают, что жемчужница и лососи рода Salmo (семга и кумжа) совместно эволюционировали в Европе 8 млн. лет, с плиоцена, и современный ареал моллюска вписывается в ареалы этих видов рыб [12].

К XXI веку в Европе несколько десятков воспроизводящихся популяций М. margaritifera остались в России, странах Фенноскандии и Шотландии. Во время изучения в разных водоемах северо-запада России особенностей развития личинок (глохидиев) жемчужницы на жабрах молоди и взрослых рыб атлантического лосося мы обратили внимание на то, что зараженные личинками производители-лососи не умирают после нереста осенью и не скатываются в море, а продолжают жить в реке без признаков прогерии до следующего лета [12]. При этом дикие лососи вынашивают на жабрах в зимний период до 2–7 тыс. мелких (диаметром 50–70 мкм) глохидиев жемчужниц на 1 рыбу. К лету у этих похудевших, но проворных рыб обычно сохраняется нормальный агрессивный рефлекс — атаковывать блесну спиннингиста.

Таблица 1. Сравнение выживаемости двух групп производителей лосося S. salar, (экспериментально зараженных и незараженных личинками жемчужницы) в садках после воздействия трех типов стрессов

Примечание. Звездочка — отличие достоверно у сравниваемых групп (зараженные — незараженные), Р<0.05.

Таблица 2. Сравнение двух групп мальков рыб — диких пестряток лосося S. salar: инфицированных личинками жемчужницы (главном русло р. Варзуга) и неинфицированных по наличию грибковых поражений кожи (сапролегния) и опухолей кожи (эпителиома)

Примечание. Звездочка — отличие достоверно у сравниваемых групп мальков лосося (жители главного русла — жители болотистых притоков). Р < 0.05

В бассейне Белого моря летняя экологическая форма лосося проводит в реках один год (с июня по июнь следующего года), а осенняя форма — почти два года (например, с августа 2002 г. до июня 2004 г.). Таким образом, осенняя форма лосося может вынашивать личинок жемчужниц дважды за один визит из моря в реку. Летом обе формы производителей лососей скатываются в море и только после этой миграции большинство рыб в море погибает от истощения. Наиболее сильные рыбы выживают. Доля повторно и трехкратно размножающихся рыб составляет 10–40%. Отмечаются случаи 5- и 6-кратного нереста [4].

Биологический смысл подавления программы старения рыб, зараженных личинками жемчужницы, состоит в следующем. Личинки растут в жабрах рыбы и увеличиваются в размерах до 10 раз. Им требуется для завершения паразитической фазы около 1500 градусо-дней. В холодных речках северной Европы годовая сумма градусо-дней составляет 1750, так что личиночная фаза моллюска оказывается очень длинной: 300–350 сут. В отличие от паразитического гельминта — червя лигулы, физически убивающего промежуточного хозяина-рыбу, чтобы попасть в окончательного хозяина-птицу, паразитическому моллюску критически важно чтобы жизнь хозяина не оборвалась и не оказалась короче личиночной стадии моллюска, т. е. 8–11 мес. Жемчужница заботится, чтобы лосось-хозяин (взрослый производитель и молодь-пестрятка), принявший на жабры порцию личинок осенью, не умер от быстрого старения, а прожил в здоровом состоянии как можно дольше — как минимум до следующего лета, с тем чтобы маленький моллюск успел завершить свой долгий метаморфоз в жабрах рыбы, покинуть хозяина и перейти к свободному образу жизни на дне реки. За миллионы лет коэволюции моллюск-симбионт выступал как фактор движущего отбора на увеличение приспособленности и долголетия хозяина и вполне мог внедрить в геном хозяина часть своих «генов долголетия», например, генов, контролирующих устойчивость к голоданию или асфиксии [15].

Следует отметить, что у самих жемчужниц, даже старых, до недавнего потепления климата не было отмечено болезней, паразитов и опухолей. Скорее всего особи почтенного возраста погибают не от старческих болезней, а из-за непрерывного аллометрического роста, ведущего к чрезмерному утяжелению раковины к концу жизни [2].

Теперь рассмотрим возможные объяснения всех этих данных альтернативных гипотезе выключения старения. Например, можно было бы постулировать, что лососи Salmo живут дольше в Фенноскандии, чем лососи Oncorhynchus на Сахалине, потому что на севере ниже температуры среды и замедлен обмен веществ. Но этому противоречит результат акклиматизации горбуши Сахалина на Белое море в 70-х годах: в тех же жемчужно-лососевых реках (Варзуга, Умба, Кереть и др.) горбуша погибала после нереста [3, 13], т. е. жизнь горбуши от низких температур не продлевалась. Значит, признак «посленерестовая гибель» у горбуши невозможно модифицировать простым понижением температуры.

Можно возразить иначе: европейская жемчужница вовсе не продлевает жизнь хозяина, а просто пользуется более длинной речной фазой жизни атлантического лосося: личинки не спеша растут на хозяине, пока он жив. Но при такой трактовке образ жизни и поведение атлантического лосося после окончания размножения представляются достаточно бессмысленными: спрашивается, зачем потерявший после нереста 50% массы лосось (в пресной воде он не питается) бесцельно плавает в реке еще 8–9 месяцев? Ведь ему несомненно лучше скатиться по течению в море и там нагуляться на богатых кормом акваториях течения Гольфстрим, поскольку впереди его ждет новый нерест. Вряд ли природа допустила бы такую ненужную расточительность.

Продление жизни лосося в реке приобретает вполне понятный биологический смысл, если принять, что рыба — это «суррогатная мать» для зародышей моллюска, обеспечивающая им питание, рост, защиту и расселение. В свою очередь, личинка моллюска, по-видимому регулярно секретирует в организм рыбы вещества, ингибирующие старение и стимулирующие стрессоустойчивость. Отметим, что взрослые моллюски обеспечивают маленьких лососей укрытиями на дне реки, обрастаниями (кормовой базой) и улучшают качество воды путем биофильтрации [13].

В экспериментах в садках обнаружилось, что паразит не только не наносит заметного ущерба, например, не нарушает формулу крови и двигательную активность сперматозоидов [12,13], но и непосредственно оздоравливает своего хозяина, повышая устойчивость к неблагоприятным факторам среды. Например, у отнерестившегося «лошалого» лосося, инфицированного жемчужницей, наблюдалась неплохая выживаемость (5.3% по сравнению со стопроцентной летальностью интактного лосося) при таких жестких стрессах, как асфиксия (45–60 с вне воды), или термический ожог жабр от горячих пальцев человека (13%). Выше на 14% также оказалась выживаемость лососей-носителей моллюска при ранениях тела рыбы крючками (табл. 1). Многолетние полевые исследования выявили, что не только у взрослых лососей, но и у молоди рыб жемчужница усиливает неспецифическую сопротивляемость к таким опасным заболеваниям, как опухоли-эпителиомы и грибковые поражения сапролегнией (табл. 2). Так, в реке Варзуга, где пока еще осталось в живых несколько десятков миллионов жемчужниц и порядка 10 млн. мальков, молодь лосося обнаруживает невиданную в мире высокую плотность поселений — 100–170 рыб на 100 м² (обычная плотность 20–40 рыб). При жиз­ни в таких перенаселенных местообитаниях лососи, имеющие территориально-оборонительное поведение, должны были бы находиться в хроническом стрессе из-за территориальных конфронтации. Однако в действительности этого нет, и лососи-пестрятки хорошо уживаются друг с другом (не теряя при этом нормальной агрессивнос­ти) на нерестово-выростных угодьях без признаков истощения нервной системы.

То, что личинки жемчужницы оптимизируют нейроэндокринный контроль поведения лососей, подтверждается отсутствием заболеваемости молоди лосося в главном русле реки Варзуга, где обитает 90% пестряток. Здесь мальки живут в прозрачной воде среди колоний жемчужниц и практически все являются носителями глохидиев. Из просмотренных 3200 мальков за период 1997–2003 гг. при визуальном исследовании нами не было обнаружено ни одного малька с изъязвлениями кожи, эктопаразитами, опухолями кожи и грибковыми заболеваниями. В то же время в болотистых притоках обитает примерно 10% пестряток. Здесь имеются благоприятные кормовые условия, и мальки достигают более крупных размеров, чем в главном русле. Однако вода малопрозрачна, имеет коричневый «чайный» цвет и здесь отсутствуют колонии жемчужницы. В притоках эпидемиологическая ситуация не столь идеальная — более 50 мальков из 2400 просмотренных оказались пораженными опухолями кожи и грибком-сапролегнией (табл. 2).

Личинки жемчужницы замедляют рост, созревание и продлевают длительность речного периода жизни молоди лосося. Рассмотрим, как это происходит на примере крупнейшей в Европе популяции атлантического лосося реки Варзуга. Специфика гидрологического режима реки (мелководность, отсутствие озер, изобилие болот в водосборе, мелкий нерестовый грунт и др.) обусловила формирование стада в основном из небольших рыб, массой 2–5 кг. Кроме того, селективный промысел неводами в XX в. «выбил» крупных рыб старших возрастных групп. Тем не менее у этого стада до сих пор сохраняется неожиданно сложная возрастная структура (12 возрастных категорий). Наблюдаются следующие возраста взрослых рыб (число лет в реке + число лет в море): 2+1+, 2+2+, 2+3+, 3+1+, 3+2+, 3+3+, 4+1+, 4+2+, 4+3+, 5+1+, 5+2+, 5+3+.

Ихтиологи давно уже обратили внимание на то, что в р. Варзуга молодь лосося скатывается из реки в море при значительно меньшей длине тела (10 см), чем в соседних реках (12–14 см). При этом высказывалось удивление: почему не наблюдается элиминации таких мелких и, казалось бы не готовых к обитанию в пелагиали моря рыб при их резком переходе из реки в море [3]. Наши многолетние данные по возрастной структуре мигрирующих летом вниз по течению по серебрившихся мальков-покатников (смолтов) указывают, что покатники из болотистых притоков скатываются в море уже в возрасте 2–3 лет, в то время как мальки из главного русла живут на колониях моллюска до 3–5 лет и только в этом возрасте покидают реку. В целом под влиянием жемчужницы средняя продолжительность жизни молодых лососей в реке до ската в море значительно больше, чем таковая в притоках (соответственно 3.3 и 2.5 г.). Имен­но минимальный срок в 0.8 г. (около 300 суток) требуется молодому моллюску, чтобы полностью завершить свою паразитическую стадию в рыбе. На некоторых крупных колониях жемчужницы среди покатников лосося доля рыб с возрастом 4–5 лет составляет 70% и средняя продолжительность речного периода жизни лосося достигает рекордных 3.8 г. Иммунологические аспекты отношений «паразит-хозяин» отношений в системе «жемчужница-рыба» изучались европейскими коллегами [7, 11] и нами [12, 13]. Оказалось, что хозяин способен определять и оставлять в живых безопасную дозу паразитов. Слабых глохидиев, медленно образующих цисты, иммунная система рыб убивает, однако успешные глохидии уверенно преодолевают иммунный ответ рыбы [12], о чем свидетельствуют факты повторных инвазирований мальков лосося личинками жемчужницы в Норвегии [11] и Шотландии [7] и успешного заражения взрослых лососей в российских «жемчужных» реках [13]. Выяснилось также, что паразитическая личинка, в свою очередь, умеет не только стимулировать клетки жабр хозяина к миграции и пролиферации во время процесса инкапсулирования. По завершению метаморфоза ли­чинки моллюск является причиной массовых некрозов клеток хозяина: во время выхода из многослойной капсулы он разрывает стенки цисты. Однако уже в течение 1–2 сут. после выхода паразита из лосося тысячи опустевших цист с рва­ными краями быстро рассасываются [12], что можно объяснить стимуляцией апоптоза и последующей регенерации в поврежденных тканях жабр. Нами ни в природных условиях, ни в экспериментах на рыбоводных заводах не отмечены случаи вторичных инфекций в жабрах рыб, покинутых глохидиями.

Известно, что у лососевых рыб такие проявления репродуктивной функции, как импринтинг, хоминг, охрана территории и икры, взаимодействия между особями, находятся под контролем нервной и эндокринной систем [5]. У лососевых рыб одна и та же нейроэндокринная клетка, расположенная в гипоталамо-гипофизарной системе — преоптическом ядре гипоталамуса, способна вырабатывать одновременно эндорфины, энкефалины, нейротензины, субстанцию Р, аналоги тройных гормонов аденогипофиза [6]. По-видимому, симбиоз с глохидиями может каким-то образом понижать активность перевозбужденного после нереста гипоталамуса лосося, чтобы удержать оптимальный уровень продукции гипофизарных гормонов. Тем самым могло бы ингибироваться включение программы старения у рыбы. Уместно вспомнить, что тихоокеанский лосось погибает от повышения деятельности цепочки: гипоталамус — гипофиз — кора надпочечников — увеличение гормона кортизола — атрофия тимуса (со снижением иммунитета) — повышение в крови сахара, жирных кислот, холестерина, гормона инсулина — смерть от инфарктов миокарда и почек и инсультов.

В. М. Дильман [1] был одним из первых, кто обратил внимание на то, что гормональные сдвиги при старении лосося и человека практически совпадают. Разница лишь в том, что у человека во много раз медленнее происходит то, что остро протекает у горбуши. Недавно на нерке из Колорадо (США) было показано, что отложение бета-амилоидных бляшек на нейронах мозга умирающего после нереста лосося поразительно напоминает течение болезни Альцгеймера у человека [8]. Нейроэндокринная и иммунная система у всех позвоночных животных, от лососей до человека, построена по единому проекту. Несомненно, что личинка жемчужницы каким-то образом нейтрализует старческие изменения в регуляторной системе лосося «гипоталамус — гипофиз — периферические эндокринные железы — гипоталамус». Мы унаследовали от наших предков рыб принципы управления подкорковыми структурами. Если личинки жемчужницы научились отключать программу старения лосося, то почему бы и человеку не воспользоваться подобными механизмами, чтобы кардинально продлить свою жизнь. Недавно была высказана мысль о том, что старение досталось нам от предков как вредный атавизм и его преодоление означало бы отмену старости. Одним из подходов к решению этой заманчивой задачи мог бы быть поиск специфических ингибиторов запрограммированной смерти организма [10]. Возможно, выяснение того, как та же проблема была решена эволюцией в случае симбиоза рыбы и моллюска, поможет достижению цели.

Автор благодарен В. П. Скулачеву за интересную дискуссию и критические замечания. Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 05-04- 48587).

Список литературы

• Дилъман В. М. Большие биологические часы. М.: Знание, 1986. 256 с.
• Зюганов В. В. // Успехи геронтологии. 2004. № 14. С. 21–30.
• Калюжин С. М. Атлантический лосось Белого моря: проблемы воспроизводства и эксплуатации. Петрозаводск: Петропресс, 2003. 263 с.
• Флеминг Я. В кн.: Атлантический лосось. Спб.: Наука, 1998. С. 127–141.
• Христофоров О. Л., Мурза И.Г. В кн.: Атлантический лосось. СПб.: Наука, 1998. С. 75–127.
• Ekengren В., Terlou М. // Ann. Biol. Anim. Biochem. andBiophys. 1978. v. 18. № 4. P. 837–842.
• Hastie L., Young M. // Hydrobiologia. 2001. v. 445. P. 109–119.
• Maldonado T. A., JonesR.E., NorrisD.O. // J. Neurobiol. 2002. v. 53. P. 21–35.
• Robertson O., Wexler В., Miller B. // Circ. Res. 1961. v. 9. P. 826–834.
• Skulachev v. P. In: Topics in Current Genetics. v. 3. Model systems in ageing. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, В.; 2003. P. 191–238.
• Wachtler K., Dreher-Mansur M., Richter T. // Ecol. Stud. 2001. Bd. 145. S. 93–125.
• Ziuganov v. , ZotinA., NezlinL., Tretiakov v. The Fresh­water Pearl Mussels and Their Relationships with Salmonid Fish. Moscow: VNIRO Publ. House, 1994. 104 p.
• Ziuganov v. , Beletsky v. , Neves R. et al. The Recreational Fishery for Atlantic Salmon and the Ecology of Salmon and Pearl Mussels in the Varzuga River North-west Russia. Blacksburg (Va): Virginia Tech, 1998. 92 p.
• Ziuganov v. , San Miguel E., Neves R. et al. // Ambio. 2000. v. 29. № 2. P. 102–105.
• Ziuganov v. , Popkovitch E., Neves R. et al. // World Congress. Malacology. Abstrs. Vienna: Vienna Unitas Malacologica, 2001. P. 405.

Скачать в формате.pdf