
Оборону держат насекомые
Среди множества известных человеку видов живых существ, обитающих на Земле, – от бактерий и грибов до растений и животных, – доля насекомых составляет не менее трети. И, по мнению энтомологов, число описанных до сих пор видов этих крайне разнообразных созданий составляют не более одной десятой от их реального количества. Одетые в жесткий внешний панцирь маленькие шестиногие монстры в основном являются добропорядочными, старательными существами, необходимыми для полноценного функционирования биосферы. Наши отношения с этими многочисленными соседями складываются не всегда по-добрососедски: часть из них ежегодно взимает с человека дань в виде четверти мирового урожая, пользуется его лесными посадками, постройками, да и самим телом не брезгует. Однако и на эту столь хорошо адаптированную группу организмов есть своя управа…
Несмотря на высокую пластичность и поразительную приспособляемость насекомых к самым разным условиям внешней среды, они, как и человек, подвержены болезням. Принимая во внимание бесчисленное многообразие видов, мест обитания, а также сложность жизненного цикла насекомых, не приходится удивляться и огромному числу и многообразию их заболеваний. Более того, ряд ученых вполне обоснованно полагает, что если учесть всех инфекционных агентов, которые могут поражать насекомых (в том числе и пока не известных науке), то их количество будет намного превышать число видов самих насекомых.
Все это многообразие сказывается на характере взаимоотношений насекомых с их паразитарным окружением: процесс формирования устойчивости насекомого к тому или иному патогену будет значительно различаться в зависимости от вида, стадии развития и физиологического состояния хозяина, а также от вида самого паразита.
Тем не менее существуют общие принципы, характерные для всего класса насекомых, которые определяют их взаимодействие с патогенами и касаются работы физиологических систем, ответственных за устойчивость организма к болезням.
Однако прежде всего остановимся на существенных особенностях строения насекомых, отличающих их от многих других обитателей нашей планеты.
Отличительной особенностью насекомых является в первую очередь наличие так называемого внешнего скелета – кутикулы, прочного и гибкого наружного покрытия, состоящего преимущественно из хитина (полисахарида, близкого к растительной целлюлозе). Подобное эволюционное «приобретение» не только стало основным ограничителем размеров тела насекомых (как, впрочем, и других членистоногих – раков, пауков и т. д., а также ряда других беспозвоночных), но и сказалось на строении и функционировании многих физиологических систем, таких как дыхательная и пищеварительная.
Возникновение достаточно жесткого внешнего скелета у насекомых привело к появлению многократных линек, заключающихся в смене старого хитинового панциря новым, большего размера. Линька у насекомых – результат действия сложного комплекса физиологических механизмов – зачастую сопровождается полной перестройкой организма.
И, наконец, кровеносная система, которая у насекомых не замкнута: кровеносные сосуды открываются у них прямо в полость тела – гемоцель, в котором расположено сердце, свободно омываемое кровью.
Все вышеперечисленные особенности существенным образом сказались на формировании иммунной системы насекомых. И хотя традиционно считается, что для них характерен лишь так называемый врожденный иммунитет, вопрос о наличии у насекомых адаптивного иммунитета до сих пор остается открытым.
Что же произойдет, если паразит попытается проникнуть в организм насекомого?
Сквозь хитиновые доспехи
Паразиты могут попасть в организм насекомого двумя основными путями – через кишечник и кутикулу, причем эти пути принципиально различаются только на первых этапах.
Для вскрытия своеобразного хитинового «сейфа» многие паразиты используют химические «инструменты» – гидролитические ферменты, которые разрушают структурные компоненты покровов насекомых. Кроме того, паразиты могут синтезировать ряд химических соединений (токсинов), которые способны проникать через кутикулу и угнетать некоторые физиологические функции хозяина, в том числе работу иммунной системы.
В любом случае при проникновении паразита повреждается не только сам бесклеточный покров, но и непосредственно эпидермальные клетки, подстилающие кутикулу. А это уже имеет самые серьезные последствия. К месту проникновения паразита устремляются гемоциты – клетки крови, среди которых есть так называемые иммунокомпетентные клетки, которые тут же пытаются поглотить паразита. Если это не удается по причине большого числа либо большого размера инфекционных агентов, гемоциты жертвуют собой: происходит их частичное или полное разрушение. Некоторые компоненты погибших клеток являются своего рода сигналом для гемоцитов других типов, которые также устремляются к месту чужеродного вторжения.
Одновременно в организме насекомого по каскадному принципу активируются ферменты, запускающие меланогенез, т. е. процесс образования вещества меланина. Последний представляет собой высокомолекулярный пигмент черного или темно-коричневого цвета, широко распространенный в живом мире (от бактерий и растений до животных). Ключевыми ферментами меланогенеза у насекомых являются фенолоксидазы, которые в неактивном виде «хранятся» в кутикуле, в клетках крови и в лимфе. Существенную роль в активации ферментов играют и различные паттерн распознающие белки (ПР), способные связываться с определенными веществами, входящими в состав грамм-отрицательных бактериальных и грибных клеток. Эти белки подобны тем, что участвуют в работе иммунной системы позвоночных животных.
Для насекомых меланин является поистине универсальным веществом: входя в состав кутикулы, он не только определяет ее цвет, но и служит структурным компонентом наряду со склеротином, его близким «родственником». У меланина есть еще одно важное свойство: он способен формировать вокруг паразита, проникшего в полость тела насекомых, своеобразную пигментную оболочку. И если учесть, что как полимер меланин характеризуется высокой механической прочностью, то заключенный в подобную оболочку паразит в результате оказывается полностью изолированным.
Кроме того, при образовании меланина образуется большое количество высоко реакционных соединений, в том числе ортохинонов и семихиноновых радикалов, которые при взаимодействии с кислородом способны образовывать спектр других радикалов (Nappi et al., 2000). Процесс меланизации сопровождается генерацией всем известной перекиси водорода, которая также может приводить к возникновению высоко реакционных соединений (например, гидроксильного радикала). Все эти вещества способны непосредственно уничтожить паразита как при его проникновении в организм, так и во время образования капсулы.
Необходимо отметить, что вышеперечисленные соединения не являются специфичными и способны уничтожить любые клетки, в том числе и собственного организма. Для предотвращения их пагубного действия в организме насекомых формируются специальные системы, детоксицирующие (нейтрализирующие) высоко реакционные соединения меланогенеза. Одновременно они же участвуют и в детоксикации метаболитов паразитов.
Характер активации детоксицирующей и антиоксидантой систем организма зависит от вида паразита и стадии развития самого насекомого. В крови насекомых начинают появляться новые дополнительные изоформы (варианты) эстераз – детоксицирующих ферментов. Этот процесс, по-видимому, универсален: подобное явление ранее было зарегистрировано при действии на насекомых резких переохлаждений, а также при их обработке различными инсектицидами.
Таким образом, организм насекомого при проникновении в него паразита находится под своеобразным прессом воздействия различных систем. И хотя защитные системы насекомых способны предотвратить интоксикацию организма и в ряде случаев привести к выздоровлению, сверхактивность любой из них может привести к гибели самого насекомого.
В частности, образование больших количеств высоко реакционных соединений сопровождается повреждением тканей и клеток собственного организма. И, напротив, повышенная активность антиоксидантной системы приводит к ингибированию защитной системы. Кроме того, в этом случае могут возникать существенные дисфункции ряда органов, так как определенное количество высоко реакционных соединений необходимо для нормального функционирования клеток.
Паразит – стратег и тактик
Паразит использует разные стратегии, чтобы «перехитрить» иммунную систему организма-хозяина и успешно завершить свое развитие. Один из наиболее эффективных способов – иммуносупрессия, т. е. ингибирование определенных звеньев иммунитета насекомых. Например, ингибирование активности ферментов фенолоксидаз приводит к нарушению образования меланина и свободных радикалов. Такая стратегия характерна для наиболее агрессивных паразитов, которые, как правило, приводят к гибели хозяина-насекомого.
В других случаях паразит стремится скрыться от «всевидящего ока» иммунитета: их поверхностные молекулярные структуры не распознаются иммунно-компетентными клетками организма-хозяина. Подобный камуфляж – молекулярная мимикрия – свойствен в первую очередь тем паразитам, которые используют насекомое в качестве дополнительного хозяина и которым невыгодна его гибель. Примером являются паразитические черви – трематоды, окончательным хозяином которых являются позвоночные, а насекомые используются лишь в качестве транспортного средства. При проникновении в организм насекомого эти паразиты становятся неактивными и покрываются многослойными оболочками, поверхность которых абсолютно инертна.
Иногда паразит «прячется» от иммунной системы внутри клеток организма-хозяина, как, например, микроспоридия, относящаяся к простейшим (одноклеточным организмам-эукариотам). Этот паразит еще и активирует некоторые защитные звенья хозяина, в частности, его детоксицирующую систему. Подобное «подстегивание» приводит к повышению устойчивости хозяина-насекомого к повторному заражению, что избавляет паразита от возможной «внутрихозяинной» конкуренции.
Нужно заметить, что среди паразитов высоковирулентные встречаются в природе крайне редко. И это не удивительно. Например, агрессивные микроскопические грибы – возбудители микоза насекомых могут приводить к массовой гибели последних. В результате из природных сообществ практически исчезают чувствительные к этому патогену виды насекомых, причем восстановление их численности может затянуться на годы. При это сам паразит, естественно, также элиминируется из природного круговорота.
В случае, если паразит мало активен, он также элиминируется из сообщества. Наиболее выгодна позиция паразита с «умеренной» вирулентностью: при заражении погибает лишь незначительная часть популяции хозяина, а остальная сосуществует с паразитом, платя ему своеобразную дань. Пример – те же микроскопические грибы, поражающие кутикулу насекомых. Если такой паразит сможет удержаться в кутикуле, но не проникнет в организм благодаря активным действиям иммунной системы, то в следующую линьку насекомое от него избавится. Однако паразиту это и нужно: он уже заселил высококалорийный субстрат, и на этом «аппетитном кусочке» может успешно развиваться дальше. И насекомое также не остается при этом в проигрыше: у него синтезируются дополнительные изоформы эстераз и активируется иммунная система, что будет способствовать не только отражению атак других паразитов, но и повышению устойчивости организма к различным инсектицидам.
Однако подобная идиллия между хозяином и паразитом может легко нарушиться, если насекомое подвергнется каким-либо неблагоприятным воздействиям: резкому перепаду температур, повышенной влажности, ухудшению качества корма и т. д. Снижение жизнеспособности насекомых может повышать их чувствительность к грибу-паразиту, и тогда их отношения начинают развиваться по первому варианту. В конечном счете все заканчивается эпизоотией, т. е. массовой гибелью.
В результате коэволюции паразита и хозяина формируются сложные многокомпонентные системы, которым свойствен определенный уровень динамического равновесия, что позволяет существовать в природе как хозяину (насекомому), так и паразиту. Естественно, что под воздействием различных факторов системы могут изменяться, но если рассматривать их с точки зрения достаточно больших временных отрезков, то можно говорить о их неком постоянстве в природе.
Держать на контроле
Фундаментальные исследования механизмов функционирования системы «паразит—хозяин» дают не только пищу для размышлений энтомологам, физиологам и эволюционистам. Полученную информацию можно использовать в сугубо практических целях – для разработки стратегий контроля за насекомыми-вредителями, дающими массовые вспышки численности.
В настоящее время для контроля численности насекомых используют биопрепараты на основе природных патогенов. Наиболее часто в качестве основы применяют бактерии Bacillus thuringiensis, образующие при спорообразовании белковый кристалл, токсичный для ряда видов насекомых. Есть биопрепараты, созданные на основе вирусов, патогенных грибов и простейших. Оказалось, что для контроля за численностью «нежелательных» насекомых можно также использовать вещества, которые будут не убивать их, а лишь ингибировать определенные звенья имунной системы.
Например, в результате ингибирования детоксицирующих ферментов можно понизить устойчивость насекомых к паразитам и в результате существенно повысить эффективность инсектицидных препаратов на основе природных патогенов. В частности, при испытании ряда фосфоорганических инсектицидов в крайне низких (на 2—3 порядка ниже обычной) дозах активность патогенных грибов увеличивалась в несколько раз.
Однако поскольку такие химические инсектициды экологически небезопасны даже в небольших количествах, исследователи ведут поиск альтернативных активаторов паразитов. Так, было обнаружено, что при обработке насекомых некоторыми веществами, выделенными из растений, активность ряда паразитов, в частности грибов и вирусов, повышается. Еще один путь создания эффективных инсектицидных биопрепаратов – использование одновременно двух патогенов в качестве основы (так называемые микспрепараты).
Особенно перспективным является использование паразитов, которые поражают различные органы насекомых в разные временные периоды. Пример – бактерия Pseudomonas, обладающая высокой токсичностью для саранчовых, и в первую очередь – для перелетной саранчи, одного из массовыхи опаснейших вредителей посевов. При совместном использовании этих бактерий и патогенных грибов первые вызывают гибель части насекомых уже в первые сутки болезни, тогда как в последующие дни насекомые гибнут от микоза. Причем практически сразу после инфицирования насекомых бинарной смесью их активность падает и передвижение замедляется. Последнее очень важно для предотвращения распространения и локализации очагов саранчовых.
При всех положительных сторонах биопрепаратов – экологической безопасности, возможности создания долговременных очагов циркулирующих (персистирующих) болезней в природных популяциях насекомых-вредителей – у них есть и свои недостатки, которые, в принципе, преодолимы.
Первое – нестабильность в природных условиях. Чтобы справиться с этим, необходимо использовать различные протекторы, защищающие их, в первую очередь, от солнечных лучей. Второе – большой период «отсрочки» действия препаратов. В этом случае может помочь использование двух и более патогеных микроорганизмов при одновременном применении химических «активаторов» патогенов.
И, наконец, недостатком современных биопрепаратов является, безусловно, их дороговизна и трудоемкость. Снизить расходы можно благодаря использованию химических «активаторов» и протекторов патогенов, а также оптимизации технологии наработки патогенных микроорганизмов.
Таким образом, при создании биопрепаратов необходимо учитывать как биологические особенности паразитов, используемых в качестве основы, так и физиологическое состояние самих объектов – насекомых. Наиболее перспективным, по-видимому, является создание комплексных препаратов на основе не менее двух патогенов в сочетании с химическими соединениями, снижающими устойчивость насекомых к заболеваниям.
При наличии подобных химических «супрессоров» можно вовлекать в борьбу против насекомых и микроскопических обитателей природных сообществ. Например, при повторных обработках можно использовать лишь химические инсектициды (но уже в гораздо меньших дозах), предоставив остальную работу по уничтожению вредителей их природным врагам. Подобная технология является сегодня своеобразным, но вполне приемлемым компромиссом на пути достижения абсолютно безопасных для окружающей среды биологических или биохимических препаратов, избирательно направленных на одну цель – насекомое-вредителя.
Литература
Воронцова Я. Л., Ершов Н. И., Глупов В. В. Влияние микроспоридии Vairimorpha ephestiae (Microsporidia: Burenellidae) на активность и спектр неспецифических эстераз различных тканей личинок большой вощинной огневки Galleria mellonella (Lepidoptera: Pyralidae) // Паразитология. 2006. Т. 40. С. 74—84.
Глупов В. В., Слепнева И. А. Механизмы цитотоксичности // Патогены насекомых: структурные и функциональные аспекты, под ред. В. В. Глупова. Москва: Изд-во «Круглый год», 2001. С. 501—513.
Крюков В. Ю., Леднёв Г. Р., Дубовский И. М. Перспективы применения энтомопатогенных гифомицетов (Deuteromycota, Hyphomycetes) для регуляции численности насекомых // Евразиатский энтомологический журнал. 2007. Т. 6. С. 195—204.
Серебров В. В., Алексеев А. А., Глупов В. В. Изменение активности и спектра эстераз гемолимфы гусениц вощинной моли Galleria mellonella L. (Lepidoptera: Pyrallidae) при микозах // Изв. РАН. Сер. биол. 2001. № 5. С. 588—592.
Cerenius L., Soderhall K. The prophenoloxidase-activating system in invertebrates // Immunol. Rev. 2004. V. 198. P. 116—126.
Dziarski R. Peptidoglycan recognition proteins (PGRPs) // Mol. Immunol. 2004. V. 40. P. 877—886.
Komarov D. A., Slepneva I. A., Glupov V. V. Khramtsov V. V. Superoxide and hydrogen peroxide formation during enzymatic oxidation of DOPA by phenoloxidase // Free Radical Res. 2005. V. 39. P. 853—858.
Nappi A. J., Christensen B. M. Melanogenesis and associated cytotoxic reactions: Applications to insect innate immunity // Insect Biochem. Mol. Biol. 2005. V. 35. P. 443—459.
Slepneva I. A., Komarov D. A., Glupov V. V. Influence of fungal infection on the DOPA-semiquinone and DOPA-quinone production in haemolymph of Galleria mellonella larvae // BBRS. 2003. V. 300. P. 188—191.
В публикации использованы фотографии В. Глупова. Фотографии клеточных препаратов с помощью световой микроскопии сделаны Н. Крюковой (ИСиЭЖ СО РАН)
Редакция благодарит сотрудников ИСиЭЖ СО РАН к. б. н. В. Ю. Крюкова, к. б. н. И. М. Дубовского за помощь в подготовке публикации
